JP2016062722A - Reforming unit for fuel cell, and fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を複数積層した燃料電池スタックとともに燃料電池モジュールを構成する燃料電池用改質ユニット(燃焼部、蒸発部、改質部、及び、熱交換部)、並びに、このような燃料電池スタック及び燃料電池用改質ユニットを備える燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell reforming unit (combustion unit, evaporation unit, reforming unit, and heat exchange unit) that constitutes a fuel cell module together with a fuel cell stack in which a plurality of solid oxide fuel cells (SOFCs) are stacked. The present invention also relates to a fuel cell module including such a fuel cell stack and a fuel cell reforming unit.
固体酸化物形燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールは、SOFCである燃料電池スタックと、燃料電池用改質ユニット(燃焼部、蒸発部、改質部、及び、熱交換部)とを備える。 A fuel cell module of a solid oxide fuel cell (SOFC) includes a fuel cell stack, which is an SOFC, and a fuel cell reforming unit (combustion unit, evaporation unit, reforming unit, and heat exchange unit).
燃焼部は、燃料電池スタックで使われなかった改質ガスを燃焼させて、その燃焼によって生じた熱を、蒸発部、改質部、熱交換部、及び、燃料電池スタックに伝える機能部である。 The combustion unit is a functional unit that burns the reformed gas that has not been used in the fuel cell stack, and transfers heat generated by the combustion to the evaporation unit, the reforming unit, the heat exchange unit, and the fuel cell stack. .
蒸発部は、外部から水を取り込み、その水を燃焼部から受けた熱で蒸発させて水蒸気を発生させ、その水蒸気を改質部に送る機能部である。
改質部は、改質用の触媒を燃焼部から受けた熱で温め、都市ガス等の原燃料と蒸発部から送られた水蒸気とからなる混合ガスを、その温めた触媒に通すことによって改質ガスを生成し、その改質ガスを燃料電池スタックに送る機能部である。
The evaporation unit is a functional unit that takes in water from outside, evaporates the water with heat received from the combustion unit to generate water vapor, and sends the water vapor to the reforming unit.
The reforming unit warms the reforming catalyst with the heat received from the combustion unit, and passes the mixed gas composed of raw fuel such as city gas and water vapor sent from the evaporation unit through the warmed catalyst. This is a functional unit that generates a quality gas and sends the reformed gas to the fuel cell stack.
熱交換部は、燃焼部から受けた熱で酸化剤ガスを昇温させ、この昇温した酸化剤ガスを燃料電池スタックに送る機能部である。
燃料電池スタックは、改質部から供給された改質ガスと、熱交換部から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行う。このとき、燃料電池スタックは高温に保たれている必要があり、供給されるガスによって温度が下がると発電に支障が生じる。そのため、燃料電池モジュールには燃焼部が設けられ、燃料電池スタックに入る改質ガス及び酸化剤ガスが温められるとともに、燃料電池スタックも温められるように構成されている。
The heat exchanging unit is a functional unit that raises the temperature of the oxidant gas with the heat received from the combustion unit and sends the heated oxidant gas to the fuel cell stack.
The fuel cell stack performs power generation by causing an electrochemical reaction between the reformed gas supplied from the reforming unit and the oxidant gas supplied from the heat exchange unit. At this time, the fuel cell stack needs to be kept at a high temperature, and power generation is hindered if the temperature is lowered by the supplied gas. For this reason, the fuel cell module is provided with a combustion section so that the reformed gas and the oxidant gas entering the fuel cell stack are warmed and the fuel cell stack is also warmed.
この種の燃料電池モジュールは、例えば特許文献1に示されている。この特許文献1に示された燃料電池モジュールは、燃焼部の周囲に蒸発部及び改質部が配置され、これら蒸発部及び改質部のさらに外側に熱交換部が配置されているものである。 This type of fuel cell module is disclosed in Patent Document 1, for example. In the fuel cell module disclosed in Patent Document 1, an evaporation unit and a reforming unit are disposed around a combustion unit, and a heat exchange unit is disposed further outside the evaporation unit and the reforming unit. .
しかし、特許文献1に示された燃料電池モジュールでは、燃焼部から見て熱交換部が蒸発部及び改質部の外側に位置している。そして、熱交換部は、燃焼部から直接熱を受けるのではなく、燃焼部から排出された排ガスを介して間接的に熱を受けている。具体的には、熱交換部は、燃焼部との間に位置する蒸発部及び改質部で熱が奪われた排ガスから熱を受けている。 However, in the fuel cell module disclosed in Patent Document 1, the heat exchange part is located outside the evaporation part and the reforming part as viewed from the combustion part. And the heat exchange part does not receive heat directly from a combustion part, but receives heat indirectly through the waste gas discharged | emitted from the combustion part. Specifically, the heat exchange unit receives heat from the exhaust gas from which heat has been removed by the evaporation unit and the reforming unit positioned between the combustion unit.
そのため、熱交換部が燃焼部から受ける熱の温度は、燃焼部から直接的に熱を受ける場合に比べて相当に低いものであった。この結果、燃料電池スタックは温度が低い酸化剤ガスの供給を熱交換部から受けることになるので、その温度が低い分だけ、燃料電池スタックの発電効率が低くなってしまっていた。 Therefore, the temperature of heat received by the heat exchange unit from the combustion unit is considerably lower than that in the case of receiving heat directly from the combustion unit. As a result, the fuel cell stack receives the supply of the oxidant gas having a low temperature from the heat exchanging unit, and thus the power generation efficiency of the fuel cell stack is lowered by the lower temperature.
