JP2021077585A

JP2021077585A - Fuel cell module

Info

Publication number: JP2021077585A
Application number: JP2019205312A
Authority: JP
Inventors: 文雄坪井; Fumio Tsuboi; 晃川上; Akira Kawakami; 千尋小林; Chihiro Kobayashi; 修平田中; Shuhei Tanaka; 卓哉松尾; Takuya Matsuo
Original assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-13
Also published as: JP7397631B2

Abstract

To provide a compact fuel cell module even when a cascaded fuel battery cell stack configuration is adopted.SOLUTION: A fuel cell module includes a plurality of fuel battery cell stacks 2, 3, a housing 6, a reformer 8 that is arranged inside the housing 6 and reforms a raw fuel gas to generate a hydrogen-containing fuel gas, and a combustor 10 which is arranged inside the housing 6, fires a fuel gas which has not been used for power generation in the plurality of fuel battery cell stacks 2 and 3, and heats the reformer 8. The plurality of fuel battery cell stacks 2 and 3 include a first fuel battery cell stack 2 to which fuel gas is supplied, and a second fuel battery cell stack 3 to which the fuel gas discharged from the first fuel battery cell stack 2 is supplied. The first fuel battery cell stack 2 and the second fuel battery cell stack 3 are arranged outside the housing 6.SELECTED DRAWING: Figure 2

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.

近年、燃料電池モジュールをコンパクトな構成にするために、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池セルスタックと、改質器と、燃焼器と筐体内に配置する構成が知られている。また、例えば、特許文献２に記載されているように、固体酸化物形燃料電池セルを用いた燃料電池モジュールの構成として、複数の燃料電池セルスタックを直列に配置して燃料利用率Ｕｆを向上する、カスケード式の構成が用いられている。 In recent years, in order to make a fuel cell module a compact configuration, for example, as described in Patent Document 1, a configuration in which a fuel cell stack, a reformer, a combustor, and a housing are arranged is known. ing. Further, for example, as described in Patent Document 2, as a configuration of a fuel cell module using a solid oxide fuel cell, a plurality of fuel cell stacks are arranged in series to improve the fuel utilization rate Uf. A cascading configuration is used.

特開２０１７−５０１９２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-50192 特開２０１６−１００１３６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-100136

ここで、特許文献１に記載されているような燃料電池モジュールに、特許文献２に記載されているようなカスケード式の燃料電池セルスタックを適用しようとする場合には、筐体内に複数の燃料電池セルスタックを収容するため、筐体が強大化してしまい、筐体からの放熱量が増大し、発電効率が低下してしまうという問題がある。 Here, when it is intended to apply the cascade type fuel cell stack as described in Patent Document 2 to the fuel cell module as described in Patent Document 1, a plurality of fuels are contained in the housing. Since the battery cell stack is accommodated, there is a problem that the housing becomes large, the amount of heat radiated from the housing increases, and the power generation efficiency decreases.

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、カスケード式の燃料電池セルスタックの構成を採用した場合であっても、コンパクトな燃料電池モジュールを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and is to provide a compact fuel cell module even when a cascade type fuel cell stack configuration is adopted.

本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルスタックと、ハウジングと、ハウジングの内部に配置され、原燃料ガスを改質して、水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、ハウジングの内部に配置され、複数の燃料電池セルスタックで発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼器と、を備え、複数の燃料電池セルスタックは、燃料ガスが供給される第１の燃料電池セルスタックと、第１の燃料電池セルスタックから排出された燃料ガスが供給される第２の燃料電池セルスタックと、を含み、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックは、ハウジングの外部に配置されている、ことを特徴とする。
上記構成の本発明によれば、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックがハウジングの外部に配置されているため、カスケード式の燃料電池セルスタックの構成を採用した場合であっても、ハウジングを小型化することができる。 The fuel cell module of the present invention includes a plurality of fuel cell stacks, a housing, a reformer which is arranged inside the housing and reforms raw fuel gas to generate a fuel gas containing hydrogen, and a housing. It is equipped with a combustor that burns fuel gas that was not used for power generation in multiple fuel cell stacks and heats the reformer, and the multiple fuel cell stacks are supplied with fuel gas. A first fuel cell stack and a second fuel cell stack, including a first fuel cell stack to be generated and a second fuel cell stack to which fuel gas discharged from the first fuel cell stack is supplied. The fuel cell stack is characterized in that it is located outside the housing.
According to the present invention having the above configuration, since the first fuel cell stack and the second fuel cell stack are arranged outside the housing, a cascade type fuel cell stack configuration is adopted. However, the housing can be miniaturized.

本発明において、好ましくは、さらに、ハウジングの外部に配置され、第１の燃料電池セルスタックで使用された燃料ガスを再生する燃料ガス再生器を備え、第１の燃料電池セルスタックから燃料ガス再生器へ燃料ガスを供給する第１の燃料流路と、燃料ガス再生器から第２の燃料電池セルスタックへ燃料ガスを供給する第２の燃料流路は、ハウジングを貫通していない。
燃料ガス再生器は燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮するため、高温下での駆動に適していない。これに対して、上記構成の本発明によれば、燃料ガス再生器がハウジングの外部に配置されているため、燃料ガス再生器が燃焼器の高温に曝されるのを防止し、燃料ガス再生器の駆動性能が低下するのを防止できる。また、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックがハウジング内に配置されていると、第１の燃料電池セルスタックと燃料ガス再生器とを結ぶ第１の燃料流路、及び、燃料ガス再生器と第２の燃料電池セルスタックとを結ぶ第２の燃料流路がハウジングを貫通することになるが、この場合には、貫通部の構成が複雑になるとともに貫通部の強度やシール性が低下するという問題があった。これに対して、本発明によれば、第１の燃料電池セルスタック、第２の燃料電池セルスタック、及び、燃料ガス再生器がハウジングの外部に配置されているため、第１の燃料流路及び第２の燃料流路がハウジングを貫通することがなく、構成が複雑にならず、強度やシール性の低下を防止できる。 In the present invention, preferably, a fuel gas regenerator that is arranged outside the housing and regenerates the fuel gas used in the first fuel cell stack is provided, and the fuel gas is regenerated from the first fuel cell stack. The first fuel flow path for supplying fuel gas to the vessel and the second fuel flow path for supplying fuel gas from the fuel gas regenerator to the second fuel cell stack do not penetrate the housing.
Since the fuel gas regenerator condenses the water vapor contained in the fuel gas, it is not suitable for driving at a high temperature. On the other hand, according to the present invention having the above configuration, since the fuel gas regenerator is arranged outside the housing, it is possible to prevent the fuel gas regenerator from being exposed to the high temperature of the combustor and to regenerate the fuel gas. It is possible to prevent the drive performance of the vessel from deteriorating. Further, when the first fuel cell stack and the second fuel cell stack are arranged in the housing, the first fuel flow path connecting the first fuel cell stack and the fuel gas regenerator, and the first fuel flow path connecting the first fuel cell stack and the fuel gas regenerator. , The second fuel flow path connecting the fuel gas regenerator and the second fuel cell stack penetrates the housing. In this case, the configuration of the penetration portion becomes complicated and the strength of the penetration portion becomes stronger. There was a problem that the sealing property was deteriorated. On the other hand, according to the present invention, since the first fuel cell stack, the second fuel cell stack, and the fuel gas regenerator are arranged outside the housing, the first fuel flow path And the second fuel flow path does not penetrate the housing, the configuration is not complicated, and deterioration of strength and sealing property can be prevented.

本発明において、好ましくは、さらに、脱硫器を備え、脱硫器へ燃料ガスを還流する還流ガス流路は第２の燃料流路から分岐されている。
上記構成の本発明によれば、脱硫器へ燃料ガスを還流する還流ガス流路が、燃料ガス再生器で再生処理が行われた燃料ガスが流れる第２の燃料流路から分岐しているため、水素濃度が高い燃料ガスを脱硫器に供給することができる。 In the present invention, preferably, a desulfurization device is further provided, and the recirculation gas flow path for refluxing the fuel gas to the desulfurization device is branched from the second fuel flow path.
According to the present invention having the above configuration, the recirculation gas flow path for returning the fuel gas to the desulfurization device is branched from the second fuel flow path through which the fuel gas regenerated by the fuel gas regenerator flows. , Fuel gas with high hydrogen concentration can be supplied to the desulfurizer.

