JP2015022927A

JP2015022927A - Fuel cell module

Info

Publication number: JP2015022927A
Application number: JP2013150808A
Authority: JP
Inventors: 如 ▲吉▼峯; Gin Yoshimine; 哲矢小川; Tetsuya Ogawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-02-02

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To promote heat efficiency and heat self-sufficiency with a simple and compact structure, and improve temperature control and starting properties of a fuel cell stack.SOLUTION: A fuel cell module 12 has a fuel cell stack 24 and a FC peripheral equipment 38. An exhaust gas combustor 46 and a combustor for starting 48 are coaxially arranged on a central region in the FC peripheral equipment 38. A reformer 40, an evaporator 42 and a heat exchanger 44 are provided on an outer ring area. The exhaust gas combustor 46 has an exhaust gas combustion chamber 46a surrounding a temperature adjustment passage 48a for flowing the combustion gas from the combustor for starting 48 to the fuel cell stack 24.

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いる。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が配設された電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。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。 Usually, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte. An electrolyte / electrode assembly (hereinafter also referred to as MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the solid electrolyte 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.

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１１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 a fuel cell stack, for example, a fuel cell battery disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 11, 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１２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。 In addition, as shown in FIG. 12, 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１３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. 13, 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 thereof, and an annular third region on the outer peripheral side thereof. 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、効率が低下するという問題がある。しかも、起動時の燃料電池スタック１ａを昇温させることは可能であるものの、前記燃料電池スタック１ａが過熱した際に、該燃料電池スタック１ａを有効に冷却することができない。 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 insufficient and the efficiency is lowered. Moreover, although it is possible to raise the temperature of the fuel cell stack 1a at the time of startup, the fuel cell stack 1a cannot be effectively cooled when the fuel cell stack 1a is overheated.

また、上記の特許文献２では、燃料電池や改質器の温度管理を適切に行うことができないという問題がある。 Moreover, in said patent document 2, there exists a problem that the temperature management of a fuel cell or a reformer cannot be performed appropriately.

さらに、上記の特許文献３では、燃料電池や改質器の温度管理を適切に行うことができないという問題がある。 Furthermore, the above-mentioned Patent Document 3 has a problem that the temperature management of the fuel cell and the reformer cannot be performed appropriately.

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とともに、燃料電池スタックの温度管理及び起動性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 has a simple and compact configuration, promotes thermal efficiency and thermal self-sustainability, and can improve the temperature management and startability of the fuel cell stack. An object is to provide a battery module.

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタック、改質器、蒸発器、熱交換器、排ガス燃焼器及び起動用燃焼器を備えている。燃料電池スタックは、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ている。 The fuel cell module according to the present invention includes a fuel cell stack, a reformer, an evaporator, a heat exchanger, an exhaust gas combustor, and a start-up combustor. In the fuel cell stack, a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked.

改質器は、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、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する。蒸発器は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器に供給する。熱交換器は、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、燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。起動用燃焼器は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。 The reformer reforms a mixed gas of raw fuel mainly composed of hydrocarbons and water vapor to generate fuel gas to be supplied to the fuel cell stack. The evaporator evaporates water and supplies water vapor to the reformer. The heat exchanger raises the temperature of the oxidant gas by heat exchange with the combustion gas and supplies the oxidant gas to the fuel cell stack. The exhaust gas combustor burns fuel exhaust gas, which is fuel gas discharged from the fuel cell stack, and oxidant exhaust gas, which is oxidant gas, to generate combustion gas. The starting combustor burns raw fuel and oxidant gas to generate combustion gas.

燃料電池モジュールは、さらに中央領域と複数の外環領域とを有している。中央領域には、燃料電池スタックに近接して排ガス燃焼器及び燃料電池スタックから離間して起動用燃焼器が配設されている。外環領域には、改質器、蒸発器及び熱交換器が配設されている。 The fuel cell module further has a central region and a plurality of outer ring regions. In the central region, an exhaust gas combustor and a start-up combustor are disposed close to the fuel cell stack and apart from the fuel cell stack. A reformer, an evaporator, and a heat exchanger are disposed in the outer ring region.

中央領域には、排ガス燃焼器と起動用燃焼器とが同軸上に配置されている。そして、排ガス燃焼器は、起動用燃焼器から燃料電池スタックに向かって燃焼ガスを流通させる燃焼ガス通路を囲繞する排ガス燃焼室を備えている。 The exhaust gas combustor and the start-up combustor are coaxially arranged in the central region. The exhaust gas combustor includes an exhaust gas combustion chamber that surrounds a combustion gas passage through which combustion gas flows from the startup combustor toward the fuel cell stack.

また、この燃料電池モジュールでは、中央領域は、筒部により構成されるとともに、排ガス燃焼器と前記筒部とは、摺動可能に接触することが好ましい。このため、排ガス燃焼器の稼働時（高温時）や停止時（低温時）に、前記排ガス燃焼器と筒部との間で熱膨張差が発生しても、互いに摺動して熱応力を緩和することができ、耐久性の向上が図られる。 Further, in this fuel cell module, it is preferable that the central region is constituted by a cylindrical portion, and the exhaust gas combustor and the cylindrical portion are slidably in contact with each other. For this reason, even if a difference in thermal expansion occurs between the exhaust gas combustor and the cylinder part when the exhaust gas combustor is in operation (at a high temperature) or stopped (at a low temperature), the thermal stress is generated by sliding on each other. It can be mitigated and durability is improved.

さらに、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器と筒部とは、同一の材料で形成されることが好ましい。従って、排ガス燃焼器と筒部との間での熱膨張差が可及的に削減されるため、耐久性を向上させることが可能になるとともに、軸方向及び径方向の熱応力を緩和させることができる。 Furthermore, in this fuel cell module, it is preferable that the exhaust gas combustor and the cylindrical portion are formed of the same material. Therefore, since the difference in thermal expansion between the exhaust gas combustor and the cylinder portion is reduced as much as possible, it is possible to improve the durability and reduce axial and radial thermal stress. Can do.

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、中央領域は、筒部により構成されるとともに、起動用燃焼器と前記筒部とは、摺動可能に接触することが好ましい。これにより、起動用燃焼器の稼働時（高温時）や停止時（低温時）に、前記起動用燃焼器と筒部との間で熱膨張差が発生しても、互いに摺動して熱応力を緩和することができ、耐久性の向上が図られる。 Furthermore, in this fuel cell module, it is preferable that the central region is constituted by a cylindrical portion, and the start-up combustor and the cylindrical portion are slidably in contact with each other. As a result, even if a difference in thermal expansion occurs between the start-up combustor and the tube portion when the start-up combustor is in operation (high temperature) or stopped (at low temperature), Stress can be relieved and durability can be improved.

また、この燃料電池モジュールでは、起動用燃焼器と筒部とは、同一の材料で形成されることが好ましい。従って、起動用燃焼器と筒部との間での熱膨張差が可及的に削減されるため、耐久性を向上させることが可能になるとともに、軸方向及び径方向の熱応力を緩和させることができる。 In this fuel cell module, it is preferable that the start-up combustor and the cylindrical portion are formed of the same material. Therefore, since the difference in thermal expansion between the start-up combustor and the cylinder portion is reduced as much as possible, it is possible to improve durability and reduce thermal stress in the axial direction and the radial direction. be able to.

さらに、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器は、筒部に接触する大径部と、排ガス燃焼室に挿入される小径部と、前記大径部と前記小径部とを連結する傾斜部とを備えることが好ましい。このため、傾斜部の案内作用下に、燃焼ガスの流通性が向上して熱の滞留を阻止することが可能になり、熱応力を良好に抑制することができる。 Further, in this fuel cell module, the exhaust gas combustor includes a large diameter portion that contacts the cylindrical portion, a small diameter portion that is inserted into the exhaust gas combustion chamber, and an inclined portion that connects the large diameter portion and the small diameter portion. It is preferable to provide. For this reason, it becomes possible to prevent the stagnation of heat by improving the flowability of the combustion gas under the guiding action of the inclined portion, and it is possible to favorably suppress the thermal stress.

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、筒部には、排ガス燃焼室で生成された排ガスを外環領域に供給するための燃焼ガス排出孔が形成されることが好ましい。これにより、排ガス燃焼器は、排ガス燃焼室で生成された燃焼ガスの熱量を、外環領域に配設されている各要素である改質器、蒸発器及び熱交換器に対して良好に供給することができる。 Furthermore, in this fuel cell module, it is preferable that a combustion gas discharge hole for supplying the exhaust gas generated in the exhaust gas combustion chamber to the outer ring region is formed in the cylinder portion. As a result, the exhaust gas combustor satisfactorily supplies the amount of heat of the combustion gas generated in the exhaust gas combustion chamber to the reformer, evaporator, and heat exchanger, which are elements disposed in the outer ring region. can do.

