JP2015130318A - fuel cell device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell device capable of reducing the temperature difference between an end side and an intermediate stage side of a fuel cell stack.SOLUTION: A fuel reformer 44 is arranged to face a lamination surface 10a extending in a lamination direction of a power generation cell 100 in a fuel cell stack 10 so that heat can be transferred to the fuel cell stack 10. Further, a reforming catalyst 443 is arranged so that a reforming reaction accompanying endotherm can be accelerated most at an intermediate stage facing site 44B facing an intermediate stage 10B in a lamination direction of the fuel cell stack 10 in the fuel reformer 44.

Description

本発明は、燃料電池スタックおよび燃料改質器を備える燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device including a fuel cell stack and a fuel reformer.

従来、高温(例えば、500℃以上)で作動する高温型の燃料電池スタックとして、固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)や溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)が存在する。この種の高温型の燃料電池スタックは、発電時の作動温度が高い程、発電効率の観点から有利となる。   Conventionally, solid oxide fuel cells (SOFCs) and molten carbonate fuel cells (MCFCs) are used as high-temperature fuel cell stacks that operate at high temperatures (eg, 500 ° C or higher). Exists. In this type of high-temperature fuel cell stack, the higher the operating temperature during power generation, the more advantageous from the viewpoint of power generation efficiency.

ところが、燃料電池スタックは、その積層方向の両端部の放熱が積層方向の中段部に比べて顕著となり、積層方向の両端部の温度が積層方向の中段部に比べて低下する傾向がある。なお、燃料電池スタックの積層方向が上下方向となる場合、自然対流の影響により積層方向の上端部側が、積層方向の下端部側よりも高温となる傾向がある(温度分布:中段部>上端部>下端部)。   However, in the fuel cell stack, the heat radiation at both ends in the stacking direction becomes more conspicuous than in the middle stage in the stacking direction, and the temperature at both ends in the stacking direction tends to be lower than in the middle stage in the stacking direction. When the stacking direction of the fuel cell stack is the vertical direction, the upper end side in the stacking direction tends to be higher than the lower end side in the stacking direction due to the influence of natural convection (temperature distribution: middle stage> upper end). > Lower end).

燃料電池スタックにおける低温となる部位では、その発電効率が高温となる部位の発電効率に比べて低下することから、燃料電池スタック全体としての発電効率が低下してしまうといった問題がある。   Since the power generation efficiency of the fuel cell stack at a low temperature is lower than that at the high temperature, there is a problem that the power generation efficiency of the entire fuel cell stack is reduced.

これに対して、都市ガス等の燃料ガス(改質原料)を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器を、燃料電池スタックの高さ方向に近接配置する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   On the other hand, a configuration has been proposed in which a fuel reformer for reforming a fuel gas (reforming raw material) such as city gas into a hydrogen-rich fuel gas is disposed close to the height direction of the fuel cell stack ( For example, see Patent Document 1).

この特許文献1では、燃料電池スタックの高さ方向に近接配置した燃料改質器を、その上端部側から改質原料(未改質燃料ガス)を導入する構成としている。これによれば、燃料改質器における水蒸気改質反応(SR)時の吸熱量が、未改質燃料ガスが導入される上端部側にて最も高くなるので、燃料改質器における吸熱により、主に燃料電池スタックの積層方向の上端部側における温度を低下させることができる。この結果、燃料電池スタックの積層方向の上端部と下端部との温度差を縮小させることが可能となる。   In this patent document 1, the fuel reformer arranged close to the height direction of the fuel cell stack is configured to introduce reformed raw material (unreformed fuel gas) from the upper end side. According to this, since the endothermic amount at the time of the steam reforming reaction (SR) in the fuel reformer becomes the highest at the upper end portion side where the unreformed fuel gas is introduced, due to the endotherm in the fuel reformer, It is possible to lower the temperature mainly on the upper end side in the stacking direction of the fuel cell stack. As a result, the temperature difference between the upper end portion and the lower end portion in the stacking direction of the fuel cell stack can be reduced.

また、特許文献2には、燃料電池スタックの積層方向を水平方向として、燃料電池スタックの上側に燃料改質器を配置した構成が提案されている。   Patent Document 2 proposes a configuration in which a fuel reformer is disposed on the upper side of the fuel cell stack with the stacking direction of the fuel cell stack as a horizontal direction.

この特許文献2では、燃料改質器は、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガスが流れるように構成されている。燃料改質器の燃料ガスの改質反応を、部分酸化改質反応(POX)→オートサーマル改質反応(ATR)→水蒸気改質反応(SR)の順に切り替える。そして、燃料改質器は、燃料電池からのオフガスの燃焼熱で外部から加熱される構造となっている。   In Patent Document 2, the fuel reformer is configured such that fuel gas flows in the stacking direction of the fuel cell stack. The reforming reaction of the fuel gas in the fuel reformer is switched in the order of partial oxidation reforming reaction (POX) → autothermal reforming reaction (ATR) → steam reforming reaction (SR). The fuel reformer is heated from the outside by the combustion heat of off-gas from the fuel cell.

特開2007−157480号公報JP 2007-157480 A 特開2012−79487号公報JP 2012-79487 A

ところで、特許文献1に開示された技術によれば、燃料電池スタックの両端部における温度差を縮小させることができるものの、燃料電池スタックにおける中段部側の温度が燃料電池スタックの端部側よりも高くなってしまうことから依然として改善の余地がある。   By the way, according to the technique disclosed in Patent Document 1, although the temperature difference at both ends of the fuel cell stack can be reduced, the temperature on the middle stage side in the fuel cell stack is higher than that on the end side of the fuel cell stack. There is still room for improvement because of the high price.

さらに、本発明者等の検討によれば、特許文献2に開示された技術において、燃料改質器で部分酸化改質反応(POX)を実施する際には、図13の温度特性に示すように、燃料改質器内には、発熱域、吸熱域、および平衡域が燃料ガスの流れ方向の入口側から出口側に亘って形成される。このため、燃料改質器内の温度が燃料ガスの流れ方向の入口側で高くなる。   Further, according to the study by the present inventors, when the partial oxidation reforming reaction (POX) is performed by the fuel reformer in the technique disclosed in Patent Document 2, the temperature characteristics shown in FIG. In addition, in the fuel reformer, an exothermic region, an endothermic region, and an equilibrium region are formed from the inlet side to the outlet side in the fuel gas flow direction. For this reason, the temperature in the fuel reformer becomes higher on the inlet side in the flow direction of the fuel gas.

ここで、発熱域では反応式[F7]、[F6]に示す燃料ガスの燃焼が生じるため、熱を発生する。[F7]、[F6]の反応割合は触媒によって異なる。Ni系触媒では完全燃焼[F7]が主となり、大量の熱を発生する。Rh系などの貴金属触媒では、部分酸化[F6]が比較的多く発生して温度上昇はやや抑えられる傾向ある。   Here, in the heat generation region, combustion of the fuel gas shown in the reaction formulas [F7] and [F6] occurs, so heat is generated. The reaction ratio of [F7] and [F6] varies depending on the catalyst. The Ni-based catalyst mainly produces complete combustion [F7] and generates a large amount of heat. In a noble metal catalyst such as Rh, a relatively large amount of partial oxidation [F6] is generated and the temperature rise tends to be somewhat suppressed.

反応式[F7]、[F6]での酸素が消費されて、その後の吸熱域では、反応式[F7]の反応に伴って生じる水蒸気と燃料ガスとが、反応式[F5]の吸熱反応を生じる。その後、反応が安定する平衡域に移行する。この平衡域では、温度変化に伴って可逆反応である反応式[F5]、[F6]、[F8]の反応が進んで、平衡状態になる。   Oxygen in the reaction formulas [F7] and [F6] is consumed, and in the subsequent endothermic region, the water vapor and the fuel gas generated by the reaction in the reaction formula [F7] perform the endothermic reaction in the reaction formula [F5]. Arise. Then, it shifts to an equilibrium region where the reaction is stable. In this equilibrium region, reaction of reaction formulas [F5], [F6], and [F8], which are reversible reactions, proceed with a change in temperature, resulting in an equilibrium state.

CH4+H22O⇔CO+3H2−206kJ/mol…[F5]
CH4+1/2O2⇔CO+2H2+36kJ/mol…[F6]
CH4+2O2→CO2+2H2O+890kJ/mol…[F7]
CO+H2O⇔CO2+H2−41kJ/mol…[F8]
このように、燃料改質器内の燃料ガスにおいて、発熱域、吸熱域、および平衡域が流れ方向入口側から出口側に亘って順に形成される。このことにより、燃料改質器内の燃料ガスのうち流れ方向の入口側の温度が高くなる。つまり、燃料改質器内の入口側に温度が高くなるヒートスポットが生じる。このため、燃料改質器の入口側が燃料電池スタックの積層方向の一端側に対峙していると、燃料改質器から発生する熱により、燃料電池スタックのうち積層方向の一端側が、中段部側や他端側に比べて高くなる。このため、燃料電池スタックの高温部で熱損傷や熱劣化が生じてしまう。
CH 4 + H 2 2O⇔CO + 3H 2 −206 kJ / mol ... [F5]
CH 4 + 1 / 2O 2 ⇔CO + 2H 2 +36 kJ / mol ... [F6]
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + 890 kJ / mol ... [F7]
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 −41 kJ / mol ... [F8]
Thus, in the fuel gas in the fuel reformer, the heat generation region, the heat absorption region, and the equilibrium region are formed in order from the flow direction inlet side to the outlet side. This increases the temperature on the inlet side in the flow direction of the fuel gas in the fuel reformer. That is, a heat spot is generated at a high temperature on the inlet side in the fuel reformer. For this reason, when the inlet side of the fuel reformer faces one end side in the stacking direction of the fuel cell stack, one end side in the stacking direction of the fuel cell stack becomes the middle stage side due to the heat generated from the fuel reformer. And higher than the other end. For this reason, thermal damage and thermal degradation occur at the high temperature portion of the fuel cell stack.

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池スタックにおける温度分布の均一化を図るようにした燃料電池装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell device in which temperature distribution in a fuel cell stack is made uniform.

本発明は、酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル(100)を積層して構成される燃料電池スタック(10)と、炭化水素系の改質原料を改質して燃料電池スタックへ導入する燃料ガスを生成する改質触媒(443)が内部に充填された燃料改質器(44)と、を備える燃料電池装置を対象としている。   The present invention relates to a fuel cell stack (10) configured by laminating a plurality of power generation cells (100) that output electric energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas, and a hydrocarbon-based reforming raw material. The fuel cell apparatus includes a fuel reformer (44) in which a reforming catalyst (443) for generating a fuel gas to be reformed and introduced into the fuel cell stack is filled.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、燃料改質器は、燃料電池スタックと伝熱可能なように燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向に延在する積層面(10a)に対峙して配置されると共に、燃料電池スタックの積層方向の中段部(10B)に対峙する中段対峙部位(44B)にて発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, in the first aspect of the present invention, the fuel reformer has a stacking surface (10a) extending in the stacking direction of the power generation cells in the fuel cell stack so that heat can be transferred to the fuel cell stack. And the reforming reaction with heat generation is most promoted at the middle stage facing part (44B) facing the middle stage part (10B) in the stacking direction of the fuel cell stack. It is a feature.

これによれば、燃料改質器の改質反応による発熱量が、燃料電池スタックにおける中段部に対峙する中段対峙部位にて最も高くなるので、燃料改質器における発熱により、燃料電池スタックの中段部側の温度を上昇させることができる。このため、燃料電池スタックにおいて中段部側から熱が積層方向の一端部側と他端部側とに伝わる。   According to this, the amount of heat generated by the reforming reaction of the fuel reformer is highest at the middle stage facing the middle stage in the fuel cell stack, so that the middle stage of the fuel cell stack is generated by the heat generation in the fuel reformer. The temperature on the part side can be increased. For this reason, in the fuel cell stack, heat is transmitted from the middle stage side to the one end side and the other end side in the stacking direction.

従って、本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池スタックの積層方向の一端部側と他端部側との温度差を縮小して、燃料電池スタックにおける温度分布の均一化を図ることができる。   Therefore, according to the fuel cell device of the present invention, the temperature difference between the one end portion side and the other end portion side in the stacking direction of the fuel cell stack can be reduced, and the temperature distribution in the fuel cell stack can be made uniform. .

また、特許文献2の燃料改質器は、自ら発熱する改質反応を生じる上に、オフガス燃焼熱により外部から加熱されことから、燃料改質器の内部が過熱されて、燃料改質器内の温度が触媒の耐熱温度を超えて、触媒が劣化する恐れがある。   In addition, the fuel reformer of Patent Document 2 generates a reforming reaction that generates heat by itself and is heated from the outside by off-gas combustion heat, so that the inside of the fuel reformer is overheated, and the inside of the fuel reformer If the temperature exceeds the heat resistance temperature of the catalyst, the catalyst may deteriorate.

これに対して、請求項1に記載の発明によれば、燃料改質器のうち中段対峙部位を燃料電池スタックにおける中段部によって冷却することができる。したがって、燃料改質器の内部が過熱されることを抑制することができるので、触媒が劣化することを未然に抑制することができる。   On the other hand, according to the first aspect of the present invention, it is possible to cool the middle stage confronting part of the fuel reformer by the middle stage part in the fuel cell stack. Therefore, since it is possible to suppress the inside of the fuel reformer from being overheated, deterioration of the catalyst can be suppressed in advance.

