JP2016031827A

JP2016031827A - Fuel battery module

Info

Publication number: JP2016031827A
Application number: JP2014153532A
Authority: JP
Inventors: 智信中村; Tomonobu Nakamura; 稲岡　正人; Masato Inaoka; 正人稲岡; 伸二天羽; Shinji Amo; 実村中; Minoru Muranaka
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-03-07
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: JP6419479B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery module in which heat utilization efficiency can be enhanced, while suppressing temperature unevenness in the fuel battery cell.SOLUTION: A fuel battery module includes: a reformer 20 for reforming fuel gas into hydrogen gas by using steam; and a fuel battery cell 10 which generates power when being supplied with hydrogen gas reformed by the reformer 20 and an aerobic gas. The reformer 20 has a cell exhaust gas introduction port 21 for introducing the cell exhaust gas, exhausted from the fuel battery cell 10 and used for power generation. The reformer 20 includes: a combustion section 22 in which the cell exhaust gas is combusted therein; and a fuel gas passage section 23 where the fuel gas is reformed while passing. The combustion section 22 and fuel gas passage section 23 are separated from each other, and the fuel gas passage section 23 is arranged contiguously to the combustion section 22.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、燃料電池モジュールに関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module. In particular, the present invention relates to a solid oxide fuel cell module.

固体電解質形燃料電池（固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）ともいう）は、燃料極（アノード）：Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻、空気極（カソード）：（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−の反応により、電気エネルギーを取り出す装置である。一般に、燃料電池モジュールは、都市ガス等の原燃料ガスを改質して水素含有ガス（改質燃料ガス）を生成する改質器と、得られた改質燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを反応させて発電する燃料電池セルとをハウジング内に備えている。 A solid electrolyte fuel cell (also referred to as a solid oxide fuel cell (SOFC)) has a fuel electrode (anode): H ₂ + O ²⁻ → H ₂ O + 2e ⁻ , an air electrode (cathode): (1 / 2) A device that extracts electrical energy by the reaction of O ₂ + 2e ⁻ → O ²⁻ . In general, a fuel cell module includes a reformer that reforms raw fuel gas such as city gas to generate a hydrogen-containing gas (reformed fuel gas), and the resulting reformed fuel gas and air (oxidant gas). And a fuel battery cell for generating power by reacting with each other in the housing.

このような燃料電池モジュールを高効率で熱自立運転するためには、燃料電池セルからの輻射熱、および、燃料電池セルからの排ガスの燃焼熱を、改質器に伝搬させると同時に、外部への放熱を抑制することが重要である。そこで、改質器への熱の伝搬には、燃料電池セルと改質器とを熱伝導部材で物理的に接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、改質器に十分に熱を与えるために、燃料電池セルの近傍に改質器を配置することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。 In order to operate such a fuel cell module with high efficiency and heat self-sustained operation, the radiant heat from the fuel cell and the combustion heat of the exhaust gas from the fuel cell are propagated to the reformer and at the same time to the outside. It is important to suppress heat dissipation. Thus, for propagation of heat to the reformer, a method of physically joining the fuel cell and the reformer with a heat conducting member has been proposed (for example, see Patent Document 1). In addition, it has also been proposed to arrange a reformer in the vicinity of the fuel cell in order to sufficiently heat the reformer (see, for example, Patent Document 2).

特開２００８−２１０５７４号公報JP 2008-210574 A 特開２０１２−２２１５６２号公報JP 2012-221562 A

ところで、燃料電池において、反応速度は温度が高いほど速くなる依存性があり、また反応は発熱反応であることが知られている。したがって、燃料電池セル内部に温度むらがあると、温度が高い部分ほど、早く材質の劣化が発生する。また、燃料電池セル内部に温度むらが生じると、クラック等の不具合が発生する場合もある。 Incidentally, it is known that in a fuel cell, the reaction rate has a dependency that the higher the temperature, the faster the reaction rate, and the reaction is an exothermic reaction. Therefore, when there is uneven temperature inside the fuel cell, the material is deteriorated earlier as the temperature is higher. In addition, when temperature unevenness occurs inside the fuel cell, a defect such as a crack may occur.

しかし、特許文献１の技術では、燃料電池セルと改質器とを熱伝導部材で物理的に接合しているため、燃料電池セルにおいて接合されている部位とそうでない部位との間に温度差が生じる。特許文献２の技術においても、改質器が近傍にある部位とそうでない部位との間に同様に温度差が生じてしまう。 However, in the technique of Patent Document 1, since the fuel cell and the reformer are physically joined by the heat conducting member, the temperature difference between the part joined in the fuel battery cell and the part that is not. Occurs. Also in the technique of Patent Document 2, a temperature difference similarly occurs between a portion where the reformer is in the vicinity and a portion where the reformer is not.

