JP2013157215A - Fuel cell module - Google Patents

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Tetsuya Ogawa
哲矢 小川
如 ▲吉▼峯
Gin Yoshimine
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable enhancement of thermal efficiency and thermal independence with a simple and compact configuration.SOLUTION: A fuel cell module 12 includes: a first region R1 in which an exhaust gas combustor 52 and a start-up combustor 54 are constituted; a second region R2 in which a heat exchanger 50 is constituted and which circularly rotates around the first region R1; a third region R3 in which a reformer 46 is constituted and which circularly rotates around the second region R2; and a fourth region R4 in which an evaporator 48 is constituted and which circularly rotates around the third region R3. The reformer 46 and the heat exchanger 50 are compared for the magnitude of respective requested heat amount, and then, the heat exchanger 50 having larger requested heating amount is placed in the second region R2 while the reformer 46 having smaller requested heating amount is placed in the third region R3.

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を複数積層した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 in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked.

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.

この種の燃料電池スタックを組み込むシステムとして、例えば、特許文献1に開示された燃料電池バッテリが知られている。この燃料電池バッテリは、図8に示すように、燃料電池スタック1aを備えるとともに、前記燃料電池スタック1aの一端側には、断熱スリーブ2aが取り付けられている。断熱スリーブ2aの内部には、熱交換装置3aが反応装置4a内に組み込まれて配置している。   As a system incorporating this type of fuel cell stack, for example, a fuel cell battery disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 8, the fuel cell battery includes a fuel cell stack 1a, and a heat insulating sleeve 2a is attached to one end of the fuel cell stack 1a. Inside the heat insulating sleeve 2a, a heat exchanging device 3a is incorporated and arranged in the reaction device 4a.

反応装置4aでは、液体燃料の処理として、水を使用しない部分酸化による改質が行われている。液体燃料は、排ガスにより蒸発された後、熱交換装置3aの一部である送り込み位置5aを通過している。その際、燃料は、排ガスにより加熱された酸素搬送ガスと接触することにより、部分酸化による改質が行われた後、燃料電池スタック1aに供給されている。   In the reactor 4a, reforming by partial oxidation without using water is performed as a treatment of the liquid fuel. After the liquid fuel is evaporated by the exhaust gas, the liquid fuel passes through the feed position 5a which is a part of the heat exchange device 3a. At that time, the fuel is supplied to the fuel cell stack 1a after being reformed by partial oxidation by contacting the oxygen carrier gas heated by the exhaust gas.

また、特許文献2に開示された固体酸化物燃料電池は、図9に示すように、電池コア1bを内装して熱交換器2bが設けられている。そして、熱交換器2bは、排熱によりカソードエアを昇温している。   Moreover, as shown in FIG. 9, the solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 2 includes a battery core 1b and a heat exchanger 2b. The heat exchanger 2b raises the temperature of the cathode air by exhaust heat.

さらに、特許文献3に開示された燃料電池システムは、図10に示すように、鉛直円柱状の第1領域1c、その外周側に環状の第2領域2c、その外周側に環状の第3領域3c、その外周側に環状の第4領域4cを有している。   Further, as shown in FIG. 10, the fuel cell system disclosed in Patent Document 3 includes a vertical columnar first region 1c, an annular second region 2c on the outer peripheral side, and an annular third region on the outer peripheral side. 3c has an annular fourth region 4c on the outer peripheral side thereof.

第1領域1cには、バーナ5cが設けられるとともに、第2領域2cには、改質管6cが設けられている。第3領域3cには、水蒸発器7cが設けられ、第4領域4cには、CO変成器8cが設けられている。   A burner 5c is provided in the first region 1c, and a reforming pipe 6c is provided in the second region 2c. The third region 3c is provided with a water evaporator 7c, and the fourth region 4c is provided with a CO transformer 8c.

特開2001−236980号公報JP 2001-236980 A 特表2010−504607号公報Special table 2010-504607 特開2004−288434号公報JP 2004-288434 A

ところで、上記の特許文献1では、反応装置4aで部分酸化による改質を行う際に、排ガスの熱が、液体燃料及び酸素搬送ガスを加熱するために使用されている。従って、燃料電池スタック1aに供給される酸化剤ガスを昇温させるための熱量が不足し易く、熱自立が有効に遂行されないという問題がある。   By the way, in Patent Document 1 described above, when reforming by partial oxidation is performed in the reactor 4a, the heat of the exhaust gas is used to heat the liquid fuel and the oxygen carrier gas. Therefore, there is a problem that the amount of heat for raising the temperature of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 1a is likely to be insufficient, and heat self-sustainment is not effectively performed.

また、上記の特許文献2では、電池コア1bに供給されるカソードエアの昇温に排熱が用いられている。このため、電池コア1bに供給される燃料ガスの改質や昇温に必要な熱量が不足し易い。これにより、改質及び熱自立が良好に遂行されないという問題がある。   Moreover, in said patent document 2, waste heat is used for temperature rising of the cathode air supplied to the battery core 1b. For this reason, the amount of heat necessary for reforming and raising the temperature of the fuel gas supplied to the battery core 1b is likely to be insufficient. As a result, there is a problem that reforming and heat self-supporting are not performed well.

さらに、上記の特許文献3では、バーナ5cからの燃焼ガスの熱が、燃料の改質に使用されている。従って、燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温が不足するおそれがあり、熱自立が有効に遂行されないという問題がある。   Furthermore, in said patent document 3, the heat | fever of the combustion gas from the burner 5c is used for the reforming | reformation of a fuel. Therefore, there is a possibility that the temperature of the oxidant gas supplied to the fuel cell is insufficiently raised, and there is a problem that the heat self-sustainment is not performed effectively.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、熱効率及び熱自立の促進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 an object thereof is to provide a fuel cell module capable of promoting thermal efficiency and thermal independence with a simple and compact configuration.

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を複数積層した燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記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、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用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 reforms a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and a mixed gas of raw fuel and steam mainly composed of hydrocarbons, The oxidant gas is raised by heat exchange with a reformer that generates the fuel gas supplied to the battery stack, an evaporator that evaporates water and supplies the water vapor to the reformer, and a combustion gas. A heat exchanger for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack, and burning the fuel exhaust gas as the fuel gas and the oxidant exhaust gas as the oxidant gas discharged from the fuel cell stack. The present invention relates to a fuel cell module comprising an exhaust gas combustor that generates the combustion gas, and an activation combustor that generates the combustion gas by burning the raw fuel and the oxidant gas. It is intended.

この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第1領域と、改質器又は熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第1領域を環状に周回する第2領域と、前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第2領域を環状に周回する第3領域と、蒸発器が構成されるとともに、前記第3領域を環状に周回する第4領域とを備えている。   In this fuel cell module, the first region in which the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured, and one of the reformer and the heat exchanger is configured, and the second region in which the first region is circularly circulated And the other of the reformer or the heat exchanger is configured, the third region that circulates around the second region annularly, and the evaporator is configured, and circulates around the third region annularly And a fourth region.

そして、改質器と熱交換器とは、それぞれの要求熱量の大小を比較して、大きな要求熱量を有する一方が第2領域に配置され、且つ小さな要求熱量を有する他方が第3領域に配置されている。   Then, the reformer and the heat exchanger are compared with each other in magnitude of required heat quantity, and one having a large required heat quantity is arranged in the second area, and the other having a small required heat quantity is arranged in the third area. Has been.

また、この燃料電池モジュールでは、改質器と熱交換器とは、それぞれの単位温度当たりの仕事量の大小を比較して、大きな仕事量を有する一方が第2領域に配置され、且つ小さな仕事量を有する他方が第3領域に配置されることが好ましい。   Further, in this fuel cell module, the reformer and the heat exchanger are compared with each other in the amount of work per unit temperature. The other having the amount is preferably arranged in the third region.

このため、運転条件等における単位温度当たりの仕事量の大小に基づいて、改質器及び熱交換器の配置が設定される。従って、仕事量の大きな機器は、仕事量の小さな機器よりも、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第1領域に近接して配置される。これにより、熱収支バランスの最適化がなされ、熱自立の促進が確実に図られる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。   For this reason, the arrangement of the reformer and the heat exchanger is set based on the amount of work per unit temperature in the operating conditions and the like. Therefore, the device having a large work amount is arranged closer to the first region where the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured than the device having a small work amount. As a result, the heat balance is optimized and the heat self-sustainment is reliably promoted. Here, the heat self-sustained means that the operating temperature of the fuel cell is maintained only by the heat generated by itself without applying heat from the outside.

