JP2023103838A - fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell device having a fuel cell.
この種の燃料電池装置として、例えば特許文献1に記載された燃料電池モジュールが知られている。この特許文献1に記載された燃料電池モジュールは、平板状の燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、排ガス燃焼器と、改質器とを備えている。 As a fuel cell device of this type, for example, a fuel cell module disclosed in Patent Document 1 is known. The fuel cell module described in Patent Document 1 includes a fuel cell stack in which a plurality of flat fuel cells are stacked, an exhaust gas combustor, and a reformer.
特許文献1の燃料電池モジュールの排ガス燃焼器には、燃料電池スタックから排出される燃料排ガスの全量と酸化剤排ガスの全量とが供給される。そして、排ガス燃焼器は、その燃料排ガスと酸化剤排ガスとを燃焼させることにより燃焼ガスを発生させ、その燃焼ガスは改質器へ供給される。その燃料排ガスは燃料オフガスとも称され、酸化剤排ガスは酸化剤オフガスとも称される。 The exhaust gas combustor of the fuel cell module of Patent Document 1 is supplied with the total amount of the fuel exhaust gas and the total amount of the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack. The exhaust gas combustor burns the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas to generate combustion gas, and the combustion gas is supplied to the reformer. The fuel exhaust gas is also called fuel off-gas, and the oxidant exhaust gas is also called oxidant off-gas.
また、改質器には、原燃料を含む改質ガスが流入する改質通路が形成されている。改質器では、その改質ガスが改質通路を流れながら燃焼ガスで加熱され、それにより、改質ガスに含まれる原燃料は燃料ガスへと改質される。このようにして得られた燃料ガスは、改質器から燃料電池スタックへ供給される。 Further, the reformer is formed with a reforming passage into which the reformed gas containing the raw fuel flows. In the reformer, the reformed gas is heated by the combustion gas while flowing through the reforming passage, thereby reforming the raw fuel contained in the reformed gas into fuel gas. The fuel gas thus obtained is supplied from the reformer to the fuel cell stack.
燃料電池用の改質器において、原燃料から燃料ガスへ改質する改質性能を高めるためには、改質通路のうち改質触媒が配置された触媒配置区間の出口部分である区間出口部にて改質ガスの温度を高くすることが最も重要である。 In a reformer for a fuel cell, in order to improve the reforming performance of reforming the raw fuel into fuel gas, the section exit part, which is the exit part of the catalyst arrangement section in which the reforming catalyst is arranged in the reforming passage, is required. It is most important to raise the temperature of the reformed gas at .
しかしながら、特許文献1の燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器において酸化剤オフガスの全量が燃料オフガスに対して混合され、その酸化剤オフガスと燃料オフガスとの混合ガスが燃焼させられる。そのため、排ガス燃焼器で発生する燃焼ガスの温度が、例えば酸化剤オフガスの一部を燃料オフガスの燃焼に用いない構成と比較して低くなる。 However, in the fuel cell module of Patent Document 1, the entire amount of the oxidant offgas is mixed with the fuel offgas in the exhaust gas combustor, and the mixed gas of the oxidant offgas and the fuel offgas is burned. Therefore, the temperature of the combustion gas generated in the exhaust gas combustor becomes lower than, for example, a configuration in which part of the oxidant off-gas is not used for combustion of the fuel off-gas.
従って、特許文献1の燃料電池モジュールが有する改質器では、改質通路の区間出口部にて改質ガスの温度を十分に高くできていない。すなわち、改質器の改質性能を改善する余地が残されていた。発明者らの詳細な検討の結果、以上のようなことが見出された。 Therefore, in the reformer included in the fuel cell module of Patent Document 1, the temperature of the reformed gas cannot be made sufficiently high at the section outlet of the reforming passage. That is, there remains room for improving the reforming performance of the reformer. As a result of detailed studies by the inventors, the above was found.
