JP2016219397A - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module.
燃料電池の一種である固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）の燃料電池スタックは、他の種類の燃料電池のものと比較して、高い温度域で発電を行う。その際、燃料電池モジュールは、燃料電池を高い温度域に保つ役割を果たすが、燃料電池モジュールを構成する部品の配置や部材によっては、局所的に低温になりやすく、燃料電池スタックの温度分布が不均一になりやすい。これに対して、燃料電池スタックの温度バランスを均一化する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。 A fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC), which is a kind of fuel cell, generates power in a higher temperature range than that of other types of fuel cells. At that time, the fuel cell module plays a role of keeping the fuel cell in a high temperature range, but depending on the arrangement and members of the components constituting the fuel cell module, the temperature tends to be locally low, and the temperature distribution of the fuel cell stack is It tends to be uneven. On the other hand, a technique for making the temperature balance of the fuel cell stack uniform has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献１に記載されている燃料電池モジュールでは、内部に蒸発部が設けられた改質器が、高温の燃料電池スタックの上側に配置されている。蒸発部は比較的低温であるため、燃料電池スタックのうち、蒸発部に近い部分では、蒸発部に熱が奪われやすい。このため、燃料電池スタックの温度バランスの均一化が不十分であり、燃料電池スタックの更なる改良が望まれる。 In the fuel cell module described in Patent Document 1, a reformer having an evaporation portion provided therein is disposed on the upper side of a high-temperature fuel cell stack. Since the evaporation section is relatively low in temperature, heat is easily lost to the evaporation section in a portion of the fuel cell stack close to the evaporation section. For this reason, the temperature balance of the fuel cell stack is insufficiently uniform, and further improvement of the fuel cell stack is desired.
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、燃料電池スタックの温度バランスを均一にすることが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 has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell module that can make the temperature balance of the fuel cell stack uniform.
上述の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、供給された水を水蒸気に変化させ、前記水蒸気と原料ガスとの混合ガスを送出する蒸発部と、前記蒸発部から送出された前記混合ガスを、水素ガスを含む改質ガスに改質する改質部と、前記改質部によって改質された前記改質ガスと外部から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池スタックとを備え、前記燃料電池スタック、前記改質部、及び前記蒸発部は、互いに両部よりも高い温度の領域を隔てて、順に配置されている。 In order to achieve the above-described object, a fuel cell module according to the present invention changes the supplied water to water vapor, sends out a mixed gas of the water vapor and the raw material gas, and sends out from the evaporation unit. In addition, a reforming unit that reforms the mixed gas into a reformed gas containing hydrogen gas, and the reformed gas reformed by the reforming unit and an oxidant gas supplied from the outside are electrochemically reacted. And the fuel cell stack, the reforming unit, and the evaporation unit are sequentially arranged with a temperature region higher than both of them.
本発明に係る燃料電池モジュールでは、燃料電池スタック、改質部、及び蒸発部は、互いに両部よりも高い温度の領域を隔てて、順に配置されている。蒸発部、改質部、及び燃料電池スタックの各部材が動作する温度域は、各部材の中で、燃料電池スタックが最も高く、蒸発部が最も低い。このため、蒸発部が、改質部よりも燃料電池スタックから隔てた位置に配置されることで、燃料電池スタックは低温の蒸発部に熱が奪われにくくなる。結果として、燃料電池スタックの温度バランスを均一にすることができる。 In the fuel cell module according to the present invention, the fuel cell stack, the reforming unit, and the evaporation unit are sequentially arranged with a temperature region higher than both of them. The temperature range in which each member of the evaporation section, the reforming section, and the fuel cell stack operates is the highest in the fuel cell stack and the lowest in the evaporation section among the members. For this reason, since the evaporation unit is arranged at a position farther from the fuel cell stack than the reforming unit, the fuel cell stack is less likely to lose heat to the low temperature evaporation unit. As a result, the temperature balance of the fuel cell stack can be made uniform.
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０について、図１〜図３を用いて説明する。 Hereinafter, a fuel cell module 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
燃料電池モジュール１０は、家庭用の設備機器や車載機器の発電を目的とした燃料電池を用いた発電機である。燃料電池モジュール１０は、水と、炭化水素化合物で構成された原料ガスと、空気等の酸化剤ガスとが供給されることにより発電を行う。燃料電池モジュール１０は、図１及び図２に示すように、燃料電池スタック２０と、燃焼部３０と、改質部４０と、排ガス流路５０と、蒸発部６０とを備える。燃料電池スタック２０，燃焼部３０，改質部４０，排ガス流路５０，及び蒸発部６０は、下から順に配置されて、モジュール筐体７０の内部に収納されている。 The fuel cell module 10 is a generator using a fuel cell for the purpose of power generation for household equipment and in-vehicle devices. The fuel cell module 10 generates power by supplying water, a raw material gas composed of a hydrocarbon compound, and an oxidant gas such as air. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell module 10 includes a fuel cell stack 20, a combustion unit 30, a reforming unit 40, an exhaust gas flow channel 50, and an evaporation unit 60. The fuel cell stack 20, the combustion unit 30, the reforming unit 40, the exhaust gas flow channel 50, and the evaporation unit 60 are arranged in order from the bottom and housed in the module housing 70.