本発明は、燃料電池スタックの発電効率を向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the power generation efficiency of a fuel cell stack.
本発明の一側面は、改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックとともに燃料電池モジュールを構成するための燃料電池用改質ユニットであって、蒸発部と、改質部と、熱交換部と、燃焼部とを備えている。蒸発部は、水蒸気を発生させる。改質部は、原燃料と蒸発部で発生させた水蒸気との混合ガスを改質して改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池スタックに送る。熱交換部は、酸化剤ガスを昇温させ、昇温した酸化剤ガスを燃料電池スタックに送る。燃焼部は、燃料電池スタックから排出される未反応の改質ガスを燃焼させ、蒸発部、改質部、熱交換部、及び、燃料電池スタックに伝達する熱を発生させる。そして、蒸発部、改質部、及び、熱交換部は積み重ねられるとともに、燃焼部が、蒸発部、改質部、及び、熱交換部に隣接して配置されている。 One aspect of the present invention is a fuel cell reforming unit for constituting a fuel cell module together with a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a reformed gas and an oxidant gas are stacked, An evaporation section, a reforming section, a heat exchange section, and a combustion section are provided. The evaporation unit generates water vapor. The reforming unit reforms a mixed gas of raw fuel and water vapor generated in the evaporation unit to generate a reformed gas, and sends the reformed gas to the fuel cell stack. The heat exchange unit raises the temperature of the oxidant gas and sends the heated oxidant gas to the fuel cell stack. The combustion unit burns unreacted reformed gas discharged from the fuel cell stack, and generates heat to be transmitted to the evaporation unit, the reforming unit, the heat exchange unit, and the fuel cell stack. The evaporation section, the reforming section, and the heat exchange section are stacked, and the combustion section is disposed adjacent to the evaporation section, the reforming section, and the heat exchange section.
このような構成によれば、燃焼部で生じた熱が、蒸発部、及び、改質部はもちろんのこと、熱交換部にも直接伝わり、燃焼部から直接的に受けた熱で酸化剤ガスが温められる。したがって、燃焼部から間接的に受けた熱で酸化剤ガスを温めていた従来の構成に比べ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。 According to such a configuration, the heat generated in the combustion section is directly transmitted to the heat exchange section as well as the evaporation section and the reforming section, and the oxidant gas is directly received from the combustion section. Is warmed. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell stack can be improved as compared with the conventional configuration in which the oxidant gas is warmed by heat indirectly received from the combustion unit.
また、蒸発部、改質部、及び、熱交換部は、燃焼部の周囲を環状に囲う形状に形成されていてもよい。
このような構成によれば、燃焼部から逃げる熱量の偏りが抑えられるため、燃料電池用改質ユニットのひずみによる破損を生じにくくすることができる。
Further, the evaporation unit, the reforming unit, and the heat exchange unit may be formed in a shape that surrounds the combustion unit in an annular shape.
According to such a configuration, since the bias of the amount of heat escaping from the combustion part is suppressed, it is possible to make it difficult for the fuel cell reforming unit to be damaged due to strain.
また、蒸発部は、最下段に配置されていてもよい。
蒸発部では、少なくとも水を蒸発させることが可能な温度で熱を受ければよいが、改質部では、改質反応のために高い温度(例えば800度)が必要であり、改質部及び熱交換部からは燃料電池スタックに対し高温に温められた改質ガスや酸化剤ガスを送る必要がある。燃焼部内の温度は上方ほど高いので、蒸発部が最下段に配置された構成によれば、蒸発部が最下段以外に配置された構成に比べ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
Moreover, the evaporation part may be arrange | positioned at the lowest stage.
The evaporating unit may receive heat at a temperature at which water can be evaporated at least, but the reforming unit requires a high temperature (for example, 800 degrees) for the reforming reaction. From the replacement part, it is necessary to send a reformed gas or an oxidant gas heated to a high temperature to the fuel cell stack. Since the temperature in the combustion part is higher as it goes upward, according to the configuration in which the evaporation part is arranged at the lowermost stage, the power generation efficiency of the fuel cell stack can be improved compared to the structure in which the evaporation part is arranged at other than the lowest stage. .
また、蒸発部の底部が、燃焼部の側である内側から外側へ上方に向かって傾斜する形状に形成されていてもよい。
このような構成によれば、蒸発部に入った水は高温の燃焼部に向かって流れるため、水の蒸発性能を高めることができる。
Moreover, the bottom part of the evaporation part may be formed in the shape which inclines upwards from the inner side which is the combustion part side to the outer side.
According to such a structure, since the water which entered the evaporation part flows toward a high temperature combustion part, the evaporation performance of water can be improved.
また、改質部が蒸発部の上段に配置され、改質部と蒸発部との境界をなす境界部が、燃焼部の側である内側から外側へ上方に向かって傾斜する形状に形成されていてもよい。
このような構成によれば、改質部と蒸発部との境界部が傾斜しているため、高い熱が必要な改質触媒をより多く高温側の燃焼部に接近させることができる。そのため、燃料電池用改質ユニットは、品質のよい改質ガスを燃料電池スタックに送ることができる。
Further, the reforming section is arranged in the upper stage of the evaporation section, and the boundary section that forms the boundary between the reforming section and the evaporation section is formed in a shape that inclines upward from the inside which is the combustion section side to the outside. May be.
