JP2018098109A - Fuel cell system - Google Patents

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達哉 中島
Tatsuya Nakajima
達哉 中島
一希 一色
Kazuki Isshiki
一希 一色
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of effectively lowering a temperature of gas exhausted to the outside while improving power generation efficiency in the fuel cell system.SOLUTION: A carburetor 12 is connected with a double pipe 20. To an outer flow passage 24 of the double pipe 20, a gas source positioned outside a housing 11 is connected and hence methane serving as material gas is flowed into by a blower B1. Water (liquid phase) is flowed into an inner flow passage 22 of the double pipe 20 from the outside of the housing 11 by a pump P.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池システムの中でも、燃料電池セルスタックが高温で稼働するものについては、燃料電池システム内で発生した熱を、水蒸気改質反応の熱、供給ガス、水などで回収し、排出されるガスなどの熱を、ある程度の温度まで低下させ、燃料電池システムの系外へ排出する必要がある。   Among fuel cell systems, fuel cell stacks that operate at high temperatures recover the heat generated in the fuel cell system using the heat of steam reforming reaction, supply gas, water, etc. It is necessary to reduce the heat to a certain temperature and discharge it outside the fuel cell system.

例えば、特許文献１では、コジェネレーションシステムにおいて、燃料電池装置で発生した熱を給湯用の水と熱交換することにより回収し、熱交換後の湯を貯湯槽に貯留し、需要に応じて湯を供給する技術が開示されている。また、特許文献１では、貯湯槽の水が高温の場合に、系外の上水を用いて貯湯槽を介さずに高温ガスとの間で熱交換を行う技術も開示されている。   For example, in Patent Document 1, in a cogeneration system, heat generated in a fuel cell device is recovered by exchanging heat with water for hot water supply, hot water after heat exchange is stored in a hot water storage tank, and hot water is supplied according to demand. A technology for supplying Patent Document 1 also discloses a technique for exchanging heat with a high-temperature gas without using a hot water storage tank using clean water outside the system when the water in the hot water storage tank is hot.

特許文献１の燃料電池システムにおいては、湯として燃料電池システムの系外に回収後の熱が排出されている。しかしながら、燃料電池システムの用途や種類によっては、発電効率を高めることが求められている。   In the fuel cell system of Patent Document 1, the recovered heat is discharged as hot water outside the fuel cell system. However, depending on the use and type of the fuel cell system, it is required to increase the power generation efficiency.

特開２００９−１２１７３９号公報JP 2009-121739 A

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ排出するガスの温度を効果的に低下させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above facts, and provides a fuel cell system capable of effectively reducing the temperature of gas discharged to the outside while improving the power generation efficiency of the fuel cell system. Objective.

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと、前記燃料電池セルスタックへ向かうシステム系内へ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、少なくとも前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器を収容する筐体と、前記供給流体を前記筐体内の雰囲気から隔離しつつ前記熱交換部へ導入する低温保持導入部と、を備えている。   The fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell stack that generates electric power by reacting fuel gas and air, a combustor that burns anode off-gas discharged from the fuel cell stack, and the combustion A heat exchanging section for exchanging heat between the combustion exhaust gas immediately before being discharged from the vessel and discharged to the outside of the system system and a supply fluid supplied into the system system toward the fuel cell stack, and at least the fuel cell A housing that houses the stack and the combustor, and a low-temperature holding introduction unit that introduces the supply fluid into the heat exchange unit while isolating the supply fluid from the atmosphere in the housing.

請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池セルスタック、及び燃焼器を備えている。燃焼器は、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させて、熱を発生させる。燃焼器から排出される燃焼排ガスは、システム系外へ排出される直前の熱交換部において、燃料電池セルスタックへ供給される供給流体との間で熱交換される。この供給流体は、低温保持導入部によって、筐体内の雰囲気から隔離されつつ熱交換部へ導入される。したがって、供給流体は、筐体内の気体が持つ熱による加熱が抑制された状態で熱交換部へ導入されるので、外部へ排出する燃焼排ガスの温度を効果的に（理想的には供給流体の温度まで）低下させることができる。また、燃焼排ガス温度の低下によりシステム系外に放出される熱量が減るため、筐体内部を高温に保つための投入熱量が減ることにより、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。   A fuel cell system according to a first aspect includes a fuel cell stack and a combustor. The combustor burns the anode off-gas discharged from the fuel cell stack to generate heat. The combustion exhaust gas discharged from the combustor is heat-exchanged with the supply fluid supplied to the fuel cell stack in the heat exchange part immediately before being discharged out of the system system. The supply fluid is introduced into the heat exchange unit while being isolated from the atmosphere in the casing by the low temperature holding introduction unit. Therefore, since the supply fluid is introduced into the heat exchanging portion in a state where the heating by the heat of the gas in the casing is suppressed, the temperature of the combustion exhaust gas discharged to the outside is effectively (ideally, the supply fluid Temperature). In addition, since the amount of heat released outside the system system is reduced due to a decrease in the temperature of the combustion exhaust gas, the amount of input heat for keeping the inside of the housing at a high temperature is reduced, so that the power generation efficiency of the fuel cell system can be improved.

なお、「システム系外へ排出される直前の熱交換部」とは、燃焼排ガスがシステム系外へ排出される前の最終の熱交換部であることを意味し、システム系内において当該熱交換部より下流側では熱交換が積極的に行われないことを意味する。   Note that “the heat exchange part immediately before being discharged out of the system system” means the final heat exchange part before the combustion exhaust gas is discharged out of the system system. This means that heat exchange is not actively performed on the downstream side of the section.

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、前記低温保持導入部は、前記供給流体を流通させる内側流路と、前記内側流路の外周に設けられた外側流路と、を有する二重管を含んで構成されている、ことを特徴とする。   The fuel cell system according to a second aspect of the present invention is the fuel cell system according to the second aspect, wherein the low temperature holding introduction unit includes an inner channel through which the supply fluid is circulated and an outer channel provided on an outer periphery of the inner channel. It is characterized by comprising a tube.

