JP2013089499A - Fuel cell module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell module that favorably maintains startability, following characteristics, and efficiency and increases power generation efficiency.SOLUTION: A fuel cell module 12 comprises: a fuel cell stack 24; a partial oxidation reformer 45; a steam reformer 46; a vaporizer 48; a heat exchanger 50; and an off-gas combustor 52. The fuel cell module 12 also includes: a junction 57b that allows a steam passage 59a communicating with a steam outlet 73 of the vaporizer 48, and a reformed gas passage 57a communicating with a reformed gas outlet 61b of the partial oxidation reformer 45, to be joined together and connected to the steam reformer 46; and a first thermoelectric conversion section 74a and a second thermoelectric conversion section 74b that perform thermoelectric conversion by a difference in temperature between the combustion gas and the oxidant gas.

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。   The present invention relates to a fuel cell module including a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas.

通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体(以下、MEAともいう)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。   In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte, and an electrolyte / electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte. A joined body (hereinafter also referred to as MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやLNG等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料に、例えば、部分酸化改質や水蒸気改質を施すことにより、改質ガス(燃料ガス)が生成されている。   As the fuel gas supplied to the fuel cell, hydrogen gas generated from a hydrocarbon-based raw fuel by a reformer is usually used. In a reformer, a reformed gas (fuel gas) is generally generated by subjecting a hydrocarbon-based raw fuel such as fossil fuel such as methane or LNG to partial oxidation reforming or steam reforming, for example. Has been.

この場合、部分酸化改質器は、発熱反応であるため、比較的低温時に反応が開始されて起動性及び追従性に優れる一方、改質効率が低いという問題がある。   In this case, since the partial oxidation reformer is an exothermic reaction, the reaction is started at a relatively low temperature and the startability and followability are excellent, but the reforming efficiency is low.

これに対して、水蒸気改質器は、改質効率が高い一方、吸熱反応であるため、低温時の起動性及び追従性が低下するという問題がある。   On the other hand, the steam reformer has high reforming efficiency, but has an endothermic reaction, so that there is a problem that startability and followability at a low temperature are lowered.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている起動方法が知られている。この特許文献1は、図15に示すように、改質触媒を有する改質器1aと、改質ガスを燃料として用いるSOFC2aとを有するSOFCシステムの起動方法に関するものである。   Therefore, for example, a startup method disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 15, this patent document 1 relates to a method for starting an SOFC system having a reformer 1a having a reforming catalyst and an SOFC 2a using reformed gas as fuel.

改質器1aは、改質触媒を収容する改質反応管3aが、容器4a内に若しくは前記容器4aを貫通して設けられている。改質反応管3a内には、前段に部分酸化改質触媒Aが充填され、後段に水蒸気改質触媒Bが充填されて改質触媒層が形成されている。   In the reformer 1a, a reforming reaction tube 3a that accommodates a reforming catalyst is provided in the container 4a or through the container 4a. In the reforming reaction tube 3a, the partial oxidation reforming catalyst A is filled in the former stage and the steam reforming catalyst B is filled in the latter stage to form the reforming catalyst layer.

この起動方法では、部分酸化改質(POX)機能を有する触媒A及び水蒸気改質(SR)機能を有する触媒Bを用い、燃焼熱又は電気で触媒AをPOX反応進行可能温度まで昇温する工程;POX反応熱で触媒Bを昇温し改質ガスをアノードに供給してSOFC2aを昇温する工程及びアノードから排出される改質ガスを燃焼させた燃焼熱で触媒Bを加熱する工程、又はPOX反応熱で触媒Bを昇温し改質ガスを燃焼させた燃焼ガスをカソードに供給してSOFC2aを昇温しこの燃焼ガスで触媒Bを加熱する工程;触媒BがSR反応が進行可能な温度になった後、POX反応の割合を低減し又はPOX反応を停止して、SRを行う工程を有している。   In this start-up method, the catalyst A having a partial oxidation reforming (POX) function and the catalyst B having a steam reforming (SR) function are used, and the temperature of the catalyst A is raised to a temperature at which the POX reaction can proceed by combustion heat or electricity. A step of heating the catalyst B with POX reaction heat and supplying a reformed gas to the anode to raise the temperature of the SOFC 2a and a step of heating the catalyst B with the combustion heat obtained by burning the reformed gas discharged from the anode, or A step of heating the catalyst B with the POX reaction heat and supplying the combustion gas obtained by burning the reformed gas to the cathode to raise the temperature of the SOFC 2a and heating the catalyst B with this combustion gas; After the temperature is reached, there is a step of performing SR by reducing the rate of the POX reaction or stopping the POX reaction.

また、特許文献2に開示されている燃料電池では、図16に示すように、固体酸化物形の燃料電池本体1bと、前記燃料電池本体1bの発電時に当該燃料電池本体1bのアノード側へ燃料ガスを供給する第1の燃料ガス供給系2bと、前記燃料電池本体1bの運転開始期及び運転停止期に当該燃料電池本体1bのアノード側へ少量の燃料ガスを酸化防止ガスとして供給する第2の燃料ガス供給系3bと、前記燃料電池本体1bのカソード側へ全期間を通して空気を酸化ガスとして供給する酸化ガス供給系4bとを備えている。   Further, in the fuel cell disclosed in Patent Document 2, as shown in FIG. 16, a solid oxide fuel cell main body 1b and fuel to the anode side of the fuel cell main body 1b during power generation of the fuel cell main body 1b. A first fuel gas supply system 2b for supplying gas; and a second fuel gas supply system for supplying a small amount of fuel gas as an antioxidant gas to the anode side of the fuel cell main body 1b during the operation start and stop periods of the fuel cell main body 1b. And an oxidizing gas supply system 4b for supplying air as an oxidizing gas to the cathode side of the fuel cell body 1b throughout the entire period.

燃料電池本体1bは、複数枚のインターコネクタの各間に電極付き固体電解質板を挟んで積層した円柱形状の電池セルFCと、運転開始期に前記電池セルFCを予熱するバーナー5bと、運転開始期に前記電池セルFCと共に予熱され、前記電池セルFCから排出される排ガスを酸化ガスと熱交換して酸化ガスを予熱する熱交換器6bと、前記電池セルFCと組み合わされ、運転開始期にはバーナー5b等により前記電池セルFCと共に予熱され、発電時は前記電池セルFCでの発熱等により加熱される2種類の改質器である水蒸気改質器7b及び部分酸化改質器8bとを有している。   The fuel cell main body 1b includes a cylindrical battery cell FC that is laminated with an electrode-attached solid electrolyte plate sandwiched between a plurality of interconnectors, a burner 5b that preheats the battery cell FC at the start of operation, and an operation start. In combination with the battery cell FC, a heat exchanger 6b that preheats together with the battery cell FC in the period and exchanges the exhaust gas discharged from the battery cell FC with the oxidant gas to preheat the oxidant gas. The steam reformer 7b and the partial oxidation reformer 8b, which are two types of reformers that are preheated together with the battery cell FC by a burner 5b or the like and heated by the heat generated in the battery cell FC during power generation, etc. Have.

そして、発電時に第1の燃料ガス供給系2bを用いて、発電に必要な大流量な燃料ガスを燃料電池本体1bへ供給し、発電開始期及び発電停止期には、前記燃料電池本体1bがセル酸化温度領域を通過する時、第2の燃料ガス供給系3bを用いて部分酸化改質による燃料ガスを酸化防止に必要な小流量で前記燃料電池本体1bへ供給している。   Then, the first fuel gas supply system 2b is used during power generation to supply a large amount of fuel gas necessary for power generation to the fuel cell main body 1b. During the power generation start period and power generation stop period, the fuel cell main body 1b is When passing through the cell oxidation temperature region, the second fuel gas supply system 3b is used to supply fuel gas by partial oxidation reforming to the fuel cell main body 1b at a small flow rate necessary for preventing oxidation.

特開2006−190605号公報JP 2006-190605 A 特開2005−293951号公報JP 2005-293951 A

上記の特許文献1では、改質反応管3a内に部分酸化改質触媒A及び水蒸気改質触媒Bが充填されており、部分酸化改質のみを行う際にも、前記改質反応管3a内に水蒸気が供給されている。このため、部分酸化改質時に、水を蒸発させるための熱量が必要になり、熱効率が低下するとともに、水蒸気による圧力損失が発生するという問題がある。しかも、改質反応管3a内の温度制御が煩雑化するという問題がある。   In the above-mentioned Patent Document 1, the reforming reaction tube 3a is filled with the partial oxidation reforming catalyst A and the steam reforming catalyst B, and even when only partial oxidation reforming is performed, Is supplied with water vapor. For this reason, the amount of heat for evaporating water is required at the time of partial oxidation reforming, and there is a problem in that heat efficiency is reduced and pressure loss due to water vapor occurs. Moreover, there is a problem that the temperature control in the reforming reaction tube 3a becomes complicated.

また、上記の特許文献2では、水蒸気改質器7bと部分酸化改質器8bとが並列化されており、多数の電磁弁SV1〜SV5が設けられている。従って、回路が複雑化し、コストが高騰するとともに、シーケンスが複雑になるという問題がある。   Moreover, in said patent document 2, the steam reformer 7b and the partial oxidation reformer 8b are paralleled, and many electromagnetic valves SV1-SV5 are provided. Therefore, there is a problem that the circuit becomes complicated, the cost increases, and the sequence becomes complicated.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、起動性及び追従性と効率とを良好に維持するとともに、耐久性及び発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell module capable of maintaining good startability, followability, and efficiency, and improving durability and power generation efficiency. With the goal.

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気改質器に供給する蒸発器と、燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器とを備える燃料電池モジュールに関するものである。   The present invention includes a fuel cell stack that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a partial oxidation reformer that reforms a mixed gas of a raw fuel mainly composed of hydrocarbons and an oxidant gas, A steam reformer that reforms a mixed gas of the raw fuel and steam, an evaporator that evaporates water and supplies steam to the steam reformer, and the oxidant gas by heat exchange with a combustion gas A heat exchanger that supplies the oxidant gas to the fuel cell stack, a fuel exhaust gas that is the fuel gas discharged from the fuel cell stack, and an oxidant exhaust gas that is the oxidant gas. The present invention relates to a fuel cell module including an exhaust gas combustor that burns and generates the combustion gas.

そして、この燃料電池モジュールは、蒸発器の水蒸気出口に連通する水蒸気通路と、部分酸化改質器の改質ガス出口に連通する改質ガス通路とを合流させ、水蒸気改質器に接続する合流部と、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部とを備えている。   The fuel cell module joins a steam passage communicating with the steam outlet of the evaporator and a reformed gas passage communicating with the reformed gas outlet of the partial oxidation reformer to connect to the steam reformer. And a thermoelectric conversion unit that performs thermoelectric conversion by a temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas.

また、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガスを熱交換器、水蒸気改質器及び蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、酸化剤ガスを部分酸化改質器から燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路とを備えるとともに、熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記部分酸化改質器の上流側に設けられることが好ましい。   In this fuel cell module, the combustion gas is sequentially supplied to the heat exchanger, the steam reformer, and the evaporator, and the oxidizing gas is supplied from the partial oxidation reformer to the fuel cell stack. It is preferable that the thermoelectric converter is provided on the downstream side of the evaporator in the combustion gas passage and on the upstream side of the partial oxidation reformer in the oxidant gas passage.

このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。   For this reason, it is possible to recover the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy as electric energy without hindering the heat self-supporting, and to improve the power generation efficiency. Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted. Here, the heat self-sustained means that the operating temperature of the fuel cell system is maintained only by the heat generated by itself without adding the total amount of heat necessary for the operation of the fuel cell system from the outside.

さらに、この燃料電池モジュールでは、原燃料を部分酸化改質器に供給する原燃料通路を備え、酸化剤ガス通路は、前記原燃料通路に前記部分酸化改質器の上流側で合流するとともに、前記酸化剤ガス通路には、熱電変換部が配設されることが好ましい。従って、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。   Further, the fuel cell module includes a raw fuel passage for supplying raw fuel to the partial oxidation reformer, and an oxidant gas passage joins the raw fuel passage upstream of the partial oxidation reformer, It is preferable that a thermoelectric converter is disposed in the oxidant gas passage. Therefore, the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy can be recovered as electric energy, and the power generation efficiency can be improved. Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted.