According to such a configuration, since the boundary between the reforming section and the evaporation section is inclined, more reforming catalyst that requires high heat can be brought closer to the high temperature side combustion section. Therefore, the reforming unit for a fuel cell can send a high-quality reformed gas to the fuel cell stack.
また、燃焼部は、燃料電池スタックの下面下で、燃料電池スタックの下面全体に広がるように、改質ガスと酸化剤ガスとを燃焼させた排ガスを放出するようにしてもよい。
このような構成によれば、燃料電池スタックの下面全体に広がった排ガスにより、燃料電池スタック全体が温度分布の偏りが少ない状態で均等に覆われ、燃料電池スタックの保温効果が高くなる。したがって、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
In addition, the combustion unit may emit exhaust gas in which the reformed gas and the oxidant gas are burned so as to spread over the entire lower surface of the fuel cell stack below the lower surface of the fuel cell stack.
According to such a configuration, the exhaust gas spread over the entire lower surface of the fuel cell stack is uniformly covered with a small temperature distribution bias, and the heat retention effect of the fuel cell stack is enhanced. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell stack can be improved.
また、燃料電池スタック、蒸発部、改質部、熱交換部、及び、燃焼部の全体を覆う断熱体と、この断熱体との間に排ガス通気空間を形成するように断熱体を囲う筐体と、を備える構成としてもよい。そして、断熱体に設けられたガス抜孔から、排ガス通気空間を介して、筐体に設けられた排出口に向かい、排ガスを外部に排出する排出ルートが形成されていてもよい。 Also, a heat insulator covering the entire fuel cell stack, evaporation section, reforming section, heat exchange section, and combustion section, and a casing that surrounds the heat insulator so as to form an exhaust gas ventilation space between the heat insulator It is good also as a structure provided with these. And the discharge route which discharges | emits waste gas outside from the gas vent hole provided in the heat insulating body toward the discharge port provided in the housing | casing via exhaust gas ventilation space may be formed.
このような構成によれば、燃料電池スタックは、断熱材の中で排ガスに包まれることとなるので、発電効率の低下が抑制される。また、断熱材の周囲の排出ルートを排ガスが通ることで、断熱材全体も排ガスで包まれるので、さらに保温効果が高められる。したがって、燃料電池スタックの温度の低下を抑制し、その発電効率の低下を抑制することができる。 According to such a configuration, the fuel cell stack is wrapped in the exhaust gas in the heat insulating material, so that a decrease in power generation efficiency is suppressed. Further, since the exhaust gas passes through the discharge route around the heat insulating material, the entire heat insulating material is also wrapped with the exhaust gas, so that the heat retaining effect is further enhanced. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in the temperature of the fuel cell stack and to suppress a decrease in power generation efficiency.
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
図2、図3(A)及び図3(B)に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール1は、改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタック9を内部に備える。
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 2, FIG. 3 (A) and FIG. 3 (B), the fuel cell module 1 of this embodiment has a plurality of stacked fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a reformed gas and an oxidant gas. A fuel cell stack 9 is provided inside.
燃料電池モジュール1は、図1(A)及び図1(B)等に示すように、全体に円筒形状に形成された筐体2を備えている。そして、図3(A)等に示すように、この筐体2の側面には、燃料電池モジュール1内に水等を導入するための第1供給パイプ312及び第2供給パイプ332が貫かれており、その端部が外部に出ている。 As shown in FIGS. 1A and 1B and the like, the fuel cell module 1 includes a housing 2 formed in a cylindrical shape as a whole. As shown in FIG. 3A and the like, a first supply pipe 312 and a second supply pipe 332 for introducing water or the like into the fuel cell module 1 penetrate through the side surface of the housing 2. And its end is outside.
また、燃料電池モジュール1は、図2等に示すように、筐体2の内部に、後述する燃焼部30等を有する本体部3を備えている。燃料電池スタック9は、この本体部3上に載置される。尚、第1供給パイプ312、第2供給パイプ332は、本体部3から延設される。 Further, as shown in FIG. 2 and the like, the fuel cell module 1 includes a main body 3 having a combustion part 30 and the like to be described later inside the housing 2. The fuel cell stack 9 is placed on the main body 3. The first supply pipe 312 and the second supply pipe 332 extend from the main body 3.
図3(A)及び図3(B)に示すように、本体部3は、板金を折り曲げたり溶接したりするなどして、燃焼部30、蒸発部31、改質部32、及び、熱交換部33の各機能部、並びに、熱排出空間34が形成されるように組み立てられたものである。 As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), the main body 3 is formed by bending or welding a sheet metal, for example, the combustion section 30, the evaporation section 31, the reforming section 32, and the heat exchange. Each functional part of the part 33 and the heat exhaust space 34 are assembled so as to be formed.
燃焼部30は円筒形状に形成され、その上部側面に複数の排ガス孔302が形成されている。
蒸発部31、改質部32、熱交換部33、及び、熱排出空間34は、燃焼部30の周囲を環状に囲う形状に形成されている。そして、燃焼部30の壁面(外周面)が、蒸発部31、改質部32、熱交換部33、及び、熱排出空間34における燃焼部30側の内側壁面として用いられている。
The combustion part 30 is formed in a cylindrical shape, and a plurality of exhaust gas holes 302 are formed on the upper side surface thereof.