請求項8に記載の発明では、燃料改質器は、燃料電池スタックと伝熱可能なように燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向に延在する積層面(10a)に対峙して配置されると共に、燃料電池スタックの積層方向の中段部(10B)に対峙する中段対峙部位(44B)にて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっていることを特徴としている。   In the invention according to claim 8, the fuel reformer is arranged to face the stacking surface (10a) extending in the stacking direction of the power generation cells in the fuel cell stack so as to be able to transfer heat with the fuel cell stack. In addition, the reforming reaction with endotherm is most promoted in the middle-stage facing portion (44B) facing the middle-stage portion (10B) in the stacking direction of the fuel cell stack.

これによれば、燃料改質器の改質反応による吸熱量が、燃料電池スタックにおける発電による発熱で高温となり易い中段部に対峙する中段対峙部位にて最も高くなるので、燃料改質器における吸熱により、燃料電池スタックの中段部側の温度を低下させることができる。   According to this, the endothermic amount due to the reforming reaction of the fuel reformer is highest at the middle stage confronting part facing the middle stage part that tends to become high temperature due to heat generated by the power generation in the fuel cell stack. Thus, the temperature on the middle stage side of the fuel cell stack can be lowered.

従って、本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池スタックの積層方向の端部側と中段部側との温度差を縮小して、燃料電池スタックにおける温度分布の均一化を図ることができる。   Therefore, according to the fuel cell device of the present invention, it is possible to reduce the temperature difference between the end side and the middle stage side in the stacking direction of the fuel cell stack and make the temperature distribution in the fuel cell stack uniform.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。   In addition, the code | symbol in the parenthesis of each means described in this column and the claim shows an example of a correspondence relationship with the specific means described in the embodiment described later.

第1実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 第1実施形態に係る燃料電池装置を示す構成図である。It is a lineblock diagram showing the fuel cell device concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel reformer which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る燃料改質器の温度分布を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution of the fuel reformer which concerns on 1st Embodiment. 比較例に係る燃料改質器および燃料電池スタックの温度分布を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the temperature distribution of the fuel reformer and fuel cell stack which concern on a comparative example. 第1実施形態に係る燃料改質器および燃料電池スタックの温度分布を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the temperature distribution of the fuel reformer and fuel cell stack which concern on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel reformer which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel reformer which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel reformer which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態の変形例に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel reformer which concerns on the modification of 4th Embodiment. 第5実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。It is a whole block diagram of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment. 第5実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel reformer which concerns on 5th Embodiment. 比較例に係る燃料改質器の温度分布を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the temperature distribution of the fuel reformer which concerns on a comparative example.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that, in each of the following embodiments, parts that are the same as or equivalent to the matters described in the preceding embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted. Moreover, in each embodiment, when only a part of the component is described, the component described in the preceding embodiment can be applied to the other part of the component.

(第1実施形態)
本実施形態では、図1に示す燃料電池システムに本発明の燃料電池装置1を適用している。本実施形態の燃料電池装置1は、断熱性を有するハウジング2、ハウジング2の内部に収容された燃料電池スタック10、後述する第2空気予熱器34および燃料改質器44にて構成されている。なお、燃料電池装置1のハウジング2の内部における具体的な形態については後述する。
(First embodiment)
In this embodiment, the fuel cell device 1 of the present invention is applied to the fuel cell system shown in FIG. The fuel cell device 1 of the present embodiment includes a heat-insulating housing 2, a fuel cell stack 10 accommodated in the housing 2, a second air preheater 34 and a fuel reformer 44 described later. . A specific form inside the housing 2 of the fuel cell device 1 will be described later.

燃料電池スタック10は、燃料ガスと酸化剤ガス(本実施形態では空気)との電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル100を、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が形成されたセパレータ14、15を介して積層した積層体である。   The fuel cell stack 10 includes a plurality of power generation cells 100 that output electric energy by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas (air in this embodiment), and a flow path for the fuel gas and the oxidant gas. It is a laminated body laminated via separators 14 and 15.

本実施形態の燃料電池スタック10は、作動温度が高温(例えば、500℃〜1000℃)となる固体酸化物型燃料電池(SOFC)で構成されている。なお、説明の便宜上、図1では、燃料電池スタック10を単一の発電セル100として図示している。   The fuel cell stack 10 of the present embodiment is composed of a solid oxide fuel cell (SOFC) whose operating temperature is high (for example, 500 ° C. to 1000 ° C.). For convenience of explanation, in FIG. 1, the fuel cell stack 10 is illustrated as a single power generation cell 100.

本実施形態の発電セル100は、平板構造のセルであり、固体電解質体11、空気極(カソード)12、燃料極(アノード)13で構成されている。なお、本実施形態の発電セル100は、炭化水素系の改質原料であるメタンガス(CH4)を改質した改質ガス(H2、CO)を燃料ガスとしている。 The power generation cell 100 according to the present embodiment is a flat cell, and includes a solid electrolyte body 11, an air electrode (cathode) 12, and a fuel electrode (anode) 13. Note that the power generation cell 100 of this embodiment uses a reformed gas (H 2 , CO) obtained by reforming methane gas (CH 4 ), which is a hydrocarbon-based reforming raw material, as a fuel gas.

セパレータ14、15は、各発電セル100を電気的に接続すると共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスを各発電セル100へ供給する手段として機能する。なお、セパレータ14、15には、燃料ガスを各発電セル100へ供給する燃料ガス通路(図示略)、および空気を各発電セル100へ供給する空気通路(図示略)が形成されている。   The separators 14 and 15 function as means for electrically connecting the power generation cells 100 and supplying reaction gas such as fuel gas and oxidant gas to the power generation cells 100. The separators 14 and 15 are formed with a fuel gas passage (not shown) for supplying fuel gas to each power generation cell 100 and an air passage (not shown) for supplying air to each power generation cell 100.

本実施形態の燃料電池スタック10は、各発電セル100からの排出空気および排出燃料が、図示しないマニホールドを介して、後述する空気排出経路6a、燃料排出経路6bに排出される。   In the fuel cell stack 10 of the present embodiment, exhaust air and exhaust fuel from each power generation cell 100 are exhausted to an air exhaust path 6a and a fuel exhaust path 6b described later via a manifold (not shown).

各発電セル100では、以下の反応式[F1]、[F2]に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
(燃料極)2H2+2O2-→2H2O+4e-…[F1]
(空気極)O2+4e-→2O2-…[F2]
また、各発電セル100では、以下の反応式[F3]、[F4]に示す一酸化炭素(CO)および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
(燃料極)2CO+2O2-→2CO2+4e-…[F3]
(空気極)O2+4e-→2O2-…[F4]
燃料電池スタック10の空気の入口側には、発電用空気の供給経路である空気供給経路3が接続されている。この空気供給経路3には、空気流れ上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ31、燃料電池スタック10へと発電用空気を圧送する空気用ブロワ32、空気予熱器33、および空気予熱器34が設けられている。
In each power generation cell 100, electric energy is output by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen represented by the following reaction formulas [F1] and [F2].
(Fuel electrode) 2H 2 + 2O 2− → 2H 2 O + 4e ... [F1]
(Air electrode) O 2 + 4e → 2O 2− … [F2]
In each power generation cell 100, electric energy is output by an electrochemical reaction of carbon monoxide (CO) and oxygen shown in the following reaction formulas [F3] and [F4].
(Fuel electrode) 2CO + 2O 2- → 2CO 2 + 4e - ... [F3]
(Air electrode) O 2 + 4e → 2O 2− … [F4]
An air supply path 3, which is a supply path for power generation air, is connected to the air inlet side of the fuel cell stack 10. In this air supply path 3, an air filter 31 that removes dust and the like, an air blower 32 that pumps power generation air to the fuel cell stack 10, an air preheater 33, and air in order from the upstream side of the air flow A preheater 34 is provided.

各空気予熱器33、34それぞれは、燃料電池スタック10の空気極12に供給する発電用空気と燃料極13に供給する高温の燃料ガスとの温度差を縮小して、各発電セル100における発電効率の向上を図るために設けられている。   Each air preheater 33, 34 reduces the temperature difference between the power generation air supplied to the air electrode 12 of the fuel cell stack 10 and the high-temperature fuel gas supplied to the fuel electrode 13, thereby generating power in each power generation cell 100. It is provided to improve efficiency.

第1空気予熱器33は、空気用ブロワ32から圧送された発電用空気を、後述するオフガス燃焼器61で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。第1空気予熱器33では、空気用ブロワ32から圧送された発電用空気と、発電時における燃料電池スタック10の温度(例えば、700℃〜800℃)よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。   The first air preheater 33 heats the power generation air pumped from the air blower 32 by exchanging heat with combustion gas generated by an off-gas combustor 61 described later. The first air preheater 33 exchanges heat between the power generation air pumped from the air blower 32 and the combustion gas having a temperature lower than the temperature of the fuel cell stack 10 during power generation (for example, 700 ° C. to 800 ° C.). This is a low temperature preheater.

なお、第1空気予熱器33は、その内部における空気が、後述する燃料改質器44に流入する燃料ガスと同等の温度に昇温するように構成することが望ましい。これによれば、後述の燃料電池スタック10の周囲に配置される第2空気予熱器34および燃料改質器44に流入する熱交換媒体の温度が同等となり、各機器34、44の温度域を同程度することができ、燃料電池スタック10の温度ばらつきの抑制を図ることができる。   Note that the first air preheater 33 is preferably configured so that the temperature of the air in the first air preheater 33 rises to a temperature equivalent to the fuel gas flowing into the fuel reformer 44 described later. According to this, the temperature of the heat exchange medium flowing into the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 arranged around the fuel cell stack 10 to be described later becomes equal, and the temperature range of each device 34, 44 is changed. It is possible to achieve the same level, and the temperature variation of the fuel cell stack 10 can be suppressed.

第2空気予熱器34は、第1空気予熱器33にて昇温した発電用空気を、第1空気予熱器33を流通する燃焼ガスよりも高温の燃焼ガスと熱交換させる高温の予熱器(酸化剤ガス予熱器)である。   The second air preheater 34 is a high-temperature preheater that exchanges heat between the power generation air heated by the first air preheater 33 and combustion gas that is hotter than the combustion gas flowing through the first air preheater 33 ( An oxidant gas preheater).

本実施形態の第2空気予熱器34は、燃料電池スタック10と共にハウジング2の内部に収容されており、燃料電池スタック10の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する空気を加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。なお、第2空気予熱器34には、発電時における燃料電池スタック10の温度よりも低い発電用空気が流入する。   The second air preheater 34 of the present embodiment is housed inside the housing 2 together with the fuel cell stack 10, absorbs radiant heat generated during power generation of the fuel cell stack 10, and heats the air flowing through the inside. It consists of a radiant heat type heat exchanger. Note that power generation air lower than the temperature of the fuel cell stack 10 during power generation flows into the second air preheater 34.

一方、燃料電池スタック10の燃料ガスの入口側には、燃料ガスの供給経路である燃料供給経路4が接続されている。この燃料供給経路4には、燃料ガス流れ上流側から順に、改質原料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器41、改質原料を圧送する燃料用ブロワ42、燃料予熱器43、燃料改質器44が設けられている。   On the other hand, a fuel supply path 4 that is a fuel gas supply path is connected to the fuel gas inlet side of the fuel cell stack 10. In this fuel supply path 4, a desulfurizer 41 that removes sulfur components contained in the reformed raw material, a fuel blower 42 that pumps the reformed raw material, a fuel preheater 43, a fuel reformer, in order from the upstream side of the fuel gas flow. A container 44 is provided.

燃料予熱器43は、燃料用ブロワ42から圧送された改質原料(図1中燃料と記す)を後述するオフガス燃焼器61で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱する予熱器である。この燃料予熱器43は、水供給経路5にも接続されており、純水器51を介して水ポンプ52から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。なお、燃料予熱器43では、水および空気のうち少なくとも1つと改質原料とを混合した燃料ガスと燃料電池スタック10よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。   The fuel preheater 43 is a preheater that heats the reformed raw material (referred to as fuel in FIG. 1) fed from the fuel blower 42 by exchanging heat with combustion gas generated by an off-gas combustor 61 described later. The fuel preheater 43 is also connected to the water supply path 5 and functions as a water vapor generator that evaporates water supplied from the water pump 52 via the pure water device 51 by heat exchange with the combustion gas. Plays. The fuel preheater 43 is a low-temperature preheater that exchanges heat between a fuel gas in which at least one of water and air and a reforming raw material are mixed with a combustion gas having a temperature lower than that of the fuel cell stack 10.

燃料供給経路4のうち燃料用ブロワ42および燃料予熱器43の間の部位4aには、改質用空気の供給経路である空気供給経路3aが接続されている。この空気供給経路3aには、空気流れ上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ31a、燃料電池スタック10へと改質用空気を圧送する空気用ブロワ32aが設けられている。   An air supply path 3 a that is a supply path for reforming air is connected to a portion 4 a between the fuel blower 42 and the fuel preheater 43 in the fuel supply path 4. The air supply path 3a is provided with an air filter 31a for removing dust and dirt and an air blower 32a for pressure-feeding reforming air to the fuel cell stack 10 in order from the upstream side of the air flow.

燃料改質器44は、燃料予熱器43にて加熱された燃料ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。   The fuel reformer 44 heats the fuel gas heated by the fuel preheater 43 by exchanging heat with the combustion gas, and generates a fuel gas containing hydrogen and carbon monoxide by steam reforming. It is.