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス通路は、部分酸化改質器に酸化剤ガスを供給する第1酸化剤ガス供給路部と、熱交換器に前記酸化剤ガスを供給する第2酸化剤ガス供給路部とに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることが好ましい。   Furthermore, in this fuel cell module, the oxidant gas passage includes a first oxidant gas supply passage for supplying an oxidant gas to the partial oxidation reformer, and a second oxidant gas for supplying the oxidant gas to the heat exchanger. It is preferable that an oxidant gas adjusting valve for branching to the oxidant gas supply path and for adjusting the distribution amount of the oxidant gas is disposed at the branch part.

これにより、燃料電池スタックと、水蒸気改質器、蒸発器及び熱交換器を含むFC周辺機器(BOP)とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。一方、水蒸気改質触媒及びアノード側を還元することができ、起動時間が短縮される。   As a result, the temperature of the fuel cell stack and the FC peripheral device (BOP) including the steam reformer, the evaporator and the heat exchanger can be raised at the same time, and the startup time can be shortened. On the other hand, the steam reforming catalyst and the anode side can be reduced, and the startup time is shortened.

しかも、燃料電池スタックの負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器により改質不足を補うことができる。このため、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。   In addition, even when insufficient reforming by the steam reformer is caused by insufficient heat due to load fluctuation of the fuel cell stack, the partial oxidation reformer can compensate for the insufficient reforming. For this reason, it becomes possible to follow the load fluctuation, and it is possible to suppress fuel depletion due to insufficient reforming, and to easily improve durability.

また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、酸化剤ガス通路に酸化剤ガス調整弁の上流側に位置して配置されることが好ましい。このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。   Moreover, in this fuel cell module, it is preferable that the thermoelectric converter is disposed in the oxidant gas passage so as to be located upstream of the oxidant gas regulating valve. For this reason, it is possible to recover the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy as electric energy without hindering the heat self-supporting, and to improve the power generation efficiency. Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted.

さらに、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、少なくとも第1酸化剤ガス供給路部又は第2酸化剤ガス供給路部に酸化剤ガス調整弁の下流側に位置して配置されることが好ましい。従って、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス調整弁の下流側で昇温されるため、前記酸化剤ガス調整弁の耐久性を損なうことがない。   Furthermore, in this fuel cell module, it is preferable that the thermoelectric converter is disposed at least on the first oxidant gas supply path or the second oxidant gas supply path and located downstream of the oxidant gas regulating valve. . Therefore, the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy can be recovered as electric energy without hindering the heat self-sustained, and the power generation efficiency can be improved. Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted. In addition, since the temperature of the oxidant gas is raised on the downstream side of the oxidant gas regulating valve, the durability of the oxidant gas regulating valve is not impaired.

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。これにより、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型熱電変換素子を使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型熱電変換素子を使用することができる。このため、温度差に応じて最適な熱電変換素子が用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。   Furthermore, in this fuel cell module, it is preferable that the thermoelectric conversion unit includes a plurality of thermoelectric conversion elements in which the combustion gas and the oxidant gas are set in parallel flow and at different thermoelectric conversion temperatures. Thereby, for example, since the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas becomes large on the upstream side of the parallel flow, the high temperature type thermoelectric conversion element is used, while the temperature difference becomes small on the downstream side of the parallel flow. Therefore, a low temperature type thermoelectric conversion element can be used. For this reason, since the optimal thermoelectric conversion element is used according to a temperature difference, efficient thermoelectric conversion can be performed reliably.

また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。従って、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。これにより、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。   Moreover, in this fuel cell module, it is preferable that the thermoelectric conversion unit includes a plurality of thermoelectric conversion elements set to have a predetermined thermoelectric conversion temperature while the combustion gas and the oxidant gas are set to counterflow with each other. Therefore, the thermoelectric conversion element set to the optimal thermoelectric conversion temperature can be used in the thermoelectric conversion part according to the assumed temperature difference. Thereby, efficient thermoelectric conversion can be reliably performed.

さらに、この燃料電池モジュールでは、熱電変換部は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることが好ましい。このため、熱電変換部内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。   Further, in this fuel cell module, the thermoelectric conversion unit is set to a flow in which the combustion gas and the oxidant gas cross each other or a symmetric flow, and a plurality of thermoelectric conversion elements set to a predetermined thermoelectric conversion temperature. It is preferable to provide. For this reason, in the thermoelectric conversion part, the thermoelectric conversion element set to the optimal thermoelectric conversion temperature can be used according to the assumed temperature difference. Therefore, efficient thermoelectric conversion can be reliably performed.

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、熱交換器内には、排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、前記熱交換器の一端には、水蒸気改質器が隣接して設けられることが好ましい。これにより、燃料電池モジュールの放熱を最小限に抑制することができ、熱エネルギの損失を良好に抑制することが可能になる。換言すれば、熱自立運転が促進される。しかも、燃焼用回路(配管等)が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。   Furthermore, in this fuel cell module, it is preferable that an exhaust gas combustor is integrally provided in the heat exchanger, and a steam reformer is provided adjacent to one end of the heat exchanger. Thereby, the heat radiation of the fuel cell module can be suppressed to the minimum, and the loss of thermal energy can be suppressed satisfactorily. In other words, heat independent operation is promoted. In addition, since the combustion circuit (piping and the like) is simplified and the number of parts is reduced, the size and cost can be reduced.

また、この燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。これにより、特にSOFC等の高温型燃料電池に最適である。   The fuel cell module is preferably a solid oxide fuel cell module. This is particularly suitable for high-temperature fuel cells such as SOFC.

本発明によれば、蒸発器の水蒸気出口に連通する水蒸気通路と、部分酸化改質器の改質ガス出口に連通する改質ガス通路とが、合流部で合流して水蒸気改質器に連通している。このため、部分酸化改質器からの高温(約600℃)の還元ガスが、水蒸気改質器に導かれるため、前記水蒸気改質器の起動時間(昇温及び還元時間)が短縮される。   According to the present invention, the steam passage that communicates with the steam outlet of the evaporator and the reformed gas passage that communicates with the reformed gas outlet of the partial oxidation reformer merge at the junction and communicate with the steam reformer. doing. For this reason, since the high-temperature (about 600 ° C.) reducing gas from the partial oxidation reformer is guided to the steam reformer, the startup time (temperature increase and reduction time) of the steam reformer is shortened.

しかも、高温の還元ガスは、水蒸気改質器から燃料電池スタックに供給されるため、前記燃料電池スタックの起動時間(昇温及び還元時間)が良好に短縮される。   In addition, since the high-temperature reducing gas is supplied from the steam reformer to the fuel cell stack, the start-up time (temperature increase and reduction time) of the fuel cell stack is favorably shortened.

さらに、高温の還元ガスは、排ガス燃焼器に導入されるため、燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガス、水蒸気改質器及び蒸発器を昇温させることができる。従って、燃料電池モジュールの起動期間の短縮が図られる。   Further, since the high-temperature reducing gas is introduced into the exhaust gas combustor, the oxidant gas, the steam reformer, and the evaporator before being supplied to the fuel cell stack can be heated. Therefore, the startup period of the fuel cell module can be shortened.

さらにまた、蒸発器で発生した水蒸気は、部分酸化改質器に流入することがない。これにより、部分酸化改質器の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になり、耐久性の向上が容易に図られる。   Furthermore, the steam generated in the evaporator does not flow into the partial oxidation reformer. Thereby, it becomes possible to suppress the steam oxidation of the catalyst of the partial oxidation reformer, and the durability can be easily improved.

また、燃料電池スタックの負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器により改質不足を補うことができる。このため、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。   Further, when insufficient reforming by the steam reformer is caused by insufficient heat due to load fluctuation of the fuel cell stack, the partial oxidation reformer can compensate for the insufficient reforming. For this reason, it becomes possible to follow the load fluctuation, and it is possible to suppress fuel depletion due to insufficient reforming, and to easily improve durability.

さらに、燃料電池モジュールは、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部を備えている。従って、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、特に起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。   Furthermore, the fuel cell module includes a thermoelectric conversion unit that performs thermoelectric conversion based on a temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas. Therefore, the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy can be recovered as electric energy, and the power generation efficiency can be improved without impairing the start-up time. Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted.

ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。   Here, the combustion gas is a gas generated in an exhaust gas combustor, which means a heating medium capable of giving heat energy by exchanging heat with an object to be heated, such as another gas, and releasing heat energy. After that, it is called exhaust gas.

また、熱自立とは、燃料電池システムの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システムの動作温度を維持することをいう。   Further, the heat self-sustainment means that the operating temperature of the fuel cell system is maintained only by the heat generated by itself without adding the whole amount of heat necessary for the operation of the fuel cell system.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system in which a fuel cell module according to a first embodiment of the present invention is incorporated. 前記燃料電池モジュールを構成するFC周辺機器の要部斜視説明図である。FIG. 3 is a perspective explanatory view of a main part of an FC peripheral device constituting the fuel cell module. 前記FC周辺機器の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the said FC peripheral device. 前記燃料電池モジュールを構成する第1及び第2熱電変換部の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the 1st and 2nd thermoelectric conversion part which comprises the said fuel cell module. 前記燃料電池システムの起動から発電までの動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement from starting of the said fuel cell system to electric power generation. 前記燃料電池システムの発電から低負荷運転の動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation | movement of low load driving | operation from the electric power generation of the said fuel cell system. 部分酸化改質及び水蒸気改質の出力と効率との関係説明図である。It is an explanatory view of the relationship between the output and efficiency of partial oxidation reforming and steam reforming. 前記燃料電池システムの発電停止の動作を説明するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an operation of stopping power generation in the fuel cell system. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。It is schematic structure explanatory drawing of the fuel cell system in which the fuel cell module which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is integrated. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。It is schematic structure explanatory drawing of the fuel cell system in which the fuel cell module which concerns on the 3rd Embodiment of this invention is integrated. 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの概略構成説明図である。It is schematic structure explanatory drawing of the fuel cell system in which the fuel cell module which concerns on the 4th Embodiment of this invention is integrated. 本発明の第5の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the thermoelectric conversion part which comprises the fuel cell module which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。It is a principal-part exploded perspective explanatory drawing of the thermoelectric conversion part which comprises the fuel cell module which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部の要部分解斜視説明図である。It is a principal-part exploded perspective explanatory drawing of the thermoelectric conversion part which comprises the fuel cell module which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 特許文献1に開示されている起動方法の説明図である。It is explanatory drawing of the starting method currently disclosed by patent document 1. FIG. 特許文献2に開示されている燃料電池の概略説明図である。6 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell disclosed in Patent Document 2. FIG.

図1に示すように、燃料電池システム10は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池モジュール12を組み込むとともに、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 incorporates the fuel cell module 12 according to the first embodiment of the present invention, and is used for various purposes such as in-vehicle use as well as stationary use.

燃料電池システム10は、燃料ガス(例えば、水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール(SOFCモジュール)12と、前記燃料電池モジュール12に炭化水素を主体とする原燃料(例えば、都市ガス)を供給する原燃料供給装置(燃料ガスポンプを含む)14と、前記燃料電池モジュール12に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(空気ポンプを含む)16と、前記燃料電池モジュール12に水を供給する水供給装置(水ポンプを含む)18と、前記燃料電池モジュール12の発電量を制御する制御装置20とを備える。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell module (SOFC module) 12 that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas (for example, a gas in which hydrogen gas is mixed with methane and carbon monoxide) and an oxidant gas (air). A raw fuel supply device (including a fuel gas pump) 14 for supplying raw fuel (for example, city gas) mainly composed of hydrocarbons to the fuel cell module 12, and an oxidant for supplying the oxidant gas to the fuel cell module 12 A gas supply device (including an air pump) 16, a water supply device (including a water pump) 18 that supplies water to the fuel cell module 12, and a control device 20 that controls the power generation amount of the fuel cell module 12. Prepare.

燃料電池モジュール12は、複数の固体酸化物形の燃料電池22が鉛直方向(又は水平方向)に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック24を備える。燃料電池22は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質26の両面に、カソード電極28及びアノード電極30が設けられた電解質・電極接合体(MEA)32を備える。   The fuel cell module 12 includes a solid oxide fuel cell stack 24 in which a plurality of solid oxide fuel cells 22 are stacked in the vertical direction (or horizontal direction). The fuel cell 22 includes, for example, an electrolyte / electrode assembly (MEA) 32 in which a cathode electrode 28 and an anode electrode 30 are provided on both surfaces of an electrolyte 26 made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia.

電解質・電極接合体32の両側には、カソード側セパレータ34とアノード側セパレータ36とが配設される。カソード側セパレータ34には、カソード電極28に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路38が形成されるとともに、アノード側セパレータ36には、アノード電極30に燃料ガスを供給する燃料ガス流路40が形成される。なお、燃料電池22としては、従来より使用されている種々のSOFCを用いることができる。   On both sides of the electrolyte / electrode assembly 32, a cathode side separator 34 and an anode side separator 36 are disposed. The cathode side separator 34 is formed with an oxidant gas flow path 38 for supplying an oxidant gas to the cathode electrode 28, and the anode side separator 36 is supplied with a fuel gas flow path 40 for supplying fuel gas to the anode electrode 30. Is formed. As the fuel cell 22, various SOFCs conventionally used can be used.