また、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。従って、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。 In this fuel cell module, the fuel cell module is preferably a solid oxide fuel cell module. Therefore, it is most 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内側領域を中心にして、環状の外側領域が外方向に向かって設けられている。そして、外側領域には、改質器、蒸発器及び熱交換器が構成されている。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。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。 According to the present invention, the annular outer region is provided outwardly with the inner region where the exhaust gas combustor and the start-up combustor are configured as the center. In the outer region, a reformer, an evaporator, and a heat exchanger are configured. 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. 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.

さらに、中央領域には、排ガス燃焼器と起動用燃焼器とが同軸上に配置されている。そして、排ガス燃焼器は、起動用燃焼器から燃料電池スタックに向かって燃焼ガスを流通させる燃焼ガス通路を囲繞する排ガス燃焼室を備えている。これにより、起動時には、熱媒体（起動用燃焼器からの燃焼ガス）は、排ガス燃焼器を通過して燃料電池スタックに対して良好に伝熱処理することができ、燃料電池モジュールの起動性が向上する。 Further, the exhaust gas combustor and the start-up combustor are coaxially arranged in the central region. The exhaust gas combustor includes an exhaust gas combustion chamber that surrounds a combustion gas passage through which combustion gas flows from the startup combustor toward the fuel cell stack. As a result, at the time of start-up, the heat medium (combustion gas from the start-up combustor) can pass through the exhaust gas combustor and transfer heat to the fuel cell stack satisfactorily, improving the startability of the fuel cell module. To do.

一方、燃料電池スタックが過熱された際には、冷媒体（起動用燃焼器を通過した酸化剤ガス）は、排ガス燃焼器を通過して燃料電池スタックに対して良好に冷却処理することが可能になり、燃料電池モジュールの冷却性が向上する。 On the other hand, when the fuel cell stack is overheated, the refrigerant (the oxidant gas that has passed through the start-up combustor) can pass through the exhaust gas combustor and be well cooled with respect to the fuel cell stack. Thus, the cooling performance of the fuel cell module is improved.

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周辺機器の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of FC peripheral equipment which constitutes the fuel cell module. 前記ＦＣ周辺機器の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the said FC peripheral device. 前記ＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。FIG. 3 is a perspective view of the FC peripheral device with a part omitted. 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周辺機器の断面平面図である。It is a cross-sectional plan view of the FC peripheral device. 前記燃料電池モジュールの起動時の動作説明図である。FIG. 3 is an operation explanatory diagram when the fuel cell module is started up. 前記燃料電池モジュールの定格運転時の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing at the time of the rated operation of the said fuel cell module. 前記燃料電池モジュールの過熱処理時の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing at the time of the overheat treatment 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を構成するＦＣ周辺機器の断面説明図である。It is a section explanatory view of FC peripheral equipment which constitutes a fuel cell module concerning a 2nd embodiment of the present invention. 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（ＳＯＦＣ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 (SOFC module) 12 according to the first embodiment of the present invention, and is used for various applications such as in-vehicle use as well as stationary use. .

燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２、原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４、酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６、水供給装置（水ポンプを含む）１８及び制御装置２０を備える。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell module 12, a raw fuel supply device (including a fuel gas pump) 14, an oxidant gas supply device (including an air pump) 16, a water supply device (including a water pump) 18, and a control device 20. Is provided.

燃料電池モジュール１２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。原燃料供給装置１４は、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。酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池モジュール１２に酸化剤ガスを供給する。水供給装置１８は、燃料電池モジュール１２に水を供給する。制御装置２０は、燃料電池モジュール１２の発電量を制御する。 The fuel cell module 12 generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas (a gas obtained by mixing methane and carbon monoxide with hydrogen gas) and an oxidant gas (air). The raw fuel supply device 14 supplies raw fuel (for example, city gas) to the fuel cell module 12. The oxidant gas supply device 16 supplies oxidant gas to the fuel cell module 12. The water supply device 18 supplies water to the fuel cell module 12. The control device 20 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（空気極）２８及びアノード電極（燃料極）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 is an electrolyte / electrode joint in which a cathode electrode (air electrode) 28 and an anode electrode (fuel electrode) 30 are provided on both surfaces of an electrolyte 26 made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia. A body (MEA) 32 is provided.

電解質・電極接合体３２の両側には、図示しないセパレータが配設される。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。 Separators (not shown) are disposed on both sides of the electrolyte / electrode assembly 32. 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、カソード電極２８の酸化剤ガス入口側に連通する酸化剤ガス入口連通孔３４ａと、前記カソード電極２８の酸化剤ガス出口側に連通する酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとが設けられる。燃料電池スタック２４には、さらにアノード電極３０の燃料ガス入口側に連通する燃料ガス入口連通孔３６ａと、前記アノード電極３０の燃料ガス出口側に連通する燃料ガス出口連通孔３６ｂとが設けられる。 The fuel cell stack 24 includes an oxidant gas inlet communication hole 34 a communicating with the oxidant gas inlet side of the cathode electrode 28 and an oxidant gas outlet communication hole 34 b communicating with the oxidant gas outlet side of the cathode electrode 28. Provided. The fuel cell stack 24 is further provided with a fuel gas inlet communication hole 36 a communicating with the fuel gas inlet side of the anode electrode 30 and a fuel gas outlet communication hole 36 b communicating with the fuel gas outlet side of the anode electrode 30.

燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック２４と、前記燃料電池スタック２４に連結され、燃料電池２２を発電させるためのＦＣ周辺機器（ＢＯＰ）３８とを備える。ＦＣ周辺機器３８は、改質器４０、蒸発器４２、熱交換器４４、排ガス燃焼器４６及び起動用燃焼器４８を有し、これらが筐体５０内に収容される。 The fuel cell module 12 includes a fuel cell stack 24 and an FC peripheral device (BOP) 38 that is connected to the fuel cell stack 24 and generates power from the fuel cell 22. The FC peripheral device 38 includes a reformer 40, an evaporator 42, a heat exchanger 44, an exhaust gas combustor 46, and a start-up combustor 48, which are accommodated in a housing 50.

改質器４０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。蒸発器４２は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器４０に供給する。熱交換器４４は、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、燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器４６は、燃料電池スタック２４から排出される燃料ガスである燃料排ガスと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。起動用燃焼器４８は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。 The reformer 40 reforms a mixed gas of raw fuel (for example, city gas) mainly composed of hydrocarbons and water vapor, and generates fuel gas to be supplied to the fuel cell stack 24. The evaporator 42 evaporates water and supplies water vapor to the reformer 40. The heat exchanger 44 raises the temperature of the oxidant gas by heat exchange with the combustion gas, and supplies the oxidant gas to the fuel cell stack 24. The exhaust gas combustor 46 burns fuel exhaust gas that is fuel gas discharged from the fuel cell stack 24 and oxidant exhaust gas that is oxidant gas, and generates the combustion gas. The start-up combustor 48 burns raw fuel and oxidant gas to generate combustion gas.

図３〜図５に示すように、ＦＣ周辺機器３８では、筐体５０内に、燃料電池スタック２４に近接して排ガス燃焼器４６及び前記燃料電池スタック２４から離間して起動用燃焼器４８が配設される第１領域（中央領域）Ｒ１が形成される。排ガス燃焼器４６と起動用燃焼器４８とは、同軸上に配置される。筐体５０内には、改質器４０及び蒸発器４２が配設されるとともに、第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域（外環領域）Ｒ２が形成される。筐体５０内には、熱交換器４４が配設されるとともに、第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域（外環領域）Ｒ３が形成される。 As shown in FIGS. 3 to 5, in the FC peripheral device 38, the exhaust gas combustor 46 and the start-up combustor 48 are separated from the fuel cell stack 24 in the casing 50 in the vicinity of the fuel cell stack 24. A first region (central region) R1 to be disposed is formed. The exhaust gas combustor 46 and the start-up combustor 48 are arranged on the same axis. In the housing 50, the reformer 40 and the evaporator 42 are disposed, and a second region (outer ring region) R2 that circulates around the first region R1 is formed. A heat exchanger 44 is disposed in the housing 50, and a third region (outer ring region) R3 that circulates around the second region R2 is formed.

第１領域Ｒ１は、燃料電池スタック２４に近接する一端部側に配置され、円筒形状を有する筒部５２により構成される。筒部５２は、排ガス燃焼器４６から起動用燃焼器４８側に延在するとともに、燃料電池スタック２４側の外周部には、複数の燃焼ガス排出孔（円形や長方形等）５２ａが形成される。 1st area | region R1 is arrange | positioned at the one end part side close | similar to the fuel cell stack 24, and is comprised by the cylinder part 52 which has a cylindrical shape. The cylinder portion 52 extends from the exhaust gas combustor 46 to the start-up combustor 48 side, and a plurality of combustion gas discharge holes (circular or rectangular) 52a are formed in the outer peripheral portion on the fuel cell stack 24 side. .