本発明は上記点に鑑みて、改質器の改質通路の区間出口部にて改質ガスの温度を高めることにより改質器の改質性能の向上を図ることができる燃料電池装置を提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention provides a fuel cell apparatus capable of improving the reforming performance of the reformer by raising the temperature of the reformed gas at the section outlet of the reforming passage of the reformer. intended to
上記目的を達成するため、請求項1に記載の燃料電池装置は、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池(12)と、
燃料電池から排出される酸化剤オフガス(Ga)を、その酸化剤オフガスのうちの一部である第1オフガス(G1a)と残部である第2オフガス(G2a)とに分けて流す分岐部(18)と、
第1オフガスと燃料電池から排出される燃料オフガス(Gfa)とから、その燃料オフガスに含まれる燃料ガスの燃焼により燃焼ガス(Gc)を生成する燃焼器(14)と、
原燃料を含む改質ガス(Grf)が流入する改質通路(27)が形成され、その改質通路に流通する改質ガスに含まれる原燃料を、燃焼ガスと第2オフガスとの少なくとも一方を含む熱媒体によって加熱することにより燃料ガスに改質し、その燃料ガスを含む改質ガスを燃料電池へ供給する改質器(26)とを備え、
改質通路には、原燃料を燃料ガスへ改質するための改質触媒(29)が配置されガス流通方向(Df)の一方側から他方側へ改質ガスが流れる触媒配置区間(Sc)が設けられ、
改質通路は、触媒配置区間のうちガス流通方向の一方側に位置する区間入口部(271)と、触媒配置区間のうちガス流通方向の他方側に位置する区間出口部(272)とを有し、
改質器には、伝熱可能な一方隔壁部(301、301a、301b)を挟んで区間入口部に対して隔てられ熱媒体が流通する一方側熱媒体通路(285、285a、285b)と、伝熱可能な他方隔壁部(302)を挟んで区間出口部に対して隔てられ熱媒体が流通する他方側熱媒体通路(286)とが形成され、
他方側熱媒体通路では一方側熱媒体通路と比較して、燃焼ガスが熱媒体の流量全体に対して占める流量の割合が大きい。
In order to achieve the above object, the fuel cell device according to claim 1 comprises:
a fuel cell (12) that generates electricity through an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas;
A branching part (18) for dividing the oxidant off-gas (Ga) discharged from the fuel cell into a first off-gas (G1a), which is a part of the oxidant off-gas, and a second off-gas (G2a), which is the remainder. )and,
a combustor (14) for generating a combustion gas (Gc) by burning the fuel gas contained in the fuel off-gas from the first off-gas and the fuel off-gas (Gfa) discharged from the fuel cell;
A reforming passage (27) into which a reformed gas (Grf) containing raw fuel flows is formed, and the raw fuel contained in the reformed gas flowing through the reforming passage is converted into at least one of the combustion gas and the second off-gas. A reformer (26) that reforms into fuel gas by heating with a heat medium containing
A reforming catalyst (29) for reforming the raw fuel into fuel gas is arranged in the reforming passage, and the reformed gas flows from one side to the other side in the gas flow direction (Df). is provided,
The reforming passage has a section inlet (271) located on one side in the gas flow direction of the catalyst-arranged section, and a section outlet (272) located on the other side in the gas flow direction of the catalyst-arranged section. death,
In the reformer, one side heat medium passages (285, 285a, 285b) through which the heat medium flows are separated from the section inlet part with one heat transferable partition wall parts (301, 301a, 301b) interposed therebetween; The other side heat medium passage (286) through which the heat medium flows is separated from the section outlet with the other heat transferable partition wall (302) interposed therebetween, and
In the heat medium passage on the other side, the ratio of the flow rate of the combustion gas to the total flow rate of the heat medium is larger than that in the heat medium passage on the one side.
このようにすれば、燃料電池から排出される酸化剤オフガスの一部は、燃焼器での燃料ガスの燃焼に用いられないので、例えば特許文献1の構成と比較して、改質器で改質ガスを加熱するために燃焼器で生成される燃焼ガスの温度を高めることができる。 In this way, part of the oxidant off-gas discharged from the fuel cell is not used for combustion of the fuel gas in the combustor. The temperature of the combustion gases produced in the combustor can be increased to heat the raw gases.