燃料電池スタック24には、各酸化剤ガス流路38の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔42a、前記酸化剤ガス流路38の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔42b、各燃料ガス流路40の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔44a、及び前記燃料ガス流路40の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔44bとが設けられる。   In the fuel cell stack 24, an oxidant gas inlet communication hole 42 a that communicates integrally with the inlet side of each oxidant gas flow path 38, and an oxidant gas outlet communication that communicates integrally with the outlet side of the oxidant gas flow path 38. A hole 42b, a fuel gas inlet communication hole 44a that communicates integrally with the inlet side of each fuel gas flow path 40, and a fuel gas outlet communication hole 44b that communicates integrally with the outlet side of the fuel gas flow path 40 are provided.

燃料電池モジュール12は、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器(POX)45と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器(SR)46と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気改質器46に供給する蒸発器48と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック24に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器50と、前記燃料電池スタック24から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器52とを備える。   The fuel cell module 12 reforms a mixed gas of the raw fuel and water vapor, and a partial oxidation reformer (POX) 45 for reforming a mixed gas of raw fuel mainly composed of hydrocarbon and oxidant gas. A steam reformer (SR) 46, an evaporator 48 for evaporating water and supplying steam to the steam reformer 46, and raising the temperature of the oxidant gas by heat exchange with the combustion gas, and the fuel A heat exchanger 50 for supplying the oxidant gas to the battery stack 24; a fuel exhaust gas as the fuel gas discharged from the fuel cell stack 24; and an oxidant exhaust gas as the oxidant gas; And an exhaust gas combustor 52 for generating gas.

燃料電池モジュール12は、基本的には、燃料電池スタック24とFC周辺機器56とにより構成される。FC周辺機器56は、部分酸化改質器45、水蒸気改質器46、蒸発器48、熱交換器50及び排ガス燃焼器52を備えるとともに、後述するように、前記水蒸気改質器46、前記熱交換器50及び前記排ガス燃焼器52間には、燃焼ガス用の配管を設けていない。   The fuel cell module 12 basically includes a fuel cell stack 24 and an FC peripheral device 56. The FC peripheral device 56 includes a partial oxidation reformer 45, a steam reformer 46, an evaporator 48, a heat exchanger 50, and an exhaust gas combustor 52. As will be described later, the steam reformer 46, the heat No piping for combustion gas is provided between the exchanger 50 and the exhaust gas combustor 52.

原燃料供給装置14は、原燃料を部分酸化改質器45に供給する原燃料通路57を備える。酸化剤ガス供給装置16は、酸化剤ガスを熱交換器50から燃料電池スタック24に供給する酸化剤ガス通路58を備えるとともに、水供給装置18は、水を蒸発器48に供給する水通路59を備える。   The raw fuel supply device 14 includes a raw fuel passage 57 that supplies the raw fuel to the partial oxidation reformer 45. The oxidant gas supply device 16 includes an oxidant gas passage 58 that supplies oxidant gas from the heat exchanger 50 to the fuel cell stack 24, and the water supply device 18 includes a water passage 59 that supplies water to the evaporator 48. Is provided.

FC周辺機器56では、熱交換器50内には、排ガス燃焼器52が一体に設けられるとともに、水蒸気改質器46は、前記熱交換器50の一端に隣接して設けられる。   In the FC peripheral device 56, the exhaust gas combustor 52 is integrally provided in the heat exchanger 50, and the steam reformer 46 is provided adjacent to one end of the heat exchanger 50.

図2及び図3に示すように、熱交換器50は、立位姿勢に配置されており、後述するように、酸化剤ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。水蒸気改質器46は、立位姿勢に配置されており、改質ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。熱交換器50の一方の側部(一端)には、水蒸気改質器46が直接装着される。水蒸気改質器46及び熱交換器50(排ガス燃焼器52を含む)は、水平方向(矢印A方向)に積層される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the heat exchanger 50 is arranged in a standing posture, and circulates the oxidant gas from the vertically downward direction to the vertically upward direction, as will be described later. The steam reformer 46 is disposed in a standing posture, and causes the reformed gas to flow from the vertically downward direction to the vertically upward direction. A steam reformer 46 is directly attached to one side (one end) of the heat exchanger 50. The steam reformer 46 and the heat exchanger 50 (including the exhaust gas combustor 52) are stacked in the horizontal direction (arrow A direction).

熱交換器50及び水蒸気改質器46の下方には、蒸発器48、部分酸化改質器45及び都市ガス(原燃料)中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器60が配設される。   Below the heat exchanger 50 and the steam reformer 46, an evaporator 48, a partial oxidation reformer 45, and a desulfurizer 60 for removing sulfur compounds contained in city gas (raw fuel) are disposed. The

水蒸気改質器46は、都市ガス(原燃料)中に含まれるエタン(C)、プロパン(C)及びブタン(C10)等の高級炭化水素(C2+)を、主としてメタン(CH)、水素、COを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。 The steam reformer 46 converts higher hydrocarbons (C 2+ ) such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) contained in city gas (raw fuel). , A pre-reformer for steam reforming to a fuel gas mainly containing methane (CH 4 ), hydrogen, and CO, and is set to an operating temperature of several hundred degrees Celsius.

部分酸化改質器45は、都市ガス(原燃料)中に含まれるエタン(C)、プロパン(C)及びブタン(C10)等の高級炭化水素(C2+)を、主として水素、COを含む燃料ガスに部分酸化改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。 The partial oxidation reformer 45 includes higher hydrocarbons (C 2+ ) such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) contained in city gas (raw fuel). Is a preliminary reformer for partial oxidation reforming to a fuel gas mainly containing hydrogen and CO, and is set to an operating temperature of several hundred degrees Celsius.

燃料電池22は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極30では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、COが得られ、この水素、COが電解質26の前記アノード電極30側に供給される。   The operating temperature of the fuel cell 22 is as high as several hundred degrees Celsius. In the anode electrode 30, methane in the fuel gas is reformed to obtain hydrogen and CO. The hydrogen and CO are the anode electrode 30 of the electrolyte 26. Supplied to the side.

図1に示すように、原燃料供給装置14は、脱硫器60を備えるとともに、前記脱硫器60が原燃料通路57に配設される。この原燃料通路57は、部分酸化改質器45の混合ガス入口61aに連通する。部分酸化改質器45の改質ガス出口61bには、改質ガス通路57aが連通するとともに、前記改質ガス通路57aと水蒸気通路59a(後述する)との合流部57bを介して、水蒸気改質器46の混合ガス供給室62aに接続される。   As shown in FIG. 1, the raw fuel supply device 14 includes a desulfurizer 60, and the desulfurizer 60 is disposed in the raw fuel passage 57. The raw fuel passage 57 communicates with the mixed gas inlet 61 a of the partial oxidation reformer 45. A reformed gas passage 57a communicates with the reformed gas outlet 61b of the partial oxidation reformer 45, and steam reforming is performed via a junction 57b between the reformed gas passage 57a and a steam passage 59a (described later). It is connected to the mixed gas supply chamber 62a of the mass device 46.

図2及び図3に示すように、混合ガス供給室62aは、複数の改質管路64の下端側に連通するとともに、前記改質管路64の上端側に燃料ガス排出室62bが連通する。燃料ガス排出室62bには、燃料ガス通路66の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路66の他端が燃料電池スタック24の燃料ガス入口連通孔44aに連通する(図1参照)。各改質管路64には、改質用にペレット状の触媒(図示せず)が充填、又は、粒子状の触媒(図示せず)が担持されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the mixed gas supply chamber 62 a communicates with the lower ends of the plurality of reforming pipelines 64, and the fuel gas discharge chamber 62 b communicates with the upper ends of the reforming pipelines 64. . One end of the fuel gas passage 66 communicates with the fuel gas discharge chamber 62b, and the other end of the fuel gas passage 66 communicates with the fuel gas inlet communication hole 44a of the fuel cell stack 24 (see FIG. 1). Each reforming line 64 is filled with a pellet-shaped catalyst (not shown) for reforming or carries a particulate catalyst (not shown).

各改質管路64間には、加熱空間68が形成される。この加熱空間68には、燃焼ガス通路70の一端が開口される一方、図1に示すように、前記燃焼ガス通路70の途上には、蒸発器48の加熱路72が設けられる。燃焼ガス通路70の他端には、第2熱電変換部74b及び第1熱電変換部74aが直列的に接続される。   A heating space 68 is formed between the reforming pipes 64. One end of the combustion gas passage 70 is opened in the heating space 68, and a heating passage 72 of the evaporator 48 is provided in the middle of the combustion gas passage 70 as shown in FIG. 1. A second thermoelectric converter 74b and a first thermoelectric converter 74a are connected in series to the other end of the combustion gas passage 70.

第1熱電変換部74aは、酸化剤ガス通路58を構成する第1酸化剤ガス供給路部58aに配置される一方、第2熱電変換部74bは、前記酸化剤ガス通路58を構成する第2酸化剤ガス供給路部58bに配置される。第1酸化剤ガス供給路部58aと第2酸化剤ガス供給路部58bとには、酸化剤ガス通路58に設けられる酸化剤ガス調整弁75を介して酸化剤ガスが分配供給される。   The first thermoelectric converter 74 a is disposed in the first oxidant gas supply path 58 a that constitutes the oxidant gas passage 58, while the second thermoelectric converter 74 b is the second that constitutes the oxidant gas path 58. It arrange | positions at the oxidizing agent gas supply path part 58b. An oxidant gas is distributed and supplied to the first oxidant gas supply path 58a and the second oxidant gas supply path 58b through an oxidant gas adjustment valve 75 provided in the oxidant gas path 58.

水供給装置18を構成する水通路59は、蒸発器48の水入口73aに接続される。水通路59を流通する水は、加熱路72に沿って流通する燃焼ガスにより加熱され、水蒸気が発生する。蒸発器48の水蒸気出口73bには、水蒸気通路59aの一端が接続されるとともに、前記水蒸気通路59aの他端は、原燃料通路57に対して部分酸化改質器45の下流の位置に合流して合流部57bが設けられる。   A water passage 59 constituting the water supply device 18 is connected to a water inlet 73 a of the evaporator 48. The water flowing through the water passage 59 is heated by the combustion gas flowing along the heating path 72 to generate water vapor. One end of a steam passage 59 a is connected to the steam outlet 73 b of the evaporator 48, and the other end of the steam passage 59 a joins a position downstream of the partial oxidation reformer 45 with respect to the raw fuel passage 57. And a junction 57b is provided.

なお、合流部57bには、例えば、エゼクタ(図示せず)が配設され、原燃料通路57を原燃料(又は改質ガス)が流通することにより、水蒸気通路59aから前記原燃料通路57に水蒸気が吸引される。   In addition, for example, an ejector (not shown) is disposed in the merging portion 57b, and the raw fuel (or reformed gas) flows through the raw fuel passage 57, so that the steam passage 59a passes to the raw fuel passage 57. Water vapor is aspirated.

図3に示すように、熱交換器50は、下部側に酸化剤ガス供給室76aが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス排出室76bが設けられる。酸化剤ガス供給室76aと酸化剤ガス排出室76bとには、複数の酸化剤ガス管路78の両端が連通する。   As shown in FIG. 3, the heat exchanger 50 is provided with an oxidant gas supply chamber 76a on the lower side and an oxidant gas discharge chamber 76b on the upper side. Both ends of a plurality of oxidant gas conduits 78 communicate with the oxidant gas supply chamber 76a and the oxidant gas discharge chamber 76b.

酸化剤ガス供給室76aには、酸化剤ガス通路58を構成する第2酸化剤ガス供給路部58bの一端が配設される。酸化剤ガス排出室76bには、酸化剤ガス通路82の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路82の他端は、燃料電池スタック24の酸化剤ガス入口連通孔42aに接続される(図1参照)。   In the oxidant gas supply chamber 76a, one end of a second oxidant gas supply path part 58b constituting the oxidant gas path 58 is disposed. One end of the oxidant gas passage 82 is disposed in the oxidant gas discharge chamber 76b, and the other end of the oxidant gas passage 82 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 42a of the fuel cell stack 24. (See FIG. 1).