本実施形態の燃料改質器44は、燃料電池スタック10や第2空気予熱器34と共にハウジング2の内部に収容されており、燃料電池スタック10の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する燃料ガスを加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。なお、燃料改質器44には、発電時における燃料電池スタック10の温度(例えば、700℃〜800℃)よりも低い改質原料および水蒸気の混合ガスが流入する。   The fuel reformer 44 of this embodiment is housed inside the housing 2 together with the fuel cell stack 10 and the second air preheater 34, absorbs radiant heat generated during power generation of the fuel cell stack 10, and It consists of a radiant heat type heat exchanger that heats the fuel gas that circulates. Note that a mixed gas of reforming raw material and steam lower than the temperature of the fuel cell stack 10 during power generation (for example, 700 ° C. to 800 ° C.) flows into the fuel reformer 44.

ここで、図示しないが、空気供給経路3、3aおよび燃料供給経路4それぞれには、燃料電池スタック10に供給する燃料ガスの供給量を調整する調整弁や、燃料電池スタック10に供給する空気の供給量を調整する調整弁等が設けられている。   Here, although not shown, each of the air supply paths 3, 3 a and the fuel supply path 4 has an adjustment valve for adjusting the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 10 and the air supplied to the fuel cell stack 10. An adjustment valve or the like for adjusting the supply amount is provided.

本実施形態では、燃料改質器44の改質反応を部分酸化改質反応(POX反応)→オートサーマル改質反応(ATR反応)→水蒸気改質反応(SR反応)の順に切り替えるために、燃料予熱器43に供給する材料を変える。燃料改質器44で部分酸化改質反応(POX反応)を実施する場合には、改質原料および改質用空気を燃料予熱器43に供給する。燃料改質器44でオートサーマル改質反応(ATR反応)を実施する場合には、改質原料、改質用空気および水を、燃料予熱器43に供給する。燃料改質器44で水蒸気改質反応(SR反応)を実施する際に改質原料および水を燃料予熱器43に供給する。   In this embodiment, in order to switch the reforming reaction of the fuel reformer 44 in the order of partial oxidation reforming reaction (POX reaction) → autothermal reforming reaction (ATR reaction) → steam reforming reaction (SR reaction), The material supplied to the preheater 43 is changed. When a partial oxidation reforming reaction (POX reaction) is performed in the fuel reformer 44, the reforming raw material and reforming air are supplied to the fuel preheater 43. When an autothermal reforming reaction (ATR reaction) is performed in the fuel reformer 44, the reforming raw material, reforming air, and water are supplied to the fuel preheater 43. When the steam reforming reaction (SR reaction) is performed in the fuel reformer 44, the reforming raw material and water are supplied to the fuel preheater 43.

燃料電池スタック10の空気の出口側には、燃料電池スタック10からの排出空気が流れる空気排出経路6aが接続され、燃料電池スタック10の燃料ガスの出口側には、排出燃料が流れる燃料排出経路6bが接続されている。各排出経路6a、6bは、オフガス燃焼器61に接続されている。   An air discharge path 6a through which exhaust air from the fuel cell stack 10 flows is connected to the air outlet side of the fuel cell stack 10, and a fuel discharge path through which discharged fuel flows to the fuel gas outlet side of the fuel cell stack 10 6b is connected. Each discharge path 6 a, 6 b is connected to an off-gas combustor 61.

オフガス燃焼器61は、排出燃料と排出空気とを混合して燃焼させることで、燃料電池スタック10に供給する空気や燃料ガスの予熱等の熱源として利用される高温(例えば、900℃〜1000℃)の燃焼ガスを生成するものである。   The off-gas combustor 61 mixes and burns the discharged fuel and the discharged air, and thus is used as a heat source for preheating the air and fuel gas supplied to the fuel cell stack 10 (for example, 900 ° C. to 1000 ° C. ) Combustion gas.

このオフガス燃焼器61には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路6が接続されている。この燃焼ガス経路6は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器44、第2空気予熱器34、燃料予熱器43、第1空気予熱器33といった機器に接続されている。なお、図示しないが、燃焼ガス経路6における第1空気予熱器33の下流側には、給湯水を加熱する熱交換器が設けられており、燃焼ガスが有する熱にて、給湯水等を加熱するようになっている。   The off gas combustor 61 is connected to a combustion gas path 6 for discharging high temperature combustion gas. The combustion gas path 6 is a device such as a fuel reformer 44, a second air preheater 34, a fuel preheater 43, and a first air preheater 33 in order from the upstream side in order to effectively use the heat of the combustion gas flowing inside. It is connected to the. Although not shown, a heat exchanger for heating hot water is provided on the downstream side of the first air preheater 33 in the combustion gas path 6, and the hot water is heated by the heat of the combustion gas. It is supposed to be.

続いて、本実施形態の燃料電池装置1の内部における具体的な形態について、図2を用いて説明する。なお、図2に示す上下方向は、燃料電池装置1の搭載状態における天地方向を示している。このことは、他の図面においても同様である。   Then, the specific form inside the fuel cell apparatus 1 of this embodiment is demonstrated using FIG. 2 indicates the vertical direction when the fuel cell device 1 is mounted. The same applies to other drawings.

図2に示すように、燃料電池スタック10は、上下方向が発電セル100の積層方向と一致するように配置されている。本実施形態の燃料電池スタック10は、積層方向に延在する積層面10a、積層方向の上方側の上端面10b、および下方側の下端面10cを有する。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 10 is arranged so that the vertical direction coincides with the stacking direction of the power generation cells 100. The fuel cell stack 10 of the present embodiment has a stacking surface 10a extending in the stacking direction, an upper end surface 10b on the upper side in the stacking direction, and a lower end surface 10c on the lower side.

燃料電池スタック10は、内部に空気を導入する空気導入部141が後述する第2空気予熱器34の空気出口部342に接続され、内部から空気を排出する空気排出部142が空気排出経路6aに接続されている。   In the fuel cell stack 10, an air introduction part 141 that introduces air into the interior is connected to an air outlet part 342 of a second air preheater 34, which will be described later, and an air exhaust part 142 that exhausts air from the inside is connected to the air exhaust path 6a. It is connected.

また、燃料電池スタック10は、内部に燃料ガスを導入する燃料導入部151が後述する燃料改質器44の燃料出口部442に接続され、内部から燃料ガスを排出する燃料排出部152が燃料排出経路6bに接続されている。   Further, in the fuel cell stack 10, a fuel introduction part 151 for introducing fuel gas into the inside thereof is connected to a fuel outlet part 442 of a fuel reformer 44, which will be described later, and a fuel discharge part 152 for discharging fuel gas from the inside is discharged as fuel. It is connected to the path 6b.

続いて、第2空気予熱器34および燃料改質器44は、燃料電池スタック10の周囲に配置されている。本実施形態の第2空気予熱器34および燃料改質器44は、燃料電池スタック10との伝熱可能(対流、伝導、輻射)なように、燃料電池スタック10から離間して配置されている。なお、本実施形態では、第2空気予熱器34および燃料改質器44を、第2空気予熱器34および燃料改質器44のうち、一方の熱交換手段と燃料電池スタック10との間に、他方の熱交換手段が介在しないように、燃料電池スタック10の周囲に配置している。   Subsequently, the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 are arranged around the fuel cell stack 10. The second air preheater 34 and the fuel reformer 44 of this embodiment are arranged apart from the fuel cell stack 10 so as to be able to transfer heat (convection, conduction, radiation) to the fuel cell stack 10. . In the present embodiment, the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 are disposed between one of the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 and the fuel cell stack 10. The other heat exchanging means is arranged around the fuel cell stack 10 so as not to intervene.

ここで、燃料電池スタック10は、発電時にて、積層方向の各端面10b、10cよりも積層面10aにおける温度が高くなる傾向がある。このため、本実施形態の第2空気予熱器34および燃料改質器44は、燃料電池スタック10における積層方向に延びる積層面10aに対峙するように配置されている。なお、本実施形態の第2空気予熱器34および燃料改質器44は、燃料電池スタック10の積層面10aとの対峙方向から見たときに、燃料電池スタック10に対峙するスタック対峙面が、積層面10aの全域と重なり合うように配置されている。   Here, the fuel cell stack 10 tends to have a higher temperature on the stacking surface 10a than the end surfaces 10b and 10c in the stacking direction during power generation. For this reason, the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 of the present embodiment are disposed so as to face the stacked surface 10 a extending in the stacking direction in the fuel cell stack 10. Note that the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 of the present embodiment have a stack facing surface facing the fuel cell stack 10 when viewed from the facing direction to the stacked surface 10a of the fuel cell stack 10. It arrange | positions so that it may overlap with the whole region of the lamination | stacking surface 10a.

第2空気予熱器34は、下方側に第1空気予熱器33にて昇温された空気を流入させる空気入口部341が設けられ、上方側に空気を燃料電池スタック10へ導入する空気出口部342が設けられている。   The second air preheater 34 is provided with an air inlet 341 for allowing the air heated by the first air preheater 33 to flow in on the lower side, and an air outlet for introducing air into the fuel cell stack 10 on the upper side. 342 is provided.

また、燃料改質器44は、下方側に燃料予熱器43にて昇温された燃料ガスを流入させる燃料入口部441が設けられ、上方側に燃料ガスを燃料電池スタック10へ導入する燃料出口部442が設けられている。   The fuel reformer 44 is provided with a fuel inlet portion 441 for allowing the fuel gas heated by the fuel preheater 43 to flow into the lower side, and a fuel outlet for introducing the fuel gas into the fuel cell stack 10 on the upper side. A portion 442 is provided.

ここで、燃料電池スタック10は、積層方向の一端部10A側(図3参照)および他端部10C側における放熱が積層方向の中段部10Bに比べて顕著となり、両端部10A、10C側(一端部側および他端部側)の温度が中段部10Bに比べて低下する傾向がある。つまり、燃料電池スタック10には、積層方向の中段部10Bにおいて最も高温となる温度分布が生ずる傾向がある。このような燃料電池スタック10の温度分布は、燃料電池スタック10全体としての発電効率の低下を招く要因となることから好ましくない。   Here, in the fuel cell stack 10, the heat radiation on the one end portion 10A side (see FIG. 3) and the other end portion 10C side in the stacking direction becomes remarkable compared to the middle step portion 10B in the stacking direction. The temperature on the part side and the other end side) tends to be lower than that of the middle stage part 10B. That is, the fuel cell stack 10 tends to have a temperature distribution that is the highest temperature in the middle stage portion 10B in the stacking direction. Such a temperature distribution of the fuel cell stack 10 is not preferable because it causes a decrease in power generation efficiency of the fuel cell stack 10 as a whole.

なお、燃料電池スタック10の一端部10Aは、燃料電池スタック10の積層方向の一端側領域(例えば、10%〜30%を占める領域)であり、他端部10Cは、燃料電池スタック10の積層方向の他端側領域(例えば、10%〜30%を占める領域)である。そして、燃料電池スタック10の中段部10Bは、一端部10Aおよび他端部10Cを除く領域(例えば、40%〜80%を占める領域)である。   Note that one end portion 10A of the fuel cell stack 10 is one end side region (for example, a region occupying 10% to 30%) in the stacking direction of the fuel cell stack 10, and the other end portion 10C is the stack of the fuel cell stack 10. It is a region on the other end side in the direction (for example, a region occupying 10% to 30%). The middle stage portion 10B of the fuel cell stack 10 is a region excluding the one end portion 10A and the other end portion 10C (for example, a region occupying 40% to 80%).

そこで、本実施形態では、燃料改質器44を、燃料電池スタック10の積層方向の中段部10Bに対峙する中段対峙部位44Bにて吸熱を伴う改質反応(水蒸気改質反応:SR反応)が最も促進される構造としている。   Therefore, in the present embodiment, the reforming reaction (steam reforming reaction: SR reaction) involving the endothermic heat of the fuel reformer 44 at the middle stage facing part 44B facing the middle stage part 10B in the stacking direction of the fuel cell stack 10 is performed. The structure is the most promoted.

なお、改質触媒443における水蒸気改質は、例えば、反応式[F5]で示すように、吸熱を伴う改質反応であり、燃料電池スタック10の発電時に生ずる放射熱を吸熱可能な高温の条件下で行うことで、より高転化率の改質反応を実現することができる。   The steam reforming in the reforming catalyst 443 is, for example, a reforming reaction accompanied by endotherm as shown by the reaction formula [F5], and is a high temperature condition capable of absorbing radiant heat generated during power generation of the fuel cell stack 10. By carrying out below, a reforming reaction with a higher conversion rate can be realized.

CH4+H2O→CO+3H2−206kJ/mol…[F5]
さらに、本実施形態では、燃料改質器44で燃料ガスの部分酸化改質反応(POX反応)を実施する際には、燃料改質器44を、燃料電池スタック10の積層方向の中段部10Bに対峙する中段対峙部位44Bにて発熱を伴う改質反応(部分酸化改質反応:POX反応)が最も促進される構造としている。つまり、燃料改質器44は、中段対峙部位44Bにて発熱を伴う改質反応(部分酸化改質反応:POX反応)が一端側対峙部位44Aおよび他端側対峙部位44Cに比べて促進される構造としている。
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 -206kJ / mol ... [F5]
Furthermore, in this embodiment, when the partial reforming reforming reaction (POX reaction) of the fuel gas is performed by the fuel reformer 44, the fuel reformer 44 is connected to the middle stage portion 10B in the stacking direction of the fuel cell stack 10. The reforming reaction accompanied by heat generation (partial oxidation reforming reaction: POX reaction) is most promoted in the middle stage confronting portion 44B facing the surface. That is, in the fuel reformer 44, the reforming reaction accompanied by heat generation (partial oxidation reforming reaction: POX reaction) is promoted in the middle stage facing part 44B as compared with the one end side facing part 44A and the other end side facing part 44C. It has a structure.