本発明は上記問題点を解決するものであり、燃料電池セルにおける温度むらを抑制するとともに、熱利用効率を向上させることのできる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell module capable of suppressing temperature unevenness in the fuel cell and improving heat utilization efficiency.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池モジュールは、
水蒸気を用いて燃料ガスを水素ガスに改質する改質器と、前記改質器によって改質された水素ガスと有酸素ガスとが供給されることにより発電する燃料電池セルとを備え、
前記改質器は、前記燃料電池セルから排出される、発電に使用済みのセル排気ガスを導入するセル排気ガス導入口を有しており、
前記改質器は、その内部に前記セル排気ガスを燃焼させる燃焼区画と、前記燃料ガスが通過しながら改質される燃料ガス通過区画とを含み、
前記燃焼区画と前記燃料ガス通過区画とは互いに分断されており、
前記燃料ガス通過区画は、前記燃焼区画に隣接して配置されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the fuel cell module of the present invention comprises:
A reformer that reforms the fuel gas into hydrogen gas using water vapor, and a fuel battery cell that generates electricity by being supplied with the hydrogen gas and the aerobic gas reformed by the reformer,
The reformer has a cell exhaust gas inlet for introducing cell exhaust gas used for power generation discharged from the fuel battery cell,
The reformer includes a combustion section for burning the cell exhaust gas therein, and a fuel gas passage section that is reformed while the fuel gas is passing therethrough,
The combustion section and the fuel gas passage section are separated from each other;
The fuel gas passage section is disposed adjacent to the combustion section.

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料ガス通過区画は、前記燃焼区画を挟み込むように配置されていることが好ましい。 In the fuel cell module of the present invention, it is preferable that the fuel gas passage section is arranged so as to sandwich the combustion section.

あるいは、本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記燃焼区画は、前記燃料ガス通過区画を挟み込むように配置されていることが好ましい。 Alternatively, in the fuel cell module of the present invention, it is preferable that the combustion section is arranged so as to sandwich the fuel gas passage section.

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記改質器は、前記改質された水素ガスの出口側に、前記燃焼区画での燃焼によって生じる排気ガスの放出部を備えていることが好ましい。 In the fuel cell module according to the aspect of the invention, it is preferable that the reformer includes a discharge portion for exhaust gas generated by combustion in the combustion section on the outlet side of the reformed hydrogen gas.

本発明によれば、燃料電池セルにおける温度むらを抑制するとともに、熱利用効率を向上させることのできる燃料電池モジュールを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while suppressing the temperature nonuniformity in a fuel cell, the fuel cell module which can improve heat utilization efficiency can be provided.

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの一例の構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an example of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. 図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの一例の構成を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a configuration of an example of the fuel cell module according to the embodiment of the present invention. 図３は、前記燃料電池モジュールに適用される改質器の構成の一例を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing an example of a configuration of a reformer applied to the fuel cell module. 図４は、図３に示す改質器の各段の構成を説明する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of each stage of the reformer shown in FIG.

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。なお、以下で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited or limited to the following examples. The drawings referred to below are schematically described, and the ratio of the dimensions of objects drawn in the drawings may be different from the ratio of dimensions of actual objects. The dimensional ratio of the object may be different between the drawings.

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの一例の構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの一例の構成を示す平面図である。この実施形態の燃料電池モジュール１００は、固体酸化物形（ＳＯＦＣ形）の燃料電池モジュールであり、断熱性（＝熱伝導率が低い性質）を有して直方体をなすハウジング１２を含む。ここで、図１は、燃料電池モジュールの内部構造を説明するために、ハウジング１２の前面を取り除いた状態を図示したものである。ハウジング１２の内側には、燃焼室ＲＭが形成される。燃焼室ＲＭには、燃料電池セル１０、改質器２０、空気予熱器１５および気化器２８が設けられる。ハウジング１２には、その外側から内側に貫通するパイプ１６、パイプ１７、パイプ２７およびパイプ２９が設けられる。 FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an example of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing a configuration of an example of the fuel cell module according to the embodiment of the present invention. The fuel cell module 100 of this embodiment is a solid oxide type (SOFC type) fuel cell module, and includes a housing 12 having a heat insulation property (= property of low thermal conductivity) and forming a rectangular parallelepiped. Here, FIG. 1 illustrates a state in which the front surface of the housing 12 is removed in order to explain the internal structure of the fuel cell module. A combustion chamber RM is formed inside the housing 12. In the combustion chamber RM, a fuel battery cell 10, a reformer 20, an air preheater 15 and a vaporizer 28 are provided. The housing 12 is provided with a pipe 16, a pipe 17, a pipe 27, and a pipe 29 penetrating from the outside to the inside.