そして、他方側熱媒体通路では一方側熱媒体通路と比較して、燃焼ガスが熱媒体の流量全体に対して占める流量の割合が大きいので、その分、他方側熱媒体通路では燃焼ガスの熱が第2オフガスに奪われにくい。 In the other side heat medium passage, the ratio of the flow rate of the combustion gas to the total flow rate of the heat medium is larger than that in the one side heat medium passage. is difficult to be stolen by the second offgas.
その結果、他方側熱媒体通路内の燃焼ガスを含む熱媒体から吸熱し改質通路の区間出口部に流通する改質ガスの温度を、例えば特許文献1の構成との比較で高めることができる。これにより、改質器の改質性能の向上を図ることができ、延いては、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。 As a result, the temperature of the reformed gas that absorbs heat from the heat medium containing the combustion gas in the heat medium passage on the other side and flows through the section outlet of the reforming passage can be increased compared to the configuration of Patent Document 1, for example. . As a result, it is possible to improve the reforming performance of the reformer and, by extension, to improve the power generation efficiency of the fuel cell device.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 It should be noted that the reference numerals in parentheses attached to each component etc. indicate an example of the correspondence relationship between the component etc. and specific components etc. described in the embodiments described later.
以下、図面を参照しながら、各実施形態を説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, each embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, in each of the following embodiments, the same or equivalent portions are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態の燃料電池装置10は、燃料電池システム8の一部を構成している。その燃料電池システム8は、燃料電池装置10のほかに、脱硫器71と排熱回収器72とを備えている。そして、燃料電池装置10は、燃料電池スタック12と、燃焼器14と、燃焼ガス流路16と、分岐部18と、第1オフガス流路181と、第2オフガス流路182と、燃焼器導入流路22と、燃料リサイクル流路24と、改質器26と、蒸発器32と、エジェクタ34と、空気予熱器36とを備えている。例えば、燃料電池スタック12、改質器26、燃焼器14、および複数の流路16、18、22、24等は、モジュール化され、一体構成となっている。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1 , the
燃料電池スタック12は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する。この燃料電池スタック12は、本開示の燃料電池に対応する。本実施形態では、燃料ガスとして、改質器26での水蒸気改質反応によって生成した水素ガスと一酸化炭素とを含むガスが用いられる。酸化剤ガスとしては空気が用いられる。燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により電気エネルギが発生する。
The