筒部５２内には、酸化剤排ガス通路５４ａの一端と、燃料排ガス通路５４ｂの一端とが配置される排ガス燃焼室４６ａが構成される（図１及び図３参照）。排ガス燃焼室４６ａ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。図１に示すように、酸化剤排ガス通路５４ａの他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに接続される。燃料排ガス通路５４ｂの他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔３６ｂに接続される。 An exhaust gas combustion chamber 46a in which one end of the oxidant exhaust gas passage 54a and one end of the fuel exhaust gas passage 54b are arranged is formed in the cylindrical portion 52 (see FIGS. 1 and 3). In the exhaust gas combustion chamber 46a, combustion gas is generated by a combustion reaction between fuel gas (specifically, fuel exhaust gas) and oxidant gas (specifically, oxidant exhaust gas). As shown in FIG. 1, the other end of the oxidant exhaust gas passage 54 a is connected to the oxidant gas outlet communication hole 34 b of the fuel cell stack 24. The other end of the fuel exhaust gas passage 54 b is connected to the fuel gas outlet communication hole 36 b of the fuel cell stack 24.

起動用燃焼器４８は、空気供給管５６及び原燃料供給管５８を備える。起動用燃焼器４８は、エゼクタ機能を有し、空気供給管５６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。 The start-up combustor 48 includes an air supply pipe 56 and a raw fuel supply pipe 58. The start-up combustor 48 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 56.

起動用燃焼器４８は、図３〜図５に示すように、スリーブ部材６０を備える。スリーブ部材６０は、筒部５２の端部に摺動自在に嵌合する。起動用燃焼器４８は、排ガス燃焼器４６を構成する多段筒部材６２により前記排ガス燃焼器４６と分離される。多段筒部材６２は、大径リング部（大径部）６２ａ、小径リング部（小径部）６２ｂ及び前記大径リング部６２ａと前記小径リング部６２ｂとを連結する傾斜リング部（傾斜部）６２ｃを一体に有する。 The start-up combustor 48 includes a sleeve member 60 as shown in FIGS. The sleeve member 60 is slidably fitted to the end portion of the cylindrical portion 52. The start-up combustor 48 is separated from the exhaust gas combustor 46 by a multistage cylindrical member 62 constituting the exhaust gas combustor 46. The multistage cylindrical member 62 includes a large-diameter ring portion (large-diameter portion) 62a, a small-diameter ring portion (small-diameter portion) 62b, and an inclined ring portion (inclined portion) 62c that connects the large-diameter ring portion 62a and the small-diameter ring portion 62b. Are integrated.

大径リング部６２ａは、筒部５２の内周面に摺動自在に嵌合する一方、排ガス燃焼室４６ａに挿入される小径リング部６２ｂは、筒部材６４の一端に溶接される。筒部材６４は、筒部５２内に且つ同軸上に配置され、他端が閉塞リング６６に固着される。排ガス燃焼室４６ａは、筒部５２の内周面、多段筒部材６２の外周面及び閉塞リング６６により周回される空間内に構成される。排ガス燃焼室４６ａは、起動用燃焼器４８から燃料電池スタック２４に向かって燃焼ガスを流通させる温調通路（燃焼ガス通路）４８ａを囲繞する。 The large diameter ring portion 62 a is slidably fitted to the inner peripheral surface of the cylindrical portion 52, while the small diameter ring portion 62 b inserted into the exhaust gas combustion chamber 46 a is welded to one end of the cylindrical member 64. The cylindrical member 64 is disposed coaxially within the cylindrical portion 52, and the other end is fixed to the closing ring 66. The exhaust gas combustion chamber 46 a is configured in an inner circumferential surface of the cylindrical portion 52, an outer circumferential surface of the multistage cylindrical member 62, and a space that is circulated by the closing ring 66. The exhaust gas combustion chamber 46 a surrounds a temperature control passage (combustion gas passage) 48 a through which combustion gas flows from the start-up combustor 48 toward the fuel cell stack 24.

排ガス燃焼器４６を構成する多段筒部材６２と筒部５２とは、同一の材料で形成される。材料としては、例えば、耐熱性のオーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ３１０ｓ）が使用される。起動用燃焼器４８を構成するスリーブ部材６０と筒部５２とは、同一の材料で形成される。材料としては、例えば、耐熱性のオーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ３１０ｓ）が使用される。 The multistage cylindrical member 62 and the cylindrical portion 52 constituting the exhaust gas combustor 46 are formed of the same material. As a material, for example, heat resistant austenitic stainless steel (JIS standard SUS310s) is used. The sleeve member 60 and the cylindrical portion 52 constituting the start-up combustor 48 are formed of the same material. As a material, for example, heat resistant austenitic stainless steel (JIS standard SUS310s) is used.

筐体５０の外面を構成し、燃料電池スタック２４側に配置される略円板状の壁面５０ａは、内面に沿ってバイパス通路６８を形成する。バイパス通路６８は、後述する燃焼ガス通路８０をバイパスして設けられ、閉塞リング６６及び前記閉塞リング６６の外周を囲繞する仕切り板７０と、壁面５０ａの内面との間に形成される。仕切り板７０は、壁面５０ａの内面形状に沿った形状を有し、中空の円板の外周を軸方向に屈曲させてリング状に成形される。 A substantially disk-shaped wall surface 50a that constitutes the outer surface of the housing 50 and is disposed on the fuel cell stack 24 side forms a bypass passage 68 along the inner surface. The bypass passage 68 is provided to bypass a combustion gas passage 80 described later, and is formed between the closing ring 66 and the partition plate 70 surrounding the outer periphery of the closing ring 66 and the inner surface of the wall surface 50a. The partition plate 70 has a shape along the inner surface shape of the wall surface 50a, and is formed into a ring shape by bending the outer periphery of a hollow disc in the axial direction.

バイパス通路６８は、中央領域から燃料電池スタック２４に隣接する壁面５０ａに沿って最外周の外環領域とその内側（内周側）の前記外環領域との間に位置して燃焼ガス通路８０に合流する。具体的には、バイパス通路６８は、第１領域Ｒ１の筒部材６４の内部、すなわち、起動用燃焼器４８から、壁面５０ａに沿って第３領域Ｒ３と第２領域Ｒ２との境界部位に連なって形成される。 The bypass passage 68 is located between the outermost outer ring region and the inner (inner side) outer ring region along the wall surface 50a adjacent to the fuel cell stack 24 from the central region. To join. Specifically, the bypass passage 68 is connected to the boundary portion between the third region R3 and the second region R2 along the wall surface 50a from the inside of the cylindrical member 64 in the first region R1, that is, from the starting combustor 48. Formed.

筐体５０内には、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に位置して、円筒形状の第１仕切り板７２が配置される。第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間には、円筒形状の第２仕切り板７４及び円筒形状の第３仕切り板７６が配置される。第３領域Ｒ３と筐体５０の内面との間には、円筒形状の第４仕切り板７８が設けられる。 A cylindrical first partition plate 72 is disposed in the housing 50 between the first region R1 and the second region R2. A cylindrical second partition plate 74 and a cylindrical third partition plate 76 are arranged between the second region R2 and the third region R3. A cylindrical fourth partition plate 78 is provided between the third region R3 and the inner surface of the housing 50.

第１仕切り板７２には、排ガス燃焼器４６側の端部を切り欠いて第１燃焼ガス連通路（複数の孔部でもよい）７２ａが形成される。第２仕切り板７４には、起動用燃焼器４８側の端部を切り欠いて第２燃焼ガス連通路（複数の孔部でもよい）７４ａが形成される。第３仕切り板７６には、排ガス燃焼器４６側の端部を切り欠いて第３燃焼ガス連通路（複数の孔部でもよい）７６ａが形成される。第４仕切り板７８には、起動用燃焼器４８側の端部を切り欠いて第４燃焼ガス連通路（複数の孔部でもよい）７８ａが形成される。 The first partition plate 72 is formed with a first combustion gas communication path (may be a plurality of holes) 72a by notching an end portion on the exhaust gas combustor 46 side. The second partition plate 74 is formed with a second combustion gas communication path (may be a plurality of holes) 74a by notching an end portion on the startup combustor 48 side. The third partition plate 76 is formed with a third combustion gas communication path (may be a plurality of holes) 76a by notching an end portion on the exhaust gas combustor 46 side. The fourth partition plate 78 is formed with a fourth combustion gas communication passage (may be a plurality of holes) 78a by notching the end portion on the start-up combustor 48 side.

筐体５０内には、第１仕切り板７２〜第４仕切り板７８を介して、燃焼ガスを、排ガス燃焼器４６（中央領域）から第２領域Ｒ２（外環領域）、さらに第３領域Ｒ３（外環領域）に流通させる燃焼ガス通路８０が形成される。 In the housing 50, the combustion gas is supplied from the exhaust gas combustor 46 (center region) to the second region R2 (outer ring region) and further to the third region R3 via the first partition plate 72 to the fourth partition plate 78. A combustion gas passage 80 that circulates in the (outer ring region) is formed.

改質器４０は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）、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 40 removes 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.