熱交換器50の内部には、複数の酸化剤ガス管路78が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器52を構成する燃焼室84が形成される。燃焼室84は、燃料ガス(具体的には、燃料排ガス)と酸化剤ガス(具体的には、酸化剤排ガス)との燃焼反応により、酸化剤ガスを昇温させる熱源として機能する。   Inside the heat exchanger 50, a combustion chamber 84 that forms the exhaust gas combustor 52 and that includes a space in which a plurality of oxidant gas pipes 78 are accommodated is formed. The combustion chamber 84 functions as a heat source that raises the temperature of the oxidant gas by a combustion reaction between the fuel gas (specifically, the fuel exhaust gas) and the oxidant gas (specifically, the oxidant exhaust gas).

燃焼室84には、酸化剤ガス排出室76b側から酸化剤排ガス通路86の一端と燃料排ガス通路88の一端とが配置される。図1に示すように、酸化剤排ガス通路86の他端は、燃料電池スタック24の酸化剤ガス出口連通孔42bに接続されるとともに、燃料排ガス通路88の他端は、前記燃料電池スタック24の燃料ガス出口連通孔44bに接続される。   One end of the oxidant exhaust gas passage 86 and one end of the fuel exhaust gas passage 88 are arranged in the combustion chamber 84 from the oxidant gas discharge chamber 76b side. As shown in FIG. 1, the other end of the oxidant exhaust gas passage 86 is connected to the oxidant gas outlet communication hole 42 b of the fuel cell stack 24, and the other end of the fuel exhaust gas passage 88 is connected to the fuel cell stack 24. It is connected to the fuel gas outlet communication hole 44b.

図3に示すように、水蒸気改質器46と熱交換器50との間には、壁板(壁部)90が配設される。水蒸気改質器46のフランジ部92と熱交換器50のフランジ部94との間に、壁板90が挟持されるとともに、これらが複数のボルト96及びナット97により一体的に固定される。壁板90には、熱交換器50の燃焼室84に発生した燃焼ガスを、水蒸気改質器46の加熱空間68に供給するための開口部(燃焼ガス通路)98が形成される。   As shown in FIG. 3, a wall plate (wall portion) 90 is disposed between the steam reformer 46 and the heat exchanger 50. A wall plate 90 is sandwiched between the flange portion 92 of the steam reformer 46 and the flange portion 94 of the heat exchanger 50, and these are integrally fixed by a plurality of bolts 96 and nuts 97. The wall plate 90 is formed with an opening (combustion gas passage) 98 for supplying the combustion gas generated in the combustion chamber 84 of the heat exchanger 50 to the heating space 68 of the steam reformer 46.

図1に示すように、酸化剤ガス供給装置16は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路58から部分酸化改質器45と熱交換器50とに、すなわち、第1酸化剤ガス供給路部58aと第2酸化剤ガス供給路部58bとに、分配する酸化剤ガス調整弁75を備える。第1酸化剤ガス供給路部58aは、原燃料通路57に対し、脱硫器60と部分酸化改質器45との間に位置して連通する。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas supply device 16 supplies the oxidant gas from the oxidant gas passage 58 to the partial oxidation reformer 45 and the heat exchanger 50, that is, the first oxidant gas supply passage portion 58a. And the second oxidant gas supply path 58b are provided with an oxidant gas regulating valve 75 for distribution. The first oxidant gas supply passage 58 a is located between the desulfurizer 60 and the partial oxidation reformer 45 and communicates with the raw fuel passage 57.

図4に示すように、第1熱電変換部74aは、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第1通路部材112と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第2通路部材114と、異なる熱電変換温度に設定されたそれぞれ複数の熱電変換素子116a、116b及び116cとを備える。   As shown in FIG. 4, the first thermoelectric converter 74 a is different from the first passage member 112 that circulates the oxidant gas that is the object to be heated and the second passage member 114 that circulates the combustion gas that is the heating medium. A plurality of thermoelectric conversion elements 116a, 116b and 116c, each set to a thermoelectric conversion temperature.

第1通路部材112は、ボックス形状を有し、酸化剤ガス入口112aと酸化剤ガス出口112bとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路112cを設ける。酸化剤ガス蛇行流路112cは、第1通路部材112内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板112dにより形成される。   The first passage member 112 has a box shape and is provided with an oxidant gas meandering channel 112c that meanders between the oxidant gas inlet 112a and the oxidant gas outlet 112b. The oxidant gas meandering channel 112c is formed by partition plates 112d arranged alternately and in a staggered manner in the first passage member 112.

第2通路部材114は、ボックス形状を有し、燃焼ガス入口114aと燃焼ガス出口114bとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路114cを設ける。燃焼ガス蛇行流路114cは、第2通路部材114内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板114dにより形成される。燃焼ガス蛇行流路114cと酸化剤ガス蛇行流路112cとは、互いに並行流に設定される。   The second passage member 114 has a box shape and is provided with a combustion gas meandering channel 114c that meanders between the combustion gas inlet 114a and the combustion gas outlet 114b. The combustion gas meandering flow path 114c is formed by partition plates 114d arranged alternately and in a staggered manner in the second passage member 114. The combustion gas meandering channel 114c and the oxidant gas meandering channel 112c are set in parallel to each other.

熱電変換素子116a、116b及び116cは、第1通路部材112と第2通路部材114とに両端が挟持されるとともに、各両端に温度差を生じさせることにより起電力を発生させる機能を有する。酸化剤ガス蛇行流路112c及び燃焼ガス蛇行流路114cの上流側に配置される複数(図4には、3個配置されるが、個数は任意に設定可能である。以下、同様)の熱電変換素子116aは、高温の熱電変換温度に設定された高温型熱電変換素子である。   The thermoelectric conversion elements 116a, 116b, and 116c have a function of generating an electromotive force by causing both ends to be sandwiched between the first passage member 112 and the second passage member 114 and causing a temperature difference between the both ends. A plurality of thermoelectrics (three are arranged in FIG. 4, but the number can be arbitrarily set, the same applies hereinafter) arranged upstream of the oxidant gas meandering channel 112c and the combustion gas meandering channel 114c. The conversion element 116a is a high temperature type thermoelectric conversion element set to a high temperature thermoelectric conversion temperature.

酸化剤ガス蛇行流路112c及び燃焼ガス蛇行流路114cの中流側に配置される複数の熱電変換素子116bは、中温の熱電変換温度に設定された中温型熱電変換素子である。酸化剤ガス蛇行流路112c及び燃焼ガス蛇行流路114cの下流側に配置される複数の熱電変換素子116cは、低温の熱電変換温度に設定された低温型熱電変換素子である。   The plurality of thermoelectric conversion elements 116b arranged on the midstream side of the oxidant gas meandering channel 112c and the combustion gas meandering channel 114c are medium temperature type thermoelectric conversion elements set to a medium temperature thermoelectric conversion temperature. The plurality of thermoelectric conversion elements 116c arranged on the downstream side of the oxidant gas meandering channel 112c and the combustion gas meandering channel 114c are low temperature type thermoelectric conversion elements set to a low temperature thermoelectric conversion temperature.

なお、第2熱電変換部74bは、上記の第1熱電変換部74aと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   In addition, the 2nd thermoelectric conversion part 74b is comprised similarly to said 1st thermoelectric conversion part 74a, The same referential mark is attached | subjected to the same component and the detailed description is abbreviate | omitted.

このように構成される燃料電池システム10の動作について、図5以降のフローチャートに沿って、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below along the flowcharts of FIG.

先ず、燃料電池システム10の起動時には、酸化剤ガス調整弁75の開度が設定される(ステップS1)。具体的には、部分酸化改質に必要な空気(酸化剤ガス)及び原燃料、例えば、都市ガス(CH、C、C、C10を含む)等が投入されるように(ステップS2)、原燃料供給装置14が駆動されるとともに、酸化剤ガス調整弁75の開度が調整される。部分酸化改質の制御は、空燃比(O/C)(投入空気中の酸素モル数/投入原燃料中のカーボンモル数)により行われ、部分酸化改質器45には、空気と原燃料とが最適空燃比量で導入される。 First, when the fuel cell system 10 is started, the opening degree of the oxidant gas adjustment valve 75 is set (step S1). Specifically, air (oxidant gas) necessary for partial oxidation reforming and raw fuel, for example, city gas (including CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 10 ), etc. are input. In this manner (step S2), the raw fuel supply device 14 is driven and the opening degree of the oxidant gas adjustment valve 75 is adjusted. The partial oxidation reforming is controlled by the air-fuel ratio (O 2 / C) (number of moles of oxygen in the input air / number of carbon moles in the input raw fuel). Fuel is introduced at an optimal air / fuel ratio.

原燃料供給装置14では、原燃料通路57に供給された原燃料が、脱硫器60で脱硫された後、部分酸化改質器45の混合ガス入口61aに供給される。一方、酸化剤ガス供給装置16では、酸化剤ガス通路58に供給された空気は、酸化剤ガス調整弁75を介して第1酸化剤ガス供給路部58aと第2酸化剤ガス供給路部58bとにそれぞれ所定の量ずつ分配される。第1酸化剤ガス供給路部58aに分配された空気は、原燃料通路57で原燃料に混合されて部分酸化改質器45の混合ガス入口61aに供給される。   In the raw fuel supply device 14, the raw fuel supplied to the raw fuel passage 57 is desulfurized by the desulfurizer 60 and then supplied to the mixed gas inlet 61 a of the partial oxidation reformer 45. On the other hand, in the oxidant gas supply device 16, the air supplied to the oxidant gas passage 58 is supplied to the first oxidant gas supply passage 58 a and the second oxidant gas supply passage 58 b through the oxidant gas adjustment valve 75. And a predetermined amount of each. The air distributed to the first oxidant gas supply path 58 a is mixed with the raw fuel in the raw fuel passage 57 and supplied to the mixed gas inlet 61 a of the partial oxidation reformer 45.

このため、部分酸化改質器45による部分酸化改質が開始される(ステップS3)。例えば、O/C=0.5に設定されると、2CH+O→4H+2COとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器45から高温(約600℃)の還元ガスが発生する。 For this reason, the partial oxidation reforming by the partial oxidation reformer 45 is started (step S3). For example, when O 2 /C=0.5, a partial oxidation reaction of 2CH 4 + O 2 → 4H 2 + 2CO occurs. This partial oxidation reaction is an exothermic reaction, and high-temperature (about 600 ° C.) reducing gas is generated from the partial oxidation reformer 45.

高温の還元ガスは、図2及び図3に示すように、合流部57bを通って水蒸気改質器46の混合ガス供給室62aに供給された後、複数の改質管路64内を下端側から上端側に移動する。そして、高温の還元ガスは、一旦燃料ガス排出室62bに供給された後、燃料ガス通路66を介して燃料電池スタック24の燃料ガス入口連通孔44aに供給される(図1参照)。   As shown in FIGS. 2 and 3, the high-temperature reducing gas is supplied to the mixed gas supply chamber 62a of the steam reformer 46 through the merging portion 57b, and then the plurality of reforming pipes 64 are moved to the lower end side. Move from the top to the top. The hot reducing gas is once supplied to the fuel gas discharge chamber 62b and then supplied to the fuel gas inlet communication hole 44a of the fuel cell stack 24 through the fuel gas passage 66 (see FIG. 1).

燃料電池スタック24では、高温の還元ガスは、燃料ガス流路40を流通した後、燃料ガス出口連通孔44bから燃料排ガス通路88に排出される。このように、部分酸化改質器45から発生した高温の還元ガスにより、水蒸気改質器46及び燃料電池スタック24が加温される。   In the fuel cell stack 24, the hot reducing gas flows through the fuel gas passage 40 and is then discharged from the fuel gas outlet communication hole 44 b to the fuel exhaust gas passage 88. Thus, the steam reformer 46 and the fuel cell stack 24 are heated by the high-temperature reducing gas generated from the partial oxidation reformer 45.

一方、燃料排ガス通路88は、図3に示すように、排ガス燃焼器52を構成する燃焼室84に開口しており、前記燃焼室84に燃料ガスが導入される。燃焼室84では、還元ガス(燃料ガス)と酸化剤ガスとが、自己着火又は図示しないイグナイターやグロー等の着火装置により着火されて燃焼ガスが発生する(ステップS4)。   On the other hand, as shown in FIG. 3, the fuel exhaust gas passage 88 opens into a combustion chamber 84 that constitutes the exhaust gas combustor 52, and the fuel gas is introduced into the combustion chamber 84. In the combustion chamber 84, the reducing gas (fuel gas) and the oxidant gas are ignited by an ignition device such as an igniter or a glow (not shown), and combustion gas is generated (step S4).