請求項２に係る燃料電池システムでは、二重管の内側流路に供給流体を流通させて、熱交換部へ導入するという簡易な構成で低温保持導入部を構成することができる。   In the fuel cell system according to the second aspect, the low temperature holding introduction part can be configured with a simple configuration in which the supply fluid is circulated through the inner flow path of the double pipe and introduced into the heat exchange part.

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、前記外側流路には、前記内側流路に流通させる前記供給流体よりも熱伝導率が低い流体を流通させること、を特徴とする。   A fuel cell system according to a third aspect of the invention is characterized in that a fluid having a thermal conductivity lower than that of the supply fluid to be circulated in the inner channel is circulated in the outer channel.

請求項３に係る燃料電池システムによれば、外側流路に熱伝導率が低い流体を流通させるので、筐体内の気体が持つ熱による内側流路を流れる供給流体の加熱を、効果的に抑制することができる。   According to the fuel cell system of the third aspect, since the fluid having low thermal conductivity is circulated through the outer channel, the heating of the supply fluid flowing through the inner channel due to the heat of the gas in the housing is effectively suppressed. can do.

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、前記外側流路には、前記内側流路に流通させる前記供給流体よりも高温の流体を流通させること、を特徴とする。   The fuel cell system according to a fourth aspect of the invention is characterized in that a fluid having a temperature higher than that of the supply fluid to be circulated in the inner flow path is circulated in the outer flow path.

請求項４に係る燃料電池システムによれば、外側流路に高温の流体を流通させるので、筐体内の気体の温度と供給流体の温度差が小さくなり、筐体内の気体が持つ熱による外側流路を流れる供給流体の加熱を、効果的に抑制することができる。   According to the fuel cell system of the fourth aspect, since the high-temperature fluid is circulated in the outer flow path, the temperature difference between the temperature of the gas in the casing and the supply fluid is reduced, and the outer flow due to the heat of the gas in the casing is reduced. Heating of the supply fluid flowing through the path can be effectively suppressed.

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を有し、前記低温保持導入部の内側流路には前記供給流体として前記気化器へ供給される水を流通させ、前記外側流路には前記気化器へ供給される前記原料ガスを流通させる、ことを特徴とする。   The fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention further includes a reformer that reforms a raw material gas to generate the fuel gas, and the heat exchanging unit supplies a vapor to the reformer. And water supplied to the vaporizer as the supply fluid is circulated in the inner flow path of the low temperature holding introduction section, and the source gas supplied to the vaporizer is circulated in the outer flow path. It is characterized by that.

請求項５に係る燃料電池システムでは、熱交換部は、改質器へ水蒸気を供給する気化器を有している。そして、二重管の内側流路に水を流通させて気化器へ供給し、外側流路に原料ガスを流通させて気化器へ供給する。このように、熱伝導率の低い気体を外側流路に流通させ、熱伝導率の高い液体を内側流路に流通させることにより、気化器へ導入される途中での加熱が抑制され、効率よく燃焼排ガスの温度を低下させることができる。   In the fuel cell system according to the fifth aspect, the heat exchanging section has a vaporizer for supplying water vapor to the reformer. Then, water is circulated through the inner flow path of the double pipe and supplied to the vaporizer, and the raw material gas is circulated through the outer flow path and supplied to the vaporizer. In this way, by circulating a gas having a low thermal conductivity in the outer flow path and flowing a liquid having a high thermal conductivity in the inner flow path, heating in the course of being introduced into the vaporizer can be suppressed and efficiently performed. The temperature of the combustion exhaust gas can be lowered.

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、前記外側流路は真空状態である、ことを特徴とする。   The fuel cell system according to a sixth aspect of the invention is characterized in that the outer flow path is in a vacuum state.

請求項６に係る燃料電池システムでは、二重管の外側流路を真空状態にすることにより、システム内の熱が内側流路に流通させた供給流体へ伝わり難くなり、低温のまま供給流体を熱交換部へ導入することができる。これにより、燃焼排ガスの温度を効率よく低下させることができる。   In the fuel cell system according to claim 6, by making the outer flow path of the double pipe into a vacuum state, it becomes difficult for the heat in the system to be transferred to the supply fluid circulated through the inner flow path, and the supply fluid is kept at a low temperature. It can be introduced into the heat exchange section. Thereby, the temperature of combustion exhaust gas can be reduced efficiently.

請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、前記低温保持導入部は、前記供給流体を流通させる流体路と、前記流体路の外周を覆う断熱材と、を含んで構成されている、ことを特徴とする。   The fuel cell system according to claim 7 is configured such that the low temperature holding introduction unit includes a fluid path through which the supply fluid is circulated and a heat insulating material covering an outer periphery of the fluid path. It is characterized by.

請求項７に係る燃料電池システムでは、供給流体を流通させる流体路の外周を断熱材で覆っているので、システム内の熱が流体路に流通させた供給流体へ伝わり難くなり、低温のまま供給流体を熱交換部へ導入することができる。これにより、燃焼排ガスの温度を効率よく低下させることができる。   In the fuel cell system according to claim 7, since the outer periphery of the fluid path through which the supply fluid is circulated is covered with a heat insulating material, the heat in the system is difficult to be transferred to the supply fluid circulated through the fluid path and is supplied at a low temperature. Fluid can be introduced into the heat exchange section. Thereby, the temperature of combustion exhaust gas can be reduced efficiently.

請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、前記低温保持導入部は、前記筐体の外側に前記熱交換部を配置する構成を有している、ことを特徴とする。   The fuel cell system according to an eighth aspect of the present invention is characterized in that the low temperature holding introduction unit has a configuration in which the heat exchange unit is disposed outside the casing.

請求項８に係る燃料電池システムでは、筐体の外側に熱交換部を配置することにより、熱交換部へ導入される供給流体が筐体内で加熱されることを回避することができる。   In the fuel cell system according to the eighth aspect, by disposing the heat exchange part on the outside of the casing, it is possible to avoid the supply fluid introduced into the heat exchange part from being heated in the casing.