本実施形態では、ハウジング１２をなす直方体の幅方向，奥行き方向および高さ方向にＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸をそれぞれ割り当てる。すると、パイプ１６およびパイプ１７は、Ｚ軸方向の負側を向く面に設けられ、パイプ２７およびパイプ２９はＺ軸方向の正側を向く面に設けられる。空気（有酸素ガス）はパイプ１６を経て取り込まれ、改質用水はパイプ２９を経て取り込まれ、メタンガス（燃焼ガス）はパイプ２７を経て取り込まれる。 In the present embodiment, an X axis, a Y axis, and a Z axis are assigned to the width direction, the depth direction, and the height direction of the rectangular parallelepiped forming the housing 12, respectively. Then, the pipe 16 and the pipe 17 are provided on the surface facing the negative side in the Z-axis direction, and the pipe 27 and the pipe 29 are provided on the surface facing the positive side in the Z-axis direction. Air (aerobic gas) is taken in via the pipe 16, reforming water is taken in via the pipe 29, and methane gas (combustion gas) is taken in via the pipe 27.

パイプ１６の一方端はハウジング１２の外側に突出し、パイプ１６の他方端はハウジング１２の内側（＝燃焼室ＲＭ側）に突出する。また、パイプ２９の一方端はハウジング１２の外側に突出し、パイプ２９の他方端はハウジング１２の内側に突出する。さらに、パイプ２７の一方端はハウジング１２の外側に突出し、パイプ２７の他方端はハウジング１２の内側に突出する。 One end of the pipe 16 protrudes outside the housing 12, and the other end of the pipe 16 protrudes inside the housing 12 (= combustion chamber RM side). Further, one end of the pipe 29 protrudes outside the housing 12, and the other end of the pipe 29 protrudes inside the housing 12. Further, one end of the pipe 27 protrudes outside the housing 12, and the other end of the pipe 27 protrudes inside the housing 12.

パイプ１６の他方端は空気予熱器１５の給気口に接続され、パイプ２９の他方端は気化器２８の吸水口に接続され、パイプ２７の他方端は改質器２０に設けられた燃料ガス導入口２６に接続される。また、空気予熱器１５の排気口は、燃料電池セル１０に設けられた空気用の吸気口（図示せず）に接続される。さらに、気化器２８の排気口は燃料ガスパイプ２７に接続されるが、改質器２０に水蒸気用の吸気口を設けておき、そこに接続してもよい。改質器２０の排気口（水素ガス出口２４）は燃料電池セル１０に設けられた水素ガス用の吸気口（図示せず）に接続される。 The other end of the pipe 16 is connected to the air inlet of the air preheater 15, the other end of the pipe 29 is connected to the water inlet of the carburetor 28, and the other end of the pipe 27 is a fuel gas provided in the reformer 20. Connected to the inlet 26. The exhaust port of the air preheater 15 is connected to an air intake port (not shown) provided in the fuel cell 10. Furthermore, although the exhaust port of the vaporizer 28 is connected to the fuel gas pipe 27, the reformer 20 may be provided with an intake port for water vapor and connected thereto. The exhaust port (hydrogen gas outlet 24) of the reformer 20 is connected to a hydrogen gas intake port (not shown) provided in the fuel cell 10.

気化器２８は、パイプ２９によって取り込まれた改質用水を気化する。気化器２８で気化された水蒸気は、パイプ２７によって取り込まれたメタンガス（燃料ガス）とともに改質器２０の燃料ガス導入口２６から改質器２０に供給される。本実施形態においては、気化器２８は、改質器２０の上方に設けられ、気化には、燃焼室ＲＭの熱が利用される。なお、燃焼室ＲＭの温度は約７００℃を示す。 The vaporizer 28 vaporizes the reforming water taken in by the pipe 29. The water vapor evaporated by the vaporizer 28 is supplied to the reformer 20 from the fuel gas inlet 26 of the reformer 20 together with the methane gas (fuel gas) taken in by the pipe 27. In the present embodiment, the vaporizer 28 is provided above the reformer 20, and the heat of the combustion chamber RM is used for vaporization. The temperature of the combustion chamber RM is about 700 ° C.