The evaporation unit 31, the reforming unit 32, the heat exchanging unit 33, and the heat exhaust space 34 are formed in a shape that surrounds the combustion unit 30 in an annular shape. The wall surface (outer peripheral surface) of the combustion unit 30 is used as the inner wall surface on the combustion unit 30 side in the evaporation unit 31, the reforming unit 32, the heat exchange unit 33, and the heat exhaust space 34.
このうち、蒸発部31の底部319、及び、蒸発部31と改質部32との境界をなす境界部329は、燃焼部30の側である内側から、その反対側である外側へ、上方に向かって傾斜する形状に形成されている。そして、この境界部329には、水蒸気を通す複数の通過孔328が形成されている。 Among these, the bottom part 319 of the evaporation part 31 and the boundary part 329 forming the boundary between the evaporation part 31 and the reforming part 32 are upward from the inner side which is the combustion part 30 side to the outer side which is the opposite side. It is formed in the shape which inclines toward. The boundary portion 329 has a plurality of passage holes 328 through which water vapor passes.
蒸発部31には、第1供給パイプ312が接続されている。原燃料である都市ガスと水との混合物は、第1供給パイプ312を介して外部から蒸発部31内に供給される。
この蒸発部31に混合物が供給されると、この混合物は燃焼部30から受ける熱によって温められ、水は水蒸気となる。そして、混合物のうち水が水蒸気となった混合ガスは、境界部329に設けられた通過孔328を介して改質部32に送られる。
A first supply pipe 312 is connected to the evaporation unit 31. A mixture of city gas and water as raw fuel is supplied into the evaporation section 31 from the outside via the first supply pipe 312.
When the mixture is supplied to the evaporation unit 31, the mixture is warmed by the heat received from the combustion unit 30, and the water becomes water vapor. Then, the mixed gas in which the water becomes water vapor in the mixture is sent to the reforming unit 32 through the passage hole 328 provided in the boundary part 329.
改質部32には、改質用の触媒(図示せず)が充填されている。また、この改質部32には、第2パイプ321が接続されている(図3(B)参照)。この第2パイプ321は、燃料電池スタック9に改質ガスを供給するパイプである。 The reforming unit 32 is filled with a reforming catalyst (not shown). The reformer 32 is connected to a second pipe 321 (see FIG. 3B). The second pipe 321 is a pipe that supplies reformed gas to the fuel cell stack 9.
この改質部32に蒸発部31から混合ガスが供給されると、燃焼部30から受けた熱で活性化した触媒によって混合ガスが改質され、改質ガスが生成される。この改質ガスも燃焼部30から受ける熱によって温められる。 When the mixed gas is supplied to the reforming unit 32 from the evaporation unit 31, the mixed gas is reformed by the catalyst activated by the heat received from the combustion unit 30, and a reformed gas is generated. This reformed gas is also warmed by the heat received from the combustion section 30.
そして、この温められた改質ガスは、第2パイプ321を介して燃料電池スタック9に供給される。
熱交換部33には、第3パイプ331、第2供給パイプ332が接続されている(図3(A)参照)。酸化剤ガスである空気は、第2供給パイプ332を介して外部から熱交換部33内に供給される。そして、この酸化剤ガスは、燃焼部30から受ける熱によって温められて昇温し、第3パイプ331を介して燃料電池スタック9に供給される。
The warmed reformed gas is supplied to the fuel cell stack 9 via the second pipe 321.
A third pipe 331 and a second supply pipe 332 are connected to the heat exchange unit 33 (see FIG. 3A). Air that is an oxidant gas is supplied into the heat exchanging unit 33 from the outside via the second supply pipe 332. The oxidant gas is heated by the heat received from the combustion unit 30 to be heated, and is supplied to the fuel cell stack 9 via the third pipe 331.
燃焼部30には、第1パイプ301が接続されている(図3(B)参照)。この第1パイプ301は、発電に供しなかった(未反応の)改質ガスを、燃料電池スタック9から燃焼部30に供給するパイプであり、改質ガスを燃料電池スタック9から蒸発部31の下方まで導いている。 A first pipe 301 is connected to the combustion unit 30 (see FIG. 3B). The first pipe 301 is a pipe that supplies the reformed gas that has not been used for power generation (unreacted) from the fuel cell stack 9 to the combustion unit 30. The reformed gas is supplied from the fuel cell stack 9 to the evaporation unit 31. Leads down.
燃焼部30は、この第1パイプ301を介して燃料電池スタック9から受けた改質ガスと外部から取り入れた空気とを混合して内部で燃焼させている。そして、燃焼部30は、この燃焼によって発生した排ガスを、排ガス孔302から熱排出空間34内に排出する。この排ガス孔302は、燃焼部30の熱排出空間34に位置する部分のうち、その部分の周囲側面全体に設けられている。 The combustion unit 30 mixes the reformed gas received from the fuel cell stack 9 via the first pipe 301 and the air taken from the outside, and burns it inside. The combustion unit 30 then discharges the exhaust gas generated by the combustion into the heat exhaust space 34 from the exhaust gas hole 302. The exhaust gas hole 302 is provided on the entire peripheral side surface of the portion located in the heat exhaust space 34 of the combustion unit 30.
熱排出空間34は、燃料電池スタック9の下面と平行な上面を有する環状の空間を形成している。そして、この熱排出空間34は、本体部3の最上部に配置され、燃料電池スタック9はその本体部3の上部に載せられる。 The heat exhaust space 34 forms an annular space having an upper surface parallel to the lower surface of the fuel cell stack 9. The heat exhaust space 34 is disposed at the uppermost portion of the main body 3, and the fuel cell stack 9 is placed on the upper portion of the main body 3.