燃料電池スタック12は、セルスタックとも呼ばれるものであり、図示しない複数の燃料電池セルの集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル(すなわち、SOFC)であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極(すなわち、アノード)が形成され、他方側の面に空気極(すなわち、カソード)が形成された構成となっている。燃料極および空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。燃料電池スタック12では、すべての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。上記のSOFCは、「Solid Oxide Fuel Cell」の略である。
The
燃料電池スタック12は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電するが、その発電に使用されなかった残りの燃料ガスと酸化剤ガスはそれぞれ、燃料電池スタック12から排出される。すなわち、燃料ガスを含む排出ガスである燃料オフガスGfa、Gfbと、酸化剤ガスを含む排出ガスである酸化剤オフガスGaとが、燃料電池スタック12からそれぞれ排出される。本実施形態では、酸化剤ガスとして空気が用いられるので、酸化剤オフガスGaは空気オフガスと称されることもある。
The
分岐部18は、燃料電池スタック12から排出される酸化剤オフガスGaの流通経路の一部を構成し、例えば、燃料電池スタック12のうち酸化剤オフガスGaが排出される排出口に連結されている。また、分岐部18には、第1オフガス流路181の上流側端部と第2オフガス流路182の上流側端部とがそれぞれ連結されている。
The
この分岐部18は、燃料電池スタック12から排出された酸化剤オフガスGaを、第1オフガス流路181と第2オフガス流路182とへ分けて流す。すなわち、分岐部18は、その排出された酸化剤オフガスGaを、その酸化剤オフガスGaのうちの一部である第1オフガスG1aと、残部である第2オフガスG2aとに分ける。そして、分岐部18は、その第1オフガスG1aを第1オフガス流路181に流し、第2オフガスG2aを第2オフガス流路182に流す。
The branching
第1オフガス流路181は、第1オフガスG1aを燃焼器14へ導く流路である。第2オフガス流路182は、第2オフガスG2aを、燃焼器14を迂回させて改質器26へ導く流路である。
The first offgas flow path 181 is a flow path that guides the first offgas G1a to the
燃料電池スタック12から排出された燃料オフガスGfa、Gfbは、燃焼器導入流路22と燃料リサイクル流路24とへ分かれて流通する。そして、燃焼器導入流路22の下流側端部は燃焼器14に接続されており、燃焼器導入流路22は、その燃焼器導入流路22に流入した燃料オフガスGfaを燃焼器14に導く。その一方で、燃料リサイクル流路24の下流側端部はエジェクタ34の吸引口34bに接続されており、燃料リサイクル流路24は、その燃料リサイクル流路24に流入した燃料オフガスGfbをエジェクタ34の吸引口34bに導く。従って、燃料リサイクル流路24は、改質器26に供給される原燃料を含むガスに燃料オフガスGfbを合流させる。
The fuel offgases Gfa and Gfb discharged from the
燃焼器14には、酸化剤ガスを含む第1オフガスG1aが第1オフガス流路181から供給され、燃料電池スタック12から排出され燃料ガスを含む燃料オフガスGfaが燃焼器導入流路22から供給される。そして、燃焼器14は、その供給された第1オフガスG1aと燃料オフガスGfaとから、その燃料オフガスGfaに含まれる燃料ガスの燃焼により高温の燃焼ガスGcを生成する。この燃焼ガスGcは、第2オフガス流路182に流通する第2オフガスG2aよりも高温になる。
The
例えば、燃焼器14では、燃料オフガスGfaと第1オフガスG1aとの混合ガスが、図示しない着火器によって着火される。これにより、その混合ガスに含まれる燃料ガスが燃焼し、その燃焼によって高温の燃焼ガスGcが生成する。その生成した燃焼ガスGcは、燃焼ガス流路16を介して改質器26へ供給される。
For example, in the
燃焼ガス流路16の上流側端部は燃焼器14に連結され、燃焼ガス流路16の下流側端部は改質器26に連結されている。すなわち、燃焼ガス流路16は、燃焼ガスGcを燃焼器14から改質器26へ導く流路である。
An upstream end of the combustion