図３〜図５に示すように、改質器４０は、排ガス燃焼器４６及び起動用燃焼器４８の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）８２を備える。各改質管路８２内には、改質用のペレット状触媒（図示せず）が充填される。改質管路８２の一端部（下端部）は、第１下側リング部材８４ａに固定されるとともに、前記改質管路８２の他端部（上端部）は、第１上側リング部材８４ｂに固定される。 As shown in FIGS. 3 to 5, the reformer 40 includes a plurality of reforming pipes (heat transfer pipes) 82 disposed on the outer periphery of the exhaust gas combustor 46 and the start-up combustor 48. Each reforming line 82 is filled with a reforming pellet catalyst (not shown). One end (lower end) of the reforming conduit 82 is fixed to the first lower ring member 84a, and the other end (upper end) of the reforming conduit 82 is connected to the first upper ring member 84b. Fixed.

第１下側リング部材８４ａの内周部は、起動用燃焼器４８の外周部に溶接等により固定されるとともに、前記第１下側リング部材８４ａの外周部は、略円筒形状の下側隔壁板８６ａの内面に溶接等により固定される。第１上側リング部材８４ｂの内周部は、筒部５２の外周部に溶接等により固定されるとともに、前記第１上側リング部材８４ｂの外周部は、仕切り板７０の上端内周面に溶接等により固定される。第１上側リング部材８４ｂの近傍には、略円筒形状の上側隔壁板８６ｂが配設され、前記上側隔壁板８６ｂと第２仕切り板７４との間には、バイパス通路６８を燃焼ガス通路８０に連通する連結通路８８が形成される。 The inner periphery of the first lower ring member 84a is fixed to the outer periphery of the start-up combustor 48 by welding or the like, and the outer periphery of the first lower ring member 84a is a substantially cylindrical lower partition wall. It is fixed to the inner surface of the plate 86a by welding or the like. The inner peripheral portion of the first upper ring member 84b is fixed to the outer peripheral portion of the cylindrical portion 52 by welding or the like, and the outer peripheral portion of the first upper ring member 84b is welded to the upper end inner peripheral surface of the partition plate 70 or the like. It is fixed by. A substantially cylindrical upper partition plate 86b is disposed in the vicinity of the first upper ring member 84b, and a bypass passage 68 is connected to the combustion gas passage 80 between the upper partition plate 86b and the second partition plate 74. A connecting passage 88 that communicates is formed.

蒸発器４２は、改質器４０を構成する改質管路８２に近接して配置される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９０を備える。図６に示すように、改質管路８２は、第１領域Ｒ１を中心とする仮想円周上に均等に配列される。改質管路８２間には、所定の位置に蒸発管路９０が配列される。 The evaporator 42 includes a plurality of evaporation pipes (heat transfer pipes) 90 disposed in the vicinity of the reforming pipe line 82 constituting the reformer 40. As shown in FIG. 6, the reforming pipelines 82 are evenly arranged on a virtual circumference centered on the first region R1. Between the reforming pipes 82, the evaporation pipes 90 are arranged at predetermined positions.

図３及び図４に示すように、蒸発管路９０の一端部（下端部）は、第２下側リング部材９２ａに溶接等により固定されるとともに、前記蒸発管路９０の他端部（上端部）は、第２上側リング部材９２ｂに溶接等により固定される。 As shown in FIGS. 3 and 4, one end (lower end) of the evaporation pipe 90 is fixed to the second lower ring member 92 a by welding or the like, and the other end (upper end) of the evaporation pipe 90. Part) is fixed to the second upper ring member 92b by welding or the like.

第２下側リング部材９２ａの内周部は、起動用燃焼器４８の外周部に溶接等により固定されるとともに、前記第２下側リング部材９２ａの外周部は、下側隔壁板８６ａの内面に溶接等により固定される。第２上側リング部材９２ｂの内周部は、筒部５２の外周部に溶接等により固定されるとともに、前記第２上側リング部材９２ｂの外周部は、仕切り板７０の先端内周面に溶接等により固定される。 The inner periphery of the second lower ring member 92a is fixed to the outer periphery of the start-up combustor 48 by welding or the like, and the outer periphery of the second lower ring member 92a is the inner surface of the lower partition plate 86a. Fixed by welding or the like. The inner peripheral portion of the second upper ring member 92b is fixed to the outer peripheral portion of the cylindrical portion 52 by welding or the like, and the outer peripheral portion of the second upper ring member 92b is welded to the inner peripheral surface of the tip of the partition plate 70 or the like. It is fixed by.

第２下側リング部材９２ａは、第１下側リング部材８４ａよりも下方（軸方向外方）に配置される一方、第２上側リング部材９２ｂは、第１上側リング部材８４ｂよりも上方（軸方向外方）に配置される。 The second lower ring member 92a is disposed below (axially outward) from the first lower ring member 84a, while the second upper ring member 92b is above (shaft) the first upper ring member 84b. (Outward direction).

第１下側リング部材８４ａと第２下側リング部材９２ａ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９４ａが形成される。第１上側リング部材８４ｂと第２上側リング部材９２ｂ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燃料ガス排出室９４ｂが形成される。各改質管路８２は、混合ガス供給室９４ａ及び燃料ガス排出室９４ｂに両端が開放される。 An annular mixed gas supply chamber 94a to which a mixed gas (raw fuel and water vapor) is supplied is formed between the first lower ring member 84a and the second lower ring member 92a. Between the first upper ring member 84b and the second upper ring member 92b, an annular fuel gas discharge chamber 94b in which the generated fuel gas (reformed gas) is discharged is formed. Each reforming pipeline 82 is open at both ends to the mixed gas supply chamber 94a and the fuel gas discharge chamber 94b.

下側隔壁板８６ａの下端部には、リング形状の端部リング部材９６が溶接等により固着される。端部リング部材９６と第２下側リング部材９２ａ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２上側リング部材９２ｂと仕切り板７０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９０の両端は、水供給室９８ａと水蒸気排出室９８ｂとに開放される。 A ring-shaped end ring member 96 is fixed to the lower end portion of the lower partition plate 86a by welding or the like. An annular water supply chamber 98a to which water is supplied is formed between the end ring member 96 and the second lower ring member 92a. Between the second upper ring member 92b and the partition plate 70, an annular water vapor discharge chamber 98b from which water vapor is discharged is formed. Both ends of the evaporation pipe line 90 are opened to a water supply chamber 98a and a water vapor discharge chamber 98b.

燃料ガス排出室９４ｂは、水蒸気排出室９８ｂと２段に且つ前記水蒸気排出室９８ｂよりも内側（下方）に配設される。混合ガス供給室９４ａは、水供給室９８ａと２段に且つ前記水供給室９８ａよりも内側（上方）に配設される。 The fuel gas discharge chamber 94b is arranged in two stages with the water vapor discharge chamber 98b and on the inner side (lower side) of the water vapor discharge chamber 98b. The mixed gas supply chamber 94a is arranged in two stages with the water supply chamber 98a and on the inner side (above) of the water supply chamber 98a.

混合ガス供給室９４ａには、原燃料供給路１００が開放されるとともに、前記原燃料供給路１００の途上には、後述する蒸発リターン管路１０６が接続される（図１参照）。原燃料供給路１００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 raw fuel supply path 100 is opened to the mixed gas supply chamber 94a, and an evaporation return pipe 106, which will be described later, is connected to the raw fuel supply path 100 (see FIG. 1). The raw fuel supply path 100 has an ejector function, generates negative pressure by the distributed raw fuel, and sucks water vapor.

原燃料供給路１００は、第２下側リング部材９２ａ及び端部リング部材９６に溶接等により固着される。燃料ガス排出室９４ｂには、燃料ガス通路１０２の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路１０２の他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔３６ａに連通する（図１参照）。燃料ガス通路１０２は、第２上側リング部材９２ｂに溶接等により固着される。 The raw fuel supply path 100 is fixed to the second lower ring member 92a and the end ring member 96 by welding or the like. One end of the fuel gas passage 102 communicates with the fuel gas discharge chamber 94b, and the other end of the fuel gas passage 102 communicates with the fuel gas inlet communication hole 36a of the fuel cell stack 24 (see FIG. 1). The fuel gas passage 102 is fixed to the second upper ring member 92b by welding or the like.

水供給室９８ａには、水通路１０４が配設される。水通路１０４は、端部リング部材９６に溶接等により固着される。水蒸気排出室９８ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９０により構成される蒸発リターン管路１０６の一端が配設される。蒸発リターン管路１０６の他端は、原燃料供給路１００の途上に接続される（図１参照）。 A water passage 104 is disposed in the water supply chamber 98a. The water passage 104 is fixed to the end ring member 96 by welding or the like. One end of an evaporation return line 106 constituted by at least one evaporation line 90 is disposed in the water vapor discharge chamber 98b. The other end of the evaporation return line 106 is connected to the raw fuel supply path 100 (see FIG. 1).

図３及び図４に示すように、熱交換器４４は、複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）１０８を備える。熱交換管路１０８の一端部（下端部）は、下側隔壁板８６ａに固定されるとともに、前記熱交換管路１０８の他端部（上端部）は、上側隔壁板８６ｂに固定される。 As shown in FIGS. 3 and 4, the heat exchanger 44 includes a plurality of heat exchange conduits (heat transfer pipes) 108. One end (lower end) of the heat exchange conduit 108 is fixed to the lower partition plate 86a, and the other end (upper end) of the heat exchange conduit 108 is fixed to the upper partition plate 86b.