ここで、本実施形態の燃料改質器44は、燃料電池スタック10の積層方向の一端部10A側に対峙する一端側対峙部位44A、積層方向の中段部10B側に対峙する中段対峙部位44B、積層方向の他端部10C側に対峙する他端側対峙部位44Cを有する。   Here, the fuel reformer 44 of the present embodiment includes one end side facing portion 44A facing the one end portion 10A side in the stacking direction of the fuel cell stack 10, and a middle stage facing portion 44B facing the middle step portion 10B side in the stacking direction. It has the other end side opposing part 44C which opposes to the other end part 10C side of the lamination direction.

以下、本実施形態の燃料改質器44の構造について図3を用いて説明する。   Hereinafter, the structure of the fuel reformer 44 of this embodiment will be described with reference to FIG.

まず、燃料改質器44の内部には、改質触媒443が充填されると共に、燃料入口部441から導入した改質原料および水蒸気を一端側対峙部位44Aから他端側対峙部位44Cへ向かって流すための内部流路44a〜44cが設定されている。   First, the inside of the fuel reformer 44 is filled with a reforming catalyst 443, and the reforming raw material and water vapor introduced from the fuel inlet 441 are directed from the one end side facing portion 44A toward the other end side facing portion 44C. Internal flow paths 44a to 44c for flowing are set.

改質触媒443は、内部流路44a〜44cにて改質原料を含む混合ガスを改質して燃料ガスを生成する触媒であり、例えば、ロジウムやルテニウムやニッケル等の金属が担持された触媒で構成されている。   The reforming catalyst 443 is a catalyst that generates a fuel gas by reforming a mixed gas containing a reforming raw material in the internal channels 44a to 44c. For example, a catalyst on which a metal such as rhodium, ruthenium, or nickel is supported. It consists of

本実施形態の内部流路44a〜44cは、一端側対峙部位44Aから中段対峙部位44Bへ至る入口側流路44a、中段対峙部位44Bに対応する中間流路44b、中段対峙部位44Bから他端側対峙部位44Cへ至る出口側流路44cで構成されている。なお、本実施形態では、入口側流路44aが「第1流路」を構成し、中間流路44bおよび出口側流路44cが「第2流路」を構成している。   The internal flow paths 44a to 44c of the present embodiment include an inlet-side flow path 44a extending from one end side facing part 44A to the middle stage facing part 44B, an intermediate flow path 44b corresponding to the middle stage facing part 44B, and the other end side from the middle stage facing part 44B. It is comprised by the exit side flow path 44c which reaches 44 C of confrontation parts. In the present embodiment, the inlet-side channel 44a constitutes the “first channel”, and the intermediate channel 44b and the outlet-side channel 44c constitute the “second channel”.

本実施形態では、改質触媒443を入口側流路44aに充填せず、中間流路44bおよび出口側流路44cにだけ充填する構成としている。これにより、部分酸化改質反応(POX反応)を実施時に燃料改質器44における中段対峙部位44Bにおける発熱量が最も高くなり、かつ水蒸気改質反応(SR反応)を実施時に燃料改質器44における中段対峙部位44Bにおける吸熱量が最も高くなる。   In the present embodiment, the reforming catalyst 443 is not filled in the inlet-side channel 44a, but is filled only in the intermediate channel 44b and the outlet-side channel 44c. As a result, the amount of heat generated at the intermediate confronting portion 44B in the fuel reformer 44 becomes the highest when the partial oxidation reforming reaction (POX reaction) is performed, and the fuel reformer 44 when the steam reforming reaction (SR reaction) is performed. The endothermic amount at the middle stage antipodal region 44B at the highest is.

具体的には、本実施形態の燃料改質器44は、入口側流路44aと中間流路44bとの間に、中間流路44bおよび出口側流路44cにだけ改質触媒443を充填するための規制部材444が配置されている。なお、規制部材444は、燃料予熱器43からの混合ガスが入口側流路44aから中間流路44bへ流れるように、金属メッシュやパンチングメタル等で構成されている。   Specifically, the fuel reformer 44 of this embodiment fills the reforming catalyst 443 only between the intermediate flow path 44b and the outlet flow path 44c between the inlet side flow path 44a and the intermediate flow path 44b. A restricting member 444 is provided for this purpose. The restricting member 444 is made of a metal mesh, punching metal, or the like so that the mixed gas from the fuel preheater 43 flows from the inlet-side flow path 44a to the intermediate flow path 44b.

本実施形態の燃料改質器44は、中段対峙部位44B、および他端側対峙部位44Cが、発熱(或いは、吸熱)を伴う改質反応が生ずる高改質領域を構成し、一端側対峙部位44Aが発熱(或いは、吸熱)を伴う改質反応が生じない無改質領域を構成する。なお、一端側対峙部位44Aは、中間流路44bへ導入する改質原料および水蒸気を予熱する予熱領域として機能する。   In the fuel reformer 44 of the present embodiment, the middle stage opposing part 44B and the other end side opposing part 44C constitute a high reforming region where a reforming reaction accompanied by heat generation (or endotherm) occurs, and one end side opposing part 44A constitutes an unmodified region where no reforming reaction accompanied by heat generation (or endotherm) occurs. Note that the one end side facing portion 44A functions as a preheating region for preheating the reforming raw material and steam introduced into the intermediate flow path 44b.

次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。図示しないコントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、空気用ブロワ32、燃料用ブロワ42、空気用ブロワ32a等が作動する。   Next, the operation of the fuel cell system according to the above configuration will be described. When the operation of the fuel cell system is started by a control command from a controller (not shown), the air blower 32, the fuel blower 42, the air blower 32a, etc. are operated.

空気供給経路3では、空気用ブロワ32にて圧送された発電用空気が第1空気予熱器33にて所望の温度となるまで加熱された後、さらに第2空気予熱器34にて加熱されて燃料電池スタック10に供給される。   In the air supply path 3, the power generation air pressure-fed by the air blower 32 is heated to a desired temperature by the first air preheater 33, and further heated by the second air preheater 34. The fuel cell stack 10 is supplied.

一方、燃料供給経路4では、燃料用ブロワ42にて圧送された燃料ガス(図2中改質原料と記す)、および空気用ブロワ32aにて圧送された改質用空気が、部位4a(図1参照)で混合される。そして、この混合された燃料ガスが燃料予熱器43にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器44に流れる。これに伴い、燃料改質器44で燃料ガスの部分酸化改質反応(POX反応)を実施する。この場合、燃料改質器44では、前述の如く、反応式[F5]〜[F8]の反応により、燃料用ブロワ42にて圧送された燃料ガスが水素リッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック10に供給される。   On the other hand, in the fuel supply path 4, the fuel gas (referred to as a reforming raw material in FIG. 2) fed by the fuel blower 42 and the reforming air fed by the air blower 32a are supplied to the portion 4a (FIG. 1)). The mixed fuel gas is heated to a desired temperature by the fuel preheater 43 and then flows to the fuel reformer 44. Along with this, a partial oxidation reforming reaction (POX reaction) of the fuel gas is performed in the fuel reformer 44. In this case, in the fuel reformer 44, as described above, the fuel gas pumped by the fuel blower 42 is reformed into a hydrogen-rich fuel gas by the reaction of the reaction formulas [F5] to [F8]. It is supplied to the battery stack 10.

燃料電池スタック10は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式[F1]〜[F4]に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。   When fuel gas and air are supplied, the fuel cell stack 10 outputs electric energy by the electrochemical reaction shown in the above reaction formulas [F1] to [F4] using hydrogen and carbon monoxide as fuel.

燃料電池スタック10から排出された排出燃料および排出空気は、オフガス燃焼器61にて燃焼される。そして、オフガス燃焼器61にて生ずる高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路6を介して燃料改質器44、第2空気予熱器34、燃料予熱器43、第1空気予熱器33の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。   Exhaust fuel and exhaust air discharged from the fuel cell stack 10 are burned in the off-gas combustor 61. The high-temperature combustion gas generated in the off-gas combustor 61 flows in the order of the fuel reformer 44, the second air preheater 34, the fuel preheater 43, and the first air preheater 33 via the combustion gas path 6. After being used as a heat source in each device, it is discharged outside.

その後、水ポンプ52の作動を開始する。このため、水ポンプ52から圧送される水を燃料予熱器43に流す。このため、水ポンプ52から圧送される水、燃料用ブロワ42にて圧送された燃料ガス、および空気用ブロワ32aにて圧送された改質用空気が、燃料予熱器43にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器44に流れる。このため、燃料改質器44では、オートサーマル改質反応(ATR反応)が実施される。この場合、燃料改質器44では、燃料用ブロワ42にて圧送された燃料ガスが水素リッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック10に供給される。このため、燃料電池スタック10は、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式[F1]〜[F4]に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。   Thereafter, the operation of the water pump 52 is started. For this reason, the water pumped from the water pump 52 is caused to flow to the fuel preheater 43. Therefore, the water pumped from the water pump 52, the fuel gas pumped by the fuel blower 42, and the reforming air pumped by the air blower 32a are brought to a desired temperature by the fuel preheater 43. After being heated, it flows to the fuel reformer 44. For this reason, in the fuel reformer 44, an autothermal reforming reaction (ATR reaction) is performed. In this case, in the fuel reformer 44, the fuel gas pumped by the fuel blower 42 is reformed into a hydrogen-rich fuel gas and supplied to the fuel cell stack 10. For this reason, the fuel cell stack 10 outputs electric energy by the electrochemical reaction shown in the above reaction formulas [F1] to [F4] using hydrogen and carbon monoxide as fuel.

次に、空気用ブロワ32aの作動を停止する。このため、空気用ブロワ32aから改質用空気を燃料予熱器43に供給することを停止される。したがって、燃料予熱器43には、水ポンプ52から圧送される水、および燃料用ブロワ42にて圧送された燃料ガスが供給されることになる。このため、燃料改質器44では、燃料ガスの水蒸気改質反応(SR反応)が実施される。この場合、燃料改質器44では、燃料用ブロワ42にて圧送された燃料ガスが水素リッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック10に供給される。このため、燃料電池スタック10は、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式[F1]〜[F4]に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。   Next, the operation of the air blower 32a is stopped. For this reason, supply of the reforming air from the air blower 32a to the fuel preheater 43 is stopped. Accordingly, the fuel preheater 43 is supplied with water pumped from the water pump 52 and fuel gas pumped by the fuel blower 42. For this reason, in the fuel reformer 44, the steam reforming reaction (SR reaction) of the fuel gas is performed. In this case, in the fuel reformer 44, the fuel gas pumped by the fuel blower 42 is reformed into a hydrogen-rich fuel gas and supplied to the fuel cell stack 10. For this reason, the fuel cell stack 10 outputs electric energy by the electrochemical reaction shown in the above reaction formulas [F1] to [F4] using hydrogen and carbon monoxide as fuel.

以上説明した本実施形態の燃料電池装置1では、第2空気予熱器34および燃料改質器44それぞれを燃料電池スタック10に対峙するように配置している。これによれば、燃料ガスの水蒸気改質反応(SR反応)が実施される際に、第2空気予熱器34および燃料改質器44にて燃料電池スタック10からの放射熱を第2空気予熱器34および燃料改質器44内部を流通する空気、燃料ガスと熱交換させることで、燃料電池スタック10における余剰の熱を回収できる。   In the fuel cell device 1 of the present embodiment described above, the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 are arranged so as to face the fuel cell stack 10. According to this, when the steam reforming reaction (SR reaction) of the fuel gas is performed, the radiant heat from the fuel cell stack 10 is converted into the second air preheat by the second air preheater 34 and the fuel reformer 44. Excess heat in the fuel cell stack 10 can be recovered by exchanging heat with the air and fuel gas flowing through the interior of the fuel cell 34 and the fuel reformer 44.

また、本実施形態の燃料改質器44は、改質触媒443を入口側流路44aに充填せず、中間流路44bおよび出口側流路44cにだけ充填する構成としている。このため、燃料ガスの部分酸化改質反応(POX反応)時にて、中段対峙部位44Bから他端側対峙部位44Cにわたって発熱域、吸熱域、および平衡域が燃料ガスの流れ方向に沿って形成される。このことにより、燃料改質器44は、燃料電池スタック10の積層方向の中段部10Bに対峙する中段対峙部位44Bにて発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっている。すなわち、燃料改質器44は、中段対峙部位44Bにて起動時に発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっている。   Further, the fuel reformer 44 of the present embodiment is configured such that the reforming catalyst 443 is not filled in the inlet-side channel 44a, but is filled only in the intermediate channel 44b and the outlet-side channel 44c. For this reason, during the partial oxidation reforming reaction (POX reaction) of the fuel gas, a heat generation region, an endothermic region, and an equilibrium region are formed along the fuel gas flow direction from the middle stage facing part 44B to the other end side facing part 44C. The As a result, the fuel reformer 44 has a structure in which the reforming reaction accompanied by heat generation is most promoted at the middle-stage facing portion 44 </ b> B facing the middle-stage portion 10 </ b> B in the stacking direction of the fuel cell stack 10. That is, the fuel reformer 44 has a structure in which the reforming reaction accompanied by heat generation is most promoted at the time of start-up at the middle stage confronting part 44B.