また、この燃料電池モジュールでは、好ましくは、改質器は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。   In the fuel cell module, preferably, the reformer includes an annular mixed gas supply chamber to which a mixed gas is supplied, an annular reformed gas discharge chamber to which the generated fuel gas is discharged, and one end of the mixing device. A plurality of reforming conduits communicating with the gas supply chamber and having the other end communicating with the reformed gas discharge chamber, and a combustion gas passage for supplying combustion gas between the reforming conduits are provided.

蒸発器は、水が供給される環状の水供給室、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。   The evaporator includes an annular water supply chamber to which water is supplied, an annular water vapor discharge chamber from which water vapor is discharged, and a plurality of evaporators having one end communicating with the water supply chamber and the other end communicating with the water vapor discharge chamber. A combustion gas passage for supplying combustion gas between the pipe and the evaporation pipe is provided.

熱交換器は、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室、一端が前記酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室に連通する複数本の熱交換管路、及び前記熱交換管路間に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備えている。   The heat exchanger includes an annular oxidant gas supply chamber to which an oxidant gas is supplied, an annular oxidant gas discharge chamber from which the heated oxidant gas is discharged, and one end communicating with the oxidant gas supply chamber. And the other end includes a plurality of heat exchange pipes communicating with the oxidant gas discharge chamber, and a combustion gas passage for supplying combustion gas between the heat exchange pipes.

このように、環状の供給室、環状の排出室及び複数本の管路を基本的な構成にすることにより、構造の簡素化が容易に図られる。従って、製造コストが有効に削減される。しかも、供給室及び排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。   As described above, the basic structure of the annular supply chamber, the annular discharge chamber, and the plurality of pipelines facilitates simplification of the structure. Therefore, the manufacturing cost is effectively reduced. In addition, by changing the volume of the supply chamber and the discharge chamber, the pipe length, the pipe diameter, and the number of pipes, it is possible to cope with a wide range of operating conditions and to improve the degree of design freedom.

さらに、この燃料電池モジュールでは、改質ガス排出室、水蒸気排出室及び酸化剤ガス排出室は、燃料電池スタックに近接する一方の端部側に設けられる一方、混合ガス供給室、水供給室及び酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックとは反対の他方の端部側に設けられることが好ましい。   Further, in this fuel cell module, the reformed gas discharge chamber, the water vapor discharge chamber, and the oxidant gas discharge chamber are provided on one end side close to the fuel cell stack, while the mixed gas supply chamber, the water supply chamber, The oxidant gas supply chamber is preferably provided on the other end side opposite to the fuel cell stack.

これにより、昇温及び改質直後の反応ガスを燃料電池スタックに迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタックからの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、FC周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に供給することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。   As a result, the reaction gas immediately after the temperature rise and reforming can be quickly supplied to the fuel cell stack. On the other hand, the exhaust gas from the fuel cell stack can be supplied to the exhaust gas combustor, reformer, heat exchanger, and evaporator constituting the FC peripheral equipment while minimizing the temperature drop due to heat radiation, and the thermal efficiency is high. It improves and promotes heat independence.

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、燃焼ガスは、第1領域の燃焼ガス通路、第2領域の燃焼ガス通路、第3領域の燃焼ガス通路及び第4領域の燃焼ガス通路の順に流通した後、前記燃料電池モジュールの外部に排出されることが好ましい。このため、FC周辺機器を構成する排ガス燃焼器、改質器、熱交換器及び蒸発器に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。   Furthermore, in this fuel cell module, after the combustion gas flows in the order of the combustion gas passage in the first region, the combustion gas passage in the second region, the combustion gas passage in the third region, and the combustion gas passage in the fourth region, It is preferable that the fuel cell module is discharged to the outside. For this reason, it becomes possible to effectively supply heat to the exhaust gas combustor, the reformer, the heat exchanger, and the evaporator constituting the FC peripheral device, thereby improving the thermal efficiency and promoting the heat independence.

また、この燃料電池モジュールでは、少なくとも蒸発管路の1本以上は、水蒸気排出室と混合ガス供給室とを連通する蒸発リターン管路を構成することが好ましい。従って、水蒸気は、高温を維持した状態で、改質器の混合ガス供給室で原燃料と混合されて混合ガスが得られる。これにより、改質効率の向上が図られる。   In this fuel cell module, it is preferable that at least one of the evaporation pipes constitutes an evaporation return pipe that communicates the water vapor discharge chamber and the mixed gas supply chamber. Accordingly, the steam is mixed with the raw fuel in the mixed gas supply chamber of the reformer while maintaining a high temperature to obtain a mixed gas. Thereby, improvement of reforming efficiency is achieved.

さらに、この燃料電池モジュールでは、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。このため、特にSOFC等の高温型燃料電池に最適である。   Furthermore, in this fuel cell module, the fuel cell module is preferably a solid oxide fuel cell module. For this reason, it is particularly suitable for high-temperature fuel cells such as SOFC.

本発明によれば、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第1領域を中心にして、それぞれ環状の第2領域、第3領域及び第4領域が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器を外側に設定することができる。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。   According to the present invention, the annular second region, the third region, and the fourth region are sequentially provided outward, respectively, centering on the first region in which the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured. It has been. For this reason, it is possible to set a device having a high temperature and a small heat demand on the inside, while setting a device having a low temperature and a small heat demand to the outside. Therefore, the thermal efficiency is improved, the heat self-sustainment is promoted, and the simple and compact configuration can be realized.

しかも、改質器及び熱交換器の配置は、それぞれの要求熱量の大小に基づいて設定されている。すなわち、運転条件等における要求熱量に基づいて、要求熱量の大きな機器は、要求熱量の小さな機器よりも、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器が構成される第1領域に近接して配置される。これにより、熱収支バランスの最適化がなされ、熱自立の促進が確実に図られる。   Moreover, the arrangement of the reformer and the heat exchanger is set based on the amount of required heat. That is, on the basis of the required heat quantity in the operating condition or the like, the equipment having a large required heat quantity is arranged closer to the first region where the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured than the equipment having a small required heat quantity. As a result, the heat balance is optimized and the heat self-sustainment is reliably promoted.

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周辺機器の一部省略斜視説明図である。FIG. 2 is a partially omitted perspective explanatory view of FC peripheral devices 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FC周辺機器の要部拡大斜視説明図である。It is a principal part expansion perspective explanatory drawing of the said FC peripheral device. 前記燃料電池モジュールの配管配列状態の説明図である。It is explanatory drawing of the piping arrangement | sequence state of the said fuel cell module. 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. 前記燃料電池モジュールを構成するFC周辺機器の一部省略斜視説明図である。FIG. 2 is a partially omitted perspective explanatory view of FC peripheral devices constituting the fuel cell module. 特許文献1に開示されている燃料電池バッテリの概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell battery disclosed in Patent Document 1. FIG. 特許文献2に開示されている固体酸化物燃料電池の一部切り欠き斜視説明図である。FIG. 5 is a partially cutaway perspective view of a solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 2. 特許文献3に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the fuel cell system currently disclosed by patent document 3. 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 uses such as in-vehicle use as well as stationary use.

燃料電池システム10は、燃料ガス(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 (a gas in which methane and carbon monoxide are mixed in hydrogen gas) and an oxidant gas (air), and the fuel cell. A raw fuel supply device (including a fuel gas pump) 14 for supplying raw fuel (for example, city gas) to the module 12 and an oxidant gas supply device (including an air pump) for supplying the oxidant gas to the fuel cell module 12 ) 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.

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.