本発明に係る燃料電池システムによれば、システム系外へ排出するガスの温度を効果的に低下させつつ、筐体内部を高温に保つための投入熱量を減少させることにより、燃料電池システムにおける発電効率を向上させることができる。   According to the fuel cell system of the present invention, power generation in the fuel cell system is achieved by reducing the amount of input heat for keeping the inside of the casing at a high temperature while effectively reducing the temperature of the gas discharged outside the system system. Efficiency can be improved.

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 第１実施形態における二重管の斜視図である。It is a perspective view of the double pipe in a 1st embodiment. 第１実施形態における二重管の変形例の斜視図である。It is a perspective view of the modification of the double pipe in 1st Embodiment. 第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第２実施形態における二重管の斜視図である。It is a perspective view of the double pipe in 2nd Embodiment. 第２実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on the modification of 2nd Embodiment. 第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. 第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment. 第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment. 第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on 6th Embodiment.

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。 [First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６、空気予熱器３０、及び燃焼器４０を備えている。また、燃焼器４０、燃料電池セルスタック１６、及び改質器１４を内部に収容する高温部１８を備えている。気化器１２、空気予熱器３０、及び高温部１８は、筐体１１内に収容されている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 10A according to the present embodiment. The fuel cell system 10A according to the present embodiment includes a carburetor 12, a reformer 14, a fuel cell stack 16, an air preheater 30, and a combustor 40 as main components. Moreover, the high temperature part 18 which accommodates the combustor 40, the fuel cell stack 16, and the reformer 14 inside is provided. The vaporizer 12, the air preheater 30, and the high temperature unit 18 are accommodated in the housing 11.

筐体１１は、断熱性及び遮熱性の少なくとも一方を有する部材で形成されており、例えば断熱材で形成されている。筐体１１の内部は、外部よりも高温が維持されている。高温部１８は、筐体１１内に設けられ、断熱性及び遮熱性の少なくとも一方を有する部材、例えば金属で形成されている。燃料電池システム１０Ａが運転中は、高温部１８内は、筐体１１内で高温部１８外よりも高温とされている。なお、筐体１１の外側にも、燃料電池システム１０Ａの補機等を収容するために、不図示の筐体が設けられている。燃料電池システム１０Ａのシステム系外は、筐体１１の外側の当該筐体（不図示）の外部を意味している。   The housing | casing 11 is formed with the member which has at least one of heat insulation and heat insulation, for example, is formed with the heat insulating material. The inside of the housing 11 is maintained at a higher temperature than the outside. The high temperature part 18 is provided in the housing | casing 11, and is formed with the member which has at least one of heat insulation and heat insulation, for example, a metal. While the fuel cell system 10 </ b> A is in operation, the inside of the high temperature part 18 is set to a higher temperature in the housing 11 than outside the high temperature part 18. Note that a housing (not shown) is also provided outside the housing 11 in order to accommodate auxiliary equipment and the like of the fuel cell system 10A. Outside the system of the fuel cell system 10 </ b> A means the outside of the casing (not shown) outside the casing 11.

気化器１２には、二重管２０が接続されている。二重管２０は、図２に示されるように、内管２３及び内管２３の外周に配置された外管２５で構成されている。二重管２０には、内管２３の内側に内側流路２２が形成され、外管２５と内管２３の間に外側流路２４が形成されている。   A double pipe 20 is connected to the vaporizer 12. As shown in FIG. 2, the double tube 20 includes an inner tube 23 and an outer tube 25 disposed on the outer periphery of the inner tube 23. In the double pipe 20, an inner flow path 22 is formed inside the inner pipe 23, and an outer flow path 24 is formed between the outer pipe 25 and the inner pipe 23.

外側流路２４には、筐体１１外にある図示しないガス源が接続されており、ブロアＢ１により原料ガスとしてのメタンが流入される。内側流路２２には、図示しない水源が接続されており、ポンプＰにより水（液相）が流入される。二重管２０へは、メタンと水が並行（同方向）に流れるように流入される。二重管２０は、筐体１１の壁を貫通して筐体１１の内側に配置された気化器１２と接続されている。メタンと水は、気化器１２へ供給される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０から排出された燃焼排ガスＧ１０の熱が用いられる。   A gas source (not shown) outside the housing 11 is connected to the outer flow path 24, and methane as a raw material gas flows in through the blower B1. A water source (not shown) is connected to the inner flow path 22, and water (liquid phase) is introduced by the pump P. Methane and water flow into the double pipe 20 so that they flow in parallel (in the same direction). The double pipe 20 passes through the wall of the housing 11 and is connected to the vaporizer 12 disposed inside the housing 11. Methane and water are supplied to the vaporizer 12. In the vaporizer 12, water is vaporized. For the vaporization, heat of combustion exhaust gas G10 discharged from a combustor 40 described later is used.

なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。   In this embodiment, methane is used as the raw material gas, but it is not particularly limited as long as it can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas, and the like. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane, and methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-described lower hydrocarbon gas.

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介してアノード１６Ａに供給される。   Methane and water vapor are sent from the vaporizer 12 to the reformer 14 via the pipe P3. In the reformer 14, methane is reformed to generate a fuel gas G1 containing hydrogen and having a temperature of about 600 ° C. One end of a fuel gas pipe P4 is connected to the reformer 14. The other end of the fuel gas pipe P4 is connected to the anode (fuel electrode) 16A of the fuel cell stack 16. The fuel gas G1 generated by the reformer 14 is supplied to the anode 16A through the fuel gas pipe P4.

燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。   The fuel cell stack 16 is a solid oxide fuel cell stack (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) and includes a plurality of stacked fuel cells. The operating temperature of the fuel cell stack 16 is set to about 650 ° C.

燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。   Each fuel cell of the fuel cell stack 16 has an electrolyte membrane, and an anode (fuel electrode) 16A and a cathode (air electrode) 16B laminated on the front and back surfaces of the electrolyte membrane.

燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気管Ｐ５の一端が接続され、空気管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。ブロアＢ２から送出された空気Ｇ５は、空気管Ｐ５によって、空気予熱器３０を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。   One end of an air pipe P5 is connected to the cathode 16B of the fuel cell stack 16, and a blower B2 is connected to the other end of the air pipe P5. The air G5 delivered from the blower B2 is supplied to the cathode 16B via the air preheater 30 by the air pipe P5.

カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。 In the cathode 16B, as shown in the following formula (1), oxygen in the air and electrons react to generate oxygen ions. The produced oxygen ions reach the anode 16A of the fuel cell stack 16 through the electrolyte membrane.

（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１） (Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (1)

カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。 Cathode off-gas is discharged from the cathode 16B.

一方、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。   On the other hand, in the anode 16A of the fuel cell stack 16, as shown in the following formulas (2) and (3), oxygen ions that have passed through the electrolyte membrane react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas, (Water vapor) and carbon dioxide and electrons are generated. Electrons generated at the anode 16A move from the anode 16A through the external circuit to the cathode 16B, thereby generating electric power in each fuel cell stack. Each fuel cell stack generates heat during power generation.

（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３) (Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (2)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (3)

アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７へ、アノードオフガスＧ３が排出される。アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。   One end of an anode offgas pipe P7 is connected to the anode 16A. The anode off gas G3 is discharged from the anode 16A to the anode off gas pipe P7. The anode off gas G3 contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、燃焼器４０と接続されており、アノードオフガスＧ３は燃焼器４０へ送出される。 The other end of the anode off-gas pipe P7 is connected to the combustor 40, and the anode off-gas G3 is sent to the combustor 40.

カソード１６Ｂには、カソードオフガス管Ｐ９の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９の他端は、燃焼器４０と接続されており、カソードオフガスＧ９は燃焼器４０へ送出される。   One end of a cathode offgas pipe P9 is connected to the cathode 16B. The other end of the cathode offgas pipe P9 is connected to the combustor 40, and the cathode offgas G9 is sent to the combustor 40.

燃焼器４０では、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３が燃焼される。燃焼器４０の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３０を経由して熱交換部としても機能する気化器１２に導入され、熱交換後に外部に排出されている。   In the combustor 40, the anode off-gas G3 discharged from the anode 16A of the fuel cell stack 16 is burned. One end of the combustion exhaust pipe P10 is connected to the outlet side of the combustor 40. The combustion exhaust gas G10 is introduced into the vaporizer 12 that also functions as a heat exchange section via the air preheater 30, and is discharged outside after heat exchange.

燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３０において、常温の空気Ｇ５と熱交換が行われる。その後、気化器１２へ送出され、気化器１２において、水及びメタンと熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２において熱交換が行われた後、外部に排出される。   The combustion exhaust gas G10 is subjected to heat exchange with air G5 at room temperature in the air preheater 30. Thereafter, the gas is sent to the vaporizer 12, and heat exchange with water and methane is performed in the vaporizer 12. The combustion exhaust gas G10 is discharged outside after heat exchange is performed in the vaporizer 12.

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system 10A of the present embodiment will be described.

ブロアＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ５は、空気予熱器３０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管Ｐ９を経て燃焼器４０へ送出される。一方、ブロアＢ１により所定の吐出量で送出されたメタンは、二重管２０の外側流路２４を経て気化器１２へ供給される。また、ポンプＰにより所定の吐出量で送出された水（液相）は、二重管２０の内側流路２２を経て気化器１２へ供給される。気化器１２へ供給された水及びメタンは、燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は改質器１４へ送出される。そして、改質器１４で燃料ガスＧ１へ改質され、アノード１６Ａへ供給されて、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスＧ３が排出され、アノードオフガス管Ｐ７を経て燃焼器４０へ送出される。   The air G5 sent out by the blower B2 with a predetermined air discharge amount is supplied to the cathode 16B through the air preheater 30, is supplied to the power generation, and then sent out to the combustor 40 through the cathode offgas pipe P9. On the other hand, the methane sent out by the blower B1 with a predetermined discharge amount is supplied to the vaporizer 12 through the outer flow path 24 of the double pipe 20. Further, the water (liquid phase) delivered by the pump P at a predetermined discharge amount is supplied to the vaporizer 12 through the inner flow path 22 of the double pipe 20. The water and methane supplied to the vaporizer 12 are heated by heat exchange with the combustion exhaust gas. As a result, water is vaporized, and the heated methane and steam are sent to the reformer 14. The reformer 14 reforms the fuel gas G1 and supplies the fuel gas G1 to the anode 16A for power generation. From the anode 16A, the anode offgas G3 containing fuel such as unreacted hydrogen is discharged and sent to the combustor 40 through the anode offgas pipe P7.

燃焼器４０では、アノードオフガスＧ３が燃焼に供され、燃焼による熱で改質器１４が加熱される。燃焼器４０からは、燃焼排ガスＧ１０が燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出され、空気予熱器３０において、空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、さらに、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われ、冷却された後、外部へ排出される。気化器１２は、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される直前の熱交換部である。すなわち、気化器１２が最終の熱交換部であり、燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２よりも下流側では、積極的に熱交換が行われずに燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。   In the combustor 40, the anode off gas G <b> 3 is used for combustion, and the reformer 14 is heated by heat generated by the combustion. The combustion exhaust gas G10 is sent from the combustor 40 to the combustion exhaust gas pipe P10, and the air preheater 30 performs heat exchange with the air G5. The combustion exhaust gas G10 is further sent to the vaporizer 12, heat exchange is performed between methane and water, and after cooling, it is discharged to the outside. The carburetor 12 is a heat exchange unit immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10A. That is, the carburetor 12 is the final heat exchange section, and the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10A without being actively exchanged heat downstream of the carburetor 12.