改質器26は、水蒸気改質により、水素を含有する燃料ガスを生成する。具体的に、改質器26には、エジェクタ34から、原燃料と水蒸気との混合ガスが、改質される対象である改質ガスGrf(図2参照)として供給される。そして、改質器26は、その改質ガスGrfを、燃焼ガスGcと第2オフガスG2aとを含む熱媒体によって加熱することにより、その改質ガスGrfに含まれる原燃料を燃料ガスに改質する。改質器26は、その改質後の燃料ガスを含む改質ガスGrfを燃料電池スタック12の燃料極へ供給する。改質器26に供給される原燃料は、炭化水素(例えば、メタン)を含むガスである都市ガスである。
The
改質器26で改質ガスGrfを加熱するために利用された燃焼ガスGcと第2オフガスG2aは混合されて改質器26から排出される。そして、改質器26から排出された燃焼ガスGcと第2オフガスG2aとを含む混合排出ガスは、改質器26、空気予熱器36、蒸発器32の順に流通し、その空気予熱器36と蒸発器32とのそれぞれで熱源として利用される。
The combustion gas Gc used to heat the reformed gas Grf in the
更に、蒸発器32から流出した燃焼ガスGcと第2オフガスG2aとを含む混合排出ガスは、燃料電池装置10の外部に設けられた排熱回収器72へ供給される。その排熱回収器72は、その供給された混合排出ガスの熱を回収する。例えば、排熱回収器72は、その混合排出ガスと水との熱交換によってその水を加熱して、給湯用の湯を生成する。
Further, the mixed exhaust gas containing the combustion gas Gc and the second offgas G2a that flowed out from the
蒸発器32には、燃料電池システム8の外部から水が供給される。蒸発器32は、燃焼ガスGcと第2オフガスG2aとを含む混合排出ガスと、蒸発器32に供給された水とを熱交換させ、その熱交換によってその水を加熱し、水蒸気を生成する。すなわち、蒸発器32は、その混合排出ガスと水とを熱交換させる熱交換器である。蒸発器32は、その生成した水蒸気を、蒸発器32とエジェクタ34の入口34aとの間のガス流路の一部を構成する合流部37へ流出させる。
Water is supplied to the evaporator 32 from outside the
脱硫器71には、燃料電池システム8の外部から都市ガス(すなわち、原燃料)が供給される。脱硫器71は、その供給された都市ガスに含まれる硫黄成分を除去する。脱硫器71は、硫黄成分を除去した後の都市ガスを合流部37へ流出させる。
City gas (that is, raw fuel) is supplied to the
エジェクタ34は、原燃料と水蒸気との混合ガスと、燃料リサイクル流路24から供給された燃料オフガスGfbとを混合して改質器26へ供給する。エジェクタ34は、入口34aと、吸引口34bと、吐出口34cとを有する。
The
エジェクタ34の入口34aには、都市ガスである原燃料と水蒸気とが合流する合流部37が接続されており、その合流部37から原燃料と水蒸気との混合ガスが流入する。エジェクタ34の吸引口34bには、燃料リサイクル流路24の下流側端部が接続されている。エジェクタ34の吐出口34cには改質器26が接続されている。
The
エジェクタ34は、エジェクタ34の内部の図示しないノズルから原燃料と水蒸気との混合ガスを噴射することで、燃料リサイクル流路24から燃料オフガスGfbを吸引し、その吸引した燃料オフガスGfbを原燃料と水蒸気との混合ガスとともに吐出する。その吐出された燃料オフガスGfbと原燃料と水蒸気との混合ガスは、エジェクタ34の吐出口34cから改質器26へ供給される。
The
空気予熱器36には、燃料電池システム8の外部から空気が供給される。空気予熱器36は、燃焼ガスGcと第2オフガスG2aとを含む混合排出ガスと、空気予熱器36に供給された空気とを熱交換させ、その熱交換によってその空気を加熱する。すなわち、空気予熱器36は、その混合排出ガスと空気とを熱交換させる熱交換器である。空気予熱器36は、その予め加熱した空気を燃料電池スタック12の空気極へ供給する。
Air is supplied to the
改質器26は、上記したように原燃料を燃料ガスに改質する装置であるが、具体的には図2に示すように、改質器26には、改質通路27と連結熱媒体通路28とが形成されている。そして、改質器26は、改質触媒29と通路隔壁30とを有している。
The
改質触媒29は、原燃料を燃料ガスへ改質するための触媒であり、改質通路27に配置されている。例えば、改質触媒29は、球形状または略球形状(要するに、粒子状)を成す複数の粒子状物として形成されており、その複数の粒子状物はそれぞれ、貴金属触媒と担持体とからなる多孔質体である。
The reforming
改質通路27は、改質される対象としての改質ガスGrfがガス流通方向Dfの一方側から他方側へ流れる流通路である。改質通路27の上流側端部27a(すなわち、ガス流通方向Dfの一方側の端部)はエジェクタ34の吐出口34c(図1参照)に接続されている。従って、改質通路27には、水蒸気と原燃料とを含む改質ガスGrfがガス流通方向Dfの一方側から流入する。その一方で、改質通路27の下流側端部27b(すなわち、ガス流通方向Dfの他方側の端部)は、改質後の燃料ガスを含む改質ガスGrfを改質器26から燃料電池スタック12の燃料極へ流す流路に接続されている。