図4に、横軸を本実施形態の燃料改質器44の温度とし、縦軸を燃料の流れ方向とする温度分布を示す。これによれば、燃料改質器44の改質反応による発熱量が、燃料電池スタック10における中段部10Bに対峙する中段対峙部位44Bにて最も高くなる。このため、燃料改質器44のうち、中段対峙部位44Bの温度は、一端側対峙部位44Aの温度に比べて高くなり、中段対峙部位44Bの温度は、他端側対峙部位44Cの温度に比べて高くなる。すなわち、燃料改質器44は、燃料ガスの部分酸化改質反応(POX反応)によって、中段部44Bにヒートスポットが形成される。このため、燃料改質器44の中段部44Bから輻射熱が燃料電池スタック10における中段部10Bに輻射される。これに伴い、燃料電池スタック10では、中段部10Bから熱が一端部10A側および他端部10C側に伝わる。これにより、燃料電池スタック10では、一端部10A側の温度と他端部10C側の温度との温度差を縮小して、燃料電池スタック10における温度分布の均一化を図ることができる。   FIG. 4 shows a temperature distribution in which the horizontal axis represents the temperature of the fuel reformer 44 of the present embodiment and the vertical axis represents the fuel flow direction. According to this, the amount of heat generated by the reforming reaction of the fuel reformer 44 is highest at the middle stage confronting part 44B facing the middle stage part 10B in the fuel cell stack 10. For this reason, in the fuel reformer 44, the temperature of the middle-stage opposed portion 44B is higher than the temperature of the one-end opposed portion 44A, and the temperature of the middle-stage opposed portion 44B is higher than the temperature of the other-end opposed portion 44C. Become higher. That is, in the fuel reformer 44, a heat spot is formed in the middle stage 44B by the partial oxidation reforming reaction (POX reaction) of the fuel gas. Therefore, radiant heat is radiated from the middle stage 44 </ b> B of the fuel reformer 44 to the middle stage 10 </ b> B in the fuel cell stack 10. Accordingly, in the fuel cell stack 10, heat is transmitted from the middle stage portion 10B to the one end portion 10A side and the other end portion 10C side. Thereby, in the fuel cell stack 10, the temperature difference between the temperature on the one end portion 10A side and the temperature on the other end portion 10C side can be reduced, and the temperature distribution in the fuel cell stack 10 can be made uniform.

本実施形態によれば、燃料改質器44のうち中段対峙部位44Bを燃料電池スタック10における中段部10Bへの輻射熱によって冷却することができる。したがって、燃料改質器44の内部温度が触媒の耐熱温度よりも下がり、燃料改質器44の内部が過熱されることを抑制することができるので、触媒が劣化することを未然に抑制することができる。   According to the present embodiment, the middle stage confronting portion 44 </ b> B of the fuel reformer 44 can be cooled by radiant heat to the middle stage part 10 </ b> B in the fuel cell stack 10. Accordingly, it is possible to prevent the internal temperature of the fuel reformer 44 from falling below the heat-resistant temperature of the catalyst and the internal temperature of the fuel reformer 44 from being overheated. Can do.

さらに、本実施形態の燃料改質器44は、燃料ガスの水蒸気改質反応(SR反応)時にて、燃料電池スタック10の積層方向の中段部10Bに対峙する中段対峙部位44Bにて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっている。   Furthermore, the fuel reformer 44 according to the present embodiment absorbs heat at the middle stage facing portion 44B facing the middle stage portion 10B in the stacking direction of the fuel cell stack 10 during the steam reforming reaction (SR reaction) of the fuel gas. The reforming reaction is most promoted.

これによれば、燃料改質器44の改質反応による吸熱量が、燃料電池スタック10における高温となり易い中段部10Bに対峙する中段対峙部位44Bにて最も高くなる。このため、燃料改質器44の中段対峙部位44Bにおける吸熱により、燃料電池スタック10の中段部10B側の温度を低下させることができる。   According to this, the amount of heat absorbed by the reforming reaction of the fuel reformer 44 is highest at the middle-stage facing portion 44B facing the middle-stage portion 10B that tends to be high temperature in the fuel cell stack 10. For this reason, the temperature at the middle stage portion 10B side of the fuel cell stack 10 can be lowered by the heat absorption in the middle stage facing portion 44B of the fuel reformer 44.

特に、本実施形態では、燃料改質器44の内部流路44a〜44cのうち、中間流路44bおよび出口側流路44cにだけ改質触媒443を充填する構成としている。これによれば、燃料電池スタック10の一端部10A側の熱により中間流路44bに流入する改質原料が昇温し、中間流路44bにおける改質反応が促進されることで、燃料改質器44における燃料電池スタック10の中段部10Bからの吸熱量を増大させることができる。この結果、燃料改質器44における吸熱により、燃料電池スタック10の中段部10Bの温度を低下させて、燃料電池スタック10の積層方向の端部10A、10C側と中段部10B側との温度差を縮小することが可能となる。   In particular, in the present embodiment, the reforming catalyst 443 is filled only in the intermediate flow path 44b and the outlet-side flow path 44c among the internal flow paths 44a to 44c of the fuel reformer 44. According to this, the temperature of the reforming material flowing into the intermediate flow path 44b is raised by the heat on the one end portion 10A side of the fuel cell stack 10, and the reforming reaction in the intermediate flow path 44b is promoted. The amount of heat absorbed from the middle stage 10B of the fuel cell stack 10 in the container 44 can be increased. As a result, the temperature of the middle stage portion 10B of the fuel cell stack 10 is lowered by the heat absorption in the fuel reformer 44, and the temperature difference between the end portions 10A and 10C in the stacking direction of the fuel cell stack 10 and the middle stage portion 10B side. Can be reduced.

ここで、図5は、燃料改質器44の内部流路44a〜44cそれぞれに改質触媒443を設けた燃料改質器(比較例)および燃料電池スタック10の温度分布を示す特性図である。図5に示す実線は、比較例に係る燃料改質器を燃料電池スタック10の積層面10aに対峙するように配置した際の積層方向(高さ方向)における燃料電池スタック10の温度分布を示している。また、図5に示す一点鎖線は、比較例に係る燃料改質器を燃料電池スタック10の積層面10aに対峙させていない場合の積層方向における燃料改質器の温度分布を示している。そして、図5に示す二点鎖線は、比較例に係る燃料改質器を燃料電池スタック10の積層面10aに対峙させていない場合の積層方向における燃料電池スタック10の温度分布を示している。   Here, FIG. 5 is a characteristic diagram showing the temperature distribution of the fuel reformer (comparative example) in which the reforming catalyst 443 is provided in each of the internal flow paths 44 a to 44 c of the fuel reformer 44 and the fuel cell stack 10. . The solid line shown in FIG. 5 indicates the temperature distribution of the fuel cell stack 10 in the stacking direction (height direction) when the fuel reformer according to the comparative example is disposed so as to face the stacking surface 10a of the fuel cell stack 10. ing. 5 indicates a temperature distribution of the fuel reformer in the stacking direction when the fuel reformer according to the comparative example is not opposed to the stacking surface 10a of the fuel cell stack 10. 5 indicates the temperature distribution of the fuel cell stack 10 in the stacking direction when the fuel reformer according to the comparative example is not opposed to the stacking surface 10a of the fuel cell stack 10.

図5の二点鎖線で示すように、燃料電池スタック10は、積層方向の両端部10A、10Cの温度が積層方向の中段部10Bに比べて低下する。なお、自然対流の影響により燃料電池スタック10は、上方に位置する他端部10C側が、下方に位置する一端部10A側よりも高温となる傾向がある。   As shown by the two-dot chain line in FIG. 5, in the fuel cell stack 10, the temperatures of both end portions 10A and 10C in the stacking direction are lower than those in the middle step portion 10B in the stacking direction. Note that, due to the influence of natural convection, in the fuel cell stack 10, the other end portion 10 </ b> C located on the upper side tends to be hotter than the one end portion 10 </ b> A located on the lower side.

一方、比較例に係る燃料改質器は、燃料電池スタック10の積層方向の一端部10Aに対峙する一端側対峙部位44Aにて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となり、燃料改質器の改質反応による吸熱量が、一端側対峙部位44Aにて最も高くなる。これにより、比較例に係る燃料改質器は、図5の一点鎖線で示すように、一端側対峙部位44Aの温度が最も低くなる。   On the other hand, the fuel reformer according to the comparative example has a structure in which the reforming reaction with endotherm is most accelerated at the one end side facing portion 44A facing the one end portion 10A in the stacking direction of the fuel cell stack 10, and the fuel reforming is performed. The endothermic amount due to the reforming reaction of the vessel is highest at the one end side confronting portion 44A. Accordingly, in the fuel reformer according to the comparative example, the temperature of the one-end-side confronting portion 44A is the lowest, as shown by the one-dot chain line in FIG.

このような温度分布を有する燃料改質器を燃料電池スタック10に対峙させると、燃料改質器の一端側対峙部位44Aにおける吸熱により、燃料電池スタック10の一端部10A側にて最も温度が低くなり、中段部10Bにて最も温度が高くなる(図5の実線参照)。そして、燃料電池スタック10は、一端部10A側と中段部10Bとの温度差ΔT1が大きく乖離してしまう。   When the fuel reformer having such a temperature distribution is opposed to the fuel cell stack 10, the temperature is the lowest on the one end portion 10A side of the fuel cell stack 10 due to heat absorption at the one end facing portion 44A of the fuel reformer. Thus, the temperature becomes highest at the middle stage 10B (see the solid line in FIG. 5). In the fuel cell stack 10, the temperature difference ΔT1 between the one end portion 10A side and the middle step portion 10B is greatly deviated.

図6は、本実施形態に係る燃料改質器44および燃料電池スタック10の温度分布を示す特性図である。なお、図6に示す実線、一点鎖線、二点鎖線は、前述の図5での各線の説明と同様である。   FIG. 6 is a characteristic diagram showing the temperature distribution of the fuel reformer 44 and the fuel cell stack 10 according to the present embodiment. Note that the solid line, the alternate long and short dash line, and the alternate long and two short dashes line shown in FIG. 6 are the same as the description of each line in FIG.

図6の二点鎖線で示すように、燃料電池スタック10は、積層方向の両端部10A、10Cの温度が積層方向の中段部10Bに比べて低下する。なお、自然対流の影響により燃料電池スタック10は、上方に位置する他端部10C側が、下方に位置する一端部10A側よりも高温となる傾向がある。   As shown by the two-dot chain line in FIG. 6, in the fuel cell stack 10, the temperatures of both end portions 10A and 10C in the stacking direction are lower than those in the middle step portion 10B in the stacking direction. Note that, due to the influence of natural convection, in the fuel cell stack 10, the other end portion 10 </ b> C located on the upper side tends to be hotter than the one end portion 10 </ b> A located on the lower side.

一方、燃料改質器44は、燃料電池スタック10の積層方向の中段部10Bに対峙する中段対峙部位44Bにて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となり、燃料改質器44の改質反応による吸熱量が、中段対峙部位44Bにて最も高くなる。これにより、燃料改質器44は、図6の一点鎖線で示すように、中段対峙部位44Bの温度が一端側対峙部位44Aと同程度となるまで低下する。   On the other hand, the fuel reformer 44 has a structure in which the reforming reaction with endotherm is most accelerated at the middle stage facing portion 44B facing the middle stage portion 10B in the stacking direction of the fuel cell stack 10, and the fuel reformer 44 is improved. The endothermic amount due to the quality reaction is highest at the middle antipodal region 44B. As a result, as shown by the one-dot chain line in FIG. 6, the fuel reformer 44 is lowered until the temperature of the middle-stage confronting portion 44B becomes substantially the same as that of the one-end-side confronting portion 44A.

このような温度分布を有する燃料改質器44を燃料電池スタック10に対峙させると、燃料改質器44の中段対峙部位44Bにおける吸熱により、燃料電池スタック10の中段部10B側の温度が大きく低下する(図6の実線参照)。そして、燃料電池スタック10は、両端部10A、10C側と中段部10Bとの温度差ΔT2が縮小される。   When the fuel reformer 44 having such a temperature distribution is opposed to the fuel cell stack 10, the temperature on the middle stage portion 10 </ b> B side of the fuel cell stack 10 greatly decreases due to heat absorption at the middle-stage facing portion 44 </ b> B of the fuel reformer 44. (Refer to the solid line in FIG. 6). In the fuel cell stack 10, the temperature difference ΔT2 between the both end portions 10A and 10C and the middle portion 10B is reduced.

このように、本実施形態の燃料電池装置1によれば、燃料電池スタック10の積層方向の端部10A、10C側と中段部10B側との温度差を縮小して、燃料電池スタック10における温度分布の均一化を図ることができる。   As described above, according to the fuel cell device 1 of the present embodiment, the temperature difference between the end portions 10A and 10C in the stacking direction of the fuel cell stack 10 and the middle portion 10B side is reduced, and the temperature in the fuel cell stack 10 is reduced. The distribution can be made uniform.

なお、本実施形態では、燃料改質器44において、改質触媒443を中間流路44bおよび出口側流路44cにだけ充填する例について説明したが、これに限定されず、例えば、改質触媒443を中間流路44bにだけ充填するようにしてもよい。   In this embodiment, the example in which the reforming catalyst 443 is filled only in the intermediate flow path 44b and the outlet-side flow path 44c in the fuel reformer 44 has been described. However, the present invention is not limited to this. 443 may be filled only in the intermediate flow path 44b.

これによっても、燃料電池スタック10の積層方向の端部10A、10C側と中段部10B側との温度差を縮小させることができるので、燃料電池スタック10における温度分布の均一化を図ることができる。なお、燃料改質器44における改質触媒443を中間流路44bにだけ充填する構造は、以降の実施形態にも適用可能である。   This also makes it possible to reduce the temperature difference between the end portions 10A and 10C in the stacking direction of the fuel cell stack 10 and the middle stage portion 10B side, so that the temperature distribution in the fuel cell stack 10 can be made uniform. . The structure in which the reforming catalyst 443 in the fuel reformer 44 is filled only in the intermediate flow path 44b can also be applied to the following embodiments.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first embodiment will be omitted or simplified.