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(例えば、都市ガス)と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック24に供給される燃料ガスを生成する改質器46と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器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、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器54とを備える。   The fuel cell module 12 reforms a mixed gas of raw fuel (for example, city gas) mainly composed of hydrocarbons and water vapor, and generates a fuel gas to be supplied to the fuel cell stack 24. While evaporating water, the evaporator 48 that supplies the water vapor to the reformer 46 and the temperature of the oxidant gas are increased by heat exchange with the combustion gas, and the oxidant gas is supplied to the fuel cell stack 24. A heat exchanger 50, an exhaust gas combustor 52 that burns fuel exhaust gas that is the fuel gas discharged from the fuel cell stack 24 and oxidant exhaust gas that is the oxidant gas, and generates the combustion gas; A starting combustor that burns the raw fuel and the oxidant gas to generate the combustion 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。このFC周辺機器56は、改質器46、蒸発器48、熱交換器50、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54を備える。   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 reformer 46, an evaporator 48, a heat exchanger 50, an exhaust gas combustor 52, and a start-up combustor 54.

図2に示すように、FC周辺機器56は、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される、例えば、開口形状円形の第1領域R1と、熱交換器50が構成されるとともに、前記第1領域R1を環状に周回する第2領域R2と、改質器46が構成されるとともに、前記第2領域R2を環状に周回する第3領域R3と、蒸発器48が構成されるとともに、前記第3領域R3を環状に周回する第4領域R4とを備える。第4領域R4の外周には、外壁を構成する円筒状の外周部材55が配設される(図2参照)。   As shown in FIG. 2, the FC peripheral device 56 includes an exhaust gas combustor 52 and a start-up combustor 54, for example, a first region R1 having a circular shape with an opening, and a heat exchanger 50, The reformer 46 is configured with a second region R2 that circulates around the first region R1, and a vaporizer 48 is configured with a third region R3 that circulates around the second region R2 annularly. And a fourth region R4 that circulates around the third region R3 annularly. A cylindrical outer peripheral member 55 constituting the outer wall is disposed on the outer periphery of the fourth region R4 (see FIG. 2).

改質器46と熱交換器50とは、それぞれの要求熱量の大小を比較して、大きな要求熱量を有する一方が、第2領域R2に配置され、且つ小さな要求熱量を有する他方が、第3領域R3に配置される。要求熱量(J)は、単位温度当たりの仕事量(J・K―1)、流量(mol)、比熱(J・mol―1・K―1)及び温度(停止温度、例えば、常温と各機器の定格温度との温度差)(K)の関係から求められる。すなわち、要求熱量=単位温度当たりの仕事量(=流量×比熱)×温度となる。 The reformer 46 and the heat exchanger 50 compare the magnitudes of the respective required heat amounts, and one having a large required heat amount is disposed in the second region R2 and the other having a small required heat amount is the third. Arranged in region R3. The required heat quantity (J) is the amount of work per unit temperature (J · K -1 ), flow rate (mol), specific heat (J · mol -1 · K -1 ) and temperature (stop temperature, for example, room temperature and each device) The temperature difference from the rated temperature of (K). That is, required heat amount = work amount per unit temperature (= flow rate × specific heat) × temperature.

具体的には、改質触媒(後述するペレット状触媒84)を常温から改質触媒反応温度域に昇温させるのに必要な熱量(触媒量、触媒種及び改質触媒反応温度域により変動する)をQref0、改質触媒の改質反応(吸熱反応)に必要な熱量(触媒量、触媒種及び改質触媒反応温度域により変動する)をQref1、燃料の昇温に必要な熱量(燃料流量及び改質触媒反応温度域により変動する)をQfuel、理論A/F(空気/燃料ガス)の空気の昇温に必要な熱量(スタック定格温度域により変動する)をQairとする。 Specifically, the amount of heat required to raise the temperature of the reforming catalyst (a pellet catalyst 84 described later) from the normal temperature to the reforming catalyst reaction temperature range (varies depending on the amount of catalyst, catalyst type, and reforming catalyst reaction temperature range). ) Qref0 , the amount of heat required for the reforming reaction (endothermic reaction) of the reforming catalyst (which varies depending on the amount of catalyst, the type of catalyst and the reforming catalyst reaction temperature range) Qref1 , and the amount of heat necessary for raising the temperature of the fuel ( Q fuel is the fuel flow rate and the reforming catalyst reaction temperature range), and Q air is the amount of heat required to raise the temperature of the theoretical A / F (air / fuel gas) (varies depending on the stack rated temperature range). .

第1の実施形態では、Qref0+Qref1+Qfuel<Qairの関係が得られる。すなわち、熱交換器50の要求熱量は、改質器46の要求熱量よりも大きくなり、第2領域R2に前記熱交換器50が配置される一方、第3領域R3に前記改質器46が配置される。 In the first embodiment, a relationship of Q ref0 + Q ref1 + Q fuel <Q air is obtained. That is, the required heat amount of the heat exchanger 50 is larger than the required heat amount of the reformer 46, and the heat exchanger 50 is disposed in the second region R2, while the reformer 46 is disposed in the third region R3. Be placed.

ここで、改質器46と熱交換器50とは、それぞれの単位温度当たりの仕事量の大小を比較して、大きな仕事量を有する一方が第2領域R2に配置され、且つ小さな仕事量を有する他方が第3領域R3に配置されるように、設定してもよい。   Here, the reformer 46 and the heat exchanger 50 compare the amount of work per unit temperature, and one having a large work amount is disposed in the second region R2 and has a small work amount. You may set so that the other to have may be arrange | positioned in 3rd area | region R3.

図2及び図3に示すように、起動用燃焼器54は、空気供給管57及び原燃料供給管58を備える。起動用燃焼器54は、エゼクタ機能を有し、空気供給管57から導入される空気流により原燃料供給管58に負圧を発生させて、原燃料を吸引する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the start-up combustor 54 includes an air supply pipe 57 and a raw fuel supply pipe 58. The start-up combustor 54 has an ejector function, and sucks the raw fuel by generating a negative pressure in the raw fuel supply pipe 58 by the air flow introduced from the air supply pipe 57.

排ガス燃焼器52は、起動用燃焼器54を収容する円筒部材60を備える。この円筒部材60の周面には、複数の孔部62が形成される(図2〜図4参照)。円筒部材60には、酸化剤排ガス通路63aの一端と燃料排ガス通路63bの一端とが配置される。円筒部材60内では、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、燃焼ガスが生成される。   The exhaust gas combustor 52 includes a cylindrical member 60 that houses the start-up combustor 54. A plurality of holes 62 are formed on the peripheral surface of the cylindrical member 60 (see FIGS. 2 to 4). In the cylindrical member 60, one end of the oxidant exhaust gas passage 63a and one end of the fuel exhaust gas passage 63b are disposed. In the cylindrical member 60, combustion gas is generated by a combustion reaction between fuel gas (specifically, fuel exhaust gas) and oxidant gas (specifically, oxidant exhaust gas).

図1に示すように、酸化剤排ガス通路63a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63b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。図2及び図3に示すように、熱交換器50は、円筒部材60の外周に配設される複数本の熱交換管路(伝熱パイプ)64を備える。熱交換管路64の一端部(燃料電池スタック24とは反対側の他方の端部、以下同様)は、第1内側リング66aに固定されるとともに、前記熱交換管路64の他端部(燃料電池スタック24側の一方の端部、以下同様)は、第1内側リング66bに固定される。第1内側リング66a、66bの外方には、第1外側リング68a、68bが配設される。   As shown in FIG. 1, the other end of the oxidant exhaust gas passage 63 a 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 63 b is connected to the fuel cell stack 24. It is connected to the fuel gas outlet communication hole 44b. As shown in FIGS. 2 and 3, the heat exchanger 50 includes a plurality of heat exchange pipes (heat transfer pipes) 64 disposed on the outer periphery of the cylindrical member 60. One end of the heat exchange pipe 64 (the other end opposite to the fuel cell stack 24, the same applies hereinafter) is fixed to the first inner ring 66a and the other end of the heat exchange pipe 64 ( One end on the fuel cell stack 24 side (hereinafter the same) is fixed to the first inner ring 66b. First outer rings 68a and 68b are disposed outside the first inner rings 66a and 66b.

第1内側リング66aと第1外側リング68aとの間には、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室70aが形成される。第1内側リング66bと第1外側リング68bとの間には、昇温された酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室70bが形成される(図2〜図4参照)。熱交換管路64の両端は、酸化剤ガス供給室70aと酸化剤ガス排出室70bとに開放される。   An annular oxidant gas supply chamber 70a to which an oxidant gas is supplied is formed between the first inner ring 66a and the first outer ring 68a. Between the first inner ring 66b and the first outer ring 68b, an annular oxidant gas discharge chamber 70b from which the heated oxidant gas is discharged is formed (see FIGS. 2 to 4). Both ends of the heat exchange pipe 64 are opened to an oxidant gas supply chamber 70a and an oxidant gas discharge chamber 70b.