モジュール筐体７０は、図中上下方向を長手方向とする略円柱形に形成されたケースである。モジュール筐体７０の上面には、燃料電池モジュール１０の内部に原料ガス及び水を供給するための原料ガス供給管１１及び水供給管１２が設けられている。また、モジュール筐体７０の側面には、内部に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給管１３と、外部に排ガスを排出するための排ガス排出管１４とが設けられている。モジュール筐体７０の内周面には、排ガス排出管１４に通じ、排ガスを外部に排出するための排ガス排出流路７１が形成されている。また、モジュール筐体７０は、円筒形状の内壁７２，中間壁７３，及び外壁７４が所定の間隔で配置されて構成された多重管構造からなる。 The module housing 70 is a case formed in a substantially cylindrical shape whose longitudinal direction is the vertical direction in the drawing. A raw material gas supply pipe 11 and a water supply pipe 12 for supplying raw material gas and water to the inside of the fuel cell module 10 are provided on the upper surface of the module housing 70. Further, an oxidant gas supply pipe 13 for supplying oxidant gas to the inside and an exhaust gas discharge pipe 14 for discharging exhaust gas to the outside are provided on the side surface of the module housing 70. An exhaust gas exhaust passage 71 is formed on the inner peripheral surface of the module housing 70 to communicate with the exhaust gas exhaust pipe 14 and exhaust the exhaust gas to the outside. The module housing 70 has a multiple tube structure in which a cylindrical inner wall 72, an intermediate wall 73, and an outer wall 74 are arranged at predetermined intervals.
燃料電池スタック２０は、複数積層された板状の燃料電池セルで構成されている。さらに、燃料電池スタック２０には、燃料電池セルから排出された未反応ガスを通す、未反応ガス流路２１が形成されている。未反応ガス流路２１は、燃料電池スタック２０の下面と燃焼部３０とを接続する。この未反応ガス流路２１により、燃料電池スタック２０は、燃焼部３０の内部に通じている。 The fuel cell stack 20 is composed of a plurality of stacked plate-like fuel cells. Further, an unreacted gas flow path 21 through which the unreacted gas discharged from the fuel cell is passed is formed in the fuel cell stack 20. The unreacted gas channel 21 connects the lower surface of the fuel cell stack 20 and the combustion unit 30. The fuel cell stack 20 communicates with the inside of the combustion unit 30 by the unreacted gas channel 21.
燃料電池スタック２０の燃料電池セルは、セラミックス等から形成されている燃料極（アノード）と空気極（カソード）とからなる一対の電極と、燃料極と空気極との間に介在する電解質とを含んで構成されている。燃料電池スタック２０は、例えば、７００℃程度の高温度域で、改質ガスを電気化学反応させて発電する。そして、燃料電池スタック２０は、電気化学反応に対して未反応の改質ガス（未反応ガス）を、未反応ガス流路２１を介して、燃焼部３０に送出する。 The fuel cell of the fuel cell stack 20 includes a pair of electrodes composed of a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) formed of ceramics and the like, and an electrolyte interposed between the fuel electrode and the air electrode. It is configured to include. The fuel cell stack 20 generates power by causing an electrochemical reaction of the reformed gas in a high temperature range of about 700 ° C., for example. Then, the fuel cell stack 20 sends unreacted reformed gas (unreacted gas) to the combustion unit 30 via the unreacted gas flow path 21 with respect to the electrochemical reaction.
燃焼部３０は、燃料電池スタック２０の上面に設けられている。燃焼部３０は、未反応ガス流路２１を介して供給された未反応ガスを燃焼し、燃焼した未反応ガス（排ガス）を排ガス流路５０に送出する。また、燃焼部３０は、改質反応に適するように改質部４０の加熱を行う。 The combustion unit 30 is provided on the upper surface of the fuel cell stack 20. The combustion unit 30 combusts the unreacted gas supplied via the unreacted gas channel 21 and sends the burned unreacted gas (exhaust gas) to the exhaust gas channel 50. In addition, the combustion unit 30 heats the reforming unit 40 so as to be suitable for the reforming reaction.
改質部４０は、図３（Ａ）に示すように、燃焼部３０の上面に設けられている。また、改質部４０と燃料電池スタック２０とは、互いに両部（改質部４０及び燃料電池スタック２０）よりも高い温度の領域である燃焼部３０を隔てて配置されている。改質部４０の内部には、水蒸気改質触媒が充填されている。改質部４０は、水蒸気改質触媒によって、原料ガスと水蒸気（Ｈ２Ｏ）とを改質することにより、水素（Ｈ２）を含む改質ガスを生成する。例えば、原料ガスの主原料がメタン（ＣＨ４）である場合、改質部４０は、下記式（１）に示すように、メタン（ＣＨ４）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）とから、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を生成する。改質部４０の改質反応は、例えば、６００℃程度の高温度域で行われる。改質部４０は、生成された改質ガスを、改質部４０の側面と燃料電池スタック２０の下面とを接続する改質ガス流路４１を介して、燃料電池スタック２０に送出する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ（ｇ）→３Ｈ２＋ＣＯ （１）
The reformer 40 is provided on the upper surface of the combustor 30 as shown in FIG. In addition, the reforming unit 40 and the fuel cell stack 20 are disposed with the combustion unit 30 being a region of higher temperature than the two units (the reforming unit 40 and the fuel cell stack 20). The reforming unit 40 is filled with a steam reforming catalyst. The reforming unit 40 generates a reformed gas containing hydrogen (H 2 ) by reforming the raw material gas and the steam (H 2 O) with a steam reforming catalyst. For example, when the main raw material of the raw material gas is methane (CH 4 ), the reforming unit 40 can generate hydrogen (CH 4 ) and water vapor (H 2 O) from hydrogen ( H 2 ) and carbon monoxide (CO). The reforming reaction of the reforming unit 40 is performed in a high temperature range of about 600 ° C., for example. The reforming unit 40 sends the generated reformed gas to the fuel cell stack 20 via the reformed gas flow path 41 that connects the side surface of the reforming unit 40 and the lower surface of the fuel cell stack 20.