断熱体4は、本体部3及び燃料電池スタック9を組み立てた全体を覆う大きさに形成されている。この断熱体4は、本体部3及び燃料電池スタック9との間に断熱空間49を形成する。断熱体4の上面の中央にはガス抜孔40が形成されている。 The heat insulator 4 is formed in a size that covers the entire assembly of the main body 3 and the fuel cell stack 9. The heat insulator 4 forms a heat insulating space 49 between the main body 3 and the fuel cell stack 9. A gas vent hole 40 is formed in the center of the upper surface of the heat insulator 4.
筐体2は、この断熱体4との間に排ガス通気空間39を形成するように、本体部3及び燃料電池スタック9を囲っている断熱体4を覆うことが可能な大きさに形成されている。
また、筐体2の下面には、排ガス通気空間39が外部空間に対して開口する排出口42が形成されている。
The housing 2 is formed in a size that can cover the heat insulator 4 surrounding the main body 3 and the fuel cell stack 9 so as to form an exhaust gas ventilation space 39 between the housing 2 and the heat insulator 4. Yes.
In addition, a discharge port 42 through which the exhaust gas ventilation space 39 opens to the external space is formed on the lower surface of the housing 2.
この排ガス通気空間39と排出口42とにより、筐体2と断熱体4との間には、断熱空間49内の排ガスを排出する排出ルートであって、ガス抜孔40から排ガス通気空間39を介して排出口42に至る排出ルートが形成される。 By this exhaust gas ventilation space 39 and the exhaust port 42, there is an exhaust route for exhausting exhaust gas in the heat insulation space 49 between the housing 2 and the heat insulating body 4. Thus, a discharge route reaching the discharge port 42 is formed.
燃焼部30の排ガス孔302から排ガスが排出されると、燃料電池スタック9の下面下で、燃料電池スタック9の下面全体に広がるように排ガスが放出される。
その後、この排ガス孔302から排出された排ガスは、熱排出空間34に設けられた熱排出孔341から、断熱体4で囲まれた断熱空間49内に排出される。
When the exhaust gas is discharged from the exhaust gas holes 302 of the combustion unit 30, the exhaust gas is released so as to spread over the entire lower surface of the fuel cell stack 9 below the lower surface of the fuel cell stack 9.
Thereafter, the exhaust gas discharged from the exhaust gas hole 302 is discharged from a heat discharge hole 341 provided in the heat discharge space 34 into a heat insulating space 49 surrounded by the heat insulating body 4.
そのため、燃焼部30の排ガス孔302から排出された排ガスは、熱排出空間34内へ放出された後、断熱体4の断熱空間49内に排出されて充満し、その後、ガス抜孔40から排出ルートを経て排出口42を介して外部に排出される。 Therefore, the exhaust gas discharged from the exhaust gas holes 302 of the combustion unit 30 is discharged into the heat discharge space 34 and then discharged into the heat insulating space 49 of the heat insulating body 4 to be filled. And then discharged to the outside through the discharge port 42.
以上のように構成された燃料電池モジュール1は、以下のような特徴的な作用効果を有する。
上記実施形態の燃料電池モジュール1は、蒸発部31、改質部32、及び、熱交換部33の内側の壁面として燃焼部30の周囲側面を利用して、蒸発部31、改質部32、及び、熱交換部33を構成しているので、これらは燃焼部30に隣接して配置される。
The fuel cell module 1 configured as described above has the following characteristic operational effects.
The fuel cell module 1 of the above embodiment uses the peripheral side surface of the combustion unit 30 as the inner wall surface of the evaporation unit 31, the reforming unit 32, and the heat exchange unit 33, and the evaporation unit 31, the reforming unit 32, And since the heat exchange part 33 is comprised, these are arrange | positioned adjacent to the combustion part 30. FIG.
そのため、燃焼部30から蒸発部31、改質部32、及び、熱交換部33へは、途中で熱が奪われることなく、直接熱が伝達される。
そのため、この燃料電池モジュール1を用いると、燃焼部30から直接受けた熱で酸化剤ガスが温められるので、この温度よりも低い熱で酸化剤ガスを温めていた従来の構成に比べ、燃料電池スタック9の発電効率を向上させることができる。
Therefore, heat is directly transferred from the combustion unit 30 to the evaporation unit 31, the reforming unit 32, and the heat exchange unit 33 without being deprived of heat on the way.
Therefore, when this fuel cell module 1 is used, the oxidant gas is warmed by the heat directly received from the combustion unit 30, so that the fuel cell is compared with the conventional configuration in which the oxidant gas is warmed by heat lower than this temperature. The power generation efficiency of the stack 9 can be improved.
また、上記実施形態の燃料電池モジュール1では、蒸発部31、改質部32、及び、熱交換部33が、燃焼部30の周囲を環状に囲っている。燃焼部30から逃げる熱量に偏りがあると、燃焼部30、蒸発部31、改質部32、及び、熱交換部33を構成するユニット(燃料電池用改質ユニット)にひずみが生じ易くなるが、上記実施形態の構成によれば、燃焼部30から逃げる熱量が偏りにくくなる。そのため、ひずみによって燃料電池用改質ユニットが破損する可能性を少なくすることができる。 Further, in the fuel cell module 1 of the above-described embodiment, the evaporation unit 31, the reforming unit 32, and the heat exchange unit 33 surround the combustion unit 30 in an annular shape. If there is a bias in the amount of heat that escapes from the combustion unit 30, the unit (fuel cell reforming unit) that constitutes the combustion unit 30, the evaporation unit 31, the reforming unit 32, and the heat exchange unit 33 is likely to be distorted. According to the configuration of the above embodiment, the amount of heat that escapes from the combustion unit 30 is less likely to be biased. Therefore, the possibility that the reforming unit for the fuel cell is damaged due to strain can be reduced.