酸化剤ガス供給室70aには、酸化剤ガス供給管72が配設される。酸化剤ガス排出室70bには、酸化剤ガス通路74の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路74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)。   An oxidant gas supply pipe 72 is disposed in the oxidant gas supply chamber 70a. One end of the oxidant gas passage 74 is disposed in the oxidant gas discharge chamber 70b, and the other end of the oxidant gas passage 74 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 42a of the fuel cell stack 24. (See FIG. 1).

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 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), This is a pre-reformer for steam reforming to a fuel gas mainly containing methane (CH 4 ), hydrogen, and CO, and is set at an operating temperature of several hundred degrees Celsius.

改質器46は、図2及び図3に示すように、熱交換器50の外周に配設される複数本の改質管路(伝熱パイプ)76を備える。改質管路76の一端部は、第2内側リング78aに固定されるとともに、前記改質管路76の他端部は、第2内側リング78bに固定される。第2内側リング78a、78bの外方には、第2外側リング80a、80bが配設される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the reformer 46 includes a plurality of reforming pipes (heat transfer pipes) 76 disposed on the outer periphery of the heat exchanger 50. One end of the reforming conduit 76 is fixed to the second inner ring 78a, and the other end of the reforming conduit 76 is fixed to the second inner ring 78b. Second outer rings 80a and 80b are disposed outside the second inner rings 78a and 78b.

第2内側リング78aと第2外側リング80aとの間には、混合ガス(原燃料と水蒸気)が供給される環状の混合ガス供給室82aが形成される。第2内側リング78bと第2外側リング80bとの間には、生成された燃料ガス(改質ガス)が排出される環状の改質ガス排出室82bが形成される。   An annular mixed gas supply chamber 82a to which a mixed gas (raw fuel and water vapor) is supplied is formed between the second inner ring 78a and the second outer ring 80a. Between the second inner ring 78b and the second outer ring 80b, an annular reformed gas discharge chamber 82b for discharging the generated fuel gas (reformed gas) is formed.

改質管路76の両端は、混合ガス供給室82aと改質ガス排出室82bとに開放される。各改質管路76内には、改質用のペレット状触媒84が充填される。改質管路76の両端には、ペレット状触媒84を保持するための金網86が配設される。混合ガス供給室82aには、原燃料供給路88が接続されるとともに、前記原燃料供給路88の途上には、後述する蒸発リターン管路102が接続される。改質ガス排出室82bには、燃料ガス通路90の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路90の他端は、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)。   Both ends of the reforming conduit 76 are opened to a mixed gas supply chamber 82a and a reformed gas discharge chamber 82b. Each reforming line 76 is filled with a reforming pellet catalyst 84. At both ends of the reforming pipe 76, a wire net 86 for holding the pellet catalyst 84 is disposed. A raw fuel supply path 88 is connected to the mixed gas supply chamber 82 a, and an evaporation return pipe 102 to be described later is connected to the raw fuel supply path 88. One end of the fuel gas passage 90 communicates with the reformed gas discharge chamber 82b, and the other end of the fuel gas passage 90 communicates with the fuel gas inlet communication hole 44a of the fuel cell stack 24 (see FIG. 1).

蒸発器48は、改質器46の外周に配設される複数本の蒸発管路(伝熱パイプ)92を備える。蒸発管路92の一端部は、第3内側リング94aに固定されるとともに、前記蒸発管路92の他端部は、第3内側リング94bに固定される。第3内側リング94a、94bの外方には、第3外側リング96a、96bが配設される。   The evaporator 48 includes a plurality of evaporation pipes (heat transfer pipes) 92 disposed on the outer periphery of the reformer 46. One end of the evaporation pipe 92 is fixed to the third inner ring 94a, and the other end of the evaporation pipe 92 is fixed to the third inner ring 94b. Third outer rings 96a and 96b are disposed outside the third inner rings 94a and 94b.

第3内側リング94aと第3外側リング96aとの間には、水が供給される環状の水供給室98aが形成される。第3内側リング94bと第3外側リング96bとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室98bが形成される。蒸発管路92の両端は、水供給室98aと水蒸気排出室98bとに開放される。   An annular water supply chamber 98a for supplying water is formed between the third inner ring 94a and the third outer ring 96a. Between the third inner ring 94b and the third outer ring 96b, an annular water vapor discharge chamber 98b from which water vapor is discharged is formed. Both ends of the evaporation pipe line 92 are opened to a water supply chamber 98a and a water vapor discharge chamber 98b.

水供給室98aには、水通路100が配設される。水蒸気排出室98bには、少なくとも1本以上の蒸発管路92により構成される蒸発リターン管路102の一端が配設されるとともに、前記蒸発リターン管路102の他端は、原燃料供給路88の途上に接続される(図1参照)。原燃料供給路88は、エゼクタ機能を有しており、流通される原燃料によって負圧を発生させ、水蒸気の吸引を行う。   A water passage 100 is disposed in the water supply chamber 98a. In the water vapor discharge chamber 98b, one end of an evaporation return line 102 constituted by at least one evaporation line 92 is disposed, and the other end of the evaporation return line 102 is connected to a raw fuel supply line 88. (See FIG. 1). The raw fuel supply path 88 has an ejector function, and generates negative pressure by the raw fuel to be circulated to suck water vapor.

図1に示すように、原燃料供給装置14は、原燃料通路104を備える。原燃料通路104は、原燃料用調整弁106を介して原燃料供給路88と原燃料供給管58とに分岐する。原燃料供給路88には、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108が配設される。   As shown in FIG. 1, the raw fuel supply device 14 includes a raw fuel passage 104. The raw fuel passage 104 branches into a raw fuel supply path 88 and a raw fuel supply pipe 58 via a raw fuel adjustment valve 106. A desulfurizer 108 for removing sulfur compounds contained in the city gas (raw fuel) is disposed in the raw fuel supply path 88.

酸化剤ガス供給装置16は、酸化剤ガス通路110を備える。酸化剤ガス通路110は、酸化剤ガス用調整弁112を介して酸化剤ガス供給管72と空気供給管57とに分岐する。水供給装置18は、水通路100を介して蒸発器48に接続される。   The oxidant gas supply device 16 includes an oxidant gas passage 110. The oxidant gas passage 110 branches into an oxidant gas supply pipe 72 and an air supply pipe 57 via an oxidant gas adjustment valve 112. The water supply device 18 is connected to the evaporator 48 through the water passage 100.

第1の実施形態では、図5に示すように、第1領域R1の中心Oと第3領域R3の各改質管路76の管路中心O2とを結ぶ仮想線L1が設定される。各仮想線L1間には、第2領域R2の各熱交換管路64の管路中心O1及び第4領域R4の各蒸発管路92の管路中心O3が配置される。換言すると、各熱交換管路64の管路中心O1及び各蒸発管路92の管路中心O3は、各仮想線L1上から離間した位置に配置されている。なお、各仮想線L1上には、各熱交換管路64の一部や各蒸発管路92の一部が配置されていてもよい。   In the first embodiment, as shown in FIG. 5, an imaginary line L1 connecting the center O of the first region R1 and the conduit center O2 of each reforming conduit 76 in the third region R3 is set. Between each virtual line L1, the pipe center O1 of each heat exchange pipe 64 in the second region R2 and the pipe center O3 of each evaporation pipe 92 in the fourth region R4 are arranged. In other words, the pipe center O1 of each heat exchange pipe 64 and the pipe center O3 of each evaporation pipe 92 are arranged at positions separated from each virtual line L1. A part of each heat exchange pipe 64 or a part of each evaporation pipe 92 may be disposed on each virtual line L1.