本実施形態では、二重管２０により、筐体１１の外部から筐体１１の内部の気化器１２へ、メタンと水を供給する。二重管２０の外側流路２４には、熱伝導率が水よりも小さいメタンを流通させ、内側流路２２には水を流通させる。したがって、常温で二重管２０の内側流路２２を流通する水は、筐体１１内で加熱されにくく、水は常温に近い温度で気化器１２へ供給される。これにより、気化器１２で水と熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。   In the present embodiment, methane and water are supplied from the outside of the housing 11 to the vaporizer 12 inside the housing 11 by the double pipe 20. Methane having a thermal conductivity smaller than that of water is circulated through the outer flow path 24 of the double pipe 20, and water is circulated through the inner flow path 22. Therefore, the water flowing through the inner flow path 22 of the double tube 20 at normal temperature is not easily heated in the housing 11, and the water is supplied to the vaporizer 12 at a temperature close to normal temperature. Thereby, the temperature of the combustion exhaust gas G10 heat-exchanged with water by the vaporizer 12 can be reduced effectively.

また、本実施形態では、二重管２０を用いているので、簡易な構成で、気化器１２まで導入される水の温度上昇を抑制することができる。   Moreover, in this embodiment, since the double tube 20 is used, the temperature rise of the water introduced to the vaporizer 12 can be suppressed with a simple configuration.

また、供給流体を二重管にして筐体１１の壁を貫通して筐体１１の内側に配置された気化器１２と接続されるので、貫通口の数が減り、貫通口を介した筐体１１内部から筐体１１外への放熱量を低減することができる。   Further, since the supply fluid is made into a double tube and penetrates the wall of the housing 11 and is connected to the vaporizer 12 arranged inside the housing 11, the number of through holes is reduced, and the housing through the through holes is reduced. The amount of heat released from the inside of the body 11 to the outside of the housing 11 can be reduced.

また、気化器１２において、燃焼排ガスＧ１０の熱により、改質前のメタン及び水を加熱するので、メタンの昇温と水の気化、昇温に必要な熱を外部から別途供給する必要がなくなる。その結果、燃料電池システム１０Ａにおける発電効率を向上させることができる。   Further, since the methane and water before reforming are heated by the heat of the combustion exhaust gas G10 in the vaporizer 12, it is not necessary to separately supply the heat necessary for raising the temperature of the methane, vaporizing the water, and raising the temperature. . As a result, the power generation efficiency in the fuel cell system 10A can be improved.

なお、本実施形態では、外側流路２４にメタンを流通させたが、外側流路２４を密閉して真空状態としてもよい。この場合には、原料ガスとしてのメタンは、別の配管で気化器１２へ供給する。   In this embodiment, methane is circulated through the outer flow path 24, but the outer flow path 24 may be sealed to be in a vacuum state. In this case, methane as the raw material gas is supplied to the vaporizer 12 through another pipe.

また、図３に示すように、本実施形態の二重管２０の外周を、断熱材２６で覆ってもよい。これにより、メタン及び水が筐体１１内で加熱されることを抑制できる。   Further, as shown in FIG. 3, the outer periphery of the double pipe 20 of the present embodiment may be covered with a heat insulating material 26. Thereby, it can suppress that methane and water are heated in the housing | casing 11. FIG.

また、本実施形態では、二重管２０を用いたが、図４に示すように、二重管２０を用いずに、原料ガスであるメタンの配管Ｐ１と、水供給用の配管Ｐ２を各々気化器１２へ別々に接続し、配管Ｐ１の外周、及び配管Ｐ２の外周を、断熱材２８で覆ってもよい。断熱材２８で覆うことにより、メタン、及び水が、筐体１１内で加熱されることを抑制できる。   Further, in the present embodiment, the double pipe 20 is used, but as shown in FIG. 4, without using the double pipe 20, a methane pipe P1 which is a raw material gas and a water supply pipe P2 are respectively provided. You may connect separately to the vaporizer | carburetor 12, and may cover the outer periphery of the piping P1 and the outer periphery of the piping P2 with the heat insulating material 28. FIG. By covering with the heat insulating material 28, it can suppress that methane and water are heated within the housing | casing 11. FIG.

なお、本実施形態では、原料ガスであるメタンを水蒸気改質して燃料ガスを生成する例について説明したが、二酸化炭素改質により燃料ガスを生成してもよい。この場合には、気化器１２に代えて原料ガス予熱器を設け、二重管２０の外側流路２４に二酸化炭素ガスを流通させ、内側流路２２にメタンを流通させて、原料ガス予熱器に送出することができる。   In the present embodiment, an example in which fuel gas is generated by steam reforming methane as a raw material gas has been described, but fuel gas may be generated by carbon dioxide reforming. In this case, a raw material gas preheater is provided in place of the vaporizer 12, carbon dioxide gas is circulated through the outer flow path 24 of the double pipe 20, and methane is circulated through the inner flow path 22, so that the raw material gas preheater. Can be sent to.

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、図５に示されるように、筐体１１内に空気予熱器３２を備えている。空気予熱器３２は、空気管Ｐ５の空気予熱器３０よりも上流側に配置され、燃焼排ガス管Ｐ１０の気化器１２よりも下流側に配置されている。本実施形態では、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される直前の熱交換部は、空気予熱器３２である。すなわち、空気予熱器３２が最終の熱交換部であり、燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３２よりも下流側では、積極的に熱交換が行われずに燃料電池システム１０Ｂの系外へ排出される。   As shown in FIG. 5, the fuel cell system 10 </ b> B of this embodiment includes an air preheater 32 in the housing 11. The air preheater 32 is disposed on the upstream side of the air preheater 30 of the air pipe P5, and is disposed on the downstream side of the vaporizer 12 of the combustion exhaust gas pipe P10. In the present embodiment, the heat exchange unit immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10A is the air preheater 32. That is, the air preheater 32 is the final heat exchanging section, and the combustion exhaust gas G10 is exhausted out of the fuel cell system 10B without actively exchanging heat downstream of the air preheater 32. .