改質器２０では、メタンガスおよび水蒸気が、化学式１および化学式２によって水素ガスおよび炭酸ガスに変換される。
［化１］
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
［化２］
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２ In the reformer 20, methane gas and water vapor are converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas by chemical formulas 1 and 2.
[Chemical 1]
CH ₄ + H ₂ O → 3H ₂ + CO
[Chemical 2]
CO + H ₂ O → H ₂ + CO ₂

ここで、改質器２０の反応は吸熱反応であり、改質器２０は燃焼室ＲＭの熱、燃料電池セル１０の輻射熱、および、後述する燃料電池セル１０から排出されるセル排気ガスの改質器内での燃焼による燃焼熱を利用して改質を行う。 Here, the reaction of the reformer 20 is an endothermic reaction, and the reformer 20 modifies the heat of the combustion chamber RM, the radiant heat of the fuel cell 10, and cell exhaust gas discharged from the fuel cell 10 described later. Reformation is performed using the combustion heat generated by combustion in the mass chamber.

空気予熱器１５は、パイプ１６によって取り込まれた空気（有酸素ガス）を予熱する。予熱された空気は、燃料電池セル１０の下側から燃料電池セル１０に供給される。また、改質器２０によって発生した水素ガスは、燃料電池セル１０の下側から燃料電池セル１０に供給される。 The air preheater 15 preheats the air (aerobic gas) taken in by the pipe 16. The preheated air is supplied to the fuel cell 10 from the lower side of the fuel cell 10. Further, the hydrogen gas generated by the reformer 20 is supplied to the fuel cell 10 from the lower side of the fuel cell 10.

燃料電池セル１０の空気極および燃料極では、化学式３および化学式４に従う化学反応が生じる。この結果、燃料電池セル１０の上下の最外層に、プラス電圧およびマイナス電圧がそれぞれ発生する。燃料電池セル１０で発生したプラス電圧およびマイナス電圧は、図示しない端子を経て出力される。
［化３］
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
［化４］
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ At the air electrode and the fuel electrode of the fuel cell 10, a chemical reaction according to Chemical Formula 3 and Chemical Formula 4 occurs. As a result, a positive voltage and a negative voltage are generated in the outermost layers above and below the fuel cell 10, respectively. The positive voltage and the negative voltage generated in the fuel battery cell 10 are output through a terminal (not shown).
[Chemical formula 3]
1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → O ²⁻
[Chemical formula 4]
H ₂ + O ²⁻ → H ₂ O + 2e ⁻

化学式３および化学式４に従う化学反応によって消費されなかった空気および水素ガスは、燃焼電池セル１０の外部に排出され、改質器２０の下面のセル排気ガス導入口２１から改質器２０に導入される。 Air and hydrogen gas not consumed by the chemical reaction according to Chemical Formula 3 and Chemical Formula 4 are discharged to the outside of the combustion battery cell 10 and introduced into the reformer 20 from the cell exhaust gas inlet 21 on the lower surface of the reformer 20. The

図３は、本発明の燃料電池モジュールに適用される改質器の構成の一例を示す斜視図である。また、図４は、図３に示す改質器２０の各段の構成を説明する断面図である。図４は、図３中の一点鎖線で切断したときの、各段（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）の断面を示している。本実施形態において、改質器２０は、燃焼区画２２および燃料ガス通過区画２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）を有している。燃焼区画２２には、セル排気ガスが導入され、内部で燃焼を生じさせる。燃料ガス通過区画２３には、燃料ガス導入口２６から、燃料ガスが水蒸気とともに導入される。改質器２０は、３段構造となっており、下から１段目２０Ａ、２段目２０Ｂ、３段目２０Ｃとする。１段目２０Ａおよび３段目２０Ｃは燃料ガス通過区画（２３ｃ、２３ａ）、２段目２０Ｂは燃焼区画２２を有している。２段目２０Ｂには、端部に燃料ガス通過区画２３ａと燃料ガス通過区画２３ｃとを連結する燃料ガス通過区画２３ｂが設けられている。また、１段目２０Ａにはセル排気ガス導入口２１が設けられており、セル排気ガス導入口２１は２段目２０Ｂの燃焼区画２２に連結している。 FIG. 3 is a perspective view showing an example of the configuration of a reformer applied to the fuel cell module of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of each stage of the reformer 20 shown in FIG. FIG. 4 shows a cross section of each step (20A, 20B, 20C) when cut along the one-dot chain line in FIG. In the present embodiment, the reformer 20 has a combustion section 22 and a fuel gas passage section 23 (23a, 23b, 23c). Cell combustion gas is introduced into the combustion section 22 to cause combustion therein. Fuel gas is introduced into the fuel gas passage section 23 together with water vapor from a fuel gas inlet 26. The reformer 20 has a three-stage structure, and is designated as the first stage 20A, the second stage 20B, and the third stage 20C from the bottom. The first stage 20A and the third stage 20C have fuel gas passage sections (23c, 23a), and the second stage 20B has a combustion section 22. The second stage 20B is provided with a fuel gas passage section 23b connecting the fuel gas passage section 23a and the fuel gas passage section 23c at the end. Further, a cell exhaust gas inlet 21 is provided in the first stage 20A, and the cell exhaust gas inlet 21 is connected to the combustion section 22 of the second stage 20B.