本発明において、好ましくは、第１の燃料流路に設けられ、第１の燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガスの間で熱交換する熱交換部を備える。
燃料再生器では、燃料ガスに含まれる水蒸気の凝縮が行われる。このため、燃料再生器に供給される燃料ガスが熱を保持していても、その熱を有効利用することができない。これに対して、上記構成の本発明によれば、第１の燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されなかった燃料ガスと酸化剤ガスとの間で熱交換を行うため、燃料電池モジュールにおける熱効率を向上することができる。 In the present invention, preferably, a heat exchange unit provided in the first fuel flow path and exchanging heat between the oxidant gas supplied to the first fuel cell stack is provided.
In the fuel regenerator, the water vapor contained in the fuel gas is condensed. Therefore, even if the fuel gas supplied to the fuel regenerator retains heat, the heat cannot be effectively used. On the other hand, according to the present invention having the above configuration, heat exchange is performed between the fuel gas not used for power generation and the oxidant gas in the first fuel cell stack, so that the thermal efficiency in the fuel cell module is improved. Can be improved.

本発明において、好ましくは、第１の燃料電池セルスタックと、第２の燃料電池セルスタックとは、それぞれの一面が対向するように配置されており、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックの対向する面に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路が接続されている。
上記構成の本発明によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路が、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックの対向する面に接続されているため、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路を集中して配置することができ、燃料電池モジュールをコンパクトに構成することができる。 In the present invention, preferably, the first fuel cell stack and the second fuel cell stack are arranged so that one side thereof faces each other, and the first fuel cell stack and the second fuel cell stack A flow path for supplying or discharging fuel gas and oxidant gas is connected to the facing surfaces of the fuel cell stack.
According to the present invention having the above configuration, the flow paths for supplying or discharging the fuel gas and the oxidant gas are connected to the facing surfaces of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. The flow paths for supplying or discharging the fuel gas and the oxidant gas can be centrally arranged, and the fuel cell module can be compactly configured.

本発明によれば、カスケード式の燃料電池セルスタックの構成を採用した場合であっても、コンパクトな燃料電池モジュールを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a compact fuel cell module even when a cascade type fuel cell stack configuration is adopted.

本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell module by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell module by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the fuel cell module by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the fuel cell module by 1st Embodiment of this invention. 図４に示す燃料電池モジュール１の蒸発器及びハウジングの鉛直断面図である。It is a vertical sectional view of the evaporator and the housing of the fuel cell module 1 shown in FIG. 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell module by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell module by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the fuel cell module by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態による燃料電池モジュールの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell module by 3rd Embodiment of this invention.

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１〜図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールの構成を示し、図１はブロック図、図２は斜視図、図３は正面図、図４は側面図である。また、図５は図４に示す燃料電池モジュール１の蒸発器及びハウジングの鉛直断面図である。 <First Embodiment>
Hereinafter, the fuel cell module according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 to 4 show a configuration of a fuel cell module according to the first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a block diagram, FIG. 2 is a perspective view, FIG. 3 is a front view, and FIG. 4 is a side view. Further, FIG. 5 is a vertical sectional view of the evaporator and the housing of the fuel cell module 1 shown in FIG.

図１〜図５に示すように、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュール１は、発電反応を行う第１の燃料電池セルスタック２と、第２の燃料電池セルスタック３と、蒸発器４と、ハウジング６と、ハウジング６の内部に配置された改質器８と、ハウジング６の内部に配置された燃焼器１０と、燃料再生器（燃料ガス再生器）１２とを備える。蒸発器４は、ハウジング６の上方に配置されており、ハウジング６は第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３の上方に配置されている。第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３は、燃料再生器１２の上方に配置されており、第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３のそれぞれの燃料電池セルが平行になるように横方向に並んでいる。 As shown in FIGS. 1 to 5, the fuel cell module 1 according to the first embodiment of the present invention includes a first fuel cell stack 2 that performs a power generation reaction, a second fuel cell stack 3, and an evaporator. 4, a housing 6, a reformer 8 arranged inside the housing 6, a combustor 10 arranged inside the housing 6, and a fuel regenerator (fuel gas regenerator) 12 are provided. The evaporator 4 is arranged above the housing 6, and the housing 6 is arranged above the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3. The first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 are arranged above the fuel regenerator 12, and the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3, respectively. The fuel cell cells are arranged side by side so that they are parallel to each other.

蒸発器４には、水を供給するための水供給用配管２０と、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給用配管２１と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管２３が接続されている。また、蒸発器４には、ハウジング６から蒸発器４へ排気ガスを供給する排気ガス配管２６と、蒸発器４から改質器８へ混合ガスを供給する混合ガス導管２８とが接続されている。排気ガス配管２６と混合ガス導管２８とは二重管構造になっており、排気ガス配管２６の内側に混合ガス導管２８が配置されている。 The evaporator 4 is connected to a water supply pipe 20 for supplying water, a raw fuel gas supply pipe 21 for supplying raw fuel gas, and an exhaust gas discharge pipe 23 for discharging exhaust gas. Has been done. Further, the evaporator 4 is connected to an exhaust gas pipe 26 that supplies exhaust gas from the housing 6 to the evaporator 4 and a mixed gas conduit 28 that supplies mixed gas from the evaporator 4 to the reformer 8. .. The exhaust gas pipe 26 and the mixed gas conduit 28 have a double pipe structure, and the mixed gas conduit 28 is arranged inside the exhaust gas pipe 26.

蒸発器４は、内部空間が上方の蒸発室４ａと、下方の加熱室４ｂとに区切られている。蒸発室４ａには、水供給用配管２０から水が供給されるとともに、原燃料ガス供給用配管２１を介して原燃料ガスが供給される。また、加熱室４ｂには、排気ガス配管２６を通じて排気ガスが供給される。そして、蒸発器４は、排気ガス配管２６を通じて加熱室４ｂに供給された排気ガスの熱により、水供給用配管２０から蒸発室４ａに供給された水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に、この水蒸気を原燃料ガス供給用配管２１から供給された原燃料ガスと混合するように構成されている。蒸発器４において水蒸気と混合された原燃料ガスは、混合ガス導管２８を通じて改質器８に供給される。なお、水を加熱した排気ガスは排気ガス排出管２３を通じて外部に排出される。 The internal space of the evaporator 4 is divided into an upper evaporation chamber 4a and a lower heating chamber 4b. Water is supplied to the evaporation chamber 4a from the water supply pipe 20, and the raw fuel gas is supplied through the raw fuel gas supply pipe 21. Further, the exhaust gas is supplied to the heating chamber 4b through the exhaust gas pipe 26. Then, the evaporator 4 evaporates the water supplied from the water supply pipe 20 to the evaporation chamber 4a by the heat of the exhaust gas supplied to the heating chamber 4b through the exhaust gas pipe 26 to generate steam, and at the same time, this It is configured to mix water vapor with the raw material and fuel gas supplied from the raw material and fuel gas supply pipe 21. The raw fuel gas mixed with water vapor in the evaporator 4 is supplied to the reformer 8 through the mixed gas conduit 28. The exhaust gas obtained by heating the water is discharged to the outside through the exhaust gas discharge pipe 23.