空気予熱器３２へは、ブロアＢ２から吐出された、燃料電池システム１０Ｂへ導入された直後の常温の空気Ｇ５が、二重管５０を通って送出されている。二重管５０は、図６に示されるように、内管５３及び内管５３の外周に配置された外管５５で構成されている。二重管２０には、内管５３の内側に内側流路５２が形成され、外管５５と内管５３の間に外側流路５４が形成されている。二重管５０は、筐体１１の壁を貫通して筐体１１の内側に配置された空気予熱器３２と接続されている。空気Ｇ５は、内側流路５２に送出されて空気予熱器３２へ供給され、その後、配管Ｐ５により空気予熱器３０へ送出される。外側流路５４は密閉された真空状態とされている。   To the air preheater 32, normal temperature air G <b> 5 discharged from the blower B <b> 2 and immediately after being introduced into the fuel cell system 10 </ b> B is sent through the double pipe 50. As shown in FIG. 6, the double pipe 50 includes an inner pipe 53 and an outer pipe 55 disposed on the outer periphery of the inner pipe 53. In the double pipe 20, an inner flow path 52 is formed inside the inner pipe 53, and an outer flow path 54 is formed between the outer pipe 55 and the inner pipe 53. The double pipe 50 passes through the wall of the housing 11 and is connected to the air preheater 32 disposed inside the housing 11. The air G5 is sent to the inner flow path 52 and supplied to the air preheater 32, and then sent to the air preheater 30 through the pipe P5. The outer flow path 54 is in a sealed vacuum state.

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、二重管２０を有していない。気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢによりメタンが気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されている。水供給管Ｐ２には、ポンプＰが設置されており、ポンプＰにより水（液相）が気化器１２へ送出される。   The fuel cell system 10B of the present embodiment does not have the double pipe 20. One end of the source gas pipe P1 is connected to the vaporizer 12, and the other end of the source gas pipe P1 is connected to a gas source (not shown). From the gas source, methane is sent to the vaporizer 12 by the blower B. The vaporizer 12 is connected to a water supply pipe P2. A pump P is installed in the water supply pipe P <b> 2, and water (liquid phase) is sent to the vaporizer 12 by the pump P.

気化器１２から排出された燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器３２へ送出されている。空気予熱器３２では、気化器１２で熱交換された後の燃焼排ガスＧ１０と常温の空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。空気予熱器３２において空気Ｇ５と熱交換した後の燃焼排ガスＧ１０が外部に排出される。   The combustion exhaust gas G10 discharged from the vaporizer 12 is sent to the air preheater 32. In the air preheater 32, heat exchange is performed between the combustion exhaust gas G <b> 10 after heat exchange in the vaporizer 12 and the room temperature air G <b> 5. The combustion exhaust gas G10 after heat exchange with the air G5 in the air preheater 32 is discharged to the outside.

本実施形態では、二重管５０の内側流路５２により、筐体１１の外部から筐体１１の内部の空気予熱器３２へ常温の空気Ｇ５を供給する。したがって、空気Ｇ５は、筐体１１内で加熱されにくく、温に近い温度で空気予熱器３２へ供給される。これにより、空気予熱器３２で空気Ｇ５と熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。   In the present embodiment, normal temperature air G5 is supplied from the outside of the housing 11 to the air preheater 32 inside the housing 11 by the inner flow path 52 of the double pipe 50. Therefore, the air G5 is not easily heated in the housing 11, and is supplied to the air preheater 32 at a temperature close to the temperature. Thereby, the temperature of the combustion exhaust gas G10 heat-exchanged with the air G5 with the air preheater 32 can be reduced effectively.

なお、本実施形態でも、二重管５０を用いずに、空気Ｇ５の供給配管Ｐ５を空気予熱器３２へ接続し、配管Ｐ５の外周を、断熱材２８で覆ってもよい。断熱材２８で覆うことにより、空気Ｇ５が、筐体１１内で加熱されることを抑制できる。   In the present embodiment, the supply pipe P5 of the air G5 may be connected to the air preheater 32 without using the double pipe 50, and the outer periphery of the pipe P5 may be covered with the heat insulating material 28. By covering with the heat insulating material 28, it is possible to suppress the air G5 from being heated in the housing 11.

また、本実施形態では、最終の熱交換部である空気予熱器３２へ供給される空気Ｇ５のみ二重管５０を用いて供給したが、図７に示されるように、第１実施形態のように、二重管２０を用いて、水、メタンを気化器１２へ供給してもよい。   Further, in this embodiment, only the air G5 supplied to the air preheater 32 which is the final heat exchange unit is supplied using the double pipe 50, but as shown in FIG. 7, as in the first embodiment. In addition, water and methane may be supplied to the vaporizer 12 using the double pipe 20.

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。 [Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、図８に示されるように、第１実施形態と同様に燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ｃの系外へ排出される直前の熱交換部である気化器１２が、筐体１１の外部に配置されている。すなわち、低温保持導入部として気化器１２が、筐体１１の外部に配置された構成を有している。気化器１２には、原料ガスであるメタンの配管Ｐ１と、水供給用の配管Ｐ２が接続されている。気化器１２へは、配管Ｐ１からメタンが供給され、配管Ｐ２から水が供給される。   As shown in FIG. 8, the fuel cell system 10C of the present embodiment has a carburetor 12 that is a heat exchange unit immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10C, as in the first embodiment. Is disposed outside the housing 11. That is, the vaporizer 12 is arranged outside the housing 11 as a low temperature holding introduction part. The vaporizer 12 is connected with a methane pipe P1 which is a raw material gas and a water supply pipe P2. To the vaporizer 12, methane is supplied from the pipe P1, and water is supplied from the pipe P2.

このように、気化器１２を筐体１１の外部に配置することにより、メタン及び水が加熱されずに気化器１２へ供給される。これにより、気化器１２で水と熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。   Thus, by disposing the vaporizer 12 outside the housing 11, methane and water are supplied to the vaporizer 12 without being heated. Thereby, the temperature of the combustion exhaust gas G10 heat-exchanged with water by the vaporizer 12 can be reduced effectively.

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１−３実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。 [Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、図９に示されるように、第２実施形態と同様に燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ｄの系外へ排出される直前の熱交換部である空気予熱器３２が、筐体１１の外部に配置されている。すなわち、低温保持導入部として空気予熱器３２が、筐体１１の外部に配置された構成を有している。空気予熱器３２には、配管Ｐ５により空気Ｇ５が供給されている。   As shown in FIG. 9, the fuel cell system 10D of the present embodiment is an air preheater that is a heat exchanging part just before the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10D as in the second embodiment. 32 is arranged outside the housing 11. That is, the air preheater 32 is arranged outside the housing 11 as a low temperature holding introduction part. Air G5 is supplied to the air preheater 32 through a pipe P5.