燃焼区画２２と燃料ガス通過区画２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）とは互いに分断されており、改質器２０内部では、燃料ガスとセル排気ガスとは混ざり合わないようになっている。 The combustion section 22 and the fuel gas passage section 23 (23a, 23b, 23c) are separated from each other, so that the fuel gas and the cell exhaust gas are not mixed in the reformer 20.

燃料電池セル１０から排出されたセル排気ガスは、改質器２０の下面のセル排気ガス導入口２１から改質器２０に導入される。図４において、セル排気ガスの流れを黒色矢印で示す。導入されたセル排気ガスは、１段目２０Ａの中央部を通過して２段目２０Ｂの燃焼区画２２に流れ込む。 The cell exhaust gas discharged from the fuel battery cell 10 is introduced into the reformer 20 from the cell exhaust gas inlet 21 on the lower surface of the reformer 20. In FIG. 4, the flow of cell exhaust gas is indicated by black arrows. The introduced cell exhaust gas passes through the center of the first stage 20A and flows into the combustion section 22 of the second stage 20B.

燃料電池セル１０の燃料極側から排出される排気ガスには、一酸化炭素等が含まれている。また、空気極側から排出される排気ガスには酸素が含まれている。このため、燃料極側の排気ガスと空気極側の排気ガスとが高温下で混合されると、燃料極側排気ガスが燃焼するので、セル排気ガスは、改質器２０内部のセル排気ガスの流路および燃焼区画２２において燃焼する。燃焼後の排気ガスは、排気ガス放出部２５から改質器２０外部に排出され、燃焼室ＲＭ内で燃料電池セル１０の側部を経てパイプ１７（排ガスパイプ）から排出される。 The exhaust gas discharged from the fuel electrode side of the fuel cell 10 contains carbon monoxide and the like. Further, the exhaust gas discharged from the air electrode side contains oxygen. For this reason, when the exhaust gas on the fuel electrode side and the exhaust gas on the air electrode side are mixed at a high temperature, the fuel electrode side exhaust gas burns, so that the cell exhaust gas is the cell exhaust gas inside the reformer 20. In the flow path and the combustion section 22. Exhaust gas after combustion is discharged to the outside of the reformer 20 from the exhaust gas discharge part 25, and is discharged from the pipe 17 (exhaust gas pipe) through the side of the fuel cell 10 in the combustion chamber RM.

なお、本実施形態においては、空気予熱器１５は図１において右側と左側との２段に設けられており、左側の空気予熱器１５に設けられたパイプ１６を介して空気が予熱器内に供給される。供給された空気は、そのまま連通管を通り、右側の空気予熱器１５を介して燃料電池セル１０に供給される。排ガスは、右側の空気予熱器１５から取り込まれ、連通管を通り、左側の空気予熱器１５を介してパイプ１７から排出される。本実施形態では空気予熱器１５が２段であるものを説明したが、これに限られず、１段または多段の空気予熱器であっても構わない。 In the present embodiment, the air preheater 15 is provided in two stages on the right side and the left side in FIG. 1, and air is introduced into the preheater via the pipe 16 provided in the left air preheater 15. Supplied. The supplied air passes through the communication pipe as it is and is supplied to the fuel cell 10 via the right air preheater 15. The exhaust gas is taken in from the right air preheater 15, passes through the communication pipe, and is discharged from the pipe 17 through the left air preheater 15. In the present embodiment, the air preheater 15 having two stages has been described. However, the present invention is not limited to this, and a single-stage or multistage air preheater may be used.