燃焼室84に発生した燃焼ガスは、熱交換器50を加温するとともに、第2酸化剤ガス供給路部58bから供給される空気を加温する。さらに、燃焼ガスは、壁板90に形成された開口部98を介して水蒸気改質器46の加熱空間68に移動する。これにより、水蒸気改質器46が加温される。加熱空間68には、燃焼ガス通路70が連通しており、この燃焼ガス通路70は、蒸発器48の加熱路72に連通している。このため、燃焼ガスは、蒸発器48を昇温させた後、第2熱電変換部74b及び第1熱電変換部74aに供給される。   The combustion gas generated in the combustion chamber 84 heats the heat exchanger 50 and warms the air supplied from the second oxidant gas supply path 58b. Further, the combustion gas moves to the heating space 68 of the steam reformer 46 through the opening 98 formed in the wall plate 90. Thereby, the steam reformer 46 is heated. A combustion gas passage 70 communicates with the heating space 68, and the combustion gas passage 70 communicates with a heating passage 72 of the evaporator 48. For this reason, after raising the temperature of the evaporator 48, the combustion gas is supplied to the second thermoelectric converter 74b and the first thermoelectric converter 74a.

図4に示すように、第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74bでは、第1通路部材112の酸化剤ガス入口112aから酸化剤ガス蛇行流路112cに外部空気である酸化剤ガスが供給される一方、第2通路部材114の燃焼ガス入口114aから燃焼ガス蛇行流路114cに燃焼ガスが供給される。従って、酸化剤ガス蛇行流路112cと燃焼ガス蛇行流路114cとの間に配設されている複数の熱電変換素子116a、116b及び116cは、それぞれの両端に温度差が発生し、熱エネルギが電気エネルギとして回収される。   As shown in FIG. 4, in the first thermoelectric conversion unit 74a and the second thermoelectric conversion unit 74b, the oxidant gas, which is external air, flows from the oxidant gas inlet 112a of the first passage member 112 to the oxidant gas meandering channel 112c. Meanwhile, the combustion gas is supplied from the combustion gas inlet 114a of the second passage member 114 to the combustion gas meandering channel 114c. Therefore, a plurality of thermoelectric conversion elements 116a, 116b, and 116c disposed between the oxidant gas meandering channel 112c and the combustion gas meandering channel 114c generate temperature differences at both ends, and heat energy is reduced. It is recovered as electrical energy.

次いで、ステップS5に進んで、水蒸気改質器46が設定温度T1以上であり、且つ蒸発器48が設定温度T2以上であるか否かが判断される。設定温度T1は、例えば、550℃であり、設定温度T2は、例えば、150℃である。水蒸気改質器46が設定温度T1以上であり、且つ蒸発器48が設定温度T2以上であると判断されると(ステップS5中、YES)、ステップS6に進む。   Next, the process proceeds to step S5, where it is determined whether or not the steam reformer 46 is at or above the set temperature T1 and the evaporator 48 is at or above the set temperature T2. The set temperature T1 is, for example, 550 ° C., and the set temperature T2 is, for example, 150 ° C. If it is determined that the steam reformer 46 is equal to or higher than the set temperature T1 and the evaporator 48 is equal to or higher than the set temperature T2 (YES in step S5), the process proceeds to step S6.

このステップS6では、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応に移行させるために、酸化剤ガス調整弁75の開度が調整されるとともに、水供給装置18が駆動される。酸化剤ガス調整弁75の開度調整により、第1酸化剤ガス供給路部58aへの空気の供給が停止される一方、第2酸化剤ガス供給路部58bから熱交換器50に供給される空気量が増量される。従って、部分酸化改質器45には、原燃料のみが供給されるため、部分酸化反応が惹起されず、前記原燃料は、合流部57bに供給される。   In this step S6, in order to shift from the partial oxidation reforming reaction to the steam reforming reaction, the opening degree of the oxidant gas regulating valve 75 is adjusted and the water supply device 18 is driven. By adjusting the opening degree of the oxidant gas adjustment valve 75, the supply of air to the first oxidant gas supply path part 58a is stopped, while being supplied to the heat exchanger 50 from the second oxidant gas supply path part 58b. The air volume is increased. Accordingly, since only the raw fuel is supplied to the partial oxidation reformer 45, the partial oxidation reaction is not induced, and the raw fuel is supplied to the junction 57b.

その際、水供給装置18では、蒸発器48に水が供給される。蒸発器48で蒸発された水は、水蒸気通路59aから合流部57bに供給され、原燃料と混合されて混合ガス供給室62aに供給される。   At that time, in the water supply device 18, water is supplied to the evaporator 48. The water evaporated by the evaporator 48 is supplied from the water vapor passage 59a to the junction 57b, mixed with the raw fuel, and supplied to the mixed gas supply chamber 62a.

図2及び図3に示すように、混合ガス供給室62aに供給された原燃料と水蒸気との混合ガスは、複数の改質管路64内を下端側から上端側に移動する。その間に、混合ガスは、加熱空間68に導入された燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状の触媒を介して水蒸気改質され、C2+の炭化水素が除去(改質)されてメタンを主成分とする改質ガス及び、CH+HO→3H+COとなる水蒸気改質反応が発生する(ステップS7)。 As shown in FIGS. 2 and 3, the mixed gas of raw fuel and water vapor supplied to the mixed gas supply chamber 62 a moves in the plurality of reforming pipes 64 from the lower end side to the upper end side. In the meantime, the mixed gas is heated by the combustion gas introduced into the heating space 68 and is steam-reformed through a pellet-shaped catalyst to remove (reform) C 2+ hydrocarbons to mainly produce methane. A reformed gas as a component and a steam reforming reaction of CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO occur (step S7).

この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦燃料ガス排出室62bに供給された後、燃料ガス通路66を介して燃料電池スタック24の燃料ガス入口連通孔44aに供給される(図1参照)。   This reformed gas is once supplied to the fuel gas discharge chamber 62b as heated fuel gas, and then supplied to the fuel gas inlet communication hole 44a of the fuel cell stack 24 through the fuel gas passage 66 (FIG. 1). reference).

燃料電池スタック24では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路40を流通した後、燃料ガス出口連通孔44bから燃料排ガス通路88に排出される。燃料排ガス通路88は、図3に示すように、排ガス燃焼器52を構成する燃焼室84に開口しており、前記燃焼室84に燃料ガスが導入される。   In the fuel cell stack 24, the heated fuel gas flows through the fuel gas passage 40 and is then discharged from the fuel gas outlet communication hole 44 b to the fuel exhaust gas passage 88. As shown in FIG. 3, the fuel exhaust gas passage 88 opens into a combustion chamber 84 that constitutes the exhaust gas combustor 52, and fuel gas is introduced into the combustion chamber 84.

一方、酸化剤ガス供給装置16では、酸化剤ガス調整弁75を介して第2酸化剤ガス供給路部58bに空気が供給され、この空気は、熱交換器50の酸化剤ガス供給室76aに導入される。   On the other hand, in the oxidant gas supply device 16, air is supplied to the second oxidant gas supply path 58 b via the oxidant gas adjustment valve 75, and this air is supplied to the oxidant gas supply chamber 76 a of the heat exchanger 50. be introduced.

図3に示すように、酸化剤ガス供給室76aに導入された空気は、複数の酸化剤ガス管路78内を下端側から上端側に移動する間に、燃焼室84に導入された燃焼ガスにより加熱(熱交換)される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室76bに供給された後、酸化剤ガス通路82を介して燃料電池スタック24の酸化剤ガス入口連通孔42aに供給される(図1参照)。   As shown in FIG. 3, the air introduced into the oxidant gas supply chamber 76 a is introduced into the combustion chamber 84 while moving from the lower end side to the upper end side in the plurality of oxidant gas conduits 78. Is heated (heat exchange). The heated air is once supplied to the oxidant gas discharge chamber 76b and then supplied to the oxidant gas inlet communication hole 42a of the fuel cell stack 24 through the oxidant gas passage 82 (see FIG. 1).

燃料電池スタック24では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路38を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔42bから酸化剤排ガス通路86に排出される。酸化剤排ガス通路86は、図3に示すように、排ガス燃焼器52を構成する燃焼室84に開口しており、前記燃焼室84に空気が導入される。   In the fuel cell stack 24, the heated air flows through the oxidant gas flow path 38 and is then discharged from the oxidant gas outlet communication hole 42 b to the oxidant exhaust gas passage 86. As shown in FIG. 3, the oxidant exhaust gas passage 86 opens into a combustion chamber 84 that constitutes the exhaust gas combustor 52, and air is introduced into the combustion chamber 84.

上記のように、燃料電池スタック24は、加熱された空気及び加熱された燃料ガスが流通することにより、昇温される。そして、ステップS8に進んで、燃料電池スタック24が発電可能な状態であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池22のOCV(開回路電圧)が測定され、前記OCVが所定の値に至った際、燃料電池スタック24の発電が可能であると判断する(ステップS8中、YES)。これにより、燃料電池スタック24は、発電が開始される(ステップS9)。   As described above, the temperature of the fuel cell stack 24 is increased by circulating the heated air and the heated fuel gas. Then, the process proceeds to step S8, and it is determined whether or not the fuel cell stack 24 is in a state capable of generating power. Specifically, the OCV (open circuit voltage) of the fuel cell 22 is measured, and when the OCV reaches a predetermined value, it is determined that the fuel cell stack 24 can generate power (YES in step S8). . Thereby, the fuel cell stack 24 starts power generation (step S9).

燃料電池スタック24の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路38を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路40を流通する。従って、各燃料電池22のカソード電極28に空気が供給されるとともに、アノード電極30に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。   During power generation of the fuel cell stack 24, air flows through the oxidant gas flow path 38 while fuel gas flows through the fuel gas flow path 40 in the same manner as at the time of startup. Accordingly, air is supplied to the cathode electrode 28 of each fuel cell 22 and fuel gas is supplied to the anode electrode 30 to generate power by a chemical reaction.

反応に使用された空気(未反応の空気を含む)は、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス通路86に排出される。また、反応に使用された燃料ガス(未反応の燃料ガスを含む)は、燃料排ガスとして燃料排ガス通路88に排出される。酸化剤排ガス及び燃料排ガスは、排ガス燃焼器52に送られて燃焼される。排ガス燃焼器52内では、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室84で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される。   The air used for the reaction (including unreacted air) is discharged to the oxidant exhaust gas passage 86 as an oxidant exhaust gas. Further, the fuel gas (including unreacted fuel gas) used for the reaction is discharged to the fuel exhaust gas passage 88 as fuel exhaust gas. The oxidant exhaust gas and the fuel exhaust gas are sent to the exhaust gas combustor 52 and burned. In the exhaust gas combustor 52, combustion by air and fuel gas is started in the combustion chamber 84 when the self-ignition temperature of the fuel gas is exceeded.

次いで、燃料電池システム10による発電から低負荷運転の動作について、図6のフローチャートに沿って、以下に説明する。   Next, the operation from the power generation by the fuel cell system 10 to the low load operation will be described below along the flowchart of FIG.

先ず、燃料電池スタック24の要求電力が確認された後(ステップS101)、ステップS102に進んで、この要求電力が水蒸気改質での高効率運転範囲か否かが判断される。図7に示すように、水蒸気改質による駆動範囲は、例えば、出力40%〜100%の範囲である一方、部分酸化改質による駆動範囲(熱自立範囲)は、例えば、出力10%〜40%の範囲である。   First, after the required power of the fuel cell stack 24 is confirmed (step S101), the process proceeds to step S102, where it is determined whether or not the required power is within the high efficiency operation range in steam reforming. As shown in FIG. 7, the driving range by steam reforming is, for example, a range of output 40% to 100%, while the driving range (thermal self-sustaining range) by partial oxidation reforming is, for example, output 10% to 40%. % Range.

そこで、要求電力が水蒸気改質での高効率運転範囲内であると判断されると(ステップS102中、YES)、ステップS103に進んで、水蒸気改質による発電が行われて高効率電力の供給がなされる。   Therefore, if it is determined that the required power is within the high-efficiency operation range in steam reforming (YES in step S102), the process proceeds to step S103, where power generation by steam reforming is performed and high-efficiency power is supplied. Is made.

また、燃料電池スタック24の要求電力が、水蒸気改質での高効率運転範囲内ではないと判断されると(ステップS102中、NO)、ステップS104に進む。このステップS104では、要求電力が部分酸化改質での熱自立範囲内であるか否かが判断される。   If it is determined that the required power of the fuel cell stack 24 is not within the high-efficiency operation range in steam reforming (NO in step S102), the process proceeds to step S104. In this step S104, it is determined whether or not the required power is within the heat self-supporting range in the partial oxidation reforming.