また、上記実施形態の燃料電池モジュール1では、蒸発部31が最下段に配置されている。
蒸発部31では、少なくとも水を蒸発させることが可能な温度で熱を受ければよいが、改質部32では、改質反応のために高い温度(例えば800度)が必要であり、改質部32及び熱交換部33からは燃料電池スタック9に対し高温に温められた改質ガスや酸化剤ガスを送る必要がある。
Moreover, in the fuel cell module 1 of the said embodiment, the evaporation part 31 is arrange | positioned in the lowest stage.
The evaporation unit 31 may receive heat at a temperature at which water can be evaporated at least, but the reforming unit 32 needs a high temperature (for example, 800 degrees) for the reforming reaction. It is necessary to send a reformed gas and an oxidant gas heated to a high temperature from the fuel cell stack 9 to the fuel cell stack 9.
燃焼部30内の温度は上方ほど高いので、蒸発部31が最下段に配置された構成によれば、蒸発部31が最下段以外に配置された構成に比べ、燃料電池スタック9の発電効率を向上させることができる。 Since the temperature in the combustion unit 30 is higher as it goes upward, according to the configuration in which the evaporation unit 31 is arranged at the lowermost stage, the power generation efficiency of the fuel cell stack 9 is improved compared to the configuration in which the evaporation unit 31 is arranged at other than the lowermost stage. Can be improved.
また、上記実施形態の燃料電池モジュール1では、蒸発部31の底部が、燃焼部30側である内側から外側に向かって上昇しながら傾斜する形状に形成されている。したがって、蒸発部31に入った水は高温の燃焼部30側に向かって流れることとなり、蒸発性能が向上する。 Moreover, in the fuel cell module 1 of the said embodiment, the bottom part of the evaporation part 31 is formed in the shape which inclines while rising toward the outer side from the inner side which is the combustion part 30 side. Therefore, the water that has entered the evaporation section 31 flows toward the high-temperature combustion section 30 and the evaporation performance is improved.
また、上記実施形態の燃料電池モジュール1では、改質部32が蒸発部31の上段に配置され、蒸発部31と改質部32との境界をなす境界部329が、燃焼部30側である内側から外側に向かって上昇しながら傾斜する形状に形成されている。 Further, in the fuel cell module 1 of the above-described embodiment, the reforming unit 32 is disposed on the upper stage of the evaporation unit 31, and the boundary portion 329 that forms the boundary between the evaporation unit 31 and the reforming unit 32 is the combustion unit 30 side. It is formed in a shape that inclines while rising from the inside to the outside.
このように、蒸発部31と改質部32との境界部329が傾斜しているため、活性化するために高い熱が必要な改質触媒をより多く高温の燃焼部30に接近させることができる。 As described above, since the boundary portion 329 between the evaporation portion 31 and the reforming portion 32 is inclined, it is possible to bring more reforming catalysts that require high heat to be activated closer to the high-temperature combustion portion 30. it can.
そのため、この燃料電池モジュール1は、品質のよい改質ガスを燃料電池スタック9に送ることができる。
また、上記実施形態の燃料電池モジュール1は、燃料電池スタック9、蒸発部31、改質部32、熱交換部33、及び、燃焼部30の全体を覆うことが可能な筐体2を備え、燃焼部30は、燃料電池スタック9の下面下で、排ガスを放出している。
Therefore, the fuel cell module 1 can send high quality reformed gas to the fuel cell stack 9.
The fuel cell module 1 of the above embodiment includes the housing 2 that can cover the entire fuel cell stack 9, the evaporation unit 31, the reforming unit 32, the heat exchange unit 33, and the combustion unit 30. The combustion unit 30 emits exhaust gas under the lower surface of the fuel cell stack 9.
燃料電池スタック9は、熱排出空間34を形成する天面(本体部3の天面)を介して燃焼部30によって熱せられる。しかし、例えば燃料電池スタック9の周囲の温度分布に偏りがあった場合、燃料電池スタック9の温度分布もその偏りに対応するように偏ってしまう可能性がある。 The fuel cell stack 9 is heated by the combustion unit 30 through the top surface (the top surface of the main body 3) that forms the heat exhaust space 34. However, for example, when the temperature distribution around the fuel cell stack 9 is biased, the temperature distribution of the fuel cell stack 9 may be biased to correspond to the bias.
そのため、上記実施形態のように、燃料電池スタック9の下面下で、燃料電池スタック9の下面全体に広がるように排ガスを放出する構成によれば、その排ガスにより筐体2内で燃料電池スタック9全体が温度分布の偏りの少ない状態で均等に覆われ、燃料電池スタック9の温度が保たれる。 Therefore, according to the configuration in which the exhaust gas is discharged so as to spread over the entire lower surface of the fuel cell stack 9 below the lower surface of the fuel cell stack 9 as in the above-described embodiment, the fuel cell stack 9 is generated in the housing 2 by the exhaust gas. The whole is evenly covered with a small temperature distribution bias, and the temperature of the fuel cell stack 9 is maintained.