下側隔壁板８６ａの外方には、下端リング部材１１０が配設されるとともに、上側隔壁板８６ｂの外方には、壁面５０ａから段状に連結される上端リング部５０ａａが配設される。下端リング部材１１０は、下側隔壁板８６ａの内板部及び円筒状のカバー部材１１２の内周に溶接等により固着される。 A lower end ring member 110 is disposed outside the lower partition plate 86a, and an upper end ring portion 50aa connected in a step shape from the wall surface 50a is disposed outside the upper partition plate 86b. . The lower end ring member 110 is fixed to the inner plate portion of the lower partition plate 86a and the inner periphery of the cylindrical cover member 112 by welding or the like.

下側隔壁板８６ａと下端リング部材１１０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１１４ａが形成される。上側隔壁板８６ｂと上端リング部５０ａａ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１１４ｂが形成される。熱交換管路１０８の両端は、下側隔壁板８６ａ及び上側隔壁板８６ｂに溶接等により固着されて、酸化剤ガス供給室１１４ａと酸化剤ガス排出室１１４ｂとに開放される。 An annular oxidant gas supply chamber 114a to which an oxidant gas is supplied is formed between the lower partition plate 86a and the lower end ring member 110. An annular oxidant gas discharge chamber 114b is formed between the upper partition plate 86b and the upper end ring portion 50aa to discharge the heated oxidant gas. Both ends of the heat exchange conduit 108 are fixed to the lower partition plate 86a and the upper partition plate 86b by welding or the like, and are opened to the oxidant gas supply chamber 114a and the oxidant gas discharge chamber 114b.

酸化剤ガス供給室１１４ａは、内周部に混合ガス供給室９４ａ及び水供給室９８ａを収容する。酸化剤ガス排出室１１４ｂは、燃料ガス排出室９４ｂの外方に且つ下方にオフセットした位置に配置される。 The oxidant gas supply chamber 114a accommodates the mixed gas supply chamber 94a and the water supply chamber 98a in the inner periphery. The oxidant gas discharge chamber 114b is disposed outside the fuel gas discharge chamber 94b and at a position offset downward.

カバー部材１１２は、上下両端（軸方向両端）が筐体５０の外周に溶接等により固着されるとともに、前記筐体５０の外周との間には、熱回収領域（チャンバ）１１６が形成される。 The cover member 112 has upper and lower ends (both axial ends) fixed to the outer periphery of the casing 50 by welding or the like, and a heat recovery region (chamber) 116 is formed between the cover member 112 and the outer periphery of the casing 50. .

酸化剤ガス供給室１１４ａは、熱回収領域１１６に連通する。カバー部材１１２には、熱回収領域１１６に連通する酸化剤ガス供給管１１８が接続される。筐体５０の上部側には、第３領域Ｒ３に連通する排ガス配管１２０が接続される。酸化剤ガス排出室１１４ｂには、例えば、２本の酸化剤ガス配管１２２の一端が配設される（図２参照）。各酸化剤ガス配管１２２の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔３４ａに接続される（図１参照）。 The oxidant gas supply chamber 114 a communicates with the heat recovery region 116. An oxidant gas supply pipe 118 that communicates with the heat recovery region 116 is connected to the cover member 112. An exhaust gas pipe 120 communicating with the third region R <b> 3 is connected to the upper side of the housing 50. For example, one end of two oxidant gas pipes 122 is disposed in the oxidant gas discharge chamber 114b (see FIG. 2). The other end of each oxidant gas pipe 122 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 34a of the fuel cell stack 24 (see FIG. 1).

図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１２４を備える。原燃料通路１２４は、原燃料用調整弁１２６を介して原燃料供給路１００と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路１００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１２８が配設される。 As shown in FIG. 1, the raw fuel supply apparatus 14 includes a raw fuel passage 124. The raw fuel passage 124 branches into the raw fuel supply path 100 and the raw fuel supply pipe 58 via the raw fuel adjustment valve 126. A desulfurizer 128 for removing sulfur compounds contained in city gas (raw fuel) is disposed in the raw fuel supply path 100.

酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１３０を備える。酸化剤ガス通路１３０は、酸化剤ガス用調整弁１３２を介して酸化剤ガス供給管１１８と空気供給管５６とに分岐する。水供給装置１８は、水通路１０４を介して蒸発器４２に接続される。燃料電池スタック２４には、温度センサ１３３ａが設けられるとともに、改質器４０には、温度センサ１３３ｂが設けられる。 The oxidant gas supply device 16 includes an oxidant gas passage 130. The oxidant gas passage 130 branches into the oxidant gas supply pipe 118 and the air supply pipe 56 via the oxidant gas adjustment valve 132. The water supply device 18 is connected to the evaporator 42 through the water passage 104. The fuel cell stack 24 is provided with a temperature sensor 133a, and the reformer 40 is provided with a temperature sensor 133b.

図７に示すように、燃料電池スタック２４の端部には、第１プレート１３４が固定される。ＦＣ周辺機器３８を構成する筐体５０の端部には、第２プレート１３６が固定される。第１プレート１３４と第２プレート１３６とは、止めねじ１３８を介して互いに締結される。第１プレート１３４及び第２プレート１３６には、燃料ガス、酸化剤ガス、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを流通させるために、図示しない流路が形成される。バイパス通路６８は、第２プレート１３６に沿って形成される（図３参照）。 As shown in FIG. 7, the first plate 134 is fixed to the end of the fuel cell stack 24. A second plate 136 is fixed to the end of the casing 50 constituting the FC peripheral device 38. The first plate 134 and the second plate 136 are fastened to each other via a set screw 138. In the first plate 134 and the second plate 136, a flow path (not shown) is formed in order to circulate fuel gas, oxidant gas, fuel exhaust gas, and oxidant exhaust gas. The bypass passage 68 is formed along the second plate 136 (see FIG. 3).

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４８に供給される。具体的には、図１に示すように、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１３０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１３２の開度調整作用下に、空気供給管５６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 48. Specifically, as shown in FIG. 1, in the oxidant gas supply device 16, air is supplied to the oxidant gas passage 130 under the drive action of the air pump. This air is supplied to the air supply pipe 56 under the opening degree adjusting action of the oxidant gas adjustment valve 132.

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１２４に、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀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１２６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４８内に供給される。 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 124 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 126. This raw fuel is mixed with air and supplied into the start-up combustor 48.

このため、図７に示すように、起動用燃焼器４８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、燃焼により生成された燃焼ガスは、多段筒部材６２内の温調通路４８ａを大径リング部６２ａから小径リング部６２ｂに向かって（矢印Ｌｕ方向）移動し、さらに筒部材６４内を通ってバイパス通路６８に供給される。 For this reason, as shown in FIG. 7, a mixed gas of raw fuel and air is supplied into the start-up combustor 48, and the mixed gas is ignited to start combustion. Accordingly, the combustion gas generated by the combustion moves in the temperature adjusting passage 48a in the multistage cylindrical member 62 from the large diameter ring portion 62a toward the small diameter ring portion 62b (in the direction of the arrow Lu), and further passes through the cylindrical member 64. And supplied to the bypass passage 68.

バイパス通路６８に供給された燃焼ガスは、中央領域である排ガス燃焼器４６から筐体５０の壁面５０ａに沿って外方（径方向外方）に移動する。燃焼ガスは、最外周の外環領域である第３領域Ｒ３とその内側の外環領域である第２領域Ｒ２との境界部位である連結通路８８に導入された後、燃焼ガス通路８０に合流される。これにより、燃焼ガスは、第２プレート１３６に沿って流通するため、前記第２プレート１３６が昇温される。 The combustion gas supplied to the bypass passage 68 moves outward (radially outward) along the wall surface 50a of the housing 50 from the exhaust gas combustor 46 which is the central region. The combustion gas is introduced into the connection passage 88 that is a boundary portion between the third region R3 that is the outermost outer ring region and the second region R2 that is the inner outer ring region, and then joins the combustion gas passage 80. Is done. Thereby, since combustion gas distribute | circulates along the 2nd plate 136, the said 2nd plate 136 is heated up.

第２プレート１３６には、第１プレート１３４が固定されており、前記第２プレート１３６から前記第１プレート１３４に良好に伝熱される。その際、第１プレート１３４は、燃料電池スタック２４の端部に固定されており、前記燃料電池スタック２４は、燃焼ガスからの熱によって迅速に昇温される。 A first plate 134 is fixed to the second plate 136, and heat is favorably transferred from the second plate 136 to the first plate 134. At this time, the first plate 134 is fixed to the end of the fuel cell stack 24, and the temperature of the fuel cell stack 24 is quickly raised by heat from the combustion gas.

このため、起動時には、燃焼ガスがバイパス通路６８を通って改質器４０をバイパスするため、前記改質器４０が過昇温することを防止することができる。これにより、改質触媒の過熱を抑制して前記改質触媒の劣化を阻止することが可能になる。 For this reason, at the time of start-up, since the combustion gas bypasses the reformer 40 through the bypass passage 68, it is possible to prevent the reformer 40 from being overheated. Thereby, it becomes possible to prevent the reforming catalyst from deteriorating by suppressing overheating of the reforming catalyst.