The reforming
改質通路27には、上記したように改質触媒29が配置されているので、その改質触媒29が配置された触媒配置区間Scが設けられている。例えば、その触媒配置区間Scでは、改質触媒29が改質通路27に充填されている。改質通路27には改質ガスGrfがガス流通方向Dfの一方側から他方側へ流れるので、触媒配置区間Scでも、改質ガスGrfはガス流通方向Dfの一方側から他方側へ流れる。
Since the reforming
また、改質通路27は、区間入口部271と区間出口部272とを有している。その区間入口部271は、触媒配置区間Scの入口部分であり、触媒配置区間Scのうちガス流通方向Dfの一方側に位置する。区間出口部272は、触媒配置区間Scの出口部分であり、触媒配置区間Scのうちガス流通方向Dfの他方側に位置する。
Further, the reforming
連結熱媒体通路28は改質通路27に沿って形成されており、改質通路27内の改質ガスGrfを加熱する熱媒体が流通する流通路である。連結熱媒体通路28に流通する熱媒体は、燃焼ガスGcと第2オフガスG2aとの少なくとも一方を含む流体である。
The connecting
連結熱媒体通路28は、その連結熱媒体通路28のうち熱媒体流れ上流側に位置する通路上流端281と、連結熱媒体通路28のうち熱媒体流れ下流側に位置する通路下流端282とを有している。本実施形態では、連結熱媒体通路28の熱媒体流れ上流側はガス流通方向Dfの他方側であり、連結熱媒体通路28の熱媒体流れ下流側はガス流通方向Dfの一方側である。従って、連結熱媒体通路28に流通する熱媒体は、改質通路27の全長にわたって、改質通路27に流通する改質ガスGrfに対し逆向きに流れる対向流となっている。
The connecting
連結熱媒体通路28の通路上流端281は燃焼ガス流路16(図1参照)に接続され、通路下流端282は空気予熱器36に接続されている。従って、燃焼ガス流路16から改質器26に供給された燃焼ガスGcは、通路上流端281から連結熱媒体通路28に導入され、且つ通路下流端282まで連結熱媒体通路28に流通する。なお、連結熱媒体通路28の通路上流端281に第2オフガスG2aは導入されない。
A passage
また、連結熱媒体通路28は、通路上流端281と通路下流端282との間に位置する通路途中部283を有している。この通路途中部283に面する通路側壁284の一部には、その通路側壁284を貫通し通路途中部283に連結した途中部開口284aが形成されている。
The connecting
この途中部開口284aは、第2オフガス流路182(図1参照)に接続されている。従って、第2オフガス流路182から改質器26に供給された第2オフガスG2aは、途中部開口284aを介して通路途中部283から連結熱媒体通路28に導入され、且つ通路下流端282まで連結熱媒体通路28に流通する。
The
すなわち、連結熱媒体通路28のうち通路上流端281から通路途中部283までの区間では、第2オフガスG2aと燃焼ガスGcとのうち燃焼ガスGcだけが熱媒体として流通する。連結熱媒体通路28に導入された第2オフガスG2aは通路途中部283で燃焼ガスGcと混合する。そして、連結熱媒体通路28のうち通路途中部283から通路下流端282までの区間では、第2オフガスG2aと燃焼ガスGcとの混合ガスが熱媒体として流通する。
That is, in the section from the passage
また、改質通路27と連結熱媒体通路28との間には通路隔壁30が介在しているので、その通路隔壁30は、改質通路27と連結熱媒体通路28とを隔てている。この通路隔壁30は、例えば高熱伝導性を備えた金属薄板で構成されている。通路隔壁30は、改質通路27に流通する改質ガスGrfと連結熱媒体通路28に流通する熱媒体とにそれぞれ接触し、その改質ガスGrfと熱媒体との間で熱を伝える。
Since the
例えば、通路隔壁30は、改質通路27の全長にわたって改質通路27内の改質ガスGrfに接触し、連結熱媒体通路28の全長にわたって連結熱媒体通路28内の熱媒体に接触する。そのため、通路隔壁30は、改質通路27の全長にわたって、改質通路27内の改質ガスGrfと連結熱媒体通路28内の熱媒体とを熱交換させる。
For example, the
改質通路27の区間入口部271の周りに着目すると、通路隔壁30は、その区間入口部271に面する一方隔壁部301を含んでいる。そして、連結熱媒体通路28は、その一方隔壁部301を挟んで区間入口部271に対して隔てられた一方側熱媒体通路285を含んでいる。連結熱媒体通路28の通路下流端282はこの一方側熱媒体通路285の下流端でもある。区間入口部271に流通する改質ガスGrfは、一方側熱媒体通路285内の熱媒体から吸熱すると共に、非平衡状態となっている。その非平衡状態とは、改質ガスGrfの温度が一定であっても、原燃料を燃料ガスに改質する改質率Rrfが時間経過に伴って上昇する状態である。