一方、燃料ガス導入口２６から導入された燃料ガスは、水蒸気とともに、３段目２０Ｃの燃料ガス通過区画２３ａから、２段目２０Ｂの燃料ガス通過区画２３ｂを経由して、１段目２０Ａの燃料ガス通過区画２３ｃに流れ込む。図４において、燃料ガスの流れを白色矢印で示す。燃料ガス通過区画を燃料ガスおよび水蒸気が通過する過程で、前述の化学式１および化学式２の反応が起こり、燃料ガスの改質がなされる。 On the other hand, the fuel gas introduced from the fuel gas inlet 26, together with the water vapor, passes from the fuel gas passage section 23a of the third stage 20C through the fuel gas passage section 23b of the second stage 20B, to the first stage 20A. It flows into the fuel gas passage section 23c. In FIG. 4, the flow of fuel gas is indicated by white arrows. In the process in which the fuel gas and water vapor pass through the fuel gas passage section, the reaction of the above-described chemical formula 1 and chemical formula 2 occurs, and the fuel gas is reformed.

前記反応をより進めて高い改質率を得るためには、例えば、燃料ガス通過区画２３ａおよび２３ｃにおける流路を長くすることが好ましい。本実施形態においては、燃料ガス通過区画２３ａおよび２３ｃでは、区画部材を設けて流路が長くなるようにされている。ここで、図４に示す区画部材の形状は、一例であり、これに限定されるものではないが、以下に述べる理由から、改質後のガスが改質器から排出される水素ガス出口２４の側に、排気ガス放出部２５が配置され、さらに、燃料ガス通過区画の流路の終点近傍は、排気ガス放出部２５側の面に平行になるように形成されていることが好ましい。 In order to further advance the reaction and obtain a high reforming rate, for example, it is preferable to lengthen the flow paths in the fuel gas passage sections 23a and 23c. In the present embodiment, in the fuel gas passage sections 23a and 23c, a partition member is provided so that the flow path becomes longer. Here, the shape of the partition member shown in FIG. 4 is an example, and the shape is not limited to this. However, for the reasons described below, the hydrogen gas outlet 24 from which the reformed gas is discharged from the reformer. It is preferable that the exhaust gas discharge part 25 is disposed on the side of the fuel gas and that the vicinity of the end point of the flow path of the fuel gas passage section is formed so as to be parallel to the surface on the exhaust gas discharge part 25 side.

すなわち、前記反応は、燃料ガス導入口２６から水素ガス出口２４に向かうにしたがい、各化学式の右辺側に進んでいき、流路の終点近傍では、右辺側の化合物の分率が高くなるため、反応が平衡状態となる。吸熱反応である前記反応は、より加熱を行うことで進めることができるため、流路の終点近傍で、より高温となるようにすることが好ましいのである。前記のように水素ガス出口２４を設けることで、燃焼区画２２から排気ガス放出部２５に向けて燃焼がされ、それにより排出される高温の排気ガスによって、改質器２０の出口温度を最大にすることができる。よって、流路終点近傍で燃料ガスをさらに加熱して、前記反応をより進め、改質率を向上させることができる。そして、流路の終点近傍での方向を排気ガス放出部２５側の面に平行になるように形成すると、より長い流路範囲において高温状態を保つことができるため、さらに好ましい。 That is, as the reaction proceeds from the fuel gas inlet 26 to the hydrogen gas outlet 24, the reaction proceeds to the right side of each chemical formula, and in the vicinity of the end point of the flow path, the fraction of the compound on the right side increases. The reaction is in equilibrium. Since the reaction, which is an endothermic reaction, can proceed by further heating, it is preferable that the temperature be higher near the end point of the flow path. By providing the hydrogen gas outlet 24 as described above, combustion is performed from the combustion section 22 toward the exhaust gas discharge section 25, and the outlet temperature of the reformer 20 is maximized by the high-temperature exhaust gas discharged thereby. can do. Therefore, the fuel gas can be further heated in the vicinity of the end point of the flow path to further advance the reaction and improve the reforming rate. Further, it is more preferable to form the direction in the vicinity of the end point of the flow path so as to be parallel to the surface on the exhaust gas discharge portion 25 side, because a high temperature state can be maintained in a longer flow path range.