CH 4 + H 2 O (g) → 3H 2 + CO (1)
また、改質部４０には、一つ以上の貫通孔４２（接続管）が、図中上下方向に貫通して形成されている。燃焼部３０の内部は、この貫通孔４２によって、排ガス流路５０に通じている。燃焼部３０で未反応ガスを燃焼して生じた排ガスは、貫通孔４２を介して排ガス流路５０に送出される。また、貫通孔４２の内部には、燃焼部３０で燃焼しきれなかった未反応ガスの燃焼を促進させるための燃焼促進材（熱伝達材又は燃焼触媒）が配置されている。燃焼促進材としては、未反応ガスと空気とを混合させることで燃焼を促すことができるもの、伝熱面積を大きくして未反応ガスに熱を供給することで燃焼を促すことができる熱伝達材、化学的反応（２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２）を促進させることで燃焼を促すことができる燃焼触媒、が用いられる。具体的には、燃焼促進材には、例えば、白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），セリウム（Ｃｅ），オスミウム（Ｏｓ）を主成分とする燃焼触媒、金属ウール、セラミックスウール、セラミックスボール等が用いられる。しかしながら、これに限られず、未反応ガスの燃焼を促すものであれば、これら以外のものが用いられてもよい。貫通孔４２の下部には、カバー部材４３が取り付けられている。カバー部材４３は貫通孔４２の下部に取り付けられることで、燃焼部３０の内部に配置される。 Further, one or more through holes 42 (connection pipes) are formed in the reforming portion 40 so as to penetrate in the vertical direction in the figure. The inside of the combustion unit 30 communicates with the exhaust gas flow path 50 through the through hole 42. Exhaust gas generated by burning unreacted gas in the combustion unit 30 is sent to the exhaust gas flow channel 50 through the through hole 42. In addition, a combustion promoting material (heat transfer material or combustion catalyst) for accelerating the combustion of unreacted gas that could not be combusted in the combustion unit 30 is disposed inside the through hole 42. Combustion promoting materials include those that can promote combustion by mixing unreacted gas and air, heat transfer that can promote combustion by increasing the heat transfer area and supplying heat to the unreacted gas A material, a combustion catalyst that can promote combustion by promoting a chemical reaction (2CO + O 2 → 2CO 2 ) is used. Specifically, the combustion promoting material includes, for example, a combustion catalyst mainly composed of platinum (Pt), rhodium (Rh), cerium (Ce), osmium (Os), metal wool, ceramic wool, ceramic balls, and the like. Used. However, the present invention is not limited to this, and other materials may be used as long as they promote combustion of unreacted gas. A cover member 43 is attached to the lower part of the through hole 42. The cover member 43 is disposed in the combustion portion 30 by being attached to the lower portion of the through hole 42.
カバー部材４３は、例えば、ガスが通過できるように複数の穴４３ａが形成された外周側面と、穴４３ａが形成されていない底面と、からなる有底円筒形状に形成されている。カバー部材４３の内部には、燃焼部３０で燃焼しきれなかった未反応ガスの燃焼を促進させるための燃焼促進材（熱伝達材又は燃焼触媒）が配置されている。カバー部材４３の内部に配置されている燃焼促進材は、貫通孔４２の内部に配置されている上述した燃焼促進材と同等のものである。 The cover member 43 is formed in a bottomed cylindrical shape including, for example, an outer peripheral side surface in which a plurality of holes 43a are formed so that gas can pass and a bottom surface in which the holes 43a are not formed. Inside the cover member 43, a combustion promoting material (heat transfer material or combustion catalyst) for accelerating the combustion of unreacted gas that could not be combusted in the combustion unit 30 is disposed. The combustion promoting material disposed inside the cover member 43 is equivalent to the above-described combustion promoting material disposed inside the through hole 42.
排ガス流路５０は、図１及び図２に示すように、改質部４０と蒸発部６０とを隔てるための空間を備える略円筒形の部材であり、改質部４０と蒸発部６０との間に形成されている。排ガス流路５０の外周面には、排ガスが通過する孔５１が形成されている。孔５１は、例えば、排ガス流路５０の外周面に一箇所以上形成されている。排ガス流路５０は、燃焼部３０とともに、改質反応に適するように改質部４０の加熱を行う。排ガス流路５０は、蒸発部６０の加熱を行う。また、排ガス流路５０の内部には、燃焼部３０で燃焼しきれなかった未反応ガスの燃焼を促進させるための燃焼促進材（熱伝達材又は燃焼触媒）が配置されている。排ガス流路５０の内部に配置されている燃焼促進材は、貫通孔４２及びカバー部材４３の内部に配置されている上述した燃焼促進材と同等のものである。 As shown in FIGS. 1 and 2, the exhaust gas flow channel 50 is a substantially cylindrical member having a space for separating the reforming unit 40 and the evaporation unit 60. It is formed between. A hole 51 through which exhaust gas passes is formed on the outer peripheral surface of the exhaust gas channel 50. For example, one or more holes 51 are formed on the outer peripheral surface of the exhaust gas flow channel 50. The exhaust gas flow channel 50 heats the reforming unit 40 together with the combustion unit 30 so as to be suitable for the reforming reaction. The exhaust gas channel 50 heats the evaporation unit 60. A combustion promoting material (heat transfer material or combustion catalyst) for accelerating the combustion of unreacted gas that could not be combusted in the combustion section 30 is disposed inside the exhaust gas flow channel 50. The combustion promoting material disposed inside the exhaust gas flow channel 50 is equivalent to the above-described combustion promoting material disposed inside the through hole 42 and the cover member 43.
蒸発部６０は、モジュール筐体７０内の上部近傍に設けられている。また、蒸発部６０と改質部４０とは、互いに両部（蒸発部６０及び改質部４０）よりも高い温度の領域である排ガス流路５０を隔てて配置されている。蒸発部６０には、原料ガス及び水を供給するための原料ガス供給管１１及び水供給管１２が接続されている。蒸発部６０には、矢印Ａ１及び矢印Ａ２に示されるように、燃料電池モジュール１０の外部から原料ガス及び水が供給される。蒸発部６０は、供給された水を蒸発し、水蒸気に変化させる。蒸発部６０は、この水蒸気と原料ガスとを、混合ガス流路６１を介して改質部４０に送出する。蒸発部６０での水の蒸発は、例えば、３００℃程度の低温度域で行われる。 The evaporation unit 60 is provided in the vicinity of the upper part in the module housing 70. In addition, the evaporation unit 60 and the reforming unit 40 are disposed with an exhaust gas flow channel 50 that is a region of higher temperature than the two units (the evaporation unit 60 and the reforming unit 40). A source gas supply pipe 11 and a water supply pipe 12 for supplying source gas and water are connected to the evaporation unit 60. Raw material gas and water are supplied to the evaporation unit 60 from the outside of the fuel cell module 10 as indicated by arrows A1 and A2. The evaporation unit 60 evaporates the supplied water and changes it to water vapor. The evaporation unit 60 sends the water vapor and the raw material gas to the reforming unit 40 via the mixed gas channel 61. The evaporation of water in the evaporation unit 60 is performed in a low temperature range of about 300 ° C., for example.