ハウジング６は金属製の容器からなり、内側の下部に燃焼器１０が配置され、燃焼器１０の上方に改質器８が配置されている。このハウジング６は第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３の上方に配置されている。第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３、蒸発器４、ハウジング６、及び燃料再生器１２は、断熱材（図示せず）によって包囲されているとともに、第１の燃料電池セルスタック２とハウジング６との間にも断熱材が設けられているため、第１の燃料電池セルスタック２は、ハウジング６から熱的に隔離されている。この第１の燃料電池セルスタック２及びハウジング６を包囲している断熱材は、燃料電池モジュール１の最表面を構成しており、断熱材の外側を覆う金属製の容器等は設けられていてもよいが、設けられていなくてもよい。 The housing 6 is made of a metal container, and the combustor 10 is arranged in the lower part inside, and the reformer 8 is arranged above the combustor 10. The housing 6 is arranged above the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3. The first fuel cell stack 2, the second fuel cell stack 3, the evaporator 4, the housing 6, and the fuel regenerator 12 are surrounded by a heat insulating material (not shown) and the first fuel. Since the heat insulating material is also provided between the battery cell stack 2 and the housing 6, the first fuel cell stack 2 is thermally isolated from the housing 6. The heat insulating material surrounding the first fuel cell stack 2 and the housing 6 constitutes the outermost surface of the fuel cell module 1, and a metal container or the like covering the outside of the heat insulating material is provided. It may be provided, but it may not be provided.

ハウジング６は、二重壁構造となっており内壁と外壁の間に空気流路６Ａが形成されている。ハウジング６の天面には空気供給パイプ２４が接続されており、外部から空気供給パイプ２４を通じて酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気流路６Ａに供給された空気（酸化剤ガス）は、空気流路６Ａを流れる間に、燃焼器１０の燃焼熱により加熱される。空気流路６Ａ内において加熱された空気は、酸化剤ガス供給流路３２を介して第１の燃料電池セルスタック２に供給される。 The housing 6 has a double wall structure, and an air flow path 6A is formed between the inner wall and the outer wall. An air supply pipe 24 is connected to the top surface of the housing 6, and air as an oxidant gas is supplied from the outside through the air supply pipe 24. The air (oxidizing agent gas) supplied to the air flow path 6A is heated by the combustion heat of the combustor 10 while flowing through the air flow path 6A. The air heated in the air flow path 6A is supplied to the first fuel cell stack 2 via the oxidant gas supply flow path 32.

ハウジング６と第１の燃料電池セルスタック２との間には、改質器８から第１の燃料電池セルスタック２の燃料ガスを供給する燃料供給流路３０が設けられ、ハウジング６の空気流路６Ａから加熱された空気を第１の燃料電池セルスタック２に供給する酸化剤ガス供給流路３２が設けられている。また、ハウジング６と第１の燃料電池セルスタック２との間には、第１の燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかったオフガスである残燃料ガスを燃焼器１０に供給するための燃料排出流路３４と、第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されなかった酸化剤ガスを燃焼器１０に供給するための酸化剤ガス排出流路３６が接続されている。燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、燃料排出流路３４、及び、酸化剤ガス排出流路３６は配管内に形成されており、その一部がハウジング６の外部に位置している。 A fuel supply flow path 30 for supplying the fuel gas of the first fuel cell stack 2 from the reformer 8 is provided between the housing 6 and the first fuel cell stack 2, and the air flow of the housing 6 is provided. An oxidant gas supply flow path 32 for supplying the air heated from the passage 6A to the first fuel cell stack 2 is provided. Further, between the housing 6 and the first fuel cell stack 2, fuel for supplying the residual fuel gas, which is off gas not used for power generation in the first fuel cell stack 2, to the combustor 10. The discharge flow path 34 and the oxidant gas discharge flow path 36 for supplying the oxidant gas that was not used for power generation in the second fuel cell stack 3 to the combustor 10 are connected. The fuel supply flow path 30, the oxidant gas supply flow path 32, the fuel discharge flow path 34, and the oxidant gas discharge flow path 36 are formed in the pipe, and a part of them is located outside the housing 6. There is.

改質器８には、改質触媒（図示せず）が充填されており、蒸発器４から混合ガス導管２８を通じて水蒸気が混合された原燃料ガスが供給され、燃焼器１０の燃焼熱により原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を豊富に含む燃料ガスを生成するように構成されている。改質器８において生成された燃料ガスは第１の燃料電池セルスタック２に送られ、第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用される。この燃料ガスは、改質器８と第１の燃料電池セルスタック２の間に延びる燃料供給流路３０を介して第１の燃料電池セルスタック２に供給される。ここで、改質器８はハウジング６内に収容され、ハウジング６は断熱材によって包囲されているので、燃料ガスを供給する燃料供給流路３０は、ハウジング６及び断熱材を貫通して第１の燃料電池セルスタック２へ延びている。 The reformer 8 is filled with a reforming catalyst (not shown), raw fuel gas mixed with steam is supplied from the evaporator 4 through a mixed gas conduit 28, and the raw material is generated by the heat of combustion of the combustor 10. It is configured to steam reform the fuel gas to produce a hydrogen-rich fuel gas. The fuel gas generated in the reformer 8 is sent to the first fuel cell stack 2, and is used for power generation in the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3. This fuel gas is supplied to the first fuel cell stack 2 via the fuel supply flow path 30 extending between the reformer 8 and the first fuel cell stack 2. Here, since the reformer 8 is housed in the housing 6 and the housing 6 is surrounded by the heat insulating material, the fuel supply flow path 30 for supplying the fuel gas penetrates the housing 6 and the heat insulating material and is first. Extends to the fuel cell stack 2 of.

燃焼器１０は、第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されずに残った残余燃料ガス及び残余空気を燃焼させるように構成されている。第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されずに残った燃料は、燃焼器１０と第２の燃料電池セルスタック３の間に延びる燃料排出流路３４を介して燃焼器１０へ排出される。この燃料排出流路３４も、ハウジング６及び断熱材を貫通して第２の燃料電池セルスタック３から燃焼器１０へ延びている。燃焼器１０へ排出された残余燃料は、燃焼器１０によって燃焼され、燃焼器１０の上方に配置された改質器８を加熱する。これにより、改質器８内の改質触媒（図示せず）が水蒸気改質可能な温度に加熱される。 The combustor 10 is configured to burn residual fuel gas and residual air remaining unused in power generation in the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3. The fuel remaining unused in the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 for power generation is the fuel discharge flow path 34 extending between the combustor 10 and the second fuel cell stack 3. Is discharged to the combustor 10 via. The fuel discharge flow path 34 also penetrates the housing 6 and the heat insulating material and extends from the second fuel cell stack 3 to the combustor 10. The residual fuel discharged to the combustor 10 is burned by the combustor 10 and heats the reformer 8 arranged above the combustor 10. As a result, the reforming catalyst (not shown) in the reformer 8 is heated to a temperature at which steam reforming is possible.

一方、発電用の酸化剤ガスである空気も外部から空気供給パイプ２４を通じてハウジング６に供給され、空気流路６Ａを通る間に燃焼器１０の燃焼熱によって加熱され、高温になった状態で第１の燃料電池セルスタック２へ供給される。ハウジング６において加熱された発電用の空気は、ハウジング６から延びる酸化剤ガス供給流路３２を介して第１の燃料電池セルスタック２に供給される。この酸化剤ガス供給流路３２も、ハウジング６を包囲する断熱材を貫通してハウジング６から第１の燃料電池セルスタック２へ延びている。 On the other hand, air, which is an oxidant gas for power generation, is also supplied from the outside to the housing 6 through the air supply pipe 24, and is heated by the combustion heat of the combustor 10 while passing through the air flow path 6A. It is supplied to the fuel cell stack 2 of 1. The air for power generation heated in the housing 6 is supplied to the first fuel cell stack 2 via the oxidant gas supply flow path 32 extending from the housing 6. The oxidant gas supply flow path 32 also penetrates the heat insulating material surrounding the housing 6 and extends from the housing 6 to the first fuel cell stack 2.