改質器２０は、内部（２段目２０Ｂ、燃焼区画２２）で燃焼を生じさせ、燃焼区画２２に隣接して配置されている燃料ガス通過区画２３ａ、２３ｂ、２３ｃで燃焼熱を受けることができるため、改質に必要な熱を効率的に伝搬することができ、改質器２０内部の温度を上げることができる。また、本実施形態においては、改質を行う燃料ガス通過区画２３ａおよび２３ｃに挟まれた空間（燃焼区画２２）にセル排気ガスが導入されて燃焼が起こるため、改質器２０の外部で燃焼熱が消費され難く、改質器２０を効率的に加熱することができる。また、改質を行う部分では吸熱反応が起こるので、この改質器２０は、吸熱体によって囲まれているといえる。そのため、従来の燃料電池モジュールにおける改質器と比較して、改質器からの放熱を抑えることができ、燃料電池モジュール１００をコンパクトにすることができる。 The reformer 20 generates combustion inside (second stage 20B, combustion section 22), and receives combustion heat in the fuel gas passage sections 23a, 23b, and 23c disposed adjacent to the combustion section 22. Therefore, heat necessary for reforming can be efficiently propagated, and the temperature inside the reformer 20 can be raised. In the present embodiment, since the cell exhaust gas is introduced into the space (combustion section 22) sandwiched between the fuel gas passage sections 23a and 23c to be reformed and combustion occurs, the combustion is performed outside the reformer 20. Heat is hardly consumed, and the reformer 20 can be efficiently heated. In addition, since an endothermic reaction occurs in the portion where reforming is performed, it can be said that the reformer 20 is surrounded by an endothermic body. Therefore, compared with the reformer in the conventional fuel cell module, heat radiation from the reformer can be suppressed, and the fuel cell module 100 can be made compact.

本実施形態においては、改質器２０は燃料電池セル１０の上方（Ｚ方向）に配置されている。このように配置することで、燃料電池セル１０から排出される高温のセル排気ガスを、自然対流（上方への流れ）にしたがって燃料電池セル１０の上方にあるセル排気ガス導入口２１に導入することができる。しかし、本発明は前記構成に限定されず、改質器は燃料電池セル１０の側面側に配置してもよい。この場合、セル排気ガス導入口は改質器の燃料電池セルに対向する区画に配置しておき、燃料電池セルからセル排気ガス導入口にセル排気ガスを導入できるよう、パイプ等を設けておけばよい。 In the present embodiment, the reformer 20 is disposed above the fuel cell 10 (Z direction). With this arrangement, the high-temperature cell exhaust gas discharged from the fuel cell 10 is introduced into the cell exhaust gas inlet 21 above the fuel cell 10 according to natural convection (upward flow). be able to. However, the present invention is not limited to the above-described configuration, and the reformer may be disposed on the side surface side of the fuel cell 10. In this case, the cell exhaust gas inlet is arranged in a section of the reformer facing the fuel cell, and a pipe or the like is provided so that the cell exhaust gas can be introduced from the fuel cell to the cell exhaust gas inlet. That's fine.

燃焼区画および燃料ガス通過区画を形成する区画部材の材料としては、ステンレスなどを用いることができる。 Stainless steel or the like can be used as the material of the partition member that forms the combustion section and the fuel gas passage section.

このように、本発明の燃料電池モジュールでは、改質器の内部から効率的な加熱を行うことができるので、燃料電池セルと改質器とを熱伝導部材で物理的に接合して熱の伝搬を行う必要はなく、熱伝導部材の接合に起因する燃料電池セルにおける温度むらを防ぐことができる。また、改質に必要な熱は、改質器内部での燃焼によって得ることができるので、燃料電池セル近傍に改質器を配置しても、燃料電池セル内部における温度むらを抑制することができる。そして、燃料電池セルから排出されるガスの燃焼熱は、改質器内部に効率的に伝搬されるので、熱利用効率も向上させることができる。また、燃料電池セルの温度分布の低減は、クラック等の不具合の解消にも貢献する。 As described above, in the fuel cell module of the present invention, since efficient heating can be performed from the inside of the reformer, the fuel cell and the reformer are physically joined by the heat conducting member to generate heat. Propagation is not required, and temperature unevenness in the fuel cell due to joining of the heat conducting members can be prevented. In addition, since the heat necessary for reforming can be obtained by combustion inside the reformer, temperature unevenness inside the fuel cell can be suppressed even if the reformer is arranged near the fuel cell. it can. And since the combustion heat of the gas discharged | emitted from a fuel cell is propagated efficiently inside a reformer, heat utilization efficiency can also be improved. Moreover, the reduction of the temperature distribution of the fuel cell contributes to the elimination of defects such as cracks.

本実施形態においては、改質器２０は３段の構造を有するものについて説明したが、本発明はこれに限られず、例えば５段の構成等にすることもできる。５段の場合には、１段目および４段目を燃料ガスが通過する区画とし、２段目、３段目および５段目を燃焼区画とすることが好ましい。 In the present embodiment, the reformer 20 has been described as having a three-stage structure. However, the present invention is not limited to this, and a five-stage configuration, for example, may be employed. In the case of five stages, the first and fourth stages are preferably compartments through which fuel gas passes, and the second, third and fifth stages are preferably combustion compartments.