上述のように構成された各機能部（燃焼部３０、改質部４０、排ガス流路５０、及び蒸発部６０）は、図３（Ａ）に示すように、改質ユニット１００を構成する。改質ユニット１００の筐体は、板部材を円筒形状に曲げ加工することにより形成された円筒部材１０１と、円筒部材１０１の内部空間を複数の空間に区画することで各機能部を形成する円板部材１０２〜１０６とを備える。円板部材１０２〜１０６は、その外径が、円筒部材１０１の内径と同等に形成されている。円筒部材１０１と円板部材１０２〜１０６との接合部分近傍は、円筒部材１０１と円板部材１０２〜１０６との熱膨張差に起因する熱応力を緩和するための応力緩和構造１１０を有する。 Each functional part (combustion part 30, reforming part 40, exhaust gas flow path 50, and evaporation part 60) configured as described above constitutes a reforming unit 100 as shown in FIG. The casing of the reforming unit 100 includes a cylindrical member 101 formed by bending a plate member into a cylindrical shape, and a circle that forms each functional unit by dividing the internal space of the cylindrical member 101 into a plurality of spaces. Plate members 102 to 106. The disk members 102 to 106 have an outer diameter that is equal to the inner diameter of the cylindrical member 101. In the vicinity of the joining portion between the cylindrical member 101 and the disk members 102 to 106, there is a stress relaxation structure 110 for relaxing the thermal stress caused by the thermal expansion difference between the cylindrical member 101 and the disk members 102 to 106.
応力緩和構造１１０は、図３（Ｂ）にも示すように、円板部材１０２〜１０６の外縁部分の全周に形成されている。応力緩和構造１１０は、水平方向外側に延びているストレート部１１１と、ストレート部１１１から上側に向かって曲げられて形成された湾曲部１１２と、湾曲部１１２の先端から上側に延びる端部１１３とを備える。端部１１３は、円筒部材１０１の内周面に沿って伸びて、円筒部材１０１の内周面に、例えば、溶接等の接合手段によって接合されている。 As shown in FIG. 3B, the stress relaxation structure 110 is formed on the entire circumference of the outer edge portions of the disk members 102 to 106. The stress relaxation structure 110 includes a straight portion 111 extending outward in the horizontal direction, a curved portion 112 formed by bending upward from the straight portion 111, and an end portion 113 extending upward from the tip of the curved portion 112. Is provided. The end 113 extends along the inner peripheral surface of the cylindrical member 101 and is joined to the inner peripheral surface of the cylindrical member 101 by a joining means such as welding.
燃料電池モジュール１０は、図１及び図２に示すように、上述した燃料電池スタック２０や改質部４０に加えて、第１予熱部８０（第１熱交換部）、第２予熱部９０（第２熱交換部）、内部断熱部材１８、及び外部断熱部材１９を備える。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell module 10 includes a first preheating unit 80 (first heat exchanging unit) and a second preheating unit 90 (in addition to the fuel cell stack 20 and the reforming unit 40 described above. 2nd heat exchange part), the internal heat insulation member 18, and the external heat insulation member 19 are provided.
第１予熱部８０は、モジュール筐体７０の中間壁７３と外壁７４との間の空間に形成されている。第１予熱部８０は、モジュール筐体７０の排ガス排出流路７１を流れる排ガスＧEの熱によって、酸化剤ガス供給管１３から供給された酸化剤ガスＧＡを加熱する。第１予熱部８０は、加熱された酸化剤ガスＧＡを、第１酸化剤ガス流路８１を介して第２予熱部９０に送出する。 The first preheating unit 80 is formed in a space between the intermediate wall 73 and the outer wall 74 of the module housing 70. First preheating section 80, by the heat of the exhaust gas G E flowing through the exhaust gas discharge flow path 71 of the module housing 70 to heat the oxygen-containing gas G A supplied from the oxidizing gas supply pipe 13. First preheating section 80, the heated oxidant gas G A, and sends to the second preheating section 90 via the first oxidizing gas channel 81.
第２予熱部９０は、燃料電池スタック２０及び燃焼部３０の外周面全体を取り囲んで設けられている。第２予熱部９０は、原料ガスの電気化学反応により高温となる燃料電池スタック２０の輻射熱によって、第１予熱部８０によって加熱された酸化剤ガスＧＡをさらに加熱する。第２予熱部９０は、燃料電池スタック２０の輻射熱によって加熱された酸化剤ガスＧＡを、第２酸化剤ガス流路９１を介して燃料電池スタック２０に送出する。 The second preheating unit 90 is provided so as to surround the entire outer peripheral surface of the fuel cell stack 20 and the combustion unit 30. The second preheating section 90, the radiation heat of the fuel cell stack 20 having a high temperature by the electrochemical reaction of the source gas, further heated oxidant gas G A which has been heated by the first preheating section 80. The second preheating section 90, the oxidizing gas G A heated by radiant heat of the fuel cell stack 20, and sends to the fuel cell stack 20 through the second oxidizing gas channel 91.