このように、空気予熱器３２を筐体１１の外部に配置することにより、空気Ｇ５が加熱されずに空気予熱器３２へ供給される。これにより、空気予熱器３２と熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。   Thus, by arranging the air preheater 32 outside the housing 11, the air G <b> 5 is supplied to the air preheater 32 without being heated. Thereby, the temperature of the combustion exhaust gas G10 heat-exchanged with the air preheater 32 can be reduced effectively.

［第５実施形態］
次に、本実施形態の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１−第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 [Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present embodiment will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図１０に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、第１実施形態の燃料電池システム１０Ａにおいて、燃料電池セルスタック１６に加えて、高温部１８内に燃料電池セルスタック１７を有する、多段式の燃料電池システムで構成されている。本実施形態では、燃料電池セルスタック１６を第１燃料電池セルスタック１６と称し、燃料電池セルスタック１７を第２燃料電池セルスタック１７と称する。第２燃料電池セルスタック１７は、第１燃料電池セルスタック１６と同様の構成とされ、アノード１７Ａ及びカソード１７Ｂを有している。   As shown in FIG. 10, the fuel cell system 10E of the present embodiment has a fuel cell stack 17 in the high temperature part 18 in addition to the fuel cell stack 16 in the fuel cell system 10A of the first embodiment. It is composed of a multistage fuel cell system. In the present embodiment, the fuel cell stack 16 is referred to as a first fuel cell stack 16 and the fuel cell stack 17 is referred to as a second fuel cell stack 17. The second fuel cell stack 17 has the same configuration as the first fuel cell stack 16 and includes an anode 17A and a cathode 17B.

アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７−１を通って燃料再生器４４へ送出される。燃料再生器４４は、筐体１１内に収容され、高温部１８の外部に配置されている。燃料再生器４４では、アノードオフガスＧ３から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。燃料再生器４４では、例えば、分離膜、吸着剤、凝縮器などを用いて二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去することができる。燃料再生器４４で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去されたアノードオフガスＧ３−２は、アノードオフガス管Ｐ７−２を通って第２燃料電池セルスタック１７のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。   The anode off gas G3 discharged from the anode 16A is sent to the fuel regenerator 44 through the anode off gas pipe P7-1. The fuel regenerator 44 is accommodated in the housing 11 and disposed outside the high temperature part 18. In the fuel regenerator 44, at least one of carbon dioxide and water is removed from the anode off gas G3. In the fuel regenerator 44, for example, at least one of carbon dioxide and water can be removed using a separation membrane, an adsorbent, a condenser, and the like. The anode offgas G3-2 from which at least one of carbon dioxide and water has been removed by the fuel regenerator 44 is sent to the anode 18A of the second fuel cell stack 17 through the anode offgas pipe P7-2 and used for power generation. The

一方、カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスＧ９−１は、カソードオフガス管Ｐ９−１を通って第２燃料電池セルスタック１７のカソード１７Ｂへ送出され、発電に供される。   On the other hand, the cathode offgas G9-1 discharged from the cathode 16B is sent to the cathode 17B of the second fuel cell stack 17 through the cathode offgas pipe P9-1 and used for power generation.

アノード１７Ａからは、アノードオフガスＧ３−３がアノードオフガス管Ｐ７−３を通って燃焼器４０へ送出される。カソード１７Ｂからは、カソードオフガスＧ９−２がカソードオフガス管Ｐ９−２を通って燃焼器４０へ送出される。   From the anode 17A, the anode off gas G3-3 is sent to the combustor 40 through the anode off gas pipe P7-3. From the cathode 17B, the cathode offgas G9-2 is sent to the combustor 40 through the cathode offgas pipe P9-2.

燃焼器４０では、アノードオフガスＧ３−３が燃焼され、燃焼排ガスＧ１０が、第１実施形態と同様に、空気予熱器３０を経由して気化器１２に導入され、熱交換の後に外部に排出されている。   In the combustor 40, the anode off gas G3-3 is combusted, and the combustion exhaust gas G10 is introduced into the carburetor 12 via the air preheater 30 and discharged outside after heat exchange, as in the first embodiment. ing.

本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１７で、アノードオフガスＧ３内の未反応水素や一酸化炭素を再利用して発電を行うので、燃焼器４０で燃焼させる燃料ガスの量が減少する。したがって、燃焼器４０から排出される燃焼排ガスＧ１０自体の温度を低下させることができる。   In the present embodiment, in the second fuel cell stack 17, power is generated by reusing unreacted hydrogen and carbon monoxide in the anode off gas G3, so the amount of fuel gas burned in the combustor 40 is reduced. Therefore, the temperature of the combustion exhaust gas G10 itself discharged from the combustor 40 can be lowered.

さらに、本実施形態では、燃焼排ガスＧ１０の温度を下げるために気化器１２へ供給する水の量を増加させても、燃料再生器４４でアノードオフガスＧ３−１から水を除去することにより、第２燃料電池セルスタック１７のアノード１７Ａへ供給するアノードオフガスＧ３−３に含まれる水（水蒸気）は減少している。したがって、燃料電池システム１０Ｃの発電効率を高く維持することができる。   Furthermore, in this embodiment, even if the amount of water supplied to the vaporizer 12 to increase the temperature of the combustion exhaust gas G10 is increased, the fuel regenerator 44 removes water from the anode offgas G3-1, 2 Water (steam) contained in the anode offgas G3-3 supplied to the anode 17A of the fuel cell stack 17 is reduced. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system 10C can be maintained high.