第1の実施形態では、さらに第1領域R1の中心Oから放射状に延びる2本の仮想線L0endが設定される。各仮想線L0endは、各管路外周に接し且つ互いに最大角度を形成する位置、図5では、両側の改質管路76の外周に接する位置を外側規制位置とする。そして、外側規制位置の範囲内において、第1領域R1の中心Oから放射状に延びる任意の仮想線L0を設定した際、前記仮想線L0上には、少なくとも第2領域R2の熱交換管路64、第3領域R3の改質管路76又は第4領域R4の蒸発管路92の一部が配置される。なお、第1領域R1の中心Oに対して各熱交換管路64、各改質管路76及び各蒸発管路92が周回して配置されている際には(第1の実施形態)、外側規制位置となる仮想線L0endが存在せず、前記中心Oから全ての方向に放射状に延びる仮想線L0が設定される。 In the first embodiment, two virtual lines L0 end extending radially from the center O of the first region R1 are set. Each imaginary line L0 end is in contact with the outer periphery of each pipe and forms a maximum angle with each other. In FIG. 5, the position in contact with the outer circumference of the reforming pipes 76 on both sides is defined as the outer restriction position. When an arbitrary virtual line L0 extending radially from the center O of the first region R1 is set within the range of the outer regulation position, at least the heat exchange pipe 64 of the second region R2 is placed on the virtual line L0. A part of the reforming conduit 76 in the third region R3 or the evaporation conduit 92 in the fourth region R4 is disposed. When the heat exchange pipes 64, the reforming pipes 76, and the evaporation pipes 92 are arranged around the center O of the first region R1 (first embodiment), There is no virtual line L0 end serving as the outer regulation position, and a virtual line L0 extending radially from the center O in all directions is set.

第1領域R1には、燃焼ガスが流通する第1燃焼ガス通路116aが形成され、第2領域R2には、前記燃焼ガスが流通する第2燃焼ガス通路116bが形成され、第3領域R3には、前記燃焼ガスが流通する第3燃焼ガス通路116cが形成され、第4領域R4には、前記燃焼ガスが流通する第4燃焼ガス通路116dが形成される。   A first combustion gas passage 116a through which combustion gas flows is formed in the first region R1, a second combustion gas passage 116b through which the combustion gas flows is formed in the second region R2, and a third region R3 is formed in the third region R3. A third combustion gas passage 116c through which the combustion gas flows is formed, and a fourth combustion gas passage 116d through which the combustion gas flows is formed in the fourth region R4.

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、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

燃料電池システム10の起動時には、空気(酸化剤ガス)及び原燃料が起動用燃焼器54に供給される。具体的には、酸化剤ガス供給装置16では、空気ポンプの駆動作用下に酸化剤ガス通路110に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁112の開度調整作用下に、空気供給管57に供給される。   When the fuel cell system 10 is activated, air (oxidant gas) and raw fuel are supplied to the activation combustor 54. Specifically, in the oxidant gas supply device 16, air is supplied to the oxidant gas passage 110 under the driving action of the air pump. This air is supplied to the air supply pipe 57 under the opening degree adjusting action of the oxidant gas adjustment valve 112.

一方、原燃料供給装置14では、燃料ガスポンプの駆動作用下に原燃料通路104に、例えば、都市ガス(CH、C、C、C10を含む)等の原燃料が供給される。原燃料は、原燃料用調整弁106の開度調整作用下に、原燃料供給管58に導入される。この原燃料は、空気と混合されるとともに、起動用燃焼器54内に供給される(図2参照)。 On the other hand, in the raw fuel supply device 14, raw gas such as city gas (including CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , and C 4 H 10 ) is supplied to the raw fuel passage 104 under the operation of the fuel gas pump. Fuel is supplied. The raw fuel is introduced into the raw fuel supply pipe 58 under the opening adjustment operation of the raw fuel adjustment valve 106. The raw fuel is mixed with air and supplied into the start-up combustor 54 (see FIG. 2).

このため、起動用燃焼器54内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、燃焼が開始される。従って、起動用燃焼器54に直接接続されている排ガス燃焼器52では、前記起動用燃焼器54から円筒部材60に燃焼ガスが供給される。   For this reason, a mixed gas of raw fuel and air is supplied into the start-up combustor 54, and combustion is started when this mixed gas is ignited. Accordingly, in the exhaust gas combustor 52 that is directly connected to the start-up combustor 54, the combustion gas is supplied from the start-up combustor 54 to the cylindrical member 60.

円筒部材60には、複数の孔部62が形成されている。これにより、円筒部材60内に供給された燃焼ガスは、複数の孔部62を通過して、第1領域R1から第2領域R2に導入される。燃焼ガスは、さらに第3領域R3に供給された後、第4領域R4に導入され、燃料電池モジュール12の外部に排出される。   A plurality of holes 62 are formed in the cylindrical member 60. Thereby, the combustion gas supplied into the cylindrical member 60 passes through the plurality of holes 62 and is introduced from the first region R1 to the second region R2. The combustion gas is further supplied to the third region R3, then introduced into the fourth region R4, and discharged to the outside of the fuel cell module 12.

その際、第2領域R2には、熱交換器50が配置されており、第3領域R3には、改質器46が配置されており、第4領域R4には、蒸発器48が配置されている。このため、第1領域R1から排出される燃焼ガスは、熱交換器50、改質器46及び蒸発器48の順に加熱する。   At that time, the heat exchanger 50 is disposed in the second region R2, the reformer 46 is disposed in the third region R3, and the evaporator 48 is disposed in the fourth region R4. ing. Therefore, the combustion gas discharged from the first region R1 is heated in the order of the heat exchanger 50, the reformer 46, and the evaporator 48.

そして、燃料電池モジュール12が設定温度に昇温されると、熱交換器50に酸化剤ガスが供給される一方、改質器46には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。   When the fuel cell module 12 is heated to a set temperature, an oxidant gas is supplied to the heat exchanger 50, while a gas mixture of raw fuel and water vapor is supplied to the reformer 46.

具体的には、酸化剤ガス用調整弁112の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管72への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁106の開度が調整されて、原燃料供給路88への原燃料供給量が増加される。また、水供給装置18の作用下に、水通路100に水が供給される。   Specifically, the opening degree of the oxidant gas adjustment valve 112 is adjusted, the amount of air supplied to the oxidant gas supply pipe 72 is increased, and the opening degree of the raw fuel adjustment valve 106 is adjusted. The amount of raw fuel supplied to the raw fuel supply path 88 is increased. Further, water is supplied to the water passage 100 under the action of the water supply device 18.

従って、図2及び図3に示すように、熱交換器50に導入された空気は、酸化剤ガス供給室70aに一旦供給された後、複数の熱交換管路64内を移動する間に、第2領域R2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70bに供給された後、酸化剤ガス通路74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)。   Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, the air introduced into the heat exchanger 50 is temporarily supplied to the oxidant gas supply chamber 70 a and then moves in the plurality of heat exchange pipes 64. Heated (heat exchanged) by the combustion gas introduced into the second region R2. The heated air is once supplied to the oxidant gas discharge chamber 70b and then supplied to the oxidant gas inlet communication hole 42a of the fuel cell stack 24 through the oxidant gas passage 74 (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63aに排出される。酸化剤排ガス通路63aは、排ガス燃焼器52を構成する円筒部材60に開口しており、前記円筒部材60内に酸化剤排ガスが導入される。   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 63 a. The oxidant exhaust gas passage 63 a is open to the cylindrical member 60 constituting the exhaust gas combustor 52, and the oxidant exhaust gas is introduced into the cylindrical member 60.

また、図1に示すように、水供給装置18から供給される水は、蒸発器48に供給されるとともに、脱硫器108で脱硫された原燃料は、原燃料供給路88を流通して改質器46に向かう。   Further, as shown in FIG. 1, the water supplied from the water supply device 18 is supplied to the evaporator 48, and the raw fuel desulfurized by the desulfurizer 108 is circulated through the raw fuel supply path 88 to be modified. Head to the psalm 46.

蒸発器48では、水が一旦水供給室98aに供給された後、複数本の蒸発管路92内を移動する間、第4領域R4を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。この水蒸気は、水蒸気排出室98bに一旦導入された後、前記水蒸気排出室98bに連通する蒸発リターン管路102に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路102内を流通して原燃料供給路88に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。   In the evaporator 48, after the water is once supplied to the water supply chamber 98a, the temperature is raised by the combustion gas flowing through the fourth region R4 and steamed while moving in the plurality of evaporation pipes 92. . The water vapor is once introduced into the water vapor discharge chamber 98b, and then supplied to the evaporation return pipe 102 communicating with the water vapor discharge chamber 98b. As a result, the water vapor flows through the evaporation return pipe 102 and is introduced into the raw fuel supply path 88, and is mixed with the raw fuel to obtain a mixed gas.