燃料電池スタック２４は、温度センサ１３３ａにより温度検出が行われている（図１参照）。制御装置２０では、燃料電池スタック２４が設定温度に昇温されたと判断すると、起動運転から定格運転に移行する。すなわち、熱交換器４４に空気（酸化剤ガス）が供給される一方、改質器４０には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。 The temperature of the fuel cell stack 24 is detected by a temperature sensor 133a (see FIG. 1). When the control device 20 determines that the fuel cell stack 24 has been heated to the set temperature, it shifts from the startup operation to the rated operation. That is, air (oxidant gas) is supplied to the heat exchanger 44, while a gas mixture of raw fuel and water vapor is supplied to the reformer 40.

具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス用調整弁１３２の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管１１８への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１２６の開度が調整されて、原燃料供給路１００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１０４に水が供給される。図３に示すように、空気は、酸化剤ガス供給管１１８からカバー部材１１２内の熱回収領域１１６に供給される。このため、空気は、酸化剤ガス供給室１１４ａに導入される。 Specifically, as shown in FIG. 1, the opening degree of the oxidant gas adjustment valve 132 is adjusted to increase the amount of air supplied to the oxidant gas supply pipe 118, and the raw fuel adjustment valve 126. The amount of raw fuel supplied to the raw fuel supply path 100 is increased. Further, water is supplied to the water passage 104 under the action of the water supply device 18. As shown in FIG. 3, the air is supplied from the oxidant gas supply pipe 118 to the heat recovery region 116 in the cover member 112. For this reason, air is introduced into the oxidant gas supply chamber 114a.

従って、図３及び図８に示すように、熱交換器４４に導入された空気は、酸化剤ガス供給室１１４ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路１０８内を移動する間に、後述するように、第３領域Ｒ３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１１４ｂに供給された後、酸化剤ガス配管１２２を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される（図１参照）。燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、カソード電極２８に供給される。 Therefore, as shown in FIGS. 3 and 8, the air introduced into the heat exchanger 44 is temporarily supplied to the oxidant gas supply chamber 114 a and then moves in the plurality of heat exchange pipes 108. As will be described later, heating (heat exchange) is performed by the combustion gas introduced into the third region R3. The heated air is once supplied to the oxidant gas discharge chamber 114b and then supplied to the oxidant gas inlet communication hole 34a of the fuel cell stack 24 through the oxidant gas pipe 122 (see FIG. 1). In the fuel cell stack 24, the heated air is supplied to the cathode electrode 28.

カソード電極２８を流通した空気は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂから酸化剤排ガス通路５４ａに排出される。酸化剤排ガス通路５４ａは、排ガス燃焼器４６を構成する筒部５２に開口しており、前記筒部５２の内周と筒部材６４の外周との間に、すななち、排ガス燃焼室４６ａに酸化剤排ガスが導入される。 The air flowing through the cathode electrode 28 is discharged from the oxidant gas outlet communication hole 34b to the oxidant exhaust gas passage 54a. The oxidant exhaust gas passage 54a is open to the cylindrical part 52 constituting the exhaust gas combustor 46, that is, between the inner periphery of the cylindrical part 52 and the outer periphery of the cylindrical member 64, that is, the exhaust gas combustion chamber 46a. The oxidant exhaust gas is introduced into the slag.

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４２に供給されるとともに、脱硫器１２８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路１００を流通して改質器４０に向かう。蒸発器４２では、図３に示すように、水が一旦水供給室９８ａに供給された後、複数本の蒸発管路９０内を移動する間、第２領域Ｒ２を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。 Further, as shown in FIG. 1, the water supplied from the water supply device 18 is supplied to the evaporator 42, and the raw fuel desulfurized by the desulfurizer 128 is circulated through the raw fuel supply path 100 to be modified. Head to the psalp 40. In the evaporator 42, as shown in FIG. 3, the temperature is raised by the combustion gas flowing in the second region R2 while the water is once supplied to the water supply chamber 98a and then moves in the plurality of evaporation pipes 90. And steamed.

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１０６に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０６内を流通して原燃料供給路１００に導入され、原燃料供給装置１４を介して供給された原燃料と混合して混合ガスが得られる。 The water vapor is once introduced into the water vapor discharge chamber 98b and then supplied to the evaporation return pipe 106 communicating with the water vapor discharge chamber 98b. Thus, the water vapor is introduced into the raw fuel supply passage 100 through the evaporation return pipe 106 and mixed with the raw fuel supplied via the raw fuel supply device 14 to obtain a mixed gas.

図３及び図８に示すように、混合ガスは、原燃料供給路１００から改質器４０を構成する混合ガス供給室９４ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路８２内を移動する。その間に、混合ガスは、第２領域Ｒ２を流通する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質され、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。 As shown in FIGS. 3 and 8, the mixed gas is temporarily supplied from the raw fuel supply path 100 to the mixed gas supply chamber 94 a constituting the reformer 40. The mixed gas moves in the plurality of reforming pipelines 82. Meanwhile, the mixed gas is heated and steam reformed by the combustion gas flowing through the second region R2, and C ₂₊ hydrocarbons are removed (reformed) to obtain a reformed gas mainly composed of methane. It is done.

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９４ｂに供給された後、燃料ガス通路１０２を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔３６ａに供給される（図１参照）。燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、アノード電極３０に供給される。一方、カソード電極２８には、空気が供給されており、電解質・電極接合体３２により発電が行われる。 The reformed gas is once supplied to the fuel gas discharge chamber 94b as heated fuel gas, and then supplied to the fuel gas inlet communication hole 36a of the fuel cell stack 24 through the fuel gas passage 102 (FIG. 1). reference). In the fuel cell stack 24, the heated fuel gas is supplied to the anode electrode 30. On the other hand, air is supplied to the cathode electrode 28, and power is generated by the electrolyte / electrode assembly 32.

アノード電極３０を流通した燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３６ｂから燃料排ガス通路５４ｂに排出される。燃料排ガス通路５４ｂは、排ガス燃焼器４６を構成する筒部５２内に開口しており、前記筒部５２の内周と筒部材６４の外周との間に、すななち、排ガス燃焼室４６ａに燃料排ガスが導入される。 The fuel gas flowing through the anode electrode 30 is discharged from the fuel gas outlet communication hole 36b to the fuel exhaust gas passage 54b. The fuel exhaust gas passage 54b opens into a cylindrical portion 52 constituting the exhaust gas combustor 46, that is, between the inner periphery of the cylindrical portion 52 and the outer periphery of the cylindrical member 64, that is, an exhaust gas combustion chamber 46a. Fuel exhaust gas is introduced.

起動用燃焼器４８による昇温作用下に、排ガス燃焼器４６内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、筒部５２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。一方、起動用燃焼器４８による燃焼作業が停止される。 When the inside of the exhaust gas combustor 46 exceeds the self-ignition temperature of the fuel gas under the temperature raising action by the start-up combustor 48, combustion by the oxidant exhaust gas and the fuel exhaust gas is started in the cylindrical portion 52. On the other hand, the combustion operation by the start-up combustor 48 is stopped.

筒部５２には、複数の燃焼ガス排出孔５２ａが形成されている。このため、図８に示すように、筒部５２の内周と筒部材６４の外周との間で生成される燃焼ガスは、複数の燃焼ガス排出孔５２ａを通過して、燃焼ガス通路８０に導入される。燃焼ガス通路８０では、図３に示すように、第１仕切り板７２に形成された第１燃焼ガス連通路７２ａを通過して、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。 A plurality of combustion gas discharge holes 52 a are formed in the cylinder portion 52. For this reason, as shown in FIG. 8, the combustion gas generated between the inner periphery of the cylindrical portion 52 and the outer periphery of the cylindrical member 64 passes through the plurality of combustion gas discharge holes 52 a and enters the combustion gas passage 80. be introduced. As shown in FIG. 3, the combustion gas passage 80 passes through the first combustion gas communication passage 72a formed in the first partition plate 72 and is introduced from the first region R1 to the second region R2.

燃焼ガスは、第２領域Ｒ２を矢印Ｌｄ方向（下方向）に流通した後、第２仕切り板７４に形成された第２燃焼ガス連通路７４ａを通って前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に導入される。燃焼ガスは、矢印Ｌｕ方向（上方向）に流通した後、第３仕切り板７６に形成された第３燃焼ガス連通路７６ａを通って第３領域Ｒ３に導入される。燃焼ガスは、第３領域Ｒ３を矢印Ｌｄ方向に流通した後、第４仕切り板７８に形成された第４燃焼ガス連通路７８ａから外周領域に排出される。この燃焼ガスは、矢印Ｌｕ方向に流通した後、排ガス配管１２０に排出される。 The combustion gas flows through the second region R2 in the direction of the arrow Ld (downward), and then passes through the second combustion gas communication passage 74a formed in the second partition plate 74, and the second region R2 and the third region R3. Introduced between. The combustion gas flows in the direction of the arrow Lu (upward direction), and then is introduced into the third region R3 through the third combustion gas communication passage 76a formed in the third partition plate 76. The combustion gas flows through the third region R3 in the direction of the arrow Ld and is then discharged from the fourth combustion gas communication passage 78a formed in the fourth partition plate 78 to the outer peripheral region. This combustion gas is exhausted to the exhaust gas pipe 120 after flowing in the direction of the arrow Lu.