［第６実施形態］
次に、本実施形態の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１−第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 [Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present embodiment will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first to fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図１１に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、第５実施形態の燃料電池システム１０Ｅにおいて、水タンク４５を有している。水タンク４５は、燃料再生器４４と接続されており、燃料再生器４４でアノードオフガスＧ３−１から除去された水を貯留する。水タンク４５に貯留される水は、常温よりも高温とされている。水タンク４５は、二重管２０の外側流路２４と接続されている。水タンク４５に貯留された水は、ポンプＰにより、外側流路２４を流通して気化器１２へ供給される。   As shown in FIG. 11, the fuel cell system 10F of the present embodiment has a water tank 45 in the fuel cell system 10E of the fifth embodiment. The water tank 45 is connected to the fuel regenerator 44 and stores the water removed from the anode offgas G3-1 by the fuel regenerator 44. The water stored in the water tank 45 is higher than room temperature. The water tank 45 is connected to the outer flow path 24 of the double pipe 20. The water stored in the water tank 45 is circulated through the outer flow path 24 by the pump P and supplied to the vaporizer 12.

原料ガスとしての常温で水タンク４５に貯留された水よりも低温のメタンは、内側流路２２を流通して気化器１２へ供給される。   Methane having a temperature lower than that of water stored in the water tank 45 at room temperature as a raw material gas flows through the inner flow path 22 and is supplied to the vaporizer 12.

本実施形態では、二重管２０の外側流路２４には、メタンよりも高温の水を流通させ、内側流路２２には常温のメタンを流通させており、筐体１１内部の高温気体の温度と、外側流路２４を流通する水の温度差は小さくなる。したがって、外側流路２４を流通する水についても筐体１１内部の高温気体と熱交換される熱量が少なくなり、気化器１２で水及びメタンと熱交換される燃焼排ガスＧ１０の温度を、効果的に低下させることができる。   In the present embodiment, water having a temperature higher than that of methane is circulated through the outer flow path 24 of the double tube 20, and methane at normal temperature is circulated through the inner flow path 22. The difference between the temperature and the temperature of the water flowing through the outer flow path 24 is reduced. Accordingly, the amount of heat exchanged with the high-temperature gas inside the housing 11 is reduced for the water flowing through the outer flow path 24, and the temperature of the combustion exhaust gas G10 exchanged with water and methane in the vaporizer 12 is effectively reduced. Can be lowered.

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。   The fuel cell of the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC), but may be another fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). May be.

また、本発明は、燃料電池セルスタック１６からのアノードオフガスを再利用する、循環式の燃料電池システムに適用することもできる。   The present invention can also be applied to a circulating fuel cell system that reuses anode off-gas from the fuel cell stack 16.

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ 燃料電池システム
１１ 筐体、 １２ 気化器、 １４ 改質器
１６、１７ 燃料電池セルスタック
２０、５０ 二重管（低温保持導入部）
２２、５２ 内側流路、 ２４、５４ 外側流路
２６、２８ 断熱材、 ３２ 空気予熱器（熱交換器）
４０ 燃焼器、 ４４ 燃料再生器
Ｐ１、Ｐ２ 配管（流体路） 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F Fuel cell system 11 Housing, 12 Vaporizer, 14 Reformer 16, 17 Fuel cell stack 20, 50 Double tube (low temperature holding introduction part)
22, 52 Inner channel, 24, 54 Outer channel 26, 28 Insulation, 32 Air preheater (heat exchanger)
40 Combustors, 44 Fuel regenerators P1, P2 Piping (fluid path)

Claims (8)

燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと、前記燃料電池セルスタックへ向かうシステム系内へ供給される供給流体との間で熱交換する熱交換部と、
少なくとも前記燃料電池セルスタック及び前記燃焼器を収容する筐体と、
前記供給流体を前記筐体内の雰囲気から隔離しつつ前記熱交換部へ導入する低温保持導入部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electricity by reacting fuel gas and air; and
A combustor for combusting anode off-gas discharged from the fuel cell stack;
A heat exchanging section for exchanging heat between the flue gas immediately before being discharged from the combustor and discharged to the outside of the system system, and a supply fluid supplied into the system system toward the fuel cell stack,
A housing for accommodating at least the fuel cell stack and the combustor;
A low temperature holding introduction part for introducing the supply fluid into the heat exchange part while isolating the supply fluid from the atmosphere in the housing;
A fuel cell system comprising: 前記低温保持導入部は、前記供給流体を流通させる内側流路と、前記内側流路の外周に設けられた外側流路と、を有する二重管を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   The low temperature holding introduction portion is configured to include a double pipe having an inner flow path for circulating the supply fluid and an outer flow path provided on an outer periphery of the inner flow path. The fuel cell system according to claim 1. 前記外側流路には、前記内側流路に流通させる前記供給流体よりも熱伝導率が低い流体を流通させること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein a fluid having a lower thermal conductivity than the supply fluid to be circulated through the inner channel is circulated in the outer channel. 前記外側流路には、前記内側流路に流通させる前記供給流体よりも高温の流体を流通させること、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 2, wherein a fluid having a temperature higher than that of the supply fluid to be circulated through the inner channel is circulated through the outer channel. 原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、
前記熱交換部は、前記改質器へ水蒸気を供給する気化器を有し、
前記低温保持導入部の内側流路には前記供給流体として前記気化器へ供給される水を流通させ、前記外側流路には前記気化器へ供給される前記原料ガスを流通させる、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A reformer that reforms the raw material gas to generate the fuel gas;
The heat exchange unit has a vaporizer that supplies water vapor to the reformer,
Water supplied to the vaporizer as the supply fluid is circulated in the inner flow path of the low temperature holding introduction section, and the source gas supplied to the vaporizer is circulated in the outer flow path. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4. 前記外側流路は真空状態である、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the outer flow path is in a vacuum state. 前記低温保持導入部は、前記供給流体を流通させる流体路と、前記流体路の外周を覆う断熱材と、を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。   The said low temperature maintenance introduction part is comprised including the fluid channel which distribute | circulates the said supply fluid, and the heat insulating material which covers the outer periphery of the said fluid channel, The any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. The fuel cell system according to item. 前記低温保持導入部は、前記筐体の外側に前記熱交換部を配置する構成を有している、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the low temperature holding introduction unit has a configuration in which the heat exchange unit is disposed outside the housing.
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