第１の燃料電池セルスタック２は、平板型セルスタックであり、複数の長方形の平板型燃料電池セル２ａを横方向に積層して構成されている。第１の燃料電池セルスタック２は、ハウジング６の外部に独立して設けられている。各燃料電池セル２ａは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極（酸化剤ガス極）の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セル２ａの間にはセパレータ２ｂが配置されている。また、積層された複数の燃料電池セル２ａの一端にはトップエンドプレート２ｃが配置され、他端にはボトムエンドプレート２ｄが配置されている。このように複数の燃料電池セル２ａを積層して得られた第１の燃料電池セルスタック２の内部には、各燃料電池セル２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（図示せず）と、酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給流路（図示せず）が形成されている。 The first fuel cell stack 2 is a flat plate type cell stack, and is configured by stacking a plurality of rectangular flat plate type fuel cell cells 2a in the horizontal direction. The first fuel cell stack 2 is independently provided outside the housing 6. Each fuel cell 2a is configured by providing electrodes for a fuel electrode and an air electrode (oxidizing agent gas electrode) on both sides of a flat plate-shaped electrolyte composed of an oxide ion conductor. A separator 2b is arranged between them. Further, a top end plate 2c is arranged at one end of the plurality of stacked fuel cell cells 2a, and a bottom end plate 2d is arranged at the other end. Inside the first fuel cell stack 2 obtained by stacking a plurality of fuel cell cells 2a in this way, a fuel gas supply flow path for supplying fuel gas to each fuel cell 2a (shown). An oxidant gas supply flow path (not shown) for supplying air, which is an oxidant gas, is formed.

トップエンドプレート２ｃには、燃料供給流路３０と、酸化剤ガス供給流路３２と、第２の燃料電池セルスタック３に延びる中間酸化剤ガス流路３８と、燃料再生器１２に延びる第１の中間燃料流路４０と、が接続されている。トップエンドプレート２ｃにおいて、燃料供給流路３０及び第１の中間燃料流路４０は各燃料電池セル２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路に接続されており、酸化剤ガス供給流路３２及び中間酸化剤ガス流路３８が、各燃料電池セル２ａに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路に接続されている。各燃料電池セル２ａには、燃料供給流路３０及び酸化剤ガス供給流路３２を通じて燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料電池セルによる発電が行われる。第１の燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった残余燃料ガスは第１の中間燃料流路４０に排出されて燃料再生器１２に供給され、第１の燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった酸化剤ガスは、中間酸化剤ガス流路３８に排出されて第２の燃料電池セルスタック３に供給される。トップエンドプレート２ｃは、第２の燃料電池セルスタック３と対向する側に設けられており、このトップエンドプレート２ｃの第２の燃料電池セルスタック３と対向する面に燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、中間酸化剤ガス流路３８、及び、第１の中間燃料流路４０が接続されている。 The top end plate 2c has a fuel supply flow path 30, an oxidant gas supply flow path 32, an intermediate oxidant gas flow path 38 extending to the second fuel cell stack 3, and a first extending to the fuel regenerator 12. Is connected to the intermediate fuel flow path 40 of the above. In the top end plate 2c, the fuel supply flow path 30 and the first intermediate fuel flow path 40 are connected to the fuel gas supply flow path for supplying fuel gas to each fuel cell 2a, and the oxidant gas supply flow path. The road 32 and the intermediate oxidant gas flow path 38 are connected to the oxidant gas supply flow path for supplying the oxidant gas to each fuel cell 2a. Fuel gas and oxidant gas are supplied to each fuel cell 2a through the fuel supply flow path 30 and the oxidant gas supply flow path 32, and power is generated by the fuel cell. The residual fuel gas that was not used for power generation in the first fuel cell stack 2 is discharged to the first intermediate fuel flow path 40 and supplied to the fuel regenerator 12, and is used for power generation in the first fuel cell stack 2. The unused oxidant gas is discharged to the intermediate oxidant gas flow path 38 and supplied to the second fuel cell stack 3. The top end plate 2c is provided on the side facing the second fuel cell stack 3, and the fuel supply flow path 30 and oxidation are provided on the surface of the top end plate 2c facing the second fuel cell stack 3. The agent gas supply flow path 32, the intermediate oxidant gas flow path 38, and the first intermediate fuel flow path 40 are connected.

燃料再生器１２は、第１の燃料電池セルスタック２において発電に使用されなかった燃料ガスを再生する。具体的には、燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる。燃料再生器１２には、第１の燃料電池セルスタック２から延びる第１の中間燃料流路４０と、第２の燃料電池セルスタック３へ延びる第２の中間燃料流路４２が接続されている。第１の中間燃料流路４０を通じて第１の燃料電池セルスタック２から供給された燃料ガスは再生処理が行われ、第２の中間燃料流路４２を通じて第２の燃料電池セルスタック３へ供給される。 The fuel regenerator 12 regenerates the fuel gas that was not used for power generation in the first fuel cell stack 2. Specifically, the water vapor contained in the fuel gas is condensed. The fuel regenerator 12 is connected to a first intermediate fuel flow path 40 extending from the first fuel cell stack 2 and a second intermediate fuel flow path 42 extending to the second fuel cell stack 3. .. The fuel gas supplied from the first fuel cell stack 2 through the first intermediate fuel flow path 40 is regenerated and supplied to the second fuel cell stack 3 through the second intermediate fuel flow path 42. To.

第２の燃料電池セルスタック３は、平板型セルスタックであり、複数の長方形の平板型燃料電池セル２ａを横方向に積層して構成されている。第２の燃料電池セルスタック３は、ハウジング６の外部に独立して設けられている。各燃料電池セル３ａは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極（酸化剤ガス極）の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セル３ａの間にはセパレータ３ｂが配置されている。また、積層された複数の燃料電池セル３ａの一端にはトップエンドプレート３ｃが配置され、他端にはボトムエンドプレート３ｄが配置されている。このように複数の燃料電池セル３ａを積層して得られた第２の燃料電池セルスタック３の内部には、各燃料電池セル３ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（図示せず）と、酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給流路（図示せず）が形成されている。 The second fuel cell stack 3 is a flat plate type cell stack, and is configured by stacking a plurality of rectangular flat plate type fuel cell cells 2a in the horizontal direction. The second fuel cell stack 3 is independently provided outside the housing 6. Each fuel cell 3a is configured by providing electrodes for a fuel electrode and an air electrode (oxidizing agent gas electrode) on both sides of a flat plate-shaped electrolyte composed of an oxide ion conductor. A separator 3b is arranged between them. Further, a top end plate 3c is arranged at one end of the plurality of stacked fuel cell cells 3a, and a bottom end plate 3d is arranged at the other end. Inside the second fuel cell stack 3 obtained by stacking a plurality of fuel cell cells 3a in this way, a fuel gas supply flow path for supplying fuel gas to each fuel cell 3a (shown in the figure). An oxidant gas supply flow path (not shown) for supplying air, which is an oxidant gas, is formed.

トップエンドプレート３ｃには、燃料再生器１２から延びる第２の中間燃料流路４２と、第１の燃料電池セルスタック２から延びる中間酸化剤ガス流路３８と、燃料排出流路３４と、酸化剤ガス排出流路３６と、が接続されている。トップエンドプレート３ｃにおいて、第２の中間燃料流路４２及び燃料排出流路３４は各燃料電池セル３ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路に接続されており、中間酸化剤ガス流路３８及び酸化剤ガス排出流路３６が、各燃料電池セル３ａに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路に接続されている。各燃料電池セル３ａには、第２の中間燃料流路４２及び中間酸化剤ガス流路３８を通じて燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料電池セルによる発電が行われる。第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されなかった残余燃料ガスは燃料排出流路３４に排出されて燃焼器１０に供給され、第２の燃料電池セルスタック３において発電に使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路３６に排出されて燃焼器１０に供給される。トップエンドプレート３ｃは、第１の燃料電池セルスタック２と対向する側に設けられており、このトップエンドプレート３ｃの第１の燃料電池セルスタック２と対向する面に第２の中間燃料流路４２、中間酸化剤ガス流路３８、燃料排出流路３４、及び、酸化剤ガス排出流路３６が接続されている。 The top end plate 3c includes a second intermediate fuel flow path 42 extending from the fuel regenerator 12, an intermediate oxidant gas flow path 38 extending from the first fuel cell stack 2, a fuel discharge flow path 34, and oxidation. The agent gas discharge flow path 36 is connected to the agent gas discharge flow path 36. In the top end plate 3c, the second intermediate fuel flow path 42 and the fuel discharge flow path 34 are connected to the fuel gas supply flow path for supplying fuel gas to each fuel cell 3a, and the intermediate oxide gas flow. The road 38 and the oxidant gas discharge flow path 36 are connected to the oxidant gas supply flow path for supplying the oxidant gas to each fuel cell 3a. Fuel gas and oxidant gas are supplied to each fuel cell 3a through the second intermediate fuel flow path 42 and the intermediate oxidant gas flow path 38, and power is generated by the fuel cell. The residual fuel gas that was not used for power generation in the second fuel cell stack 3 was discharged to the fuel discharge flow path 34 and supplied to the combustor 10, and was not used for power generation in the second fuel cell stack 3. The oxidant gas is discharged to the oxidant gas discharge flow path 36 and supplied to the combustor 10. The top end plate 3c is provided on the side facing the first fuel cell stack 2, and a second intermediate fuel flow path is provided on the surface of the top end plate 3c facing the first fuel cell stack 2. 42, the intermediate oxidant gas flow path 38, the fuel discharge flow path 34, and the oxidant gas discharge flow path 36 are connected.