その際、第２領域Ｒ２には、改質器４０及び蒸発器４２が配置されており、第３領域Ｒ３には、熱交換器４４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、改質器４０、蒸発器４２及び熱交換器４４の順に加熱する。 At that time, the reformer 40 and the evaporator 42 are disposed in the second region R2, and the heat exchanger 44 is disposed in the third region R3. Therefore, the combustion gas discharged from the first region R1 is heated in the order of the reformer 40, the evaporator 42, and the heat exchanger 44.

上記のように、定常運転が継続されるとともに、燃料電池スタック２４の温度が温度センサ１３３ａを介して検出されている。そして、燃料電池スタック２４が過熱状態であると判断されると、図９に示す過熱処理運転に移行する。この過熱処理運転では、起動用燃焼器４８に空気のみが供給される。起動用燃焼器４８に供給された空気は、多段筒部材６２内から筒部材６４内を通って、すなわち、温調通路４８ａを通ってバイパス通路６８に供給される。 As described above, the steady operation is continued and the temperature of the fuel cell stack 24 is detected via the temperature sensor 133a. When it is determined that the fuel cell stack 24 is in an overheated state, the process proceeds to the overheat treatment operation shown in FIG. In this overheat treatment operation, only air is supplied to the start-up combustor 48. The air supplied to the start-up combustor 48 is supplied from the multistage cylindrical member 62 through the cylindrical member 64, that is, through the temperature adjusting passage 48a to the bypass passage 68.

バイパス通路６８に供給された空気は、第２プレート１３６に沿って流通するため、前記第２プレート１３６から第１プレート１３４を介して燃料電池スタック２４が冷却される。一方、空気がバイパス通路６８を通って改質器４０をバイパスしている。このため、改質器４０の温度低下による改質性能の低下を抑制することが可能になる。なお、改質器４０の温度は、温度センサ１３３ｂにより検出され、前記改質器４０の温度管理が行われている。 Since the air supplied to the bypass passage 68 flows along the second plate 136, the fuel cell stack 24 is cooled from the second plate 136 through the first plate 134. On the other hand, air bypasses the reformer 40 through the bypass passage 68. For this reason, it becomes possible to suppress the fall of the reforming performance due to the temperature drop of the reformer 40. The temperature of the reformer 40 is detected by a temperature sensor 133b, and the temperature management of the reformer 40 is performed.

さらに、燃料電池スタック２４の温度が規定温度まで低下すると、起動用燃焼器４８への空気の供給が停止され、定格運転に移行する。 Further, when the temperature of the fuel cell stack 24 decreases to the specified temperature, the supply of air to the start-up combustor 48 is stopped, and the operation shifts to the rated operation.

この場合、本実施形態では、排ガス燃焼器４６及び起動用燃焼器４８が構成される内側領域（第１領域Ｒ１）を中心にして、環状の外側領域（第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３）が外方向に向かって設けられている。そして、外側領域には、改質器４０、蒸発器４２及び熱交換器４４が構成されている。 In this case, in the present embodiment, an annular outer region (second region R2 and third region R3) centering on the inner region (first region R1) in which the exhaust gas combustor 46 and the start-up combustor 48 are formed. Are provided outward. In the outer region, a reformer 40, an evaporator 42, and a heat exchanger 44 are configured.

このため、外環領域では、高温及び熱需要が大きな機器、例えば、改質器４０及び蒸発器４２を内側の第２領域Ｒ２に設置する一方、低温及び熱需要の小さな機器、例えば、熱交換器４４を外側の第３領域Ｒ３に設定することができる。 For this reason, in the outer ring region, equipment having a high temperature and heat demand, for example, the reformer 40 and the evaporator 42 are installed in the inner second region R2, while equipment having a low temperature and a small heat demand, for example, heat exchange. The container 44 can be set in the outer third region R3.

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。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スタック２４の動作温度を維持することをいう。 Therefore, the thermal efficiency is improved, the heat self-sustainment is promoted, and the simple and compact configuration can be realized. Here, the heat self-sustained means that the operating temperature of the fuel cell stack 24 is maintained only by the heat generated by itself without applying heat from the outside.

さらに、第１領域Ｒ１（中央領域）には、排ガス燃焼器４６と起動用燃焼器４８とが同軸上に配置されている。そして、排ガス燃焼器４６は、起動用燃焼器４８から燃料電池スタック２４に向かって燃焼ガスを流通させる温調通路４８ａを囲繞する排ガス燃焼室４６ａを備えている。これにより、図７に示すように、起動時には、熱媒体、すなわち、起動用燃焼器４８からの燃焼ガスは、排ガス燃焼器４６を通過して燃料電池スタック２４に対して良好に伝熱処理することができる。このため、燃料電池モジュール１２の起動性が向上する。 Further, the exhaust gas combustor 46 and the start-up combustor 48 are coaxially arranged in the first region R1 (central region). The exhaust gas combustor 46 includes an exhaust gas combustion chamber 46 a that surrounds a temperature control passage 48 a through which combustion gas flows from the start-up combustor 48 toward the fuel cell stack 24. As a result, as shown in FIG. 7, at the time of start-up, the heat medium, that is, the combustion gas from the start-up combustor 48 passes through the exhaust gas combustor 46 and conducts heat transfer well to the fuel cell stack 24. Can do. For this reason, the startability of the fuel cell module 12 is improved.

一方、燃料電池スタック２４が過熱された際には、冷媒体、すなわち、起動用燃焼器４８を通過した空気（酸化剤ガス）は、排ガス燃焼器４６を通過して燃料電池スタック２４に対して良好に冷却処理することが可能になる。従って、燃料電池モジュール１２の冷却性が向上する。 On the other hand, when the fuel cell stack 24 is overheated, the refrigerant, that is, the air (oxidant gas) that has passed through the start-up combustor 48 passes through the exhaust gas combustor 46 and passes through the exhaust cell combustor 46. It becomes possible to perform a cooling process satisfactorily. Therefore, the cooling performance of the fuel cell module 12 is improved.

また、第１領域Ｒ１（中央領域）は、筒部５２により構成されるとともに、排ガス燃焼器４６を構成する多段筒部材６２と筒部５２とは、摺動可能に接触している。これにより、排ガス燃焼器４６の稼働時（高温時）や停止時（低温時）に、前記排ガス燃焼器４６と筒部５２との間で熱膨張差が発生しても、互いに摺動して熱応力を緩和することができ、耐久性の向上が図られる。 Further, the first region R1 (center region) is configured by the cylindrical portion 52, and the multistage cylindrical member 62 and the cylindrical portion 52 that constitute the exhaust gas combustor 46 are slidably in contact with each other. As a result, even if a difference in thermal expansion occurs between the exhaust gas combustor 46 and the cylindrical portion 52 when the exhaust gas combustor 46 is operating (at a high temperature) or stopped (at a low temperature), the exhaust gas combustor 46 slides on each other. Thermal stress can be relaxed and durability can be improved.

さらに、排ガス燃焼器４６を構成する多段筒部材６２と筒部５２とは、同一の材料で形成されている。このため、排ガス燃焼器４６と筒部５２との間での熱膨張差が可及的に削減されるため、耐久性を向上させることが可能になる。 Furthermore, the multistage cylinder member 62 and the cylinder part 52 that constitute the exhaust gas combustor 46 are formed of the same material. For this reason, since the thermal expansion difference between the exhaust gas combustor 46 and the cylindrical portion 52 is reduced as much as possible, durability can be improved.

さらにまた、起動用燃焼器４８を構成するスリーブ部材６０と筒部５２とは、摺動可能に接触している。従って、起動用燃焼器４８の稼働時（高温時）や停止時（低温時）に、前記起動用燃焼器４８と筒部５２との間で熱膨張差が発生しても、互いに摺動して熱応力を緩和することができ、耐久性の向上が図られる。 Furthermore, the sleeve member 60 and the cylindrical portion 52 constituting the start-up combustor 48 are slidably in contact with each other. Therefore, even if a difference in thermal expansion occurs between the start-up combustor 48 and the cylindrical portion 52 when the start-up combustor 48 is in operation (at a high temperature) or stopped (at a low temperature), the start-up combustor 48 slides on each other. Therefore, thermal stress can be relaxed and durability can be improved.