内部断熱部材１８は、燃料電池スタック２０と改質ユニット（燃焼部３０，改質部４０，排ガス流路５０，及び蒸発部６０）とを覆う部材である。内部断熱部材１８は、断熱性の高い素材から形成されている。内部断熱部材１８は、燃料電池スタック２０及び改質ユニットから生じる高熱を遮断するために用いられる。 The internal heat insulating member 18 is a member that covers the fuel cell stack 20 and the reforming unit (the combustion unit 30, the reforming unit 40, the exhaust gas flow channel 50, and the evaporation unit 60). The internal heat insulating member 18 is formed from a material having high heat insulating properties. The internal heat insulating member 18 is used to block high heat generated from the fuel cell stack 20 and the reforming unit.
外部断熱部材１９は、モジュール筐体７０を覆う部材である。外部断熱部材１９は、断熱性が高い素材から形成されている。外部断熱部材１９は、燃料電池スタック２０等から生じ、内部断熱部材１８及びモジュール筐体７０を介して伝達される高熱を遮断するために用いられる。 The external heat insulating member 19 is a member that covers the module housing 70. The external heat insulating member 19 is formed from a material having high heat insulating properties. The external heat insulating member 19 is used to block high heat generated from the fuel cell stack 20 and the like and transmitted through the internal heat insulating member 18 and the module housing 70.
次に、上述のように構成された燃料電池モジュール１０の作用について説明する。 Next, the operation of the fuel cell module 10 configured as described above will be described.
原料ガス供給管１１及び水供給管１２から、蒸発部６０に原料ガス及び水が供給されると、蒸発部６０は、水を蒸発し、水蒸気に変化させる。そして、蒸発部６０は、この水蒸気と原料ガスとの混合ガスを、混合ガス流路６１を介して改質部４０に送出する。 When source gas and water are supplied from the source gas supply pipe 11 and the water supply pipe 12 to the evaporation section 60, the evaporation section 60 evaporates water and changes it to water vapor. Then, the evaporation unit 60 sends the mixed gas of the water vapor and the raw material gas to the reforming unit 40 via the mixed gas channel 61.
改質部４０に混合ガスが供給されると、改質部４０は、混合ガスを改質し、水素を含む改質ガスを生成する。改質部４０は、生成された改質ガスを、改質ガス流路４１を介して、燃料電池スタック２０に供給する。 When the mixed gas is supplied to the reforming unit 40, the reforming unit 40 reforms the mixed gas and generates a reformed gas containing hydrogen. The reforming unit 40 supplies the generated reformed gas to the fuel cell stack 20 via the reformed gas channel 41.
一方、酸化剤ガスは、外部から酸化剤ガス供給管１３を介して、第１予熱部８０に供給される。第１予熱部８０に酸化剤ガスが供給されると、第１予熱部８０は、モジュール筐体７０の排ガス排出流路７１を流れる排ガスとの熱交換によって、酸化剤ガスを加熱する。そして、第１予熱部８０は、加熱した酸化剤ガスを、第１酸化剤ガス流路８１を介して、第２予熱部９０に供給する。 On the other hand, the oxidant gas is supplied from the outside to the first preheating unit 80 via the oxidant gas supply pipe 13. When the oxidant gas is supplied to the first preheating unit 80, the first preheating unit 80 heats the oxidant gas by heat exchange with the exhaust gas flowing through the exhaust gas discharge passage 71 of the module housing 70. Then, the first preheating unit 80 supplies the heated oxidant gas to the second preheating unit 90 via the first oxidant gas flow path 81.
第２予熱部９０に酸化剤ガスが供給されると、第２予熱部９０は、燃料電池スタック２０の輻射熱によって、第１予熱部８０によって加熱された酸化剤ガスをさらに加熱する。そして、第２予熱部９０は、燃料電池スタック２０と同等の温度に昇温された酸化剤ガスを、第２酸化剤ガス流路９１を介して、燃料電池スタック２０に供給する。 When the oxidizing gas is supplied to the second preheating unit 90, the second preheating unit 90 further heats the oxidizing gas heated by the first preheating unit 80 by the radiant heat of the fuel cell stack 20. Then, the second preheating unit 90 supplies the oxidant gas heated to the same temperature as the fuel cell stack 20 to the fuel cell stack 20 via the second oxidant gas channel 91.
燃料電池スタック２０に改質ガス及び酸化剤ガスが供給されると、燃料電池スタック２０は、改質ガス及び酸化剤ガスを電気化学反応させて発電し、外部機器に電力を供給する。また、燃料電池スタック２０は、未反応ガスを、未反応ガス流路２１を介して燃焼部３０に送出する。 When the reformed gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell stack 20, the fuel cell stack 20 generates electricity by causing an electrochemical reaction between the reformed gas and the oxidant gas, and supplies electric power to an external device. In addition, the fuel cell stack 20 sends unreacted gas to the combustion unit 30 via the unreacted gas channel 21.
燃焼部３０に未反応ガスが供給されると、燃焼部３０は、未反応ガスを燃焼する。燃焼部３０の燃焼により生じた排ガスは、カバー部材４３の穴４３ａ及び改質部４０の貫通孔４２を通って排ガス流路５０に送出される。 When the unreacted gas is supplied to the combustion unit 30, the combustion unit 30 burns the unreacted gas. Exhaust gas generated by the combustion of the combustion unit 30 is sent to the exhaust gas flow channel 50 through the hole 43 a of the cover member 43 and the through hole 42 of the reforming unit 40.
燃焼部３０から送出された排ガスは、排ガス流路５０の孔５１及びモジュール筐体７０の排ガス排出流路７１を通過し、排ガス排出管１４から外部に排出される。 The exhaust gas sent from the combustion unit 30 passes through the hole 51 of the exhaust gas passage 50 and the exhaust gas discharge passage 71 of the module housing 70 and is discharged to the outside from the exhaust gas discharge pipe 14.
なお、排ガスは、排ガス排出流路７１を通る際、排ガス排出流路７１に近接する第１予熱部８０の内部を通る酸化剤ガスを加熱する。 When the exhaust gas passes through the exhaust gas discharge passage 71, the exhaust gas heats the oxidant gas passing through the inside of the first preheating unit 80 adjacent to the exhaust gas discharge passage 71.