図7は、本実施形態に係る燃料改質器44の構造を示す構成図である。図7に示すように、本実施形態の燃料改質器44は、内部流路44a〜44cのうち、改質触媒443が充填されていない入口側流路44aに、改質原料と燃料電池スタック10との伝熱を促進する伝熱促進部材445が配置されている。   FIG. 7 is a configuration diagram showing the structure of the fuel reformer 44 according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, the fuel reformer 44 of the present embodiment includes a reforming material and a fuel cell stack in an inlet-side channel 44a that is not filled with the reforming catalyst 443 among the internal channels 44a to 44c. A heat transfer promoting member 445 that promotes heat transfer with 10 is disposed.

本実施形態では、伝熱促進部材445として、熱伝導性に優れたセラミックボールやアルミナボールといった球状部材を採用しており、当該球状部材が入口側流路44aに充填されている。   In the present embodiment, a spherical member such as a ceramic ball or an alumina ball having excellent thermal conductivity is employed as the heat transfer promoting member 445, and the spherical member is filled in the inlet-side flow path 44a.

その他の構成および作動は、第1実施形態と同様である。すなわち、上記第1実施形態と同様、空気用ブロワ32aおよび水ポンプ52を作動して、燃料改質器44の改質反応を部分酸化改質反応(POX反応)→オートサーマル改質反応(ATR反応)→水蒸気改質反応(SR反応)の順に切り替える。   Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. That is, as in the first embodiment, the air blower 32a and the water pump 52 are operated to change the reforming reaction of the fuel reformer 44 from the partial oxidation reforming reaction (POX reaction) to the autothermal reforming reaction (ATR). Reaction) → Steam reforming reaction (SR reaction).

本実施形態の燃料電池装置1によれば、第1実施形態で説明した効果に加えて以下の効果を奏する。すなわち、本実施形態によれば、燃料電池スタック10の一端部10A側の熱により燃料改質器44の入口側流路44aを流れる改質原料および水蒸気が昇温し易くなる。   According to the fuel cell device 1 of the present embodiment, the following effects are produced in addition to the effects described in the first embodiment. That is, according to the present embodiment, the temperature of the reforming raw material and water vapor flowing through the inlet-side flow path 44a of the fuel reformer 44 is easily raised by the heat on the one end 10A side of the fuel cell stack 10.

これにより、昇温した改質原料が燃料改質器44の中間流路44bに流入して、中間流路44bにおける改質反応が促進されることで、燃料改質器44における燃料電池スタック10の中段部10Bからの吸熱量を増大させることができる。   As a result, the temperature of the reformed raw material flows into the intermediate flow path 44b of the fuel reformer 44, and the reforming reaction in the intermediate flow path 44b is promoted, whereby the fuel cell stack 10 in the fuel reformer 44 is accelerated. The amount of heat absorbed from the middle stage portion 10B can be increased.

この結果、燃料改質器44における吸熱により、燃料電池スタック10の中段部10Bの温度を低下させて、燃料電池スタック10の積層方向の両端部10A、10C側と中段部10B側との温度差を一層縮小することが可能となる。なお、本実施形態では、伝熱促進部材445としてセラミックボールやアルミナボールといった球状部材を用いる例を説明したが、これに限定されず、板状のフィン等を伝熱促進部材445として用いるようにしてもよい。   As a result, the temperature of the middle stage portion 10B of the fuel cell stack 10 is lowered by the heat absorption in the fuel reformer 44, and the temperature difference between the end portions 10A, 10C in the stacking direction of the fuel cell stack 10 and the middle stage portion 10B side. Can be further reduced. In this embodiment, an example in which a spherical member such as a ceramic ball or an alumina ball is used as the heat transfer promoting member 445 has been described. However, the present invention is not limited to this, and a plate-like fin or the like is used as the heat transfer promoting member 445. May be.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1、第2実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first and second embodiments will be omitted or simplified.

図8は、本実施形態に係る燃料改質器44の構造を示す構成図である。図8に示すように、本実施形態の燃料改質器44は、内部流路44a〜44cのうち、改質触媒443が充填された中間流路44bおよび出口側流路44cに、燃料電池スタック10からの輻射伝熱を促進するためにフィン446が配置されている。   FIG. 8 is a configuration diagram showing the structure of the fuel reformer 44 according to the present embodiment. As shown in FIG. 8, the fuel reformer 44 of the present embodiment includes a fuel cell stack in the intermediate flow path 44b and the outlet flow path 44c filled with the reforming catalyst 443 among the internal flow paths 44a to 44c. Fins 446 are arranged to promote radiant heat transfer from 10.

このフィン446は、中間流路44bおよび出口側流路44cにおいて、燃料改質器44における燃料電池スタック10に対峙するスタック対峙面に接触するように配置されている。   The fins 446 are disposed so as to come into contact with the stack facing surface facing the fuel cell stack 10 in the fuel reformer 44 in the intermediate flow path 44b and the outlet-side flow path 44c.

その他の構成および作動は、第1実施形態と同様である。すなわち、上記第1実施形態と同様、空気用ブロワ32aおよび水ポンプ52を作動して、燃料改質器44の改質反応を部分酸化改質反応(POX反応)→オートサーマル改質反応(ATR反応)→水蒸気改質反応(SR反応)の順に切り替える。   Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. That is, as in the first embodiment, the air blower 32a and the water pump 52 are operated to change the reforming reaction of the fuel reformer 44 from the partial oxidation reforming reaction (POX reaction) to the autothermal reforming reaction (ATR). Reaction) → Steam reforming reaction (SR reaction).

本実施形態の燃料電池装置1によれば、第1実施形態で説明した効果に加えて以下の効果を奏する。すなわち、本実施形態によれば、燃料電池スタック10の中段部10B側からの輻射伝熱が促進されることで、燃料改質器44の中間流路44bおよび出口側流路44cを流れる改質原料が昇温する。   According to the fuel cell device 1 of the present embodiment, the following effects are produced in addition to the effects described in the first embodiment. That is, according to the present embodiment, the radiant heat transfer from the middle stage portion 10B side of the fuel cell stack 10 is promoted, so that the reforming flowing through the intermediate flow path 44b and the outlet side flow path 44c of the fuel reformer 44. The temperature of the raw material rises.

これにより、中間流路44bおよび出口側流路44cにおける改質反応が促進されることで、燃料改質器44における燃料電池スタック10の中段部10B、および他端部10Cからの吸熱量を増大させることができる。   As a result, the reforming reaction in the intermediate flow path 44b and the outlet-side flow path 44c is promoted, so that the amount of heat absorbed from the middle stage portion 10B and the other end portion 10C of the fuel cell stack 10 in the fuel reformer 44 is increased. Can be made.

この結果、燃料改質器44における吸熱により、燃料電池スタック10の中段部10B、および他端部10Cの温度を低下させて、燃料電池スタック10の積層方向の一端部10A側と中段部10B側との温度差を一層縮小することが可能となる。   As a result, the temperature of the middle stage portion 10B and the other end portion 10C of the fuel cell stack 10 is lowered by the heat absorption in the fuel reformer 44, and the one end portion 10A side and the middle step portion 10B side in the stacking direction of the fuel cell stack 10 It becomes possible to further reduce the temperature difference.

(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1〜第3実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first to third embodiments will be omitted or simplified.

図9は、本実施形態に係る燃料改質器44の構造を示す構成図である。図9に示すように、本実施形態の燃料改質器44は、内部流路44a〜44cそれぞれに改質触媒443が充填されている。   FIG. 9 is a configuration diagram showing the structure of the fuel reformer 44 according to the present embodiment. As shown in FIG. 9, in the fuel reformer 44 of the present embodiment, the reforming catalyst 443 is filled in each of the internal flow paths 44a to 44c.

そして、本実施形態では、燃料改質器44の中段対峙部位44Bにて最も吸熱を伴う改質反応が促進されるように、内部流路44aのうち、中間流路44bおよび出口側流路44cに、入口側流路44aよりも多くの改質触媒443を充填している。つまり、本実施形態では、中間流路44bおよび出口側流路44cにおける改質触媒443の単位体積あたりの充填量が、入口側流路44aにおける改質触媒443の単位体積あたりの充填量よりも多くなっている。   In the present embodiment, the intermediate flow path 44b and the outlet-side flow path 44c among the internal flow paths 44a are so promoted that the reforming reaction with the most endotherm is promoted at the middle stage confronting portion 44B of the fuel reformer 44. In addition, more reforming catalyst 443 is filled than the inlet-side flow path 44a. That is, in this embodiment, the filling amount per unit volume of the reforming catalyst 443 in the intermediate flow path 44b and the outlet side flow path 44c is larger than the filling amount per unit volume of the reforming catalyst 443 in the inlet side flow path 44a. It is increasing.

その他の構成および作動は、第1実施形態と同様である。すなわち、上記第1実施形態と同様、空気用ブロワ32aおよび水ポンプ52を作動して、燃料改質器44の改質反応を部分酸化改質反応(POX反応)→オートサーマル改質反応(ATR反応)→水蒸気改質反応(SR反応)の順に切り替える。   Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. That is, as in the first embodiment, the air blower 32a and the water pump 52 are operated to change the reforming reaction of the fuel reformer 44 from the partial oxidation reforming reaction (POX reaction) to the autothermal reforming reaction (ATR). Reaction) → Steam reforming reaction (SR reaction).

本実施形態の燃料電池装置1によれば、燃料改質器44の改質反応による吸熱量が、中段対峙部位44Bにて最も高くなるので、燃料改質器44における吸熱により、燃料電池スタック10の中段部10B側の温度を低下させることができる。   According to the fuel cell device 1 of the present embodiment, the amount of heat absorbed by the reforming reaction of the fuel reformer 44 is the highest at the middle stage confronting portion 44B. The temperature on the middle stage 10B side can be lowered.

従って、本実施形態の燃料電池装置1によれば、燃料電池スタック10の積層方向の両端部10A、10C側と中段部10B側との温度差を縮小して、燃料電池スタック10における温度分布の均一化を図ることができる。   Therefore, according to the fuel cell device 1 of the present embodiment, the temperature difference between the both end portions 10A and 10C in the stacking direction of the fuel cell stack 10 and the middle portion 10B side is reduced, and the temperature distribution in the fuel cell stack 10 is reduced. Uniformity can be achieved.

(第4実施形態の変形例)
本実施形態では、燃料改質器44の内部流路44aのうち、中間流路44bおよび出口側流路44cに、入口側流路44aよりも多くの改質触媒443を充填する例について説明したが、これに限定されない。
(Modification of the fourth embodiment)
In the present embodiment, an example has been described in which the intermediate flow path 44b and the outlet-side flow path 44c among the internal flow paths 44a of the fuel reformer 44 are filled with more reforming catalyst 443 than the inlet-side flow path 44a. However, it is not limited to this.

例えば、図10に示すように、燃料改質器44の内部流路44aのうち、中間流路44bおよび出口側流路44cに活性の高い第1改質触媒443aを充填し、入口側流路44aに第1改質触媒443aよりも活性の低い第2改質触媒443bを充填するようにしてもよい。具体的には、中間流路44bおよび出口側流路44cに充填する第1改質触媒443aとして、金属の担持量が多い改質触媒を採用し、入口側流路44aに充填する第2改質触媒443bとして、金属の担持量が少ない改質触媒を採用すればよい。   For example, as shown in FIG. 10, among the internal flow paths 44a of the fuel reformer 44, the intermediate flow path 44b and the outlet-side flow path 44c are filled with the first active reforming catalyst 443a, and the inlet-side flow path is filled. 44a may be filled with a second reforming catalyst 443b having a lower activity than the first reforming catalyst 443a. Specifically, as the first reforming catalyst 443a filled in the intermediate flow path 44b and the outlet side flow path 44c, a reforming catalyst having a large amount of metal is adopted, and the second reforming catalyst filled in the inlet side flow path 44a. As the quality catalyst 443b, a reforming catalyst with a small amount of supported metal may be employed.

これによっても、燃料改質器44の改質反応による吸熱量が、中段対峙部位44Bにて最も高くなるので、燃料改質器44における吸熱により、燃料電池スタック10の中段部10B側の温度を低下させることができる。   Also by this, the amount of heat absorbed by the reforming reaction of the fuel reformer 44 becomes the highest in the middle stage confronting part 44B, so that the temperature on the middle stage 10B side of the fuel cell stack 10 is increased by the heat absorption in the fuel reformer 44. Can be reduced.

従って、本変形例の燃料電池装置1によっても、上記第4実施形態と同様、燃料電池スタック10の積層方向の両端部10A、10C側と中段部10B側との温度差を縮小して、燃料電池スタック10における温度分布の均一化を図ることができる。   Therefore, the fuel cell device 1 of the present modification also reduces the temperature difference between the end portions 10A, 10C in the stacking direction of the fuel cell stack 10 and the middle portion 10B side, as in the fourth embodiment. The temperature distribution in the battery stack 10 can be made uniform.

(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1〜第4実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as those in the first to fourth embodiments will be omitted or simplified.

図11は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成図であり、図12は、本実施形態の燃料改質器44の構造を示す構成図である。   FIG. 11 is an overall configuration diagram of the fuel cell system of the present embodiment, and FIG. 12 is a configuration diagram showing the structure of the fuel reformer 44 of the present embodiment.