そのため、この燃料電池モジュール1は、燃料電池スタック9の発電効率をより一層向上することができる。
また、上記実施形態の燃料電池モジュール1は、燃料電池スタック9、蒸発部31、改質部32、熱交換部33、及び、燃焼部30の全体が断熱体4で覆われている。そして筐体2は、その断熱体4との間に排ガス通気空間39を形成するように断熱体4を囲っている。
Therefore, this fuel cell module 1 can further improve the power generation efficiency of the fuel cell stack 9.
In the fuel cell module 1 of the above embodiment, the fuel cell stack 9, the evaporation unit 31, the reforming unit 32, the heat exchange unit 33, and the entire combustion unit 30 are covered with the heat insulator 4. And the housing | casing 2 has enclosed the heat insulating body 4 so that the exhaust gas ventilation space 39 may be formed between the heat insulating bodies 4. FIG.
この結果、断熱体4の頂部に設けられたガス抜孔40から排ガス通気空間39を介して筐体2の底部に設けられた排出口42に向かって、断熱体4で囲まれた断熱空間49内の排ガスを外部に排出する排出ルートが形成される。 As a result, the inside of the heat insulating space 49 surrounded by the heat insulating body 4 from the gas vent hole 40 provided at the top of the heat insulating body 4 through the exhaust gas ventilation space 39 toward the discharge port 42 provided at the bottom of the housing 2. A discharge route for discharging the exhaust gas to the outside is formed.
このような構成によれば、燃料電池スタック9が断熱体4の中で排ガスに包まれ、燃料電池スタック9の温度が保たれ、その発電効率の低下が抑制される。
また、この燃料電池モジュール1は、断熱体4の周囲に排出ルートが設けられることにより、断熱体4全体も排ガスで包まれることとなるので、さらに保温効果が高められている。
According to such a configuration, the fuel cell stack 9 is wrapped in the exhaust gas in the heat insulator 4, the temperature of the fuel cell stack 9 is maintained, and a decrease in power generation efficiency is suppressed.
In addition, since the fuel cell module 1 is provided with a discharge route around the heat insulator 4, the heat insulator 4 as a whole is also enveloped with exhaust gas, so that the heat retention effect is further enhanced.
そのため、この燃料電池モジュール1によれば、燃料電池スタック9の温度をより一層確実に保ち、その発電効率の低下をより一層確実に抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池モジュール1を構成する本体部3は、燃焼部30が蒸発部31、改質部32、及び、熱交換部33の壁面となるように、板材を溶接して形成する、非常にシンプルな構造をしている。
Therefore, according to the fuel cell module 1, the temperature of the fuel cell stack 9 can be more reliably maintained, and the decrease in the power generation efficiency can be more reliably suppressed.
Further, the main body 3 constituting the fuel cell module 1 of the present embodiment is formed by welding plate materials so that the combustion unit 30 becomes the wall surface of the evaporation unit 31, the reforming unit 32, and the heat exchange unit 33. It has a very simple structure.
そのため、この燃料電池モジュール1は、安価にかつ簡単に製造することができる。
[他の実施形態]
以上、実施形態について説明したが、特許請求の範囲に記載された発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
Therefore, the fuel cell module 1 can be manufactured inexpensively and easily.
[Other Embodiments]
Although the embodiment has been described above, it is needless to say that the invention described in the claims is not limited to the above embodiment and can take various forms.
(1)上記実施形態で説明した燃料電池モジュール1はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。
(2)上記実施形態では、円筒形状に形成された燃料電池モジュール1を例示したが、これに限られるものではない。
(1) The fuel cell module 1 described in the above embodiment is merely an example, and the present invention is not limited to this.
(2) In the said embodiment, although the fuel cell module 1 formed in the cylindrical shape was illustrated, it is not restricted to this.
(3)上記実施形態では、原燃料として都市ガスを用いているが、原燃料はこれに限られるものではない。
(4)上記実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いているが、酸化剤ガスはこれに限られるものではない。
(3) In the above embodiment, city gas is used as the raw fuel, but the raw fuel is not limited to this.
(4) In the above embodiment, air is used as the oxidant gas, but the oxidant gas is not limited to this.
(5)上記実施形態では断熱体4を用いているが、この断熱体4としては、断熱材として知られている物を材料として用いてもよいが、断熱効果が見込まれる材料であればどのようなものを用いてもよく、例えば板金を用いてもよい。 (5) In the above embodiment, the heat insulator 4 is used. As the heat insulator 4, a material known as a heat insulator may be used as a material. Such a thing may be used, for example, a sheet metal may be used.
(6)上記実施形態では、燃料電池スタック9から燃焼部30に改質ガスのみを送っているが、例えば原燃料や酸化剤ガスを送ってもよい。 (6) In the above embodiment, only the reformed gas is sent from the fuel cell stack 9 to the combustion unit 30, but for example, raw fuel or oxidant gas may be sent.