以上、説明したように、本発明に係る燃料電池モジュール１０では、燃料電池スタック２０、改質部４０、及び蒸発部６０は、互いに両部よりも高い温度の領域を隔てて、順に配置されている。このため、蒸発部６０が、燃料電池スタック２０から最も離れた位置に配置され、燃料電池スタック２０は低温の蒸発部６０により熱が奪われにくくなる。これにより、燃料電池スタック２０の温度バランス（温度分布）を均一にすることができ、燃料電池スタック２０の発電効率を向上させることができる。また、燃料電池スタック２０への負荷が加わりにくくなるため、燃料電池スタック２０の破損を防ぎ、耐久性の低下を抑制することができる。結果として、燃料電池スタック２０の信頼性を向上させることができる。 As described above, in the fuel cell module 10 according to the present invention, the fuel cell stack 20, the reforming unit 40, and the evaporation unit 60 are sequentially arranged with a temperature region higher than both of them. Yes. For this reason, the evaporation part 60 is arrange | positioned in the position most distant from the fuel cell stack 20, and it becomes difficult for the fuel cell stack 20 to be deprived of heat by the low temperature evaporation part 60. Thereby, the temperature balance (temperature distribution) of the fuel cell stack 20 can be made uniform, and the power generation efficiency of the fuel cell stack 20 can be improved. Moreover, since it becomes difficult to apply the load to the fuel cell stack 20, damage to the fuel cell stack 20 can be prevented, and a decrease in durability can be suppressed. As a result, the reliability of the fuel cell stack 20 can be improved.
また、本実施の形態では、蒸発部６０と改質部４０との間には、排ガス流路５０が配置されている。このため、蒸発部６０が排ガス流路５０によって加熱されることで、蒸発部６０は効率的に昇温する。また、排ガス流路５０の介在によって、燃料電池スタック２０からの蒸発部６０への影響を低減することができる。 In the present embodiment, the exhaust gas flow channel 50 is disposed between the evaporation unit 60 and the reforming unit 40. For this reason, when the evaporation part 60 is heated by the exhaust gas flow path 50, the evaporation part 60 heats up efficiently. Further, the influence of the fuel cell stack 20 on the evaporation unit 60 can be reduced by the intervention of the exhaust gas flow path 50.
また、改質部４０は、燃焼部３０及び排ガス流路５０に挟まれるように配置されている。このため、改質部４０は、燃焼部３０及び排ガス流路５０によって加熱されることで、改質可能な温度にまで効率的に昇温し、改質ガスを安定して生成することができる。 Further, the reforming unit 40 is disposed so as to be sandwiched between the combustion unit 30 and the exhaust gas flow channel 50. For this reason, the reforming unit 40 is heated by the combustion unit 30 and the exhaust gas flow channel 50, so that the reforming unit 40 can efficiently raise the temperature to a reformable temperature and stably generate the reformed gas. .
また、本実施の形態では、改質部４０には、燃焼部３０から排ガス流路５０に通じる貫通孔４２が貫通して形成されている。このため、貫通孔４２を流れる排ガスから熱が伝わることにより、改質部４０は、改質可能な温度にまで効率的に昇温し、改質ガスを安定して生成することができる。 Further, in the present embodiment, the reforming unit 40 is formed with a through hole 42 extending from the combustion unit 30 to the exhaust gas flow channel 50. For this reason, when the heat is transmitted from the exhaust gas flowing through the through-hole 42, the reforming unit 40 can efficiently raise the temperature to a reformable temperature and stably generate the reformed gas.
また、本実施の形態では、燃料電池スタック２０，燃焼部３０，改質部４０，排ガス流路５０，及び蒸発部６０が、その動作温度の順に配置されている。このため、燃料電池モジュール１０の各部材（燃料電池スタック２０，燃焼部３０，改質部４０，排ガス流路５０，及び蒸発部６０）の相互間の熱による影響を低減させることができる。これにより、各部材が、他の部材の熱により機能が阻害されることなく、各部材の安定した温度域で動作することが可能になる。結果として、燃料電池スタック２０の発電効率を向上させて、耐久性の低下を抑制することができる。 Moreover, in this Embodiment, the fuel cell stack 20, the combustion part 30, the reforming part 40, the exhaust gas flow path 50, and the evaporation part 60 are arrange | positioned in order of the operating temperature. For this reason, the influence by the mutual heat of each member (The fuel cell stack 20, the combustion part 30, the reforming part 40, the exhaust gas flow path 50, and the evaporation part 60) of the fuel cell module 10 can be reduced. Thereby, it becomes possible for each member to operate in a stable temperature range of each member without the function being hindered by the heat of the other member. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell stack 20 can be improved, and a decrease in durability can be suppressed.
また、本実施の形態に係る燃料電池モジュール１０は、第１予熱部８０及び第２予熱部９０を備えている。第１予熱部８０の予熱と、第２予熱部９０での燃料電池スタック２０の輻射熱により、外部から取り入れられた酸化剤ガスが、燃料電池スタック２０に供給されるまでに効率的に昇温され、燃料電池スタック２０に供給される。これにより、燃料電池スタック２０の発電効率を向上させることができる。また、２つの予熱部を備えることにより、内部断熱部材１８及び外部断熱部材１９の厚みを薄くすることができる。結果として、燃料電池モジュール１０の小型化を実現できる。ひいては、燃料電池モジュール１０の住宅等の設置場所の確保が容易になる。 Further, the fuel cell module 10 according to the present embodiment includes a first preheating unit 80 and a second preheating unit 90. Due to the preheating of the first preheating unit 80 and the radiant heat of the fuel cell stack 20 in the second preheating unit 90, the temperature of the oxidant gas taken from the outside is efficiently raised before being supplied to the fuel cell stack 20. The fuel cell stack 20 is supplied. Thereby, the power generation efficiency of the fuel cell stack 20 can be improved. Moreover, the thickness of the internal heat insulation member 18 and the external heat insulation member 19 can be made thin by providing two preheating parts. As a result, the fuel cell module 10 can be downsized. As a result, the installation location of the fuel cell module 10 such as a house is easily secured.