図11に示すように、本実施形態の燃料予熱器43は、燃料用ブロワ42から圧送された改質原料を予熱する原料予熱部43a、および水ポンプ52から供給される水を蒸発させる水蒸気生成部43bで構成されている。なお、燃料予熱器43は、原料予熱部43aを通過する改質原料と水蒸気生成部43bを通過する水(水蒸気)とが混合されないように分割されている。   As shown in FIG. 11, the fuel preheater 43 according to the present embodiment includes a raw material preheating unit 43 a that preheats the reformed raw material fed from the fuel blower 42, and water vapor generation that evaporates water supplied from the water pump 52. It consists of part 43b. The fuel preheater 43 is divided so that the reformed raw material passing through the raw material preheating unit 43a and water (steam) passing through the steam generation unit 43b are not mixed.

また、燃料予熱器43には、原料予熱部43aにて予熱された改質原料を燃料改質器44へ導入するための原料導入経路4aが接続されると共に、水蒸気生成部43bにて生成された水蒸気を燃料改質器44へ導入するための水蒸気導入経路4bが接続されている。そして、原料導入経路4aには、空気供給経路3における第1空気予熱器33の下流側で分岐した分岐経路3aが接続されている。   The fuel preheater 43 is connected to a raw material introduction path 4a for introducing the reformed raw material preheated by the raw material preheater 43a into the fuel reformer 44, and is generated by the steam generator 43b. A steam introduction path 4 b for introducing the obtained steam into the fuel reformer 44 is connected. And the branch path 3a branched on the downstream side of the 1st air preheater 33 in the air supply path 3 is connected to the raw material introduction path 4a.

続いて、図12に示すように、本実施形態の燃料改質器44には、内部流路44a〜44cそれぞれに改質触媒443が充填されている。そして、燃料改質器44には、内部流路44a〜44cのうち、入口側流路44aに改質原料および空気(酸素含有ガス)が導入されるように、一端側対峙部位44Aに原料導入経路4aが接続されている。   Subsequently, as shown in FIG. 12, the reforming catalyst 443 is filled in each of the internal flow paths 44a to 44c in the fuel reformer 44 of the present embodiment. Then, in the fuel reformer 44, the raw material is introduced into the one end side facing portion 44A so that the reforming raw material and air (oxygen-containing gas) are introduced into the inlet-side flow channel 44a among the internal flow channels 44a to 44c. The path 4a is connected.

これにより、入口側流路44aでは、改質原料および空気の改質反応(部分酸化改質反応:POX反応)により燃料ガスが生成される。なお、改質触媒443における部分改質反応は、例えば、反応式[F6]に示すように、発熱を伴う改質反応である。   Thereby, in the inlet side flow path 44a, fuel gas is produced | generated by the reforming reaction (partial oxidation reforming reaction: POX reaction) of a reforming raw material and air. The partial reforming reaction in the reforming catalyst 443 is a reforming reaction accompanied by heat generation, for example, as shown in the reaction formula [F6].

CH4+1/2O2→CO+2H2+36kJ/mol…[F6]
また、燃料改質器44には、中間流路44bに入口側流路44aを通過した通過ガス(改質原料や空気等)に加えて、水蒸気が導入されるように、中段対峙部位44Bに水蒸気導入経路4bが接続されている。
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 +36 kJ / mol ... [F6]
In addition, in the fuel reformer 44, in addition to the passing gas (reforming raw material, air, etc.) that has passed through the inlet-side flow path 44a into the intermediate flow path 44b, water vapor is introduced into the middle-stage counter-part 44B. The water vapor introduction path 4b is connected.

これにより、中間流路44bおよび出口側流路44cでは、改質原料および水蒸気の改質反応(水蒸気改質反応:SR反応)により燃料ガスが生成される。なお、改質触媒443における水蒸気改質反応は、前述のように吸熱を伴う改質反応である(第1実施形態の反応式[F5]参照)。   As a result, in the intermediate flow path 44b and the outlet-side flow path 44c, fuel gas is generated by a reforming reaction between the reforming raw material and steam (steam reforming reaction: SR reaction). Note that the steam reforming reaction in the reforming catalyst 443 is a reforming reaction with endotherm as described above (see the reaction formula [F5] in the first embodiment).

その他の構成および作動は、第1実施形態と同様である。本実施形態の燃料改質器44は、入口側流路44aにて発熱を伴う部分酸化改質が行われるように改質原料および空気(酸素含有ガス)が導入され、中間流路44bにて吸熱を伴う水蒸気改質が行われるように水蒸気が導入される構造となっている。   Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. In the fuel reformer 44 of the present embodiment, the reforming raw material and air (oxygen-containing gas) are introduced so that partial oxidation reforming with heat generation is performed in the inlet-side channel 44a, and in the intermediate channel 44b. Steam is introduced so that steam reforming with endotherm is performed.

これによれば、燃料改質器44の改質反応による吸熱量が、中段対峙部位44Bにて最も高くなるので、燃料改質器44における吸熱により、燃料電池スタック10の中段部10B側の温度を低下させることができる。   According to this, the amount of heat absorbed by the reforming reaction of the fuel reformer 44 is the highest in the middle stage confronting portion 44B, and therefore the temperature on the middle stage 10B side of the fuel cell stack 10 due to the heat absorption in the fuel reformer 44. Can be reduced.

また、燃料改質器44では、入口側流路44aにおける発熱を伴う部分酸化改質が行われることで、燃料改質器44の改質反応による発熱量が一端側対峙部位44Aにて最も高くなる。このため、燃料改質器44の一端側対峙部位44Aにおける発熱により、燃料電池スタック10の一端部10A側を昇温させることができる。   Further, in the fuel reformer 44, the partial oxidation reforming accompanied by heat generation in the inlet-side flow path 44a is performed, so that the heat generation amount due to the reforming reaction of the fuel reformer 44 is highest at the one end side facing portion 44A. Become. For this reason, it is possible to raise the temperature of the one end portion 10A side of the fuel cell stack 10 by the heat generation in the one end facing portion 44A of the fuel reformer 44.

このように本実施形態の燃料電池装置1によれば、燃料電池スタック10の中段部10Bが、燃料改質器44の中間流路44bで生ずる吸熱により温度が低下し、燃料電池スタックの一端部10A側が燃料改質器44の入口側流路44aで生ずる発熱により昇温する。このため、燃料電池スタック10の積層方向の一端部10A側と中段部10B側との温度差を縮小して、燃料電池スタック10の温度分布の均一化を図ることができる。   As described above, according to the fuel cell device 1 of the present embodiment, the temperature of the middle stage portion 10B of the fuel cell stack 10 decreases due to the heat absorption generated in the intermediate flow path 44b of the fuel reformer 44, and one end portion of the fuel cell stack. The temperature on the 10A side is raised by heat generated in the inlet-side flow path 44a of the fuel reformer 44. For this reason, the temperature difference between the one end portion 10A side and the middle stage portion 10B side in the stacking direction of the fuel cell stack 10 can be reduced, and the temperature distribution of the fuel cell stack 10 can be made uniform.

(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range described in the claim, it can change suitably. For example, various modifications are possible as follows.

(1)上述の各実施形態では、燃料電池スタック10として、平板構造の発電セル100の積層体を用いる例について説明したが、これに限定されず、円筒構造の発電セルの積層体で燃料電池スタック10が構成されていてもよい。   (1) In each of the above-described embodiments, the example in which the stacked body of power generation cells 100 having a flat plate structure is used as the fuel cell stack 10 is not limited to this. The stack 10 may be configured.

(2)上述の各実施形態では、燃料改質器44を燃料電池スタック10の積層面10aとの対峙方向から見たときに、燃料電池スタック10に対峙するスタック対峙面が、積層面10aの全域と重なり合うように配置する例について説明したが、これに限定されない。燃料改質器44は、燃料電池スタック10の積層面10aとの対峙方向から見たときに、燃料電池スタック10に対峙するスタック対峙面が、少なくとも中段部10Bにおける積層面10aの全域と重なり合うように配置されていればよい。   (2) In each of the above-described embodiments, when the fuel reformer 44 is viewed from the facing direction to the stack surface 10a of the fuel cell stack 10, the stack facing surface facing the fuel cell stack 10 is the stack surface 10a. Although an example of arranging so as to overlap the entire area has been described, the present invention is not limited to this. When viewed from the facing direction of the fuel cell stack 10 with respect to the stack surface 10a, the fuel reformer 44 has a stack facing surface facing the fuel cell stack 10 overlapping at least the entire area of the stack surface 10a in the middle stage portion 10B. It suffices if they are arranged.

そして、燃料改質器44の内部には、改質触媒443が充填されると共に、燃料入口部441から導入した改質原料および水蒸気を一端側対峙部位44Aから他端側対峙部位44Cへ向かって流すための内部流路44a〜44cが形成されている。   The fuel reformer 44 is filled with a reforming catalyst 443 and the reforming raw material and water vapor introduced from the fuel inlet 441 are directed from the one end side facing portion 44A toward the other end side facing portion 44C. Internal flow paths 44a to 44c for flowing are formed.

(3)上述の各実施形態では、燃料改質器44の内部構造として、改質原料が燃料改質器44の内部を下方側から上方側へ向かって流れる構造となっている例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料改質器44は、改質原料が燃料改質器44の内部を上方側から下方側へ向かって流れる構造となっていてもよい。   (3) In each of the above-described embodiments, as an internal structure of the fuel reformer 44, an example in which the reforming raw material flows through the fuel reformer 44 from the lower side toward the upper side has been described. However, it is not limited to this. For example, the fuel reformer 44 may have a structure in which the reforming raw material flows through the inside of the fuel reformer 44 from the upper side toward the lower side.

(4)上述の各実施形態では、燃料電池スタック10の空気導入部141や燃料導入部151を燃料電池スタック10の積層面10aに設ける例について説明したが、これに限定されない。空気導入部141や燃料導入部151は、例えば、燃料電池スタック10の下端面10cや上端面10bに設けられていてもよい。   (4) In each of the above-described embodiments, the example in which the air introduction part 141 and the fuel introduction part 151 of the fuel cell stack 10 are provided on the stacked surface 10a of the fuel cell stack 10 has been described, but the present invention is not limited to this. The air introduction part 141 and the fuel introduction part 151 may be provided on the lower end surface 10c and the upper end surface 10b of the fuel cell stack 10, for example.

また、燃料電池スタック10の空気排出部142や燃料排出部152についても、燃料電池スタック10の下端面10cに限らず、例えば、燃料電池スタック10の上端面10b等に設けられていてもよい。   Further, the air discharge portion 142 and the fuel discharge portion 152 of the fuel cell stack 10 are not limited to the lower end surface 10c of the fuel cell stack 10, and may be provided on the upper end surface 10b of the fuel cell stack 10, for example.

なお、上述の各実施形態では、第2空気予熱器34にて昇温された空気を、空気導入部141を介して燃料電池スタック10内部へ導入する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池スタック10をシールレス構造とし、燃料電池スタック10の周囲に存する空気を燃料電池スタック10内部へ導入するようにしてもよい。   In each of the above-described embodiments, the example in which the air heated by the second air preheater 34 is introduced into the fuel cell stack 10 through the air introduction unit 141 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the fuel cell stack 10 may have a sealless structure, and air existing around the fuel cell stack 10 may be introduced into the fuel cell stack 10.

このように、燃料電池スタック10、燃料改質器44、および第2空気予熱器34の接続態様は、上述の各実施形態で示した接続態様に限定されず、適宜変更してもよい。   Thus, the connection mode of the fuel cell stack 10, the fuel reformer 44, and the second air preheater 34 is not limited to the connection mode shown in the above-described embodiments, and may be changed as appropriate.

(5)上述の各実施形態では、第1空気予熱器33および第2空気予熱器34を独立した構成機器とすると共に、燃料予熱器43および燃料改質器44を独立した構成機器とする例について説明したが、これに限定されない。例えば、第1空気予熱器33および第2空気予熱器34を一体化すると共に、燃料予熱器43および燃料改質器44を一体化し、これらを燃料電池スタック10の周囲に配置するようにしてもよい。   (5) In each of the above embodiments, the first air preheater 33 and the second air preheater 34 are independent constituent devices, and the fuel preheater 43 and the fuel reformer 44 are independent constituent devices. However, the present invention is not limited to this. For example, the first air preheater 33 and the second air preheater 34 are integrated, and the fuel preheater 43 and the fuel reformer 44 are integrated, and these are arranged around the fuel cell stack 10. Good.

(6)上述の各実施形態では、第2空気予熱器34および燃料改質器44を燃料電池スタック10の周囲に配置する例について説明したが、これに限定されない。例えば、第2空気予熱器34および燃料改質器44のうち、燃料改質器44だけを燃料電池スタック10の周囲に配置してもよい。   (6) In each of the above-described embodiments, the example in which the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 are arranged around the fuel cell stack 10 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, only the fuel reformer 44 among the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 may be disposed around the fuel cell stack 10.

(7)上述の各実施形態では、燃料電池スタック10、第2空気予熱器34、および燃料改質器44をハウジング2内に収容する例について説明したが、これに限定されず、ハウジング2を省略してもよい。   (7) In each of the above-described embodiments, the example in which the fuel cell stack 10, the second air preheater 34, and the fuel reformer 44 are accommodated in the housing 2 has been described. It may be omitted.

(8)上述の各実施形態では、燃料電池スタック10を高温で作動する固体酸化物型燃料電池とする例について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池スタック10を高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池としてもよい。   (8) In each of the above-described embodiments, the example in which the fuel cell stack 10 is a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the fuel cell stack 10 operates at a high temperature. A molten carbonate fuel cell may be used.

(9)上述の各実施形態において、燃料電池スタック10の積層方向を上下方向と同じ方向となる配置形態について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池スタック10の積層方向が水平方向と同じ方向となる配置形態としてもよい。   (9) In each of the above-described embodiments, the arrangement form in which the stacking direction of the fuel cell stack 10 is the same as the vertical direction has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the stacking direction of the fuel cell stack 10 is the horizontal direction. It is good also as the arrangement | positioning form which becomes the same direction.