混合ガスは、原燃料供給路88から改質器46を構成する混合ガス供給室82aに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路76内を移動する。その間に、混合ガスは、第3領域R3を流通する燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状触媒84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が得られる。 The mixed gas is temporarily supplied from the raw fuel supply path 88 to the mixed gas supply chamber 82 a constituting the reformer 46. The mixed gas moves in the plurality of reforming pipes 76. In the meantime, the mixed gas is heated by the combustion gas flowing through the third region R3 and steam reformed through the pellet catalyst 84 to remove (reform) C 2+ hydrocarbons to mainly produce methane. A reformed gas as a component is obtained.

この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦改質ガス排出室82bに供給された後、燃料ガス通路90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)。   The reformed gas is once supplied to the reformed gas discharge chamber 82b 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 90 (FIG. 1).

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63bに排出される。燃料排ガス通路63bは、排ガス燃焼器52を構成する円筒部材60内に開口しており、前記円筒部材60内に燃料排ガスが導入される。   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 63 b. The fuel exhaust gas passage 63 b is opened in the cylindrical member 60 constituting the exhaust gas combustor 52, and the fuel exhaust gas is introduced into the cylindrical member 60.

なお、起動用燃焼器54による昇温作用下に、排ガス燃焼器52内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、円筒部材60内で酸化剤排ガスと燃料排ガスとによる燃焼が開始される。   Note that, when the inside of the exhaust gas combustor 52 exceeds the self-ignition temperature of the fuel gas under the temperature rising action by the start-up combustor 54, combustion by the oxidant exhaust gas and the fuel exhaust gas is started in the cylindrical member 60.

この場合、第1の実施形態では、FC周辺機器56は、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される第1領域R1と、熱交換器50が構成されるとともに、前記第1領域R1を環状に周回する第2領域R2と、改質器46が構成されるとともに、前記第2領域R2を環状に周回する第3領域R3と、蒸発器48が構成されるとともに、前記第3領域R3を環状に周回する第4領域R4とを備えている。   In this case, in the first embodiment, the FC peripheral device 56 includes the first region R1 in which the exhaust gas combustor 52 and the start-up combustor 54 are configured, the heat exchanger 50, and the first region. The second region R2 that circulates around R1 and the reformer 46 are configured, the third region R3 that circulates around the second region R2 and the evaporator 48, and the third region R3. And a fourth region R4 that circulates around the region R3 in a ring shape.

すなわち、第1領域R1を中心にして、それぞれ環状の第2領域R2、第3領域R3及び第4領域R4が外方向に向かって、順次、設けられている。このため、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、熱交換器50(及び改質器46)を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、蒸発器48を外側に設定することができる。   That is, the second region R2, the third region R3, and the fourth region R4 each having an annular shape are sequentially provided outward from the first region R1. For this reason, equipment with high temperature and heat demand, for example, the heat exchanger 50 (and the reformer 46) is installed on the inside, while equipment with low temperature and low heat demand, for example, the evaporator 48, is set on the outside. Can do.

熱交換器50は、例えば、550℃〜650℃の温度が必要であるとともに、改質器46は、550℃〜600℃の温度が必要である。一方、蒸発器48は、150℃〜200℃の温度が必要である。従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。   For example, the heat exchanger 50 needs a temperature of 550 ° C. to 650 ° C., and the reformer 46 needs a temperature of 550 ° C. to 600 ° C. On the other hand, the evaporator 48 requires a temperature of 150 ° C. to 200 ° C. Therefore, the thermal efficiency is improved, the heat self-sustainment is promoted, and an effect that it is possible to construct a simple and compact structure is obtained.

しかも、改質器46と熱交換器50とは、それぞれの要求熱量の大小を比較して、大きな要求熱量を有する一方が第2領域R2に配置され、且つ小さな要求熱量を有する他方が第3領域R3に配置される。第1の実施形態では、熱交換器50の要求熱量は、改質器46の要求熱量よりも大きくなり、第2領域R2に前記熱交換器50が配置される一方、第3領域R3に前記改質器46が配置されている。   Moreover, the reformer 46 and the heat exchanger 50 are compared with each other in magnitude of the required heat quantity, and one having a large required heat quantity is arranged in the second region R2, and the other having a small required heat quantity is the third. Arranged in region R3. In the first embodiment, the required heat amount of the heat exchanger 50 is larger than the required heat amount of the reformer 46, and the heat exchanger 50 is disposed in the second region R2, while the heat exchanger 50 is disposed in the third region R3. A reformer 46 is arranged.

これにより、比較的A/F(空気/燃料ガス)が低い環境で、低温改質に適した改質器46が良好に使用され、熱収支バランスの最適化がなされて熱自立の促進が確実に図られるという効果が得られる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池22の動作温度を維持することをいう。   As a result, in a relatively low A / F (air / fuel gas) environment, the reformer 46 suitable for low-temperature reforming is used well, the heat balance is optimized, and the heat self-sustainment is surely promoted. The effect of being achieved is obtained. Here, the heat self-sustained means that the operating temperature of the fuel cell 22 is maintained only by the heat generated by itself without applying heat from the outside.

また、第1の実施形態では、改質器46と熱交換器50とは、それぞれの単位温度当たりの仕事量の大小を比較して、大きな仕事量を有する一方が第2領域R2に配置され、且つ小さな仕事量を有する他方が第3領域R3に配置される。   Further, in the first embodiment, the reformer 46 and the heat exchanger 50 are arranged in the second region R2 with one having a larger work amount by comparing the work amounts per unit temperature. The other having a small work amount is arranged in the third region R3.

第1の実施形態では、運転条件等における単位温度当たりの仕事量の大小に基づいて、仕事量の大きな熱交換器50は、仕事量の小さな改質器46よりも、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される第1領域R1に近接し、すなわち、第2領域R2に配置されている。これにより、熱収支バランスの最適化がなされ、熱自立の促進が確実に図られる。   In the first embodiment, based on the amount of work per unit temperature in the operating conditions, the heat exchanger 50 having a large work amount is activated by the exhaust gas combustor 52 and starting than the reformer 46 having a small work amount. The first combustor 54 is disposed close to the first region R1, that is, in the second region R2. As a result, the heat balance is optimized and the heat self-sustainment is reliably promoted.

さらに、第1の実施形態では、図2に示すように、改質器46は、混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室82a、生成された燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室82b、一端が前記混合ガス供給室82aに連通し且つ他端が前記改質ガス排出室82bに連通する複数本の改質管路76、及び前記改質管路76間に燃焼ガスを供給する第3燃焼ガス通路116cを備えている。   Further, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the reformer 46 includes an annular mixed gas supply chamber 82a to which a mixed gas is supplied, and an annular reformed gas from which the generated fuel gas is discharged. Combustion gas is discharged between the reforming conduits 76, a plurality of reforming conduits 76 having one end communicating with the mixed gas supply chamber 82 a and the other end communicating with the reformed gas discharging chamber 82 b. A third combustion gas passage 116c for supplying is provided.

図2及び図5に示すように、蒸発器48は、水が供給される環状の水供給室98a、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室98b、一端が前記水供給室98aに連通し且つ他端が前記水蒸気排出室98bに連通する複数本の蒸発管路92、及び前記蒸発管路92間に燃焼ガスを供給する第4燃焼ガス通路116dを備えている。   2 and 5, the evaporator 48 includes an annular water supply chamber 98a to which water is supplied, an annular water vapor discharge chamber 98b from which water vapor is discharged, one end communicating with the water supply chamber 98a, and The other end includes a plurality of evaporation pipes 92 communicating with the water vapor discharge chamber 98b, and a fourth combustion gas passage 116d for supplying combustion gas between the evaporation pipes 92.