1… 燃料電池モジュール 2… 筐体 3… 本体部 4… 断熱体
9… 燃料電池スタック 30… 燃焼部 31… 蒸発部 32… 改質部
33… 熱交換部 34… 熱排出空間 39… 排ガス通気空間 40… ガス抜孔
42… 排出口 49… 断熱空間 301… 第1パイプ 302… 排ガス孔
312… 第1供給パイプ 319… 底部 321… 第2パイプ 328… 通過孔
329… 境界部 331… 第3パイプ 332… 第2供給パイプ
341… 熱排出孔。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell module 2 ... Case 3 ... Main body part 4 ... Heat insulator 9 ... Fuel cell stack 30 ... Combustion part 31 ... Evaporation part 32 ... Reforming part 33 ... Heat exchange part 34 ... Heat exhaust space 39 ... Exhaust gas ventilation space 40 ... Gas vent hole 42 ... Discharge port 49 ... Heat insulation space 301 ... First pipe 302 ... Exhaust gas hole 312 ... First supply pipe 319 ... Bottom 321 ... Second pipe 328 ... Pass-through hole 329 ... Boundary part 331 ... Third pipe 332 ... 2nd supply pipe 341 ... Heat exhaust hole.
Claims (8)
水蒸気を発生させる蒸発部と、
原燃料と前記蒸発部で発生させた水蒸気との混合ガスを改質して前記改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料電池スタックに送る改質部と、
前記酸化剤ガスを昇温させ、昇温した前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに送る熱交換部と、
前記燃料電池スタックから排出される未反応の前記改質ガスを燃焼させ、前記蒸発部、前記改質部、前記熱交換部、及び、前記燃料電池スタックに伝達する熱を発生させる燃焼部と
を備え、
前記蒸発部、前記改質部、及び、前記熱交換部が積み重ねられるとともに、前記蒸発部、前記改質部、及び、前記熱交換部に前記燃焼部が隣接して配置されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。 A fuel cell reforming unit for constituting a fuel cell module together with a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a reformed gas and an oxidant gas are stacked,
An evaporation section that generates water vapor;
A reforming unit that reforms a mixed gas of raw fuel and water vapor generated in the evaporation unit to generate the reformed gas, and sends the reformed gas to the fuel cell stack;
A heat exchanging unit that raises the temperature of the oxidant gas and sends the heated oxidant gas to the fuel cell stack;
Combusting the unreacted reformed gas discharged from the fuel cell stack, and generating the heat transmitted to the evaporation unit, the reforming unit, the heat exchange unit, and the fuel cell stack. Prepared,
The evaporation unit, the reforming unit, and the heat exchange unit are stacked, and the combustion unit is disposed adjacent to the evaporation unit, the reforming unit, and the heat exchange unit. A fuel cell reforming unit.
前記蒸発部、前記改質部、及び、前記熱交換部は、前記燃焼部の周囲を環状に囲う形状に形成されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。 The fuel cell reforming unit according to claim 1,
The reforming unit for a fuel cell, wherein the evaporating unit, the reforming unit, and the heat exchanging unit are formed in a shape surrounding the combustion unit in an annular shape.
前記蒸発部は、最下段に配置されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。 In the reforming unit for fuel cells according to any one of claims 1 to 2,
The fuel cell reforming unit is characterized in that the evaporating section is disposed at a lowermost stage.
前記蒸発部の底部が、前記燃焼部の側である内側から外側へ上方に向かって傾斜する形状に形成されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。 In the reforming unit for fuel cells according to any one of claims 1 to 3,
A reforming unit for a fuel cell, wherein a bottom portion of the evaporating portion is formed in a shape that is inclined upward from the inner side, which is the combustion portion side, to the outer side.
前記改質部は、前記蒸発部の上段に配置され、
前記改質部と前記蒸発部との境界をなす境界部が、前記燃焼部の側である内側から外側へ上方に向かって傾斜する形状に形成されていることを特徴とする燃料電池用改質ユニット。 In the fuel cell reforming unit according to any one of claims 1 to 4,
The reforming unit is disposed in the upper stage of the evaporation unit,
A reforming for a fuel cell, characterized in that a boundary part that forms a boundary between the reforming part and the evaporation part is formed in a shape that is inclined upward from the inner side which is the combustion part side to the outer side. unit.
前記燃焼部は、
前記燃料電池スタックの下面下で、前記燃料電池スタックの下面全体に広がるように、前記改質ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させた排ガスを放出することを特徴とする燃料電池用改質ユニット。 In the fuel cell reforming unit according to any one of claims 1 to 5,
The combustion part is
A reforming unit for a fuel cell that discharges an exhaust gas obtained by burning the reformed gas and the oxidant gas so as to spread over the entire lower surface of the fuel cell stack below the lower surface of the fuel cell stack. .
前記燃料電池スタック、前記蒸発部、前記改質部、前記熱交換部、及び、前記燃焼部の全体を覆う断熱体と、
前記断熱体との間に排ガス通気空間を形成するように前記断熱体を囲う筐体と、
を備え、
前記断熱体に設けられたガス抜孔から、前記排ガス通気空間を介して、前記筐体に設けられた排出口に向かい、前記排ガスを外部に排出する排出ルートを形成する
ことを特徴とする燃料電池用改質ユニット。 The fuel cell reforming unit according to claim 6,
A heat insulator covering the fuel cell stack, the evaporation unit, the reforming unit, the heat exchange unit, and the entire combustion unit;
A housing that surrounds the heat insulator so as to form an exhaust gas ventilation space between the heat insulator, and
With
A fuel cell, wherein a discharge route for discharging the exhaust gas to the outside is formed from the gas vent hole provided in the heat insulator to the exhaust port provided in the housing through the exhaust gas ventilation space. Reforming unit.
前記燃料電池スタックと
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。 A fuel cell reforming unit according to any one of claims 1 to 7,
A fuel cell module comprising the fuel cell stack.
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