要求電力が、部分酸化改質での熱自立範囲内であると判断されると(ステップS104中、YES)、ステップS105に進んで、部分酸化改質による発電が行われる。一方、部分酸化改質での熱自立範囲内ではないと判断されると(ステップS104中、NO)、ステップS106に進んで、部分酸化改質による最低熱自立発電(例えば、図7における出力10%)が行われる。   When it is determined that the required power is within the heat self-supporting range in partial oxidation reforming (YES in step S104), the process proceeds to step S105, and power generation by partial oxidation reforming is performed. On the other hand, if it is determined that it is not within the range of thermal self-sustainment in partial oxidation reforming (NO in step S104), the process proceeds to step S106 and minimum thermal self-sustaining power generation by partial oxidation reforming (for example, output 10 in FIG. %) Is performed.

次に、燃料電池システム10による発電停止の動作について、図8のフローチャートに沿って、以下に説明する。   Next, the operation of stopping power generation by the fuel cell system 10 will be described below along the flowchart of FIG.

先ず、発電が停止されてOCVに戻される(ステップS201)。さらに、ステップS202に進んで、部分酸化改質反応に移行するための燃料ガス投入量及び酸化剤ガス調整弁75の開度が設定される。なお、燃料ガス投入量は、燃料電池スタック24のアノード側の還元状態を維持するための必要な投入量に設定される。   First, power generation is stopped and returned to the OCV (step S201). Furthermore, it progresses to step S202 and the opening amount of the fuel gas input amount and oxidant gas adjustment valve 75 for shifting to partial oxidation reforming reaction are set. The fuel gas input amount is set to a necessary input amount for maintaining the reduction state on the anode side of the fuel cell stack 24.

上記のように、部分酸化改質が開始された後(ステップS203)、燃料電池スタック24の温度T3を監視しながら、前記燃料電池スタック24の徐冷に必要な空気が熱交換器50に供給される(ステップS204)。その際、排ガス燃焼器52の燃焼室84内では、還元ガス(燃料ガス)と空気とを着火させない。   As described above, after the partial oxidation reforming is started (step S203), air necessary for slow cooling of the fuel cell stack 24 is supplied to the heat exchanger 50 while monitoring the temperature T3 of the fuel cell stack 24. (Step S204). At this time, the reducing gas (fuel gas) and air are not ignited in the combustion chamber 84 of the exhaust gas combustor 52.

このため、燃料電池スタック24内が徐冷され、この燃料電池スタック24の温度T3が400℃未満まで降温されると(ステップS205中、YES)、ステップS206に進んで、部分酸化改質が停止される。さらに、燃料電池スタック24の温度T3が、100℃未満まで降温されると(ステップS207中、YES)、ステップS208に進んで、空気の供給が停止される。   Therefore, when the inside of the fuel cell stack 24 is gradually cooled and the temperature T3 of the fuel cell stack 24 is lowered to less than 400 ° C. (YES in step S205), the process proceeds to step S206, and the partial oxidation reforming is stopped. Is done. Further, when the temperature T3 of the fuel cell stack 24 is lowered to less than 100 ° C. (YES in step S207), the process proceeds to step S208, and the supply of air is stopped.

この場合、第1の実施形態では、図1に示すように、蒸発器48の水蒸気出口73bに連通する水蒸気通路59aと、部分酸化改質器45の改質ガス出口61bに連通する改質ガス通路57aとが、合流部57bで合流して水蒸気改質器46に連通している。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 1, the reformed gas communicated with the steam passage 59a communicating with the steam outlet 73b of the evaporator 48 and the reformed gas outlet 61b of the partial oxidation reformer 45. The passage 57 a joins at the joining portion 57 b and communicates with the steam reformer 46.

従って、部分酸化改質器45で発生した高温(約600℃)の還元ガスは、水蒸気改質器46に導かれるため、前記水蒸気改質器46の起動時間(昇温及び還元時間)が短縮される。   Accordingly, since the high temperature (about 600 ° C.) reducing gas generated in the partial oxidation reformer 45 is led to the steam reformer 46, the start-up time (temperature rise and reduction time) of the steam reformer 46 is shortened. Is done.

しかも、高温の還元ガスは、水蒸気改質器46から燃料ガス通路66を介して燃料電池スタック24の燃料ガス入口連通孔44aに供給される。これにより、燃料電池スタック24の起動時間(昇温及び還元時間)が良好に短縮される。   Moreover, the hot reducing gas is supplied from the steam reformer 46 to the fuel gas inlet communication hole 44 a of the fuel cell stack 24 through the fuel gas passage 66. Thereby, the starting time (temperature increase and reduction time) of the fuel cell stack 24 is favorably shortened.

さらに、燃料電池スタック24から排ガス燃焼器52には、高温の還元ガスが供給される。このため、排ガス燃焼器52で発生する燃焼ガスを介して、酸化剤ガス、水蒸気改質器46及び蒸発器48を昇温させることができ、燃料電池モジュール12の起動時間が有効に短縮される。   Further, high-temperature reducing gas is supplied from the fuel cell stack 24 to the exhaust gas combustor 52. For this reason, it is possible to raise the temperature of the oxidant gas, the steam reformer 46 and the evaporator 48 through the combustion gas generated in the exhaust gas combustor 52, and the start-up time of the fuel cell module 12 is effectively shortened. .

さらにまた、蒸発器48で発生した水蒸気は、部分酸化改質器45に流入することがない。従って、部分酸化改質器45の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になり、耐久性の向上が容易に図られる。   Furthermore, the steam generated in the evaporator 48 does not flow into the partial oxidation reformer 45. Therefore, it is possible to suppress the steam oxidation of the catalyst of the partial oxidation reformer 45, and the durability can be easily improved.

また、燃料電池スタック24の負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器46による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器45により改質不足を補うことができる。   In addition, even when insufficient reforming by the steam reformer 46 is caused by insufficient heat due to load variation of the fuel cell stack 24, the partial oxidation reformer 45 can compensate for the insufficient reforming.

具体的には、燃料電池スタック24の要求電力に基づいて、改質ガス量Xが算出される。そして、改質ガス量Xが、水蒸気改質器46から得られる改質ガス量Yよりも多い際には(X>Y)、前記改質ガス量Yを前記水蒸気改質器46により処理し、差分の改質ガス量Z(X−Y)を部分酸化改質器45により処理する。このため、低出力及び負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇及び炭素析出を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。   Specifically, the reformed gas amount X is calculated based on the required power of the fuel cell stack 24. When the reformed gas amount X is larger than the reformed gas amount Y obtained from the steam reformer 46 (X> Y), the reformed gas amount Y is processed by the steam reformer 46. The partial reforming gas amount Z (XY) is processed by the partial oxidation reformer 45. For this reason, it becomes possible to follow low output and load fluctuations, suppress fuel depletion and carbon deposition due to insufficient reforming, and easily improve durability.

さらに、燃料電池モジュール12は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74bを備えている。図4に示すように、第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74bは、被加熱体である酸化剤ガスを流通させる第1通路部材112と、加熱媒体である燃焼ガスを流通させる第2通路部材114と、前記第1通路部材112及び前記第2通路部材114間に配置されてそれぞれ異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子116a、116b及び116cとを備えている。   Furthermore, the fuel cell module 12 includes a first thermoelectric conversion unit 74a and a second thermoelectric conversion unit 74b that perform thermoelectric conversion based on a temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas. As shown in FIG. 4, the first thermoelectric conversion unit 74 a and the second thermoelectric conversion unit 74 b include a first passage member 112 that circulates an oxidant gas that is an object to be heated and a combustion gas that is a heating medium. A two-pass member 114 and a plurality of thermoelectric conversion elements 116a, 116b, and 116c that are disposed between the first and second passage members 112 and 114 and set to different thermoelectric conversion temperatures.

従って、第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74bは、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、特に起動時間を損なうことがなく、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。なお、少なくとも第1熱電変換部74a又は第2熱電変換部74bのいずれか一方のみを備えていてもよい。   Therefore, the first thermoelectric conversion unit 74a and the second thermoelectric conversion unit 74b can recover the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy as electric energy, and do not particularly impair the startup time. It becomes possible to improve the power generation efficiency. Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted. Note that at least one of the first thermoelectric conversion unit 74a and the second thermoelectric conversion unit 74b may be provided.

ここで、燃焼ガスとは、排ガス燃焼器52で生成されるガスであって、他のガス等の被加熱体と熱交換を行って熱エネルギを与えることができる加熱媒体をいい、熱エネルギを放出した後には、排ガスという。   Here, the combustion gas is a gas generated in the exhaust gas combustor 52 and refers to a heating medium capable of giving heat energy by exchanging heat with an object to be heated such as another gas. After release, it is called exhaust gas.

熱自立とは、燃料電池システム10の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池システム10の動作温度を維持することをいう。   Thermal self-sustainment means that the operating temperature of the fuel cell system 10 is maintained only by the heat generated by itself without adding the entire amount of heat necessary for the operation of the fuel cell system 10 from the outside.

また、燃料電池モジュール12では、燃焼ガスを熱交換器50、水蒸気改質器46及び蒸発器48に、順次、供給する燃焼ガス通路70と、酸化剤ガスを部分酸化改質器45から燃料電池スタック24に供給する酸化剤ガス通路58とを備えるとともに、第1熱電変換部74aは、前記燃焼ガス通路70の前記蒸発器48の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路58の前記部分酸化改質器45の上流側に設けられている。   In the fuel cell module 12, the combustion gas is supplied from the combustion gas passage 70 sequentially to the heat exchanger 50, the steam reformer 46 and the evaporator 48, and the oxidizing gas is supplied from the partial oxidation reformer 45 to the fuel cell. And the first thermoelectric converter 74a is provided downstream of the evaporator 48 in the combustion gas passage 70 and in the partial oxidation of the oxidant gas passage 58. It is provided on the upstream side of the reformer 45.

このため、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。   For this reason, it is possible to recover the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy as electric energy without hindering the heat self-supporting, and to improve the power generation efficiency. Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted.

さらに、燃料電池モジュール12では、原燃料を部分酸化改質器45に供給する原燃料通路57を備え、酸化剤ガス通路58は、前記原燃料通路57に前記部分酸化改質器45の上流側で合流するとともに、前記酸化剤ガス通路58には、第1熱電変換部74aが配設されている。従って、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。   Further, the fuel cell module 12 includes a raw fuel passage 57 that supplies raw fuel to the partial oxidation reformer 45, and the oxidant gas passage 58 is located upstream of the partial oxidation reformer 45 in the raw fuel passage 57. The first thermoelectric conversion part 74a is disposed in the oxidant gas passage 58. Therefore, the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy can be recovered as electric energy, and the power generation efficiency can be improved. Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted.

さらにまた、酸化剤ガス通路58は、部分酸化改質器45に酸化剤ガスを供給する第1酸化剤ガス供給路部58aと、熱交換器50に前記酸化剤ガスを供給する第2酸化剤ガス供給路部58bとに分岐するとともに、分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁75が配設されている。   Furthermore, the oxidant gas passage 58 includes a first oxidant gas supply path 58a that supplies the oxidant gas to the partial oxidation reformer 45, and a second oxidant that supplies the oxidant gas to the heat exchanger 50. While branching to the gas supply path 58b, an oxidant gas adjusting valve 75 for adjusting the distribution amount of the oxidant gas is disposed at the branch portion.

これにより、燃料電池スタック24と、水蒸気改質器46、蒸発器48及び熱交換器50を含むFC周辺機器56とを同時に昇温させることができ、起動時間の短縮化を図ることが可能になる。一方、水蒸気改質触媒及びアノード側を還元することができ、起動時間が短縮される。   As a result, the fuel cell stack 24 and the FC peripheral device 56 including the steam reformer 46, the evaporator 48, and the heat exchanger 50 can be heated at the same time, and the startup time can be shortened. Become. On the other hand, the steam reforming catalyst and the anode side can be reduced, and the startup time is shortened.

しかも、燃料電池スタック24の負荷変動等に起因した熱不足で水蒸気改質器46による改質不足が惹起された際にも、部分酸化改質器45により改質不足を補うことができる。このため、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、耐久性の向上が容易に図られる。   Moreover, the partial oxidation reformer 45 can compensate for the insufficient reforming even when the reforming by the steam reformer 46 is caused by insufficient heat due to the load fluctuation of the fuel cell stack 24 or the like. For this reason, it becomes possible to follow the load fluctuation, and it is possible to suppress fuel depletion due to insufficient reforming, and to easily improve durability.