これら燃料排出流路３４及び酸化剤ガス排出流路３６も、ハウジング６を包囲する断熱材を貫通して第１の燃料電池セルスタック２から燃焼器１０へ延びている。燃焼器１０へ排出された残余空気は、燃焼器１０における燃焼に使用される。燃焼により生成された燃焼ガスは、排気ガスとして排気ガス配管２６を通じて蒸発器４に排出される。蒸発器４に排出された排気ガスは、水を蒸発するのに用いられた後に、排気ガス排出管２３から外部に排出される。 The fuel discharge flow path 34 and the oxidant gas discharge flow path 36 also penetrate the heat insulating material surrounding the housing 6 and extend from the first fuel cell stack 2 to the combustor 10. The residual air discharged to the combustor 10 is used for combustion in the combustor 10. The combustion gas generated by combustion is discharged to the evaporator 4 as exhaust gas through the exhaust gas pipe 26. The exhaust gas discharged to the evaporator 4 is used to evaporate water, and then is discharged to the outside from the exhaust gas discharge pipe 23.

次に、本発明の実施例による燃料電池モジュール１の作用を説明する。
まず、燃料電池モジュール１の起動時においては、原燃料ガス供給用配管２１を介して原燃料ガスが蒸発器４に供給されると共に、空気供給パイプ２４を介して発電用の空気がハウジング６に供給される。供給された原燃料ガスは、蒸発器４の蒸発室４ａを通って混合ガス導管２８に流入し、さらに、改質器８の中に流入する。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、改質器８の温度が低いため、原燃料ガスを改質する反応は発生しない。改質器８に流入した原燃料ガスは、燃料供給流路３０を通って第１の燃料電池セルスタック２の内部に流入する。第１の燃料電池セルスタック２内に流入した原燃料ガスは、内部の流路を通り、第１の中間燃料流路４０を介して燃料再生器１２に供給される。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、第１の燃料電池セルスタック２の温度が低いため、第１の燃料電池セルスタック２において発電反応は発生しない。
そして、燃料再生器１２に流入した原燃料ガスは、実質的に再生処理が行われることなく、第２の中間燃料流路４２を通じて第２の燃料電池セルスタック３の内部に流入する。第２の燃料電池セルスタック３内に流入した原燃料ガスは、内部の流路を通り、燃料排出流路３４を通じて燃焼器１０に供給される。 Next, the operation of the fuel cell module 1 according to the embodiment of the present invention will be described.
First, when the fuel cell module 1 is started, the raw fuel gas is supplied to the evaporator 4 through the raw fuel gas supply pipe 21, and the air for power generation is supplied to the housing 6 through the air supply pipe 24. Be supplied. The supplied raw material fuel gas flows into the mixed gas conduit 28 through the evaporation chamber 4a of the evaporator 4, and further flows into the reformer 8. At the initial stage of starting the fuel cell module 1, since the temperature of the reformer 8 is low, the reaction of reforming the raw material fuel gas does not occur. The raw fuel gas that has flowed into the reformer 8 flows into the inside of the first fuel cell stack 2 through the fuel supply flow path 30. The raw fuel gas that has flowed into the first fuel cell stack 2 passes through the internal flow path and is supplied to the fuel regenerator 12 via the first intermediate fuel flow path 40. At the initial stage of starting the fuel cell module 1, since the temperature of the first fuel cell stack 2 is low, no power generation reaction occurs in the first fuel cell stack 2.
Then, the raw fuel gas that has flowed into the fuel regenerator 12 flows into the inside of the second fuel cell stack 3 through the second intermediate fuel flow path 42 without being substantially regenerated. The raw fuel gas that has flowed into the second fuel cell stack 3 passes through the internal flow path and is supplied to the combustor 10 through the fuel discharge flow path 34.

一方、空気供給パイプ２４を介してハウジング６に供給された空気は、ハウジング６の空気流路６Ａを通り、さらに、酸化剤ガス供給流路３２を通って第１の燃料電池セルスタック２の内部に流入する。第１の燃料電池セルスタック２内に流入した空気は内部の流路を通り、中間酸化剤ガス流路３８を通じて第２の燃料電池セルスタック３の内部に流入する。第２の燃料電池セルスタック３内に流入した空気は内部の流路を通り、酸化剤ガス排出流路３６を通じて燃焼器１０に供給される。なお、燃料電池モジュール１の起動初期においては、第２の燃料電池セルスタック３の温度が低いため、第２の燃料電池セルスタック３において発電反応は発生しない。 On the other hand, the air supplied to the housing 6 through the air supply pipe 24 passes through the air flow path 6A of the housing 6 and further passes through the oxidant gas supply flow path 32 to the inside of the first fuel cell stack 2. Inflow to. The air that has flowed into the first fuel cell stack 2 passes through the internal flow path and flows into the inside of the second fuel cell stack 3 through the intermediate oxidant gas flow path 38. The air that has flowed into the second fuel cell stack 3 passes through the internal flow path and is supplied to the combustor 10 through the oxidant gas discharge flow path 36. At the initial stage of starting the fuel cell module 1, since the temperature of the second fuel cell stack 3 is low, no power generation reaction occurs in the second fuel cell stack 3.

燃料排出流路３４を通って燃焼器１０に流入した原燃料ガスは、酸化剤ガス排出流路３６を介して燃焼器１０に流入した酸化剤ガスとともにハウジング６の内部空間に噴出される。そして、ハウジング６内に噴出した原燃料ガスがセラミックヒータにより点火され、燃焼器１０において原燃料ガスが酸化剤ガスとともに燃焼され、燃焼熱を生成するようになる。 The raw fuel gas that has flowed into the combustor 10 through the fuel discharge flow path 34 is ejected into the internal space of the housing 6 together with the oxidant gas that has flowed into the combustor 10 through the oxidant gas discharge flow path 36. Then, the raw fuel gas ejected into the housing 6 is ignited by the ceramic heater, and the raw fuel gas is burned together with the oxidant gas in the combustor 10 to generate combustion heat.

燃焼器１０が点火されると、その上方に配置された改質器８が加熱され、内部の改質触媒の温度が上昇する。また、燃焼により生成される燃焼ガスにより、ハウジング６の空気流路６Ａが加熱され、内部を流れる空気が加熱される。改質器８及び空気流路６Ａにおいて急加熱された燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料供給流路３０及び酸化剤ガス供給流路３２をそれぞれ通過する。 When the combustor 10 is ignited, the reformer 8 arranged above the combustor 10 is heated, and the temperature of the reforming catalyst inside rises. Further, the combustion gas generated by combustion heats the air flow path 6A of the housing 6 and heats the air flowing inside. The fuel gas and the oxidant gas rapidly heated in the reformer 8 and the air flow path 6A pass through the fuel supply flow path 30 and the oxidant gas supply flow path 32, respectively.