(10)上述の各実施形態は、燃料改質器44の改質反応を部分酸化改質反応(POX反応)→オートサーマル改質反応(ATR反応)→水蒸気改質反応(SR反応)の順に切り替える例について説明したが、これに代えて、部分酸化改質反応(POX反応)、および水蒸気改質反応(SR反応)のうち一方の反応を燃料改質器44で実施してもよい。   (10) In the above-described embodiments, the reforming reaction of the fuel reformer 44 is performed in the order of partial oxidation reforming reaction (POX reaction) → autothermal reforming reaction (ATR reaction) → steam reforming reaction (SR reaction). Although an example of switching has been described, instead of this, one of a partial oxidation reforming reaction (POX reaction) and a steam reforming reaction (SR reaction) may be performed by the fuel reformer 44.

(11)上述の各実施形態は、可能な範囲で互いに組み合わせることができる。また、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   (11) The above embodiments can be combined with each other as much as possible. Further, it goes without saying that elements constituting the embodiment are not necessarily essential except when clearly stated to be essential and clearly considered essential in principle.

(12)上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。   (12) In each of the above-described embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, quantity, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, the specific number is clearly specified when clearly indicated as essential. It is not limited to the specific number except when limited to.

(13)上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。   (13) In each of the above-described embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the constituent elements, etc., unless specifically stated or limited in principle to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to shape, positional relationship, and the like.

10 燃料電池スタック
10a 積層面
10B 中段部
100 発電セル
44 燃料改質器
44B 中段対峙部位
443 改質触媒
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack 10a Stacking surface 10B Middle part 100 Power generation cell 44 Fuel reformer 44B Middle stage confronting part 443 Reforming catalyst

Claims (14)

酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル(100)を積層して構成される燃料電池スタック(10)と、
炭化水素系の改質原料を改質して前記燃料電池スタックへ導入する前記燃料ガスを生成する改質触媒(443)が内部に充填された燃料改質器(44)と、を備え、
前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックと伝熱可能なように前記燃料電池スタックにおける前記発電セルの積層方向に延在する積層面(10a)に対峙して配置されると共に、前記燃料電池スタックの前記積層方向の中段部(10B)に対峙する中段対峙部位(44B)にて発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっていることを特徴とする燃料電池装置。
A fuel cell stack (10) configured by laminating a plurality of power generation cells (100) that output electrical energy by an electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas;
A fuel reformer (44) filled with a reforming catalyst (443) for reforming a hydrocarbon-based reforming raw material and generating the fuel gas introduced into the fuel cell stack;
The fuel reformer is disposed opposite to a stacking surface (10a) extending in the stacking direction of the power generation cells in the fuel cell stack so as to be able to transfer heat to the fuel cell stack, and the fuel cell The fuel cell device is characterized in that a reforming reaction accompanied by heat generation is most promoted at a middle-stage facing portion (44B) facing the middle-stage portion (10B) in the stacking direction of the stack.
前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部(10A)側に対峙する一端側対峙部位(44A)から他端部(10C)側に対峙する他端側対峙部位(44C)へ向かって流すための内部流路(44a〜44c)が設定されており、
前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第1流路(44a)とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第2流路(44b、44c)としたとき、
前記改質触媒は、前記内部流路のうち、前記第2流路にだけ充填されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
In the fuel reformer, the reforming material is confronted from one end side facing part (44A) facing the one end part (10A) side in the stacking direction of the fuel cell stack to the other end part (10C) side. Internal flow paths (44a to 44c) for flowing toward the other end side facing part (44C) are set,
A flow path from the one end side facing part to the middle stage facing part in the internal flow path is defined as a first flow path (44a), and a path from the middle stage facing part and the middle stage facing part to the other end side facing part is defined. When the second flow path (44b, 44c) is used,
2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the reforming catalyst is filled only in the second flow path among the internal flow paths.
前記第1流路には、前記第1流路を流れる前記改質原料と前記燃料電池スタックとの伝熱を促進する伝熱促進部材(444)が配置されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池装置。   The heat transfer promoting member (444) for promoting heat transfer between the reforming raw material flowing through the first flow path and the fuel cell stack is disposed in the first flow path. 2. The fuel cell device according to 2. 前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部(10A)側に対峙する一端側対峙部位(44A)から他端部(10C)側に対峙する他端側対峙部位(44C)へ向かって流すための内部流路(44a〜44c)が設定されており、
前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第1流路(44a)とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第2流路(44b、44c)としたとき、
前記改質触媒は、前記第1流路および前記第2流路それぞれに充填されており、
前記第2流路には、前記第1流路よりも多くの前記改質触媒が充填されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
In the fuel reformer, the reforming material is confronted from one end side facing part (44A) facing the one end part (10A) side in the stacking direction of the fuel cell stack to the other end part (10C) side. Internal flow paths (44a to 44c) for flowing toward the other end side facing part (44C) are set,
A flow path from the one end side facing part to the middle stage facing part in the internal flow path is defined as a first flow path (44a), and a path from the middle stage facing part and the middle stage facing part to the other end side facing part is defined. When the second flow path (44b, 44c) is used,
The reforming catalyst is filled in each of the first flow path and the second flow path,
2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the second flow path is filled with more reforming catalyst than the first flow path.
前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部(10A)側に対峙する一端側対峙部位(44A)から他端部(10C)側に対峙する他端側対峙部位(44C)へ向かって流すための内部流路(44a〜44c)が設定されており、
前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第1流路(44a)とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第2流路(44b、44c)としたとき、
前記改質触媒は、前記第1流路および前記第2流路それぞれに充填されており、
前記第2流路には、前記第1流路よりも活性の高い前記改質触媒(443a)が充填されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
In the fuel reformer, the reforming material is confronted from one end side facing part (44A) facing the one end part (10A) side in the stacking direction of the fuel cell stack to the other end part (10C) side. Internal flow paths (44a to 44c) for flowing toward the other end side facing part (44C) are set,
A flow path from the one end side facing part to the middle stage facing part in the internal flow path is defined as a first flow path (44a), and a path from the middle stage facing part and the middle stage facing part to the other end side facing part is defined. When the second flow path (44b, 44c) is used,
The reforming catalyst is filled in each of the first flow path and the second flow path,
2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the second flow path is filled with the reforming catalyst (443 a) having higher activity than the first flow path.
前記内部流路のうち、少なくとも前記第2流路には、発熱を伴う部分酸化が行われるように酸化剤が導入されることを特徴とする請求項2ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池装置。   6. The oxidizer according to claim 2, wherein an oxidant is introduced into at least the second flow path among the internal flow paths so that partial oxidation accompanied by heat generation is performed. Fuel cell device. 前記燃料改質器は、前記発熱を伴う改質反応の後に、前記中段対峙部位が吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の燃料電池装置。 7. The fuel reformer according to any one of claims 1 to 6, wherein the reforming reaction with endotherm is most promoted at the intermediate stage portion after the reforming reaction with heat generation. The fuel cell device according to claim 1. 酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル(100)を積層して構成される燃料電池スタック(10)と、
炭化水素系の改質原料を改質して前記燃料電池スタックへ導入する前記燃料ガスを生成する改質触媒(443)が内部に充填された燃料改質器(44)と、を備え、
前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックと伝熱可能なように前記燃料電池スタックにおける前記発電セルの積層方向に延在する積層面(10a)に対峙して配置されると共に、前記燃料電池スタックの前記積層方向の中段部(10B)に対峙する中段対峙部位(44B)にて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっていることを特徴とする燃料電池装置。
A fuel cell stack (10) configured by laminating a plurality of power generation cells (100) that output electrical energy by an electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas;
A fuel reformer (44) filled with a reforming catalyst (443) for reforming a hydrocarbon-based reforming raw material and generating the fuel gas introduced into the fuel cell stack;
The fuel reformer is disposed opposite to a stacking surface (10a) extending in the stacking direction of the power generation cells in the fuel cell stack so as to be able to transfer heat to the fuel cell stack, and the fuel cell The fuel cell device is characterized in that the reforming reaction accompanied by endotherm is most promoted at the middle stage facing part (44B) facing the middle part (10B) in the stacking direction of the stack.
前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部(10A)側に対峙する一端側対峙部位(44A)から他端部(10C)側に対峙する他端側対峙部位(44C)へ向かって流すための内部流路(44a〜44c)が設定されており、
前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第1流路(44a)とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第2流路(44b、44c)としたとき、
前記改質触媒は、前記内部流路のうち、前記第2流路にだけ充填されていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池装置。
In the fuel reformer, the reforming material is confronted from one end side facing part (44A) facing the one end part (10A) side in the stacking direction of the fuel cell stack to the other end part (10C) side. Internal flow paths (44a to 44c) for flowing toward the other end side facing part (44C) are set,
A flow path from the one end side facing part to the middle stage facing part in the internal flow path is defined as a first flow path (44a), and a path from the middle stage facing part and the middle stage facing part to the other end side facing part is defined. When the second flow path (44b, 44c) is used,
9. The fuel cell device according to claim 8, wherein the reforming catalyst is filled only in the second flow path among the internal flow paths.
前記第1流路には、前記第1流路を流れる前記改質原料と前記燃料電池スタックとの伝熱を促進する伝熱促進部材(444)が配置されていることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池装置。   The heat transfer promoting member (444) for promoting heat transfer between the reforming raw material flowing through the first flow path and the fuel cell stack is disposed in the first flow path. 9. The fuel cell device according to 9. 前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部(10A)側に対峙する一端側対峙部位(44A)から他端部(10C)側に対峙する他端側対峙部位(44C)へ向かって流すための内部流路(44a〜44c)が設定されており、
前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第1流路(44a)とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第2流路(44b、44c)としたとき、
前記改質触媒は、前記第1流路および前記第2流路それぞれに充填されており、
前記第2流路には、前記第1流路よりも多くの前記改質触媒が充填されていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池装置。
In the fuel reformer, the reforming material is confronted from one end side facing part (44A) facing the one end part (10A) side in the stacking direction of the fuel cell stack to the other end part (10C) side. Internal flow paths (44a to 44c) for flowing toward the other end side facing part (44C) are set,
A flow path from the one end side facing part to the middle stage facing part in the internal flow path is defined as a first flow path (44a), and a path from the middle stage facing part and the middle stage facing part to the other end side facing part is defined. When the second flow path (44b, 44c) is used,
The reforming catalyst is filled in each of the first flow path and the second flow path,
The fuel cell device according to claim 8, wherein the second flow path is filled with more reforming catalyst than the first flow path.
前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部(10A)側に対峙する一端側対峙部位(44A)から他端部(10C)側に対峙する他端側対峙部位(44C)へ向かって流すための内部流路(44a〜44c)が設定されており、
前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第1流路(44a)とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第2流路(44b、44c)としたとき、
前記改質触媒は、前記第1流路および前記第2流路それぞれに充填されており、
前記第2流路には、前記第1流路よりも活性の高い前記改質触媒(443a)が充填されていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池装置。
In the fuel reformer, the reforming material is confronted from one end side facing part (44A) facing the one end part (10A) side in the stacking direction of the fuel cell stack to the other end part (10C) side. Internal flow paths (44a to 44c) for flowing toward the other end side facing part (44C) are set,
A flow path from the one end side facing part to the middle stage facing part in the internal flow path is defined as a first flow path (44a), and a path from the middle stage facing part and the middle stage facing part to the other end side facing part is defined. When the second flow path (44b, 44c) is used,
The reforming catalyst is filled in each of the first flow path and the second flow path,
The fuel cell device according to claim 8, wherein the second flow path is filled with the reforming catalyst (443a) having a higher activity than the first flow path.
前記内部流路のうち、少なくとも前記第2流路には、吸熱を伴う水蒸気改質が行われるように水蒸気が導入されることを特徴とする請求項9ないし12のいずれか1つに記載の燃料電池装置。   13. The steam according to claim 9, wherein steam is introduced into at least the second channel among the internal channels so that steam reforming with endotherm is performed. Fuel cell device. 前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部(10A)側に対峙する一端側対峙部位(44A)から他端部(10C)側に対峙する他端側対峙部位(44C)へ向かって流すための内部流路(44a〜44c)が設定されており、
前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第1流路(44a)とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第2流路(44b、44c)としたとき、
前記改質触媒は、前記第1流路および前記第2流路それぞれに充填されており、
前記第1流路には、発熱を伴う部分酸化改質が行われるように前記改質原料および酸素含有ガスが導入され、
前記第2流路には、吸熱を伴う水蒸気改質が行われるように前記第1流路を通過した通過ガスに加えて水蒸気が導入されることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池装置。
In the fuel reformer, the reforming material is confronted from one end side facing part (44A) facing the one end part (10A) side in the stacking direction of the fuel cell stack to the other end part (10C) side. Internal flow paths (44a to 44c) for flowing toward the other end side facing part (44C) are set,
A flow path from the one end side facing part to the middle stage facing part in the internal flow path is defined as a first flow path (44a), and a path from the middle stage facing part and the middle stage facing part to the other end side facing part is defined. When the second flow path (44b, 44c) is used,
The reforming catalyst is filled in each of the first flow path and the second flow path,
The reforming raw material and the oxygen-containing gas are introduced into the first flow path so that partial oxidation reforming with heat generation is performed,
9. The fuel cell according to claim 8, wherein steam is introduced into the second channel in addition to the passing gas that has passed through the first channel so that steam reforming with endotherm is performed. apparatus.
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