また、本実施の形態では、第２予熱部９０は、動作温度の高い燃料電池スタック２０及び燃焼部３０の外周面に設けられている。このため、第２予熱部９０の予熱効果をより高めることができる。また、第２予熱部９０は、燃料電池スタック２０の外周面に設けられていることから、様々な形状の燃料電池スタック２０に適用することが可能になり、汎用性の高い第２予熱部９０を備える燃料電池モジュール１０を提供することができる。 Further, in the present embodiment, the second preheating unit 90 is provided on the outer peripheral surfaces of the fuel cell stack 20 and the combustion unit 30 having a high operating temperature. For this reason, the preheating effect of the 2nd preheating part 90 can be improved more. Further, since the second preheating unit 90 is provided on the outer peripheral surface of the fuel cell stack 20, it can be applied to the fuel cell stack 20 having various shapes, and the highly versatile second preheating unit 90. A fuel cell module 10 can be provided.
また、本実施の形態では、排ガス流路５０，貫通孔４２及びカバー部材４３の内部には、燃焼促進材（熱伝達材又は燃焼触媒）が配置されている。このため、燃焼部３０で燃焼しきれなかった未反応ガスを、効率的に燃焼させることができる。これにより、燃焼部３０で燃焼しきれなかった未燃焼ガスを外部に排出することを抑制することができる。なお、本実施形態では、排ガス流路５０，貫通孔４２及びカバー部材４３の内部に、燃焼促進材が配置されているが、これに限らず、排ガス流路５０，貫通孔４２及びカバー部材４３の内部のいずれかに燃焼促進材が配置されていればよい。 In the present embodiment, a combustion promoting material (heat transfer material or combustion catalyst) is disposed inside the exhaust gas flow channel 50, the through hole 42 and the cover member 43. For this reason, the unreacted gas that could not be combusted in the combustor 30 can be efficiently combusted. Thereby, it can suppress discharging | emitting the unburned gas which could not be burned in the combustion part 30 outside. In the present embodiment, the combustion promoting material is disposed inside the exhaust gas passage 50, the through hole 42, and the cover member 43. However, the present invention is not limited to this, and the exhaust gas passage 50, the through hole 42, and the cover member 43 are not limited thereto. It is only necessary that the combustion promoting material is disposed in any one of the interiors.
また、本実施の形態では、図３（Ｂ）に示すように、円筒部材１０１と円板部材１０２〜１０６との接合部分は、湾曲部１１２を有する応力緩和構造１１０を有している。このため、例えば、図３（Ｃ）の矢印Ａ３に示すように、円板部材１０２〜１０６が径方向に熱膨張しても、応力緩和構造１１０の湾曲部１１２の曲率半径が変化して、熱膨張による寸法の変化を吸収できる。これにより、熱応力を緩和することができ、各部品の熱膨張差や熱サイクルに対する燃料電池モジュール１０の耐久性を向上させることができる。また、円筒部材１０１の内部に対して円板部材１０２〜１０６が入れやすくなるため、改質ユニット１００の筐体の組み付け性を向上させることができる。また、応力緩和構造１１０は、上側に延びる端部１１３を有していることから、溶接性及び溶接の作業性を向上させることができ、結果として、燃料電池モジュール１０の耐久性を向上させることができる。なお、本実施形態に係る応力緩和構造１１０は、ストレート部１１１から上側に向かって曲げられて形成された湾曲部１１２と、湾曲部１１２の先端から上側に延びる端部１１３とを備える。しかしながら、これに限らず、応力緩和構造１１０は、ストレート部１１１から下側に向かって曲げられて形成された湾曲部１１２と、湾曲部１１２の先端から下側に延びる端部１１３とを備えていてもよい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3B, the joint portion between the cylindrical member 101 and the disk members 102 to 106 has a stress relaxation structure 110 having a curved portion 112. For this reason, for example, as shown by an arrow A3 in FIG. 3C, even when the disk members 102 to 106 are thermally expanded in the radial direction, the radius of curvature of the curved portion 112 of the stress relaxation structure 110 changes, A change in dimensions due to thermal expansion can be absorbed. Thereby, a thermal stress can be relieved and durability of the fuel cell module 10 with respect to the thermal expansion difference of each component and a thermal cycle can be improved. In addition, since the disk members 102 to 106 can be easily inserted into the cylindrical member 101, the assembling property of the casing of the reforming unit 100 can be improved. Moreover, since the stress relaxation structure 110 has the edge part 113 extended upwards, it can improve weldability and the workability | operativity of welding, and, as a result, improves the durability of the fuel cell module 10. Can do. The stress relaxation structure 110 according to the present embodiment includes a curved portion 112 formed by bending upward from the straight portion 111 and an end portion 113 extending upward from the tip of the curved portion 112. However, the present invention is not limited to this, and the stress relaxation structure 110 includes a curved portion 112 formed by being bent downward from the straight portion 111 and an end portion 113 extending downward from the distal end of the curved portion 112. May be.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態によって限定されるものではない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited by the said embodiment.
例えば、本発明の実施の形態では、改質部４０には、一つ以上の貫通孔４２が図中上下方向に貫通している。しかしながら、貫通孔４２の数や位置は、任意である。 For example, in the embodiment of the present invention, the reforming unit 40 has one or more through holes 42 penetrating in the vertical direction in the figure. However, the number and position of the through holes 42 are arbitrary.