ハウジング６内で生成された燃焼ガスは、排気ガス配管２６を通って排気ガスとして蒸発器４に流入する。蒸発器４内に流入した排気ガスは、水供給用配管２０を通じて蒸発器４に供給された水を蒸発させて水蒸気を発生させた後、排気ガス排出管２３から排出される。 The combustion gas generated in the housing 6 flows into the evaporator 4 as exhaust gas through the exhaust gas pipe 26. The exhaust gas that has flowed into the evaporator 4 is discharged from the exhaust gas discharge pipe 23 after the water supplied to the evaporator 4 is evaporated through the water supply pipe 20 to generate water vapor.

蒸発器４において水蒸気が生成されるようになると、原燃料ガスと水蒸気の混合ガスが、改質器８に供給されるようになる。また、改質器８の温度が十分に上昇すると、改質触媒により水蒸気改質反応が誘発されて、原燃料ガスから水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、第１の燃料電池セルスタック２に供給される。第１の燃料電池セルスタック２の温度が十分に上昇すると、燃料ガスと、ハウジング６において加熱された空気により発電反応が発生するようになる。第１の燃料電池セルスタック２の温度が発電可能な温度まで上昇した状態において、第１の燃料電池セルスタック２から電力が取り出され、発電が開始される。
また、第１の燃料電池セルスタック２において発電が開始されると、第１の燃料電池セルスタック２から第１の中間燃料流路４０を介して燃料再生器１２に供給される燃料ガスの水蒸気濃度が一層高くなる。燃料再生器１２はこのような燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮して、燃料ガスにおける水素ガスの含有率を向上する（再生処理）。そして、このような再生処理が行われ、水素ガスを含む燃料ガスが第２の燃料電池セルスタック３に供給されると、第２の燃料電池セルスタック３においても、燃料ガスと、第１の燃料電池セルスタック２から排出された空気により発電反応が発生するようになり、第２の燃料電池セルスタック３から電力が取り出され、発電が開始される。 When steam is generated in the evaporator 4, a mixed gas of raw material fuel gas and steam is supplied to the reformer 8. Further, when the temperature of the reformer 8 rises sufficiently, the steam reforming reaction is induced by the reforming catalyst, and a fuel gas containing abundant hydrogen gas is generated from the raw material fuel gas. The generated fuel gas is supplied to the first fuel cell stack 2. When the temperature of the first fuel cell stack 2 rises sufficiently, a power generation reaction occurs due to the fuel gas and the air heated in the housing 6. In a state where the temperature of the first fuel cell stack 2 has risen to a temperature at which power can be generated, electric power is taken out from the first fuel cell stack 2 and power generation is started.
Further, when power generation is started in the first fuel cell stack 2, the water vapor of the fuel gas supplied from the first fuel cell stack 2 to the fuel regenerator 12 via the first intermediate fuel flow path 40. The concentration becomes higher. The fuel regenerator 12 condenses the water vapor contained in such a fuel gas to improve the content of hydrogen gas in the fuel gas (regeneration treatment). Then, when such a regeneration process is performed and the fuel gas containing hydrogen gas is supplied to the second fuel cell stack 3, the fuel gas and the first fuel cell stack 3 are also supplied to the second fuel cell stack 3. The air discharged from the fuel cell stack 2 causes a power generation reaction, power is taken out from the second fuel cell stack 3, and power generation is started.

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２及び第２の燃料電池セルスタック３が、ハウジング６の外部に配置されているため、カスケード式の燃料電池セルスタック２、３の構成を採用した場合であっても、ハウジング６を小型化することができる。 According to this embodiment, the following effects are achieved.
In the present embodiment, since the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 are arranged outside the housing 6, the configuration of the cascade type fuel cell stacks 2 and 3 is adopted. Even in this case, the housing 6 can be miniaturized.

また、燃料再生器１２は燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮するため、高温下での駆動に適していない。これに対して、本実施形態では、燃料再生器１２がハウジング６の外部に配置されているため、燃料再生器１２が燃焼器１０の高温に曝されるのを防止し、燃料再生器１２の駆動性能が低下するのを防止できる。また、第１の燃料電池セルスタック及び第２の燃料電池セルスタックがハウジング内に配置されていると、第１の燃料電池セルスタックと燃料ガス再生器とを結ぶ第１の燃料流路、及び、燃料ガス再生器と第２の燃料電池セルスタックとを結ぶ第２の燃料流路がハウジングを貫通することになるが、この場合には、貫通部の構成が複雑になるとともに貫通部の強度やシール性が低下するという問題があった。これに対して、本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２、第２の燃料電池セルスタック３、及び、燃料再生器１２がハウジング６の外部に配置されているため、第１の中間燃料流路４０及び第２の中間燃料流路４２がハウジング６を貫通することがなく、構成が複雑にならず、強度やシール性の低下を防止できる。 Further, since the fuel regenerator 12 condenses water vapor contained in the fuel gas, it is not suitable for driving at a high temperature. On the other hand, in the present embodiment, since the fuel regenerator 12 is arranged outside the housing 6, it is possible to prevent the fuel regenerator 12 from being exposed to the high temperature of the combustor 10 and to prevent the fuel regenerator 12 from being exposed to the high temperature of the combustor 10. It is possible to prevent the drive performance from deteriorating. Further, when the first fuel cell stack and the second fuel cell stack are arranged in the housing, the first fuel flow path connecting the first fuel cell stack and the fuel gas regenerator, and the first fuel flow path connecting the first fuel cell stack and the fuel gas regenerator, and , The second fuel flow path connecting the fuel gas regenerator and the second fuel cell stack penetrates the housing. In this case, the configuration of the penetration portion becomes complicated and the strength of the penetration portion becomes stronger. There was a problem that the sealing property was deteriorated. On the other hand, in the present embodiment, since the first fuel cell stack 2, the second fuel cell stack 3, and the fuel regenerator 12 are arranged outside the housing 6, the first intermediate is provided. The fuel flow path 40 and the second intermediate fuel flow path 42 do not penetrate the housing 6, the configuration is not complicated, and deterioration of strength and sealing property can be prevented.

また、本実施形態では、燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、中間酸化剤ガス流路３８、及び、第１の中間燃料流路４０が、第１の燃料電池セルスタック２のトップエンドプレート２ｃの第２の燃料電池セルスタック３と対向する面に接続さており、また、第２の中間燃料流路４２、中間酸化剤ガス流路３８、燃料排出流路３４、及び、酸化剤ガス排出流路３６が、第２の燃料電池セルスタック３のトップエンドプレート３ｃの第１の燃料電池セルスタック２と対向する面に接続されている。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給又は排出する流路を集中して配置することができ、燃料電池モジュール１をコンパクトに構成することができる。 Further, in the present embodiment, the fuel supply flow path 30, the oxidant gas supply flow path 32, the intermediate oxidant gas flow path 38, and the first intermediate fuel flow path 40 are the first fuel cell stack 2. It is connected to the surface of the top end plate 2c facing the second fuel cell stack 3, and also includes a second intermediate fuel flow path 42, an intermediate oxidant gas flow path 38, a fuel discharge flow path 34, and oxidation. The agent gas discharge flow path 36 is connected to the surface of the top end plate 3c of the second fuel cell stack 3 facing the first fuel cell stack 2. Therefore, the flow paths for supplying or discharging the fuel gas and the oxidant gas can be centrally arranged, and the fuel cell module 1 can be compactly configured.

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図６〜図８は、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの構成を示し、図６はブロック図、図７は斜視図、図８は側面図である。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
図６〜図８に示すように、第２実施形態による燃料電池モジュール１０１は、脱硫器１１４を有し、これにともなうガス流路の構成が第１実施形態と異なっている。 <Second Embodiment>
Hereinafter, the fuel cell module according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
6 to 8 show the configuration of the fuel cell module according to the second embodiment of the present invention, FIG. 6 is a block diagram, FIG. 7 is a perspective view, and FIG. 8 is a side view. In the following description, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
As shown in FIGS. 6 to 8, the fuel cell module 101 according to the second embodiment has a desulfurizer 114, and the configuration of the gas flow path associated therewith is different from that of the first embodiment.