また、３段の構造であっても、２段目を燃料ガスが通過する区画とし、１段目および３段目を燃焼区画としてもよい。このように、燃焼区画で燃料ガス通過区画を囲むことにより、燃料ガスは少なくとも上下２面から燃焼熱を受けることができ、より効果的に改質を行うことができる。また、本実施形態のように、改質器の上方に気化器が配置されている場合、燃焼区画が改質器の上面に配置されているので、気化器にも効率的に燃焼熱を伝搬することができる。 Further, even in a three-stage structure, the second stage may be a section through which fuel gas passes and the first and third stages may be combustion sections. Thus, by surrounding the fuel gas passage section with the combustion section, the fuel gas can receive combustion heat from at least two upper and lower surfaces, and reforming can be performed more effectively. In addition, when the carburetor is arranged above the reformer as in the present embodiment, the combustion section is arranged on the upper surface of the reformer, so that the combustion heat is efficiently transmitted to the carburetor. can do.

さらに、改質器は、気化器に相当する部分をその内部に有することもできる。例えば５段の構成の改質器の場合、燃焼区画に隣接する区画（例えば４段目）に改質用水を導入して、燃焼熱によって改質用水を気化し、別に導入された燃料ガスと混合して燃料ガス通過区画を通過させながら改質を行うことができる。 Further, the reformer can have a portion corresponding to the vaporizer therein. For example, in the case of a five-stage reformer, reforming water is introduced into a section adjacent to the combustion section (for example, the fourth stage), the reforming water is vaporized by combustion heat, and the separately introduced fuel gas and The reforming can be performed while mixing and passing through the fuel gas passage section.

なお、本実施形態の燃料電池モジュール１００は、一組の燃料電池セル１０および改質器２０を有している。ただし、本発明においては、この構成に限定されない。本発明の燃料電池モジュールは、例えば、複数組の燃料電池セルおよび改質器をハウジング内に有していてもよい。 Note that the fuel cell module 100 of the present embodiment includes a set of fuel cells 10 and a reformer 20. However, the present invention is not limited to this configuration. The fuel cell module of the present invention may have, for example, a plurality of sets of fuel cells and a reformer in the housing.

１００燃料電池モジュール
１０燃料電池セル
１２ハウジング
１５空気予熱器
１６（空気）パイプ
１７（排ガス）パイプ
２０改質器
２０Ａ（改質器）１段目
２０Ｂ（改質器）２段目
２０Ｃ（改質器）３段目
２１セル排気ガス導入口
２２燃焼区画
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ燃料ガス通過区画
２４水素ガス出口
２５排気ガス放出部
２６燃料ガス導入口
２７（燃料ガス）パイプ
２８気化器
２９（改質用水）パイプ 100 Fuel Cell Module 10 Fuel Cell 12 Housing 15 Air Preheater 16 (Air) Pipe 17 (Exhaust Gas) Pipe 20 Reformer 20A (Reformer) First Stage 20B (Reformer) Second Stage 20C (Reformation) The third stage 21 Cell exhaust gas inlet 22 Combustion section 23, 23a, 23b, 23c Fuel gas passage section 24 Hydrogen gas outlet 25 Exhaust gas discharge part 26 Fuel gas inlet 27 (fuel gas) pipe 28 Vaporizer 29 ( Water for reforming) Pipe

Claims

A reformer that reforms the fuel gas into hydrogen gas using water vapor, and a fuel battery cell that generates electricity by being supplied with the hydrogen gas and the aerobic gas reformed by the reformer,
The reformer has a cell exhaust gas inlet for introducing cell exhaust gas used for power generation discharged from the fuel battery cell,
The reformer includes a combustion section for burning the cell exhaust gas therein, and a fuel gas passage section that is reformed while the fuel gas is passing therethrough,
The combustion section and the fuel gas passage section are separated from each other;
The fuel cell passage section is a fuel cell module disposed adjacent to the combustion section.

The fuel cell module according to claim 1, wherein the fuel gas passage section is disposed so as to sandwich the combustion section.

The fuel cell module according to claim 1, wherein the combustion section is disposed so as to sandwich the fuel gas passage section.

The fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein the reformer includes a discharge portion for exhaust gas generated by combustion in the combustion section on an outlet side of the reformed hydrogen gas. Battery module.