また、第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74bは、第1酸化剤ガス供給路部58a及び第2酸化剤ガス供給路部58bに酸化剤ガス調整弁75の下流側に位置して配置されている。従って、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。   The first thermoelectric converter 74a and the second thermoelectric converter 74b are located downstream of the oxidant gas adjustment valve 75 in the first oxidant gas supply path 58a and the second oxidant gas supply path 58b. Has been placed. Therefore, the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy can be recovered as electric energy without hindering the heat self-sustained, and the power generation efficiency can be improved.

しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス調整弁75の下流側で昇温されるため、熱影響による前記酸化剤ガス調整弁75の耐久性を損なうことがない。   Moreover, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted. In addition, since the temperature of the oxidant gas is raised on the downstream side of the oxidant gas adjustment valve 75, the durability of the oxidant gas adjustment valve 75 due to thermal influence is not impaired.

さらに、第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74bでは、燃焼ガス蛇行流路114cを流通する燃焼ガスと、酸化剤ガス蛇行流路112cを流通する酸化剤ガスとが、互いに並行流に設定されるとともに、異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子116a、116b及び116cを備えている。   Further, in the first thermoelectric converter 74a and the second thermoelectric converter 74b, the combustion gas flowing through the combustion gas meandering channel 114c and the oxidant gas flowing through the oxidant gas meandering channel 112c are in parallel flow with each other. A plurality of thermoelectric conversion elements 116a, 116b, and 116c that are set to different thermoelectric conversion temperatures are provided.

従って、図4に示すように、例えば、並行流の上流側は、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差が大きくなるため、高温型の熱電変換素子116aを使用する一方、並行流の下流側は、前記温度差が小さくなるため、低温型の熱電変換素子116cを使用することができる。これにより、温度差に応じて最適な熱電変換素子116a、116b及び116cが用いられるため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になる。   Therefore, as shown in FIG. 4, for example, the upstream side of the parallel flow has a large temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, so that the high-temperature type thermoelectric conversion element 116a is used, while the downstream side of the parallel flow. Since the temperature difference is small, a low-temperature thermoelectric conversion element 116c can be used. Thereby, since the optimal thermoelectric conversion elements 116a, 116b, and 116c are used according to the temperature difference, efficient thermoelectric conversion can be reliably performed.

さらにまた、熱交換器50内には、排ガス燃焼器52が一体に設けられるとともに、前記熱交換器50の一端には、水蒸気改質器46が隣接して設けられている。このため、燃料電池モジュール12の放熱を最小限に抑制することができ、熱エネルギの損失を良好に抑制することが可能になる。換言すれば、熱自立運転が促進される。しかも、燃焼用回路(配管等)が簡素化され、部品点数も削減されるため、小型化及び低コスト化が図られる。   Furthermore, an exhaust gas combustor 52 is integrally provided in the heat exchanger 50, and a steam reformer 46 is provided adjacent to one end of the heat exchanger 50. For this reason, the heat radiation of the fuel cell module 12 can be suppressed to a minimum, and the loss of thermal energy can be suppressed satisfactorily. In other words, heat independent operation is promoted. In addition, since the combustion circuit (piping and the like) is simplified and the number of parts is reduced, the size and cost can be reduced.

また、燃料電池モジュール12は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。これにより、特にSOFC等の高温型燃料電池に最適である。   The fuel cell module 12 is a solid oxide fuel cell module. This is particularly suitable for high-temperature fuel cells such as SOFC.

図9に示されるように、燃料電池システム10aは、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池モジュール12aを備える。なお、第1の実施形態に係る燃料電池モジュール12と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIG. 9, the fuel cell system 10a includes a fuel cell module 12a according to the second embodiment of the present invention. Note that the same components as those of the fuel cell module 12 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池モジュール12aは、熱電変換部74を備えるとともに、前記熱電変換部74は、酸化剤ガス通路58に酸化剤ガス調整弁75の上流側に位置して配置される。この熱電変換部74には、酸化剤ガス通路58を介して酸化剤ガスが供給される一方、燃焼ガス通路70を介して燃焼ガスが供給される。熱電変換部74は、第1の実施形態の第1熱電変換部74a(及び第2熱電変換部74b)と同様に構成される。   The fuel cell module 12 a includes a thermoelectric conversion unit 74, and the thermoelectric conversion unit 74 is disposed in the oxidant gas passage 58 on the upstream side of the oxidant gas adjustment valve 75. The thermoelectric converter 74 is supplied with oxidant gas via the oxidant gas passage 58 and is supplied with combustion gas via the combustion gas passage 70. The thermoelectric conversion unit 74 is configured similarly to the first thermoelectric conversion unit 74a (and the second thermoelectric conversion unit 74b) of the first embodiment.

このように構成される第2の実施形態では、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second embodiment configured as described above, the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy can be recovered as electric energy without hindering thermal self-sustainment, and the power generation efficiency is improved. It becomes possible to make it. In addition, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that heat self-sustainment is promoted, and the like, as in the first embodiment. An effect is obtained.

さらに、熱電変換部74は、酸化剤ガス通路58に酸化剤ガス調整弁75の上流側に位置して配置されるため、単一の前記熱電変換部74のみを設けることができる。従って、構成が簡素化するとともに、経済的であるという利点が得られる。   Furthermore, since the thermoelectric conversion unit 74 is disposed in the oxidant gas passage 58 on the upstream side of the oxidant gas regulating valve 75, only the single thermoelectric conversion unit 74 can be provided. Therefore, it is possible to obtain an advantage that the configuration is simplified and the cost is economical.

図10に示されるように、燃料電池システム120は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池モジュール122と、水供給装置124と、原燃料供給装置126と、酸化剤ガス供給装置16と、制御装置20とを備える。水供給装置124は、水通路59、蒸発器48、水蒸気通路59a及び合流部59bを介して水蒸気改質器46の混合ガス供給室62aに接続される。   As shown in FIG. 10, the fuel cell system 120 includes a fuel cell module 122, a water supply device 124, a raw fuel supply device 126, and an oxidant gas supply device 16 according to the third embodiment of the present invention. And a control device 20. The water supply device 124 is connected to the mixed gas supply chamber 62a of the steam reformer 46 through the water passage 59, the evaporator 48, the steam passage 59a, and the merging portion 59b.

原燃料供給装置126は、原燃料通路57に脱硫器60及び部分酸化改質器45が配設されるとともに、改質ガス通路57aは、水蒸気通路59aの途上に合流する。なお、合流部59bには、例えば、エゼクタ(図示せず)が配設され、水蒸気通路59aを水蒸気が流通することにより、改質ガス通路57aから前記水蒸気通路59aに原燃料(又は改質ガス)が吸引される。   In the raw fuel supply device 126, the desulfurizer 60 and the partial oxidation reformer 45 are disposed in the raw fuel passage 57, and the reformed gas passage 57a joins the steam passage 59a. In addition, for example, an ejector (not shown) is disposed in the merging portion 59b, and when the steam flows through the steam passage 59a, the raw fuel (or reformed gas) is transferred from the reformed gas passage 57a to the steam passage 59a. ) Is aspirated.

蒸発器48の水入口73aに接続される燃焼ガス通路70には、第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74bが直列的に接続される。第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74bは、第1酸化剤ガス供給路部58a及び第2酸化剤ガス供給路部58bに配設される。   A first thermoelectric converter 74a and a second thermoelectric converter 74b are connected in series to the combustion gas passage 70 connected to the water inlet 73a of the evaporator 48. The first thermoelectric converter 74a and the second thermoelectric converter 74b are disposed in the first oxidant gas supply path 58a and the second oxidant gas supply path 58b.

このように構成される第3の実施形態では、蒸発器48で発生した水蒸気は、部分酸化改質器45に流入することがなく、前記部分酸化改質器45の触媒が水蒸気酸化されることを抑制することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the third embodiment configured as described above, the steam generated in the evaporator 48 does not flow into the partial oxidation reformer 45, and the catalyst of the partial oxidation reformer 45 is steam oxidized. The same effect as the first embodiment can be obtained.

図11に示されるように、燃料電池システム120aは、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池モジュール122aを備える。なお、第3の実施形態に係る燃料電池モジュール122と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIG. 11, the fuel cell system 120a includes a fuel cell module 122a according to the fourth embodiment of the present invention. Note that the same components as those of the fuel cell module 122 according to the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池モジュール122aは、熱電変換部74を備えるとともに、前記熱電変換部74は、酸化剤ガス通路58に酸化剤ガス調整弁75の上流側に位置して配置される。   The fuel cell module 122 a includes a thermoelectric conversion unit 74, and the thermoelectric conversion unit 74 is disposed in the oxidant gas passage 58 on the upstream side of the oxidant gas adjustment valve 75.

このように構成される第4の実施形態では、熱自立を妨げることがなく、燃焼ガスと酸化剤ガスとの温度差、すなわち、熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、発電効率を向上させることが可能になる。しかも、燃焼ガスの温度が低下されるため、廃熱の抑制が図られる一方、酸化剤ガスが昇温されるため、熱自立の促進が図られる等の効果が得られる。   In the fourth embodiment configured as described above, the temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas, that is, the heat energy can be recovered as electric energy without hindering thermal self-sustainment, and the power generation efficiency is improved. It becomes possible to make it. In addition, since the temperature of the combustion gas is lowered, waste heat is suppressed, while the temperature of the oxidant gas is raised, so that effects such as promotion of heat self-sustaining can be obtained.

図12は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部130の要部分解斜視説明図である。   FIG. 12 is an exploded perspective view of a main part of a thermoelectric conversion unit 130 constituting a fuel cell module according to the fifth embodiment of the present invention.

熱電変換部130は、第1〜第4の実施形態に係る第1熱電変換部74a及び第2熱電変換部74b(熱電変換部74)の少なくともいずれかに代えて使用することができる。なお、以下に説明する第6以降の実施形態においても同様である。   The thermoelectric conversion unit 130 can be used in place of at least one of the first thermoelectric conversion unit 74a and the second thermoelectric conversion unit 74b (thermoelectric conversion unit 74) according to the first to fourth embodiments. The same applies to the sixth and subsequent embodiments described below.

熱電変換部130は、酸化剤ガスを流通させる第1通路部材132と、燃焼ガスを流通させる第2通路部材134と、前記第1通路部材132及び前記第2通路部材134間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子136とを備える。   The thermoelectric conversion unit 130 is disposed between the first passage member 132 that circulates the oxidant gas, the second passage member 134 that circulates the combustion gas, and between the first passage member 132 and the second passage member 134. And a plurality of thermoelectric conversion elements 136 set to the thermoelectric conversion temperature.

第1通路部材132は、酸化剤ガス入口132aと酸化剤ガス出口132bとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路132cを有する。酸化剤ガス蛇行流路132cは、第1通路部材132内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板132dにより形成される。   The first passage member 132 has an oxidant gas meandering channel 132c that meanders between the oxidant gas inlet 132a and the oxidant gas outlet 132b. The oxidant gas meandering channel 132c is formed by partition plates 132d that are alternately arranged in the first passage member 132 in a staggered manner.

第2通路部材134は、燃焼ガス入口134aと燃焼ガス出口134bとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路134cを有する。燃焼ガス蛇行流路134cは、第2通路部材134内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板134dにより形成される。燃焼ガス蛇行流路134cと酸化剤ガス蛇行流路132cとは、互いに対向流に設定される。   The second passage member 134 has a combustion gas meandering channel 134c that meanders between the combustion gas inlet 134a and the combustion gas outlet 134b. The combustion gas meandering channel 134c is formed by partition plates 134d arranged alternately and in a staggered manner in the second passage member 134. The combustion gas meandering channel 134c and the oxidant gas meandering channel 132c are set to face each other.

このように構成される第5の実施形態では、熱電変換部130は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子136を備えている。このため、熱電変換部130内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子136を用いることができる。従って、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。   In the fifth embodiment configured as described above, the thermoelectric conversion unit 130 includes a plurality of thermoelectric conversion elements in which the combustion gas and the oxidant gas are set to counterflow with each other and set to a predetermined thermoelectric conversion temperature. 136. For this reason, in the thermoelectric conversion part 130, the thermoelectric conversion element 136 set to the optimal thermoelectric conversion temperature can be used according to the assumed temperature difference. Therefore, an effect is obtained that efficient thermoelectric conversion can be reliably performed.

図13は、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部140の要部分解斜視説明図である。   FIG. 13 is an exploded perspective view of a main part of a thermoelectric conversion unit 140 constituting a fuel cell module according to the sixth embodiment of the present invention.