脱硫器１１４には、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給用配管１２２と、脱硫器１１４から脱硫処理が行われた原燃料ガスを蒸発器４に供給するための原燃料ガス供給流路１２１と、第２の中間燃料流路４２から分岐した還流ガス流路１４４とが接続されている。なお、還流ガス流路１４４が原燃料ガス供給用配管に合流、接続されたのち、脱硫器１１４に接続される構造でも構わない。還流ガス流路１４４は、第２の中間燃料流路４２のハウジング６の外部に位置する部分から分岐している。脱硫器１１４には、原燃料ガス供給流路１２１から原燃料ガスが供給されるとともに、還流ガス流路１４４から水素を含有する残燃料ガスの一部が供給される。脱硫器１１４は、水添脱硫反応により原燃料ガスに含まれる硫黄成分を脱硫する。脱硫処理が行われた原燃料ガスは、原燃料ガス供給流路１２１を介して蒸発器４の蒸発室４ａに供給される。原燃料ガス供給流路１２１は配管内に形成されている。 The desulfurizer 114 has a raw fuel gas supply pipe 122 for supplying raw fuel gas, and a raw fuel gas supply flow for supplying the raw fuel gas that has been desulfurized from the desulfurized device 114 to the evaporator 4. The road 121 and the recirculation gas flow path 144 branched from the second intermediate fuel flow path 42 are connected to each other. The structure may be such that the reflux gas flow path 144 joins and is connected to the raw fuel gas supply pipe and then is connected to the desulfurization device 114. The recirculation gas flow path 144 branches from a portion of the second intermediate fuel flow path 42 located outside the housing 6. Raw fuel gas is supplied to the desulfurizer 114 from the raw fuel gas supply flow path 121, and a part of the residual fuel gas containing hydrogen is supplied from the reflux gas flow path 144. The desulfurizer 114 desulfurizes the sulfur component contained in the raw material fuel gas by a hydrogenation desulfurization reaction. The desulfurized raw material fuel gas is supplied to the evaporation chamber 4a of the evaporator 4 via the raw material fuel gas supply flow path 121. The raw material fuel gas supply flow path 121 is formed in the pipe.

なお、本実施形態では、還流ガス流路１４４を第２の中間燃料流路４２から分岐しているが、燃料供給流路３０、第１の中間燃料流路４０、又は燃料排出流路３４から分岐することも可能である。このような場合においても、還流ガス流路１４４はハウジング６の外部において分岐することが好ましい。 In the present embodiment, the recirculation gas flow path 144 is branched from the second intermediate fuel flow path 42, but from the fuel supply flow path 30, the first intermediate fuel flow path 40, or the fuel discharge flow path 34. It is also possible to branch. Even in such a case, it is preferable that the reflux gas flow path 144 branches outside the housing 6.

本実施形態によれば、第１実施形態で奏される作用効果に加えて、以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、脱硫器１１４へ燃料ガスを還流する還流ガス流路１４４が、燃料再生器１２で再生処理が行われた燃料ガスが流れる第２の中間燃料流路４２から分岐されているため、水素濃度が高い燃料ガスを脱硫器１１４に供給することができる。 According to the present embodiment, in addition to the action and effect produced in the first embodiment, the following effects are exhibited.
According to the present embodiment, the recirculation gas flow path 144 that returns the fuel gas to the desulfurization device 114 is branched from the second intermediate fuel flow path 42 through which the fuel gas regenerated by the fuel regenerator 12 flows. Therefore, the fuel gas having a high hydrogen concentration can be supplied to the desulfurizer 114.

＜第３実施形態＞
以下、本発明の第３実施形態による燃料電池モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図９は、本発明の第３実施形態による燃料電池モジュールの構成を示すブロック図である。なお、以下の説明において、第１、２実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２から燃料再生器１２に燃料ガスを供給するための第１の中間燃料流路にサブ熱交換器２５０が設けられている。 <Third Embodiment>
Hereinafter, the fuel cell module according to the third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell module according to a third embodiment of the present invention. In the following description, the same components as those in the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In the present embodiment, the sub heat exchanger 250 is provided in the first intermediate fuel flow path for supplying fuel gas from the first fuel cell stack 2 to the fuel regenerator 12.

図９に示すように、第３実施形態による燃料電池モジュール２０１は、第２実施形態の構成に加えてサブ熱交換器２５０を備える。このサブ熱交換器２５０はハウジング６の外部に設けられている。 As shown in FIG. 9, the fuel cell module 201 according to the third embodiment includes a sub heat exchanger 250 in addition to the configuration of the second embodiment. The sub heat exchanger 250 is provided outside the housing 6.

第１の燃料電池セルスタック２には、第１、２実施形態と同様に、燃料供給流路３０、酸化剤ガス供給流路３２、及び中間酸化剤ガス流路３８が接続されている。さらに、本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２には、第１の上流側中間燃料流路２４０Ａが接続されている。第１の上流側中間燃料流路２４０Ａは、サブ熱交換器２５０まで延びている。
サブ熱交換器２５０には第１の上流側中間燃料流路２４０Ａ及び第１の下流側中間燃料流路２４０Ｂが接続されており、第１の下流側中間燃料流路２４０Ｂは燃料再生器１２まで延びている。燃料再生器１２には、第１の下流側中間燃料流路２４０Ｂ及び第２の中間燃料流路４２が接続されており、第２の中間燃料流路４２は第２の燃料電池セルスタック３に接続されている。このように、本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２から燃料再生器１２まで燃料ガスを供給するための第１の中間燃料流路にサブ熱交換器２５０が設けられている。 The fuel supply flow path 30, the oxidant gas supply flow path 32, and the intermediate oxidant gas flow path 38 are connected to the first fuel cell stack 2 as in the first and second embodiments. Further, in the present embodiment, the first upstream side intermediate fuel flow path 240A is connected to the first fuel cell stack 2. The first upstream intermediate fuel flow path 240A extends to the sub heat exchanger 250.
The first upstream intermediate fuel flow path 240A and the first downstream intermediate fuel flow path 240B are connected to the sub heat exchanger 250, and the first downstream intermediate fuel flow path 240B extends to the fuel regenerator 12. It is extending. A first downstream intermediate fuel flow path 240B and a second intermediate fuel flow path 42 are connected to the fuel regenerator 12, and the second intermediate fuel flow path 42 is connected to the second fuel cell stack 3. It is connected. As described above, in the present embodiment, the sub heat exchanger 250 is provided in the first intermediate fuel flow path for supplying the fuel gas from the first fuel cell stack 2 to the fuel regenerator 12.

また、サブ熱交換器２４０には、空気供給パイプ２２４と、空気供給管２２５とが接続されている。空気供給パイプ２２４は、サブ熱交換器２４０からハウジング６まで延びており、ハウジング６内の空気流路６Ａと連通している。空気供給管２２５を通じて外部から酸化剤ガスとしての空気が供給される。サブ熱交換器２４０は、空気供給管２２５を通じて供給された空気と、第１の上流側中間燃料流路２４０Ａを通じて供給された燃料ガスとの間で熱交換を行う。サブ熱交換器２５０において熱交換された空気は、空気供給パイプ２２４を通じてハウジング６の空気流路６Ａに供給される。なお、サブ熱交換器２５０の構成は、特に限定されず、空気と還流ガスとの間で熱交換できる構成であればよい。 Further, an air supply pipe 224 and an air supply pipe 225 are connected to the sub heat exchanger 240. The air supply pipe 224 extends from the sub heat exchanger 240 to the housing 6 and communicates with the air flow path 6A in the housing 6. Air as an oxidant gas is supplied from the outside through the air supply pipe 225. The sub heat exchanger 240 exchanges heat between the air supplied through the air supply pipe 225 and the fuel gas supplied through the first upstream intermediate fuel flow path 240A. The air heat exchanged in the sub heat exchanger 250 is supplied to the air flow path 6A of the housing 6 through the air supply pipe 224. The configuration of the sub heat exchanger 250 is not particularly limited as long as it can exchange heat between air and the reflux gas.