なお、本発明の実施の形態や燃料電池モジュール１０の各部材（燃料電池スタック２０，燃焼部３０，改質部４０，排ガス流路５０，及び蒸発部６０）の温度域は、一つの例であり、これに限定するものではない。例えば、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタック２０は、例えば、７００℃程度の高温度域で動作するが、これに限らず、例えば、電気化学反応が生じる温度域であれば、例えば、実施の形態で例示した温度域以外の温度域であってもよい。 The temperature range of the embodiment of the present invention and each member of the fuel cell module 10 (the fuel cell stack 20, the combustion unit 30, the reforming unit 40, the exhaust gas channel 50, and the evaporation unit 60) is an example. Yes, but not limited to this. For example, the fuel cell stack 20 according to the embodiment of the present invention operates in a high temperature range of, for example, about 700 ° C., but is not limited to this. For example, in the temperature range where an electrochemical reaction occurs, A temperature range other than the temperature range exemplified in the embodiment may be used.
また、本発明の実施の形態では、蒸発部６０と改質部４０との間には、燃焼部３０から排出された排ガスが流れる排ガス流路５０が配置されている。しかしながら、これに限られず、蒸発部６０と改質部４０との間に、燃焼部３０が配置されていてもよい。 In the embodiment of the present invention, an exhaust gas flow path 50 through which the exhaust gas discharged from the combustion unit 30 flows is disposed between the evaporation unit 60 and the reforming unit 40. However, the present invention is not limited to this, and the combustion unit 30 may be disposed between the evaporation unit 60 and the reforming unit 40.
また、本発明の実施の形態では、応力緩和構造１１０は、図３（Ｂ）に示すように、ストレート部１１１から上側に向かって曲げられて形成された湾曲部１１２を備える。しかしながら、これに限らない。円筒部材１０１と円板部材１０２〜１０６との熱膨張差に起因する熱応力を緩和することができる構造であれば、応力緩和構造１１０は、上記以外の構造のものであってもよい。例えば、図３（Ｄ）に示す変形例のように、ストレート部１１１から下側に向かって曲げられて形成された第１湾曲部１１２ａと、第１湾曲部１１２ａの先端から上側に向かって曲げられて形成された第２湾曲部１１２ｂとを備えることで、一部が下方に突出する応力緩和構造１１０Ａであってもよい。 In the embodiment of the present invention, the stress relaxation structure 110 includes a curved portion 112 formed by bending upward from the straight portion 111 as shown in FIG. However, the present invention is not limited to this. As long as the structure can relieve the thermal stress caused by the difference in thermal expansion between the cylindrical member 101 and the disk members 102 to 106, the stress relaxation structure 110 may have a structure other than the above. For example, as in the modification shown in FIG. 3D, the first bending portion 112a formed by bending downward from the straight portion 111 and the bending from the front end of the first bending portion 112a upward. 110 A of stress relaxation structures which a part protrudes below may be sufficient by providing the 2nd curved part 112b formed by being formed.
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。 Various embodiments and modifications can be made to the present invention without departing from the broad spirit and scope of the present invention. The above-described embodiments are for explaining the present invention, and do not limit the scope of the present invention.
１０ 燃料電池モジュール、１１ 原料ガス供給管、１２ 水供給管、１３ 酸化剤ガス供給管、１４ 排ガス排出管、１８ 内部断熱部材、１９ 外部断熱部材、２０ 燃料電池スタック、２１ 未反応ガス流路、３０ 燃焼部、４０ 改質部、４１ 改質ガス流路、４２ 貫通孔、４３ カバー部材、４３ａ 穴、５０ 排ガス流路、５１ 孔、６０ 蒸発部、６１ 混合ガス流路、７０ モジュール筐体、７１ 排ガス排出流路、７２ 内壁、７３ 中間壁、７４ 外壁、８０ 第１予熱部、８１ 第１酸化剤ガス流路、９０ 第２予熱部、９１ 第２酸化剤ガス流路、１００ 改質ユニット、１０１ 円筒部材、１０２〜１０６ 円板部材、１１０，１１０Ａ 応力緩和構造、１１１ ストレート部、１１２ 湾曲部、１１２ａ 第１湾曲部、１１２ｂ 第２湾曲部、１１３ 端部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell module, 11 Source gas supply pipe, 12 Water supply pipe, 13 Oxidant gas supply pipe, 14 Exhaust gas discharge pipe, 18 Internal heat insulation member, 19 External heat insulation member, 20 Fuel cell stack, 21 Unreacted gas flow path, 30 combustion section, 40 reforming section, 41 reformed gas flow path, 42 through hole, 43 cover member, 43a hole, 50 exhaust gas flow path, 51 hole, 60 evaporation section, 61 mixed gas flow path, 70 module housing, 71 exhaust gas discharge flow path, 72 inner wall, 73 intermediate wall, 74 outer wall, 80 first preheating section, 81 first oxidant gas flow path, 90 second preheating section, 91 second oxidant gas flow path, 100 reforming unit , 101 Cylindrical member, 102-106 Disc member, 110, 110A Stress relaxation structure, 111 Straight portion, 112 Bending portion, 112a First bending portion, 112b Second Curved portion, 113 end
Claims (6)
前記燃料電池スタック、前記改質部、及び前記蒸発部は、互いに両部よりも高い温度の領域を隔てて、順に配置されている燃料電池モジュール。 The supplied water is changed to water vapor, an evaporating section for sending out a mixed gas of the water vapor and the raw material gas, and the modified gas for reforming the mixed gas sent out from the evaporating section into a reformed gas containing hydrogen gas. And a fuel cell stack that generates electricity by causing an electrochemical reaction between the reformed gas reformed by the reforming unit and an oxidant gas supplied from the outside,
The fuel cell stack, the reforming unit, and the evaporation unit are arranged in order with a temperature region higher than both of them being arranged.
前記燃料電池スタックと前記改質部との間には、前記燃焼部が設けられ、前記改質部と前記蒸発部との間には、前記排ガス流路が設けられている請求項１に記載の燃料電池モジュール。 A combustion section for burning the unreacted reformed gas sent from the fuel cell stack, and an exhaust gas passage for discharging the exhaust gas sent from the combustion section to the outside,
The combustion section is provided between the fuel cell stack and the reforming section, and the exhaust gas flow path is provided between the reforming section and the evaporation section. Fuel cell module.
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