また、起動用燃焼器４８を構成するスリーブ部材６０と筒部５２とは、同一の材料で形成されている。このため、起動用燃焼器４８と筒部５２との間での熱膨張差が可及的に削減される。従って、耐久性を向上させることが可能になるとともに、軸方向及び径方向の熱応力を緩和させることができる。 Further, the sleeve member 60 and the cylindrical portion 52 constituting the start-up combustor 48 are formed of the same material. For this reason, the difference in thermal expansion between the starting combustor 48 and the cylindrical portion 52 is reduced as much as possible. Accordingly, durability can be improved and thermal stress in the axial direction and the radial direction can be reduced.

さらに、排ガス燃焼器４６は、筒部５２の内周面に接触する大径リング部６２ａと、排ガス燃焼室４６ａに挿入される小径リング部６２ｂと、前記大径リング部６２ａと前記小径リング部６２ｂとを連結する傾斜リング部６２ｃとを備えている。これにより、傾斜リング部６２ｃの案内作用下に、燃焼ガスの流通性が向上して熱の滞留を阻止することが可能になり、熱応力を良好に抑制することができる。 Further, the exhaust gas combustor 46 includes a large diameter ring portion 62a that contacts the inner peripheral surface of the cylindrical portion 52, a small diameter ring portion 62b that is inserted into the exhaust gas combustion chamber 46a, the large diameter ring portion 62a, and the small diameter ring portion. And an inclined ring part 62c for connecting the terminal 62b. Thereby, under the guide action of the inclined ring portion 62c, the flowability of the combustion gas can be improved to prevent the heat from staying, and the thermal stress can be satisfactorily suppressed.

さらにまた、筒部５２には、排ガス燃焼室４６ａで生成された排ガスを外環領域に供給するための燃焼ガス排出孔５２ａが形成されている。これにより、排ガス燃焼器４６は、排ガス燃焼室４６ａで生成された燃焼ガスの熱量を、外環領域に配設されている各要素である改質器４０、蒸発器４２及び熱交換器４４に対して良好に供給することができる。 Furthermore, the cylinder portion 52 is formed with a combustion gas discharge hole 52a for supplying the exhaust gas generated in the exhaust gas combustion chamber 46a to the outer ring region. As a result, the exhaust gas combustor 46 transfers the amount of heat of the combustion gas generated in the exhaust gas combustion chamber 46a to the reformer 40, the evaporator 42, and the heat exchanger 44, which are elements disposed in the outer ring region. In contrast, it can be supplied satisfactorily.

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ため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。 Further, since the fuel cell module 12 is a solid oxide fuel cell module, it is particularly suitable for a high-temperature fuel cell such as SOFC.

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０を構成するＦＣ周辺機器１４２の断面説明図である。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。 FIG. 10 is an explanatory cross-sectional view of the FC peripheral device 142 constituting the fuel cell module 140 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.

ＦＣ周辺機器１４２は、排ガス燃焼器４６を構成する筒部材１４４を備える。
筒部材１４４の外周部には、例えば、燃焼ガス排出孔５２ａの高さ位置に対応して複数の燃焼器連通孔１４６が形成される。燃焼器連通孔１４６は、燃焼ガス排出孔５２ａよりも小径な開口部に構成され、排ガス燃焼器４６と起動用燃焼器４８とを連通する。 The FC peripheral device 142 includes a cylindrical member 144 that constitutes the exhaust gas combustor 46.
For example, a plurality of combustor communication holes 146 are formed in the outer peripheral portion of the cylindrical member 144 corresponding to the height position of the combustion gas discharge hole 52a. The combustor communication hole 146 is configured as an opening having a smaller diameter than the combustion gas discharge hole 52 a, and communicates the exhaust gas combustor 46 and the start-up combustor 48.

このように構成される第２の実施形態では、特に、排ガス燃焼器４６が失火した際に、起動用燃焼器４８が駆動されると、燃焼ガスは、温調通路４８ａから燃焼器連通孔１４６を通って排ガス燃焼室４６ａに直接供給される。従って、排ガス燃焼室４６ａは、原燃料と空気との混合ガスが自然着火し得る温度に迅速に昇温される。これにより、排ガス燃焼器４６による排ガス燃焼作業が効率的に再開されるという効果が得られる。 In the second embodiment configured as described above, in particular, when the start-up combustor 48 is driven when the exhaust gas combustor 46 misfires, the combustion gas flows from the temperature adjustment passage 48a to the combustor communication hole 146. And is directly supplied to the exhaust gas combustion chamber 46a. Accordingly, the exhaust gas combustion chamber 46a is quickly heated to a temperature at which the mixed gas of raw fuel and air can spontaneously ignite. Thereby, the effect that the exhaust gas combustion operation | work by the exhaust gas combustor 46 is restarted efficiently is acquired.

１０…燃料電池システム１２、１４０…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、１４２…ＦＣ周辺機器４０…改質器
４２…蒸発器４４…熱交換器
４６…排ガス燃焼器４６ａ…排ガス燃焼室
４８…起動用燃焼器５０…筐体
５２…筒部５２ａ…燃焼ガス排出孔
５４ａ…酸化剤排ガス通路５４ｂ…燃料排ガス通路
５６…空気供給管５８…原燃料供給管
６０…スリーブ部材６２…多段筒部材
６２ａ…大径リング部６２ｂ…小径リング部
６２ｃ…傾斜リング部６４、１４４…筒部材
６６…閉塞リング６８…バイパス通路
７０、７２、７４、７６、７８…仕切り板
８０…燃焼ガス通路８２…改質管路
８８…連結通路９０…蒸発管路
９４ａ…混合ガス供給室９４ｂ…燃料ガス排出室
９８ａ…水供給室９８ｂ…水蒸気排出室
１００…原燃料供給路１０２…燃料ガス通路
１０４…水通路１０６…蒸発リターン管路
１０８…熱交換管路１１４ａ…酸化剤ガス供給室
１１４ｂ…酸化剤ガス排出室１１６…熱回収領域
１１８…酸化剤ガス供給管１２０…排ガス配管
１２２…酸化剤ガス配管１４６…燃焼器連通孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12, 140 ... 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, 142 ... FC peripheral device 40 ... Reformer 42 ... Evaporator 44 ... Heat exchanger 46 ... Exhaust gas combustor 46a ... Exhaust gas combustion chamber 48 ... Start-up combustor 50 ... Housing 52 ... Cylinder 52a ... Combustion gas discharge hole 54a ... Oxidant exhaust gas passage 54b ... Fuel exhaust gas passage 56 ... Air supply pipe 58 ... Raw fuel supply pipe 60 ... Sleeve member 62 ... Multi-stage cylindrical member 62a ... Large diameter ring part 62b ... Small-diameter ring part 62c ... Inclined ring part 64, 144 ... Cylinder member 66 ... Occlusion ring 68 ... Bypass passage 70, 72, 74, 76, 78 Partition plate 80 ... Combustion gas passage 82 ... Reformation pipe 88 ... Connection passage 90 ... Evaporation pipe 94a ... Mixed gas supply chamber 94b ... Fuel gas discharge chamber 98a ... Water supply chamber 98b ... Steam discharge chamber 100 ... Raw fuel supply passage DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 ... Fuel gas passage 104 ... Water passage 106 ... Evaporation return pipe 108 ... Heat exchange pipe 114a ... Oxidant gas supply chamber 114b ... Oxidant gas discharge chamber 116 ... Heat recovery area 118 ... Oxidant gas supply pipe 120 ... Exhaust gas Pipe 122 ... Oxidant gas pipe 146 ... Combustor communication hole

Claims

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 central region in which the start-up combustor is disposed away from the exhaust gas combustor and the fuel cell stack in proximity to the fuel cell stack;
The reformer, the evaporator, and the heat exchanger are disposed, and a plurality of outer ring regions that circulate around the central region in an annular shape,
Have
The exhaust gas combustor and the start-up combustor are coaxially arranged in the central region, and the exhaust gas combustor circulates the combustion gas from the start-up combustor toward the fuel cell stack. A fuel cell module comprising an exhaust gas combustion chamber surrounding a combustion gas passage to be made.

2. The fuel cell module according to claim 1, wherein the central region is configured by a cylindrical portion,
The fuel cell module, wherein the exhaust gas combustor and the cylinder portion are slidably in contact with each other.

3. The fuel cell module according to claim 2, wherein the exhaust gas combustor and the cylindrical portion are formed of the same material.

2. The fuel cell module according to claim 1, wherein the central region is configured by a cylindrical portion,
The fuel cell module according to claim 1, wherein the start-up combustor and the cylinder portion are slidably in contact with each other.

5. The fuel cell module according to claim 4, wherein the start-up combustor and the cylindrical portion are formed of the same material.

The fuel cell module according to any one of claims 2 to 5, wherein the exhaust gas combustor includes a large-diameter portion that contacts the cylindrical portion;
A small diameter portion inserted into the exhaust gas combustion chamber;
An inclined portion connecting the large diameter portion and the small diameter portion;
A fuel cell module comprising:

The fuel cell module according to any one of claims 2 to 6, wherein the cylinder portion has a combustion gas discharge hole for supplying the combustion gas generated in the exhaust gas combustion chamber to the outer ring region. A fuel cell module formed.

The fuel cell module according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cell module is a solid oxide fuel cell module.