次に、本発明の第３実施形態による燃料電池モジュール２０１の作用を説明する。
本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２から排出された燃料ガスが第１の上流側中間燃料流路２４０Ａを通じてサブ熱交換器２５０に供給される。そして、サブ熱交換器２５０において燃料ガスと、空気供給管２２５から供給された空気との間で熱交換が行われ、燃料ガスの熱が空気へ伝達される。サブ熱交換器２５０において熱交換された燃料ガスは、第１の下流側中間燃料流路２４０Ｂを通じて燃料再生器１２に送られ、再生処理が行われる。そして、再生処理が行われた燃料ガスは第２の中間燃料流路４２を通じて第２の燃料電池セルスタック３に供給されるとともに、燃料ガスの一部が第２の中間燃料流路４２から分岐する還流ガス流路１４４を通じて脱硫器１１４に供給される。 Next, the operation of the fuel cell module 201 according to the third embodiment of the present invention will be described.
In the present embodiment, the fuel gas discharged from the first fuel cell stack 2 is supplied to the sub heat exchanger 250 through the first upstream intermediate fuel flow path 240A. Then, in the sub heat exchanger 250, heat exchange is performed between the fuel gas and the air supplied from the air supply pipe 225, and the heat of the fuel gas is transferred to the air. The fuel gas heat-exchanged in the sub heat exchanger 250 is sent to the fuel regenerator 12 through the first downstream intermediate fuel flow path 240B, and the regeneration process is performed. Then, the regenerated fuel gas is supplied to the second fuel cell stack 3 through the second intermediate fuel flow path 42, and a part of the fuel gas branches from the second intermediate fuel flow path 42. It is supplied to the desulfurizer 114 through the reflux gas flow path 144.

また、空気供給管２２５を通じてサブ熱交換器２５０に供給された空気は、サブ熱交換器２５０において還流ガスと熱交換することにより加熱される。そして、サブ熱交換器２５０において加熱された空気は、空気供給パイプ２２４を通じてハウジング６に送られる。ハウジング６に供給された空気は、空気流路６Ａにおいて燃焼器１０で発生した燃焼排ガスとの間で熱交換され、酸化剤ガス供給流路３２を通じて燃料電池セルスタック２に供給される。このように、本実施形態では、酸化剤ガスを燃料電池セルスタック２まで供給するための酸化剤ガス流路では、サブ熱交換器２５０及びハウジング６の二か所において熱交換が行われる。 Further, the air supplied to the sub heat exchanger 250 through the air supply pipe 225 is heated by exchanging heat with the recirculated gas in the sub heat exchanger 250. Then, the air heated in the sub heat exchanger 250 is sent to the housing 6 through the air supply pipe 224. The air supplied to the housing 6 exchanges heat with the combustion exhaust gas generated in the combustor 10 in the air flow path 6A, and is supplied to the fuel cell stack 2 through the oxidant gas supply flow path 32. As described above, in the present embodiment, in the oxidant gas flow path for supplying the oxidant gas to the fuel cell stack 2, heat exchange is performed at two places, the sub heat exchanger 250 and the housing 6.

本実施形態によれば、第１実施形態で奏される効果に加えて、以下の効果が奏される。
本実施形態では、第１の燃料電池セルスタック２から燃料再生器１２まで燃料ガスを供給する第１の中間燃料流路にサブ熱交換器２５０が設けられており、このサブ熱交換器において第１の燃料電池セルスタック２に供給される空気との間で熱交換が行われる。これにより、燃料ガスの熱により空気を加熱することができ、燃料電池モジュール２０１の熱効率を向上することができる。 According to the present embodiment, in addition to the effects produced in the first embodiment, the following effects are produced.
In the present embodiment, the sub heat exchanger 250 is provided in the first intermediate fuel flow path for supplying fuel gas from the first fuel cell stack 2 to the fuel regenerator 12, and the sub heat exchanger is the first. Heat exchange is performed with the air supplied to the fuel cell stack 2 of 1. As a result, the air can be heated by the heat of the fuel gas, and the thermal efficiency of the fuel cell module 201 can be improved.

１燃料電池モジュール
２第１の燃料電池セルスタック
２ａ燃料電池セル
２ｂセパレータ
２ｃトップエンドプレート
２ｄボトムエンドプレート
３第２の燃料電池セルスタック
３ａ燃料電池セル
３ｂセパレータ
３ｃトップエンドプレート
３ｄボトムエンドプレート
４蒸発器
４ａ蒸発室
４ｂ加熱室
６ハウジング
６Ａ空気流路
８改質器
１０燃焼器
１２燃料再生器
２０水供給用配管
２１原燃料ガス供給用配管
２３排気ガス排出管
２４空気供給パイプ
２６排気ガス配管
２８混合ガス導管
３０燃料供給流路
３２酸化剤ガス供給流路
３４燃料排出流路
３６酸化剤ガス排出流路
３８中間酸化剤ガス流路
４０第１の中間燃料流路
４２第２の中間燃料流路
１０１燃料電池モジュール
１１４脱硫器
１２１原燃料ガス供給流路
１２２原燃料ガス供給用配管
１４４還流ガス流路 1 Fuel cell module 2 First fuel cell cell stack 2a Fuel cell cell 2b Separator 2c Top end plate 2d Bottom end plate 3 Second fuel cell cell stack 3a Fuel cell cell 3b Separator 3c Top end plate 3d Bottom end plate 4 Evaporation Vessel 4a Evaporation chamber 4b Heating chamber 6 Housing 6A Air flow path 8 Reformer 10 Combustor 12 Fuel regenerator 20 Water supply pipe 21 Raw fuel gas supply pipe 23 Exhaust gas discharge pipe 24 Air supply pipe 26 Exhaust gas pipe 28 Mixed gas conduit 30 Fuel supply flow path 32 Oxidizing agent gas supply flow path 34 Fuel discharge flow path 36 Oxidizing agent gas discharge flow path 38 Intermediate oxidant gas flow path 40 First intermediate fuel flow path 42 Second intermediate fuel flow path 101 Fuel cell module 114 Desulfurizer 121 Raw fuel gas supply flow path 122 Raw fuel gas supply pipe 144 Reflux gas flow path

Claims

With multiple fuel cell cell stacks,
With the housing
A reformer, which is arranged inside the housing and reforms the raw material fuel gas to generate a fuel gas containing hydrogen,
A combustor that is arranged inside the housing and burns fuel gas that has not been used for power generation in the plurality of fuel cell stacks to heat the reformer.
With
The plurality of fuel cell cell stacks
The first fuel cell stack to which the fuel gas is supplied and
Includes a second fuel cell stack to which the fuel gas discharged from the first fuel cell stack is supplied.
A fuel cell module characterized in that the first fuel cell stack and the second fuel cell stack are arranged outside the housing.

Further, a fuel gas regenerator that is arranged outside the housing and regenerates the fuel gas used in the first fuel cell stack is provided.
A first fuel flow path for supplying fuel gas from the first fuel cell stack to the fuel gas regenerator, and a second fuel gas supply from the fuel gas regenerator to the second fuel cell stack. The fuel cell module according to claim 1, wherein the fuel flow path of the above does not penetrate the housing.

In addition, it is equipped with a desulfurizer
The fuel cell module according to claim 2, wherein the recirculation gas flow path for returning the fuel gas to the desulfurization device is branched from the second fuel flow path.

Further, a heat exchange unit provided in the first fuel flow path and exchanging heat between the oxidant gas supplied to the first fuel cell stack is provided.
The fuel cell module according to any one of claims 2 to 3.

The first fuel cell stack and the second fuel cell stack are arranged so that their respective surfaces face each other.
A flow path for supplying or discharging fuel gas and oxidant gas is connected to the facing surfaces of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack.
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 4.