熱電変換部140は、酸化剤ガスを流通させる第1通路部材142と、燃焼ガスを流通させる第2通路部材144と、前記第1通路部材142及び第2通路部材144間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子146とを備える。   The thermoelectric conversion unit 140 is disposed between the first passage member 142 that circulates the oxidant gas, the second passage member 144 that circulates the combustion gas, and the first passage member 142 and the second passage member 144. And a plurality of thermoelectric conversion elements 146 set to the thermoelectric conversion temperature.

第1通路部材142は、酸化剤ガス入口142aと酸化剤ガス出口142bとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路142cを有する。酸化剤ガス蛇行流路142cは、第1通路部材142内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板142dにより形成される。   The first passage member 142 has an oxidant gas meandering channel 142c that meanders between the oxidant gas inlet 142a and the oxidant gas outlet 142b. The oxidant gas meandering channel 142c is formed by partition plates 142d arranged alternately and in a staggered manner in the first passage member 142.

第2通路部材144は、燃焼ガス入口144aと燃焼ガス出口144bとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路144cを有する。燃焼ガス蛇行流路144cは、第2通路部材144内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板144dにより形成される。燃焼ガス蛇行流路144cと酸化剤ガス蛇行流路142cとは、互いに交差する流れに設定される。   The second passage member 144 has a combustion gas meandering channel 144c that meanders between the combustion gas inlet 144a and the combustion gas outlet 144b. The combustion gas meandering channel 144c is formed by partition plates 144d arranged alternately and in a staggered manner in the second passage member 144. The combustion gas meandering channel 144c and the oxidant gas meandering channel 142c are set to flow mutually intersecting.

このように構成される第6の実施形態では、熱電変換部140は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに交差する流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子146を備えている。これにより、熱電変換部140内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子146を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。   In the sixth embodiment configured as described above, the thermoelectric conversion unit 140 is set to a flow in which the combustion gas and the oxidant gas intersect each other, and a plurality of thermoelectric conversions set to a predetermined thermoelectric conversion temperature. An element 146 is provided. Thereby, in the thermoelectric conversion part 140, the thermoelectric conversion element 146 set to the optimal thermoelectric conversion temperature can be used according to the assumed temperature difference. For this reason, the effect that efficient thermoelectric conversion can be performed reliably is acquired.

図14は、本発明の第7の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する熱電変換部150の要部分解斜視説明図である。   FIG. 14 is an exploded perspective view of a main part of a thermoelectric conversion unit 150 constituting the fuel cell module according to the seventh embodiment of the present invention.

熱電変換部150は、酸化剤ガスを流通させる第1通路部材152と、燃焼ガスを流通させる第2通路部材154と、前記第1通路部材152及び第2通路部材154間に配置されて所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子156とを備える。   The thermoelectric converter 150 is disposed between a first passage member 152 that circulates the oxidant gas, a second passage member 154 that circulates the combustion gas, and the first passage member 152 and the second passage member 154. And a plurality of thermoelectric conversion elements 156 set to the thermoelectric conversion temperature.

第1通路部材152は、酸化剤ガス入口152aと酸化剤ガス出口152bとの間で蛇行する酸化剤ガス蛇行流路152cを有する。酸化剤ガス蛇行流路152cは、第1通路部材152内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板152dにより形成される。   The first passage member 152 has an oxidant gas meandering flow path 152c that meanders between the oxidant gas inlet 152a and the oxidant gas outlet 152b. The oxidant gas meandering flow path 152c is formed by partition plates 152d that are alternately arranged in the first passage member 152 in a staggered manner.

第2通路部材154は、燃焼ガス入口154aと燃焼ガス出口154bとの間で蛇行する燃焼ガス蛇行流路154cを有する。燃焼ガス蛇行流路154cは、第2通路部材154内に交互に且つ千鳥状に配置される仕切板154dにより形成される。燃焼ガス蛇行流路154cと酸化剤ガス蛇行流路152cとは、互いに対称の流れに設定される。   The second passage member 154 has a combustion gas meandering channel 154c that meanders between the combustion gas inlet 154a and the combustion gas outlet 154b. The combustion gas meandering channel 154c is formed by partition plates 154d arranged alternately and in a staggered manner in the second passage member 154. The combustion gas meandering channel 154c and the oxidant gas meandering channel 152c are set to flow symmetrical to each other.

このように構成される第7の実施形態では、熱電変換部150は、燃焼ガスと酸化剤ガスとが互いに対称の流れに設定されるとともに、所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子156を備えている。これにより、熱電変換部150内では、想定される温度差に応じて、最適な熱電変換温度に設定された熱電変換素子156を用いることができる。このため、効率的な熱電変換が確実に遂行可能になるという効果が得られる。   In the seventh embodiment configured as described above, the thermoelectric conversion unit 150 includes a plurality of thermoelectric conversions in which the combustion gas and the oxidant gas are set in a mutually symmetrical flow and set to a predetermined thermoelectric conversion temperature. An element 156 is provided. Thereby, in the thermoelectric conversion part 150, the thermoelectric conversion element 156 set to the optimal thermoelectric conversion temperature can be used according to the assumed temperature difference. For this reason, the effect that efficient thermoelectric conversion can be performed reliably is acquired.

10、10a、120、120a…燃料電池システム
12、12a、122、122a…燃料電池モジュール
14、126…原燃料供給装置 16…酸化剤ガス供給装置
18、124…水供給装置 20…制御装置
22…燃料電池 24…燃料電池スタック
26…電解質 28…カソード電極
30…アノード電極 32…電解質・電極接合体
34…カソード側セパレータ 36…アノード側セパレータ
38…酸化剤ガス流路 40…燃料ガス流路
45…部分酸化改質器 46…水蒸気改質器
48…蒸発器 50…熱交換器
52…排ガス燃焼器 56…FC周辺機器
57…原燃料通路 57b、59b…合流部
58、82…酸化剤ガス通路 59…水通路
59a…水蒸気通路 60…脱硫器
66…燃料ガス通路 70…燃焼ガス通路
74、74a、74b、130、140、150…熱電変換部
75…酸化剤ガス調整弁 98…開口部
112、114、132、134、142、144、152、154…通路部材
116a〜116c、136、146、156…熱電変換素子
10, 10a, 120, 120a ... Fuel cell system 12, 12a, 122, 122a ... Fuel cell module 14, 126 ... Raw fuel supply device 16 ... Oxidant gas supply device 18, 124 ... Water supply device 20 ... Control device 22 ... Fuel cell 24 ... Fuel cell stack 26 ... Electrolyte 28 ... Cathode electrode 30 ... Anode electrode 32 ... Electrolyte / electrode assembly 34 ... Cathode side separator 36 ... Anode side separator 38 ... Oxidant gas channel 40 ... Fuel gas channel 45 ... Partial oxidation reformer 46 ... steam reformer 48 ... evaporator 50 ... heat exchanger 52 ... exhaust gas combustor 56 ... FC peripheral device 57 ... raw fuel passage 57b, 59b ... merging portion 58, 82 ... oxidant gas passage 59 ... Water passage 59a ... Steam passage 60 ... Desulfurizer 66 ... Fuel gas passage 70 ... Combustion gas passages 74, 74a, 74b, 130 140,150 ... thermoelectric conversion unit 75 ... oxidant gas regulating valve 98 ... opening 112,114,132,134,142,144,152,154 ... passage member 116 a - c, 136, 146 and 156 ... thermoelectric conversion element

Claims (11)

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、
前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、
水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気改質器に供給する蒸発器と、
燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池モジュールは、前記蒸発器の水蒸気出口に連通する水蒸気通路と前記部分酸化改質器の改質ガス出口に連通する改質ガス通路とを合流させ、前記水蒸気改質器に接続する合流部と、
前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとの温度差により熱電変換を行う熱電変換部と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
A fuel cell stack that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
A partial oxidation reformer for reforming a mixed gas of hydrocarbon-based raw fuel and oxidant gas;
A steam reformer for reforming a mixed gas of the raw fuel and steam;
An evaporator for evaporating water and supplying steam to the steam reformer;
A heat exchanger that raises the temperature of the oxidant gas by heat exchange with a combustion gas and supplies the oxidant gas to the fuel cell stack;
An exhaust gas combustor for burning the fuel exhaust gas as the fuel gas discharged from the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas as the oxidant gas to generate the combustion gas;
A fuel cell module comprising:
The fuel cell module joins a steam passage that communicates with a steam outlet of the evaporator and a reformed gas passage that communicates with a reformed gas outlet of the partial oxidation reformer and connects to the steam reformer And
A thermoelectric conversion unit that performs thermoelectric conversion by a temperature difference between the combustion gas and the oxidant gas;
A fuel cell module comprising:
請求項1記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガスを前記熱交換器、前記水蒸気改質器及び前記蒸発器に、順次、供給する燃焼ガス通路と、
前記酸化剤ガスを前記部分酸化改質器から前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス通路と、
を備えるとともに、
前記熱電変換部は、前記燃焼ガス通路の前記蒸発器の下流側に、且つ、前記酸化剤ガス通路の前記部分酸化改質器の上流側に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. The fuel cell module according to claim 1, wherein the combustion gas is sequentially supplied to the heat exchanger, the steam reformer, and the evaporator.
An oxidant gas passage for supplying the oxidant gas from the partial oxidation reformer to the fuel cell stack;
With
The fuel cell module, wherein the thermoelectric converter is provided on the downstream side of the evaporator in the combustion gas passage and on the upstream side of the partial oxidation reformer in the oxidant gas passage.
請求項2記載の燃料電池モジュールにおいて、前記原燃料を前記部分酸化改質器に供給する原燃料通路を備え、
前記酸化剤ガス通路は、前記原燃料通路に前記部分酸化改質器の上流側で合流するとともに、
前記酸化剤ガス通路には、前記熱電変換部が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to claim 2, further comprising a raw fuel passage for supplying the raw fuel to the partial oxidation reformer,
The oxidant gas passage joins the raw fuel passage on the upstream side of the partial oxidation reformer,
The fuel cell module, wherein the thermoelectric converter is disposed in the oxidant gas passage.
請求項2又は3記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス通路は、前記部分酸化改質器に前記酸化剤ガスを供給する第1酸化剤ガス供給路部と、
前記熱交換器に前記酸化剤ガスを供給する第2酸化剤ガス供給路部と、
に分岐するとともに、
分岐部位には、前記酸化剤ガスの分配量を調整する酸化剤ガス調整弁が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
4. The fuel cell module according to claim 2, wherein the oxidant gas passage includes a first oxidant gas supply passage that supplies the oxidant gas to the partial oxidation reformer,
A second oxidant gas supply path for supplying the oxidant gas to the heat exchanger;
Branch to
An oxidant gas adjusting valve for adjusting a distribution amount of the oxidant gas is disposed at the branch portion.
請求項4記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガス調整弁の上流側に位置して配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。   5. The fuel cell module according to claim 4, wherein the thermoelectric converter is disposed in the oxidant gas passage at an upstream side of the oxidant gas regulating valve. 6. 請求項4記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、少なくとも前記第1酸化剤ガス供給路部又は前記第2酸化剤ガス供給路部に前記酸化剤ガス調整弁の下流側に位置して配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。   5. The fuel cell module according to claim 4, wherein the thermoelectric converter is located at least downstream of the oxidant gas regulating valve in the first oxidant gas supply path or the second oxidant gas supply path. A fuel cell module which is arranged. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに並行流に設定されるとともに、
異なる熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 6, wherein the thermoelectric converter is configured such that the combustion gas and the oxidant gas are set in parallel flow with each other,
A fuel cell module comprising a plurality of thermoelectric conversion elements set to different thermoelectric conversion temperatures.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに対向流に設定されるとともに、
所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 6, wherein the thermoelectric conversion unit is configured such that the combustion gas and the oxidant gas are set to counter flow with each other,
A fuel cell module comprising a plurality of thermoelectric conversion elements set to a predetermined thermoelectric conversion temperature.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換部は、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガスとが互いに交差する流れ又は対称の流れに設定されるとともに、
所定の熱電変換温度に設定された複数の熱電変換素子を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 6, wherein the thermoelectric converter is set to a flow in which the combustion gas and the oxidant gas cross each other or a symmetrical flow,
A fuel cell module comprising a plurality of thermoelectric conversion elements set to a predetermined thermoelectric conversion temperature.
請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱交換器内には、前記排ガス燃焼器が一体に設けられるとともに、
前記熱交換器の一端には、前記水蒸気改質器が隣接して設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 9, wherein the exhaust gas combustor is integrally provided in the heat exchanger,
The fuel cell module, wherein the steam reformer is provided adjacent to one end of the heat exchanger.
請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池モジュール。   The fuel cell module according to any one of claims 1 to 10, wherein the fuel cell module is a solid oxide fuel cell module.
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