熱交換器50は、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室70a、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室70b、一端が前記酸化剤ガス供給室70aに連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室70bに連通する複数本の熱交換管路64、及び前記熱交換管路64間に燃焼ガスを供給する第2燃焼ガス通路116bを備えている。   The heat exchanger 50 includes an annular oxidant gas supply chamber 70a to which an oxidant gas is supplied, an annular oxidant gas discharge chamber 70b to which the heated oxidant gas is discharged, and one end of the oxidant gas supply. A plurality of heat exchange pipes 64 communicating with the chamber 70a and the other end communicating with the oxidant gas discharge chamber 70b; and a second combustion gas passage 116b for supplying combustion gas between the heat exchange pipes 64. ing.

このように、環状の供給室(混合ガス供給室82a、水供給室98a及び酸化剤ガス供給室70a)、環状の排出室(改質ガス排出室82b、水蒸気排出室98b及び酸化剤ガス排出室70b)及び複数本の管路(改質管路76、蒸発管路92及び熱交換管路64)を基本的な構成にすることにより、構造の簡素化が容易に図られる。従って、燃料電池モジュール12全体の製造コストが有効に削減される。しかも、供給室及び排出室の容積や管路長、管路径及び管路数を変更することにより、広範な運転条件に良好に対応することができ、設計自由度の向上が図られる。   Thus, an annular supply chamber (mixed gas supply chamber 82a, water supply chamber 98a and oxidant gas supply chamber 70a), an annular discharge chamber (reformed gas discharge chamber 82b, water vapor discharge chamber 98b and oxidant gas discharge chamber). 70b) and a plurality of pipe lines (the reforming pipe line 76, the evaporation pipe line 92, and the heat exchange pipe line 64) have a basic configuration, the structure can be easily simplified. Therefore, the manufacturing cost of the entire fuel cell module 12 is effectively reduced. In addition, by changing the volume of the supply chamber and the discharge chamber, the pipe length, the pipe diameter, and the number of pipes, it is possible to cope with a wide range of operating conditions and to improve the degree of design freedom.

さらにまた、第1の実施形態では、改質ガス排出室82b、水蒸気排出室98b及び酸化剤ガス排出室70bは、燃料電池スタック24に近接する一方の端部側に設けられるとともに、混合ガス供給室82a、水供給室98a及び酸化剤ガス供給室70aは、前記燃料電池スタック24とは反対の他方の端部側に設けられている。   Furthermore, in the first embodiment, the reformed gas discharge chamber 82b, the water vapor discharge chamber 98b, and the oxidant gas discharge chamber 70b are provided on one end side close to the fuel cell stack 24, and are supplied with mixed gas. The chamber 82a, the water supply chamber 98a, and the oxidant gas supply chamber 70a are provided on the other end side opposite to the fuel cell stack 24.

これにより、昇温及び改質直後の反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)を燃料電池スタック24に迅速に供給することが可能になる。一方、燃料電池スタック24からの排ガスは、放熱による降温を最小限に抑制しながら、FC周辺機器56を構成する改質器46、蒸発器48、熱交換器50及び排ガス燃焼器52に供給することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。   As a result, the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) immediately after the temperature rise and reforming can be quickly supplied to the fuel cell stack 24. On the other hand, the exhaust gas from the fuel cell stack 24 is supplied to the reformer 46, the evaporator 48, the heat exchanger 50, and the exhaust gas combustor 52 constituting the FC peripheral device 56 while suppressing the temperature drop due to heat radiation to the minimum. It is possible to improve thermal efficiency and promote thermal self-sustainability.

また、燃焼ガスは、図5に示すように、第1領域R1の第1燃焼ガス通路116a、第2領域R2の第2燃焼ガス通路116b、第3領域R3の第3燃焼ガス通路116c及び第4領域R4の第4燃焼ガス通路116dの順に流通した後、燃料電池モジュール12の外部に排出されている。このため、FC周辺機器56を構成する排ガス燃焼器52、熱交換器50、改質器46及び蒸発器48に効果的に熱を供給することが可能になり、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。   Further, as shown in FIG. 5, the combustion gas includes the first combustion gas passage 116a in the first region R1, the second combustion gas passage 116b in the second region R2, the third combustion gas passage 116c in the third region R3, and the first combustion gas passage 116c. After flowing through the fourth combustion gas passage 116d in the fourth region R4 in this order, the fuel is discharged outside the fuel cell module 12. For this reason, it becomes possible to effectively supply heat to the exhaust gas combustor 52, the heat exchanger 50, the reformer 46, and the evaporator 48 that constitute the FC peripheral device 56, and the heat efficiency is improved and the heat self-sustained. Promotion is planned.

さらに、蒸発器48では、少なくとも蒸発管路92の1本以上は、水蒸気排出室98bと改質器46の混合ガス供給室82aとを連通する蒸発リターン管路102を構成している。従って、水蒸気は、高温を維持した状態で、改質器46の混合ガス供給室82aで原燃料と混合されて混合ガスが得られる。従って、改質効率の向上が図られる。   Further, in the evaporator 48, at least one of the evaporation pipes 92 constitutes an evaporation return pipe 102 that communicates the water vapor discharge chamber 98b and the mixed gas supply chamber 82a of the reformer 46. Accordingly, the water vapor is mixed with the raw fuel in the mixed gas supply chamber 82a of the reformer 46 while maintaining a high temperature to obtain a mixed gas. Therefore, the reforming efficiency is improved.

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6に示すように、燃料電池システム130は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池モジュール132を組み込む。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。   As shown in FIG. 6, the fuel cell system 130 incorporates a fuel cell module 132 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.

燃料電池モジュール132は、図7に示すように、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される、例えば、開口形状円形の第1領域R1と、改質器46が構成されるとともに、前記第1領域R1を環状に周回する第2領域R2と、熱交換器50が構成されるとともに、前記第2領域R2を環状に周回する第3領域R3と、蒸発器48が構成されるとともに、前記第3領域R3を環状に周回する第4領域R4とを備える。   As shown in FIG. 7, the fuel cell module 132 includes the exhaust gas combustor 52 and the start-up combustor 54. For example, the fuel cell module 132 includes a first region R1 having a circular opening shape and a reformer 46. A second region R2 that circulates around the first region R1 and a heat exchanger 50 are configured, and a third region R3 that circulates around the second region R2 and an evaporator 48 are configured. And a fourth region R4 that circulates around the third region R3 annularly.

第2の実施形態では、Qref0+Qref1+Qfuel>Qairの関係が得られる。すなわち、改質器46の要求熱量は、熱交換器50の要求熱量よりも大きくなり、第2領域R2に前記改質器46が配置される一方、第3領域R3に前記熱交換器50が配置される。 In the second embodiment, a relationship of Q ref0 + Q ref1 + Q fuel > Q air is obtained. That is, the required heat amount of the reformer 46 is larger than the required heat amount of the heat exchanger 50, and the reformer 46 is disposed in the second region R2, while the heat exchanger 50 is disposed in the third region R3. Be placed.

このように構成される第2の実施形態では、燃料電池モジュール132は、排ガス燃焼器52及び起動用燃焼器54が構成される開口形状円形の第1領域R1と、改質器46が構成されるとともに、前記第1領域R1を環状に周回する第2領域R2と、熱交換器50が構成されるとともに、前記第2領域R2を環状に周回する第3領域R3と、蒸発器48が構成されるとともに、前記第3領域R3を環状に周回する第4領域R4とを備えている。   In the second embodiment configured as described above, the fuel cell module 132 includes the first circular region R1 in which the exhaust gas combustor 52 and the start-up combustor 54 are configured, and the reformer 46. In addition, a second region R2 that circulates around the first region R1 and a heat exchanger 50 are configured, and a third region R3 that circulates around the second region R2 and an evaporator 48 And a fourth region R4 that circulates around the third region R3 in a ring shape.

このため、高温及び熱需要が大きな機器である改質器46(及び熱交換器50)を内側に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器である蒸発器48を外側に設定することができる。   For this reason, the reformer 46 (and the heat exchanger 50), which is a device having a high temperature and a large heat demand, can be installed inside, while the evaporator 48, a device having a low temperature and a small heat demand, can be set to the outside. .

しかも、改質器46の要求熱量は、熱交換器50の要求熱量よりも大きくなり、第2領域R2に前記改質器46が配置される一方、第3領域R3に前記熱交換器50が配置されている。   Moreover, the required heat amount of the reformer 46 is larger than the required heat amount of the heat exchanger 50, and the reformer 46 is disposed in the second region R2, while the heat exchanger 50 is disposed in the third region R3. Has been placed.

従って、熱効率の向上が図られて熱自立が促進されるとともに、簡単且つコンパクトに構成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。特に、改質器46は、熱交換器50の内方に配置されるため、比較的A/F(空気/燃料ガス)が高い環境で、高温改質に適した前記改質器46が良好に使用される。   Accordingly, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, such as improvement of thermal efficiency, promotion of heat self-sustainment, and simple and compact configuration. Particularly, since the reformer 46 is disposed inside the heat exchanger 50, the reformer 46 suitable for high-temperature reforming is favorable in an environment where the A / F (air / fuel gas) is relatively high. Used for.

10、130…燃料電池システム 12、132…燃料電池モジュール
14…原燃料供給装置 16…酸化剤ガス供給装置
18…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
38…酸化剤ガス流路 40…燃料ガス流路
46…改質器 48…蒸発器
50…熱交換器 52…排ガス燃焼器
54…起動用燃焼器 56…FC周辺機器
57…空気供給管 58…原燃料供給管
60…円筒部材 62…孔部
64…熱交換管路 66a、66b、78a、78b、94a、94b…内側リング
68a、68b、80a、80b、96a、96b…外側リング
70a…酸化剤ガス供給室 70b…酸化剤ガス排出室
74…酸化剤ガス通路 82a…混合ガス供給室
82b…改質ガス排出室 84…ペレット状触媒
88…原燃料供給路 90…燃料ガス通路
92…蒸発管路 98a…水供給室
98b…水蒸気排出室 100…水通路
102…蒸発リターン管路 116a〜116d…燃焼ガス通路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 130 ... Fuel cell system 12, 132 ... Fuel cell module 14 ... Raw fuel supply device 16 ... Oxidant gas supply device 18 ... 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 38 ... Oxidant gas passage 40 ... Fuel gas passage 46 ... Reformer 48 ... Evaporator 50 ... Heat exchanger 52 ... Exhaust gas combustor 54 ... Start-up combustion 56 ... FC peripheral device 57 ... Air supply pipe 58 ... Raw fuel supply pipe 60 ... Cylindrical member 62 ... Hole portion 64 ... Heat exchange line 66a, 66b, 78a, 78b, 94a, 94b ... Inner ring 68a, 68b, 80a 80b, 96a, 96b ... outer ring 70a ... oxidant gas supply chamber 70b ... oxidant gas discharge chamber 74 ... oxidant gas passage 82a ... mixed gas supply chamber 8 b ... reformed gas discharge chamber 84 ... pellet-shaped catalyst 88 ... raw fuel supply passage 90 ... fuel gas passage 92 ... evaporation conduit 98a ... water supply chamber 98b ... water vapor discharge chamber 100 ... water passage 102 ... evaporation return conduit 116a- 116d ... Combustion gas passage

Claims (7)

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を複数積層した燃料電池スタックと、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合ガスを改質し、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器と、
水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記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、
前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記排ガス燃焼器及び前記起動用燃焼器が構成される第1領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の一方が構成されるとともに、前記第1領域を環状に周回する第2領域と、
前記改質器又は前記熱交換器の他方が構成されるとともに、前記第2領域を環状に周回する第3領域と、
前記蒸発器が構成されるとともに、前記第3領域を環状に周回する第4領域と、
を備えるとともに、
前記改質器と前記熱交換器とは、それぞれの要求熱量の大小を比較して、大きな要求熱量を有する一方が前記第2領域に配置され、且つ小さな要求熱量を有する他方が前記第3領域に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked;
A reformer that reforms a mixed gas of a raw fuel mainly composed of hydrocarbons and water vapor and generates the fuel gas supplied to the fuel cell stack;
An evaporator for evaporating water and supplying the steam to the 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 starting combustor for burning the raw fuel and the oxidant gas to generate the combustion gas;
A fuel cell module comprising:
A first region in which the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured;
One of the reformer or the heat exchanger is configured, and a second region that circulates around the first region annularly,
The other of the reformer or the heat exchanger is configured, and a third region that circulates around the second region annularly,
The evaporator is configured, and a fourth region that circulates around the third region annularly,
With
The reformer and the heat exchanger are compared with each other in the required heat quantity, one having a large required heat quantity is disposed in the second area, and the other having a small required heat quantity is the third area. A fuel cell module, which is disposed in
請求項1記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質器と前記熱交換器とは、それぞれの単位温度当たりの仕事量の大小を比較して、大きな仕事量を有する一方が前記第2領域に配置され、且つ小さな仕事量を有する他方が前記第3領域に配置さ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 reformer and the heat exchanger are arranged in the second region, one of which has a large work amount by comparing the amount of work per unit temperature. And the other having a small work amount is disposed in the third region. 請求項1又は2記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質器は、前記混合ガスが供給される環状の混合ガス供給室、生成された前記燃料ガスが排出される環状の改質ガス排出室、一端が前記混合ガス供給室に連通し且つ他端が前記改質ガス排出室に連通する複数本の改質管路、及び前記改質管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
前記蒸発器は、前記水が供給される環状の水供給室、前記水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室、一端が前記水供給室に連通し且つ他端が前記水蒸気排出室に連通する複数本の蒸発管路、及び前記蒸発管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路を備え、
前記熱交換器は、前記酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室、昇温された前記酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室、一端が前記酸化剤ガス供給室に連通し且つ他端が前記酸化剤ガス排出室に連通する複数本の熱交換管路、及び前記熱交換管路間に前記燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路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 claim 1 or 2, wherein the reformer includes an annular mixed gas supply chamber to which the mixed gas is supplied, an annular reformed gas discharge chamber to which the generated fuel gas is discharged, A plurality of reforming pipes having one end communicating with the mixed gas supply chamber and the other end communicating with the reformed gas discharge chamber, and a combustion gas passage for supplying the combustion gas between the reforming pipes ,
The evaporator includes an annular water supply chamber to which the water is supplied, an annular water vapor discharge chamber from which the water vapor is discharged, a plurality of one ends communicating with the water supply chamber and the other end communicating with the water vapor discharge chamber. An evaporation line of the book, and a combustion gas passage for supplying the combustion gas between the evaporation lines,
The heat exchanger includes an annular oxidant gas supply chamber to which the oxidant gas is supplied, an annular oxidant gas discharge chamber from which the heated oxidant gas is discharged, and one end of the oxidant gas supply chamber A plurality of heat exchange pipes communicating with each other at the other end and communicating with the oxidant gas discharge chamber, and a fuel gas passage for supplying the combustion gas between the heat exchange pipes module.
請求項3記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質ガス排出室、前記水蒸気排出室及び前記酸化剤ガス排出室は、前記燃料電池スタックに近接する一方の端部側に設けられる一方、
前記混合ガス供給室、前記水供給室及び前記酸化剤ガス供給室は、前記燃料電池スタックとは反対の他方の端部側に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 claim 3, wherein the reformed gas discharge chamber, the water vapor discharge chamber, and the oxidant gas discharge chamber are provided on one end side close to the fuel cell stack,
The fuel cell module, wherein the mixed gas supply chamber, the water supply chamber, and the oxidant gas supply chamber are provided on the other end side opposite to the fuel cell stack.
請求項3又は4記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼ガスは、前記第1領域の燃焼ガス通路、前記第2領域の前記燃焼ガス通路、前記第3領域の前記燃焼ガス通路及び前記第4領域の前記燃焼ガス通路の順に流通した後、前記燃料電池モジュールの外部に排出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 3, wherein the combustion gas includes a combustion gas passage in the first region, the combustion gas passage in the second region, the combustion gas passage in the third region, and the fourth region. After being circulated in the order of the combustion gas passages, the fuel cell module is discharged outside the fuel cell module. 請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールにおいて、少なくとも前記蒸発管路の1本以上は、前記水蒸気排出室と前記混合ガス供給室とを連通する蒸発リターン管路を構成す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 2 to 5, wherein at least one of the evaporation pipes constitutes an evaporation return pipe that communicates the water vapor discharge chamber and the mixed gas supply chamber. A fuel cell module. 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 6, wherein the fuel cell module is a solid oxide fuel cell module.
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