Focusing on the
なお、改質率Rrfはメタン転化率と呼ばれることもある。そして、改質率Rrfは、改質を行うための流通路の入口での改質ガスGrfに含まれるメタンの量をMiとし、その流通路の出口での改質ガスGrfに含まれるメタンの量をMoとして、下記式F1から得られる。そのメタンの量とは、例えばメタンの質量流量であってもよいし、単位時間あたりに流通するメタンのモル数であってもよい。下記式F1から得られる改質率Rrfの単位は、「%」である。
Rrf=(Mi-Mo)/Mi×100 ・・・(F1)
Note that the reforming rate Rrf is sometimes called a methane conversion rate. Then, the reforming rate Rrf is determined by setting Mi to be the amount of methane contained in the reformed gas Grf at the inlet of the flow passage for reforming, and the amount of methane contained in the reformed gas Grf at the outlet of the flow passage. It is obtained from the following formula F1, where the amount is Mo. The amount of methane may be, for example, the mass flow rate of methane or the number of moles of methane that flows per unit time. The unit of the reforming rate Rrf obtained from the following formula F1 is "%".
Rrf=(Mi−Mo)/Mi×100 (F1)
また、改質通路27の区間出口部272の周りに着目すると、通路隔壁30は、その区間出口部272に面する他方隔壁部302を含んでいる。そして、連結熱媒体通路28は、その他方隔壁部302を挟んで区間出口部272に対して隔てられた他方側熱媒体通路286を含んでいる。連結熱媒体通路28の通路上流端281はこの他方側熱媒体通路286の上流端でもある。区間出口部272に流通する改質ガスGrfは、他方側熱媒体通路286内の熱媒体から吸熱すると共に、平衡状態となっている。その平衡状態とは、改質ガスGrfの温度が一定であれば、上記の改質率Rrfが一定になる状態である。但し、区間出口部272において改質ガスGrfの温度は上昇中であるので、区間出口部272で改質率Rrfが一定になるわけではない。
Focusing around the
上記のように連結熱媒体通路28は一方側熱媒体通路285と他方側熱媒体通路286とを含んで構成されているので、一方側熱媒体通路285は、他方側熱媒体通路286に対し熱媒体流れ下流側に直列に連結している。そして、通路途中部283は、連結熱媒体通路28のうち一方側熱媒体通路285と他方側熱媒体通路286との間に位置している。
As described above, the connecting
従って、一方側熱媒体通路285には、第2オフガスG2aと燃焼ガスGcとの両方が、改質ガスGrfと熱交換する熱媒体として導入される。これに対し、他方側熱媒体通路286には、第2オフガスG2aは導入されず、燃焼ガスGcが、改質ガスGrfと熱交換する熱媒体として導入される。
Therefore, both the second off-gas G2a and the combustion gas Gc are introduced into the one-side
その結果、一方側熱媒体通路285に流通する熱媒体の流量は、他方側熱媒体通路286に流通する熱媒体の流量よりも多くなる。そして、他方側熱媒体通路286では一方側熱媒体通路285と比較して、燃焼ガスGcが熱媒体の流量全体に対して占める流量の割合Rc(すなわち、燃焼ガス流量割合Rc)が大きい。その燃焼ガス流量割合Rcは、熱媒体の流量をQtとし、且つその熱媒体に含まれる燃焼ガスGcの流量をQcとして下記式F2から得られる。
Rc=Qc/Qt ・・・(F2)
As a result, the flow rate of the heat medium flowing through the one side
Rc=Qc/Qt (F2)
本実施形態では、他方側熱媒体通路286における燃焼ガス流量割合Rcは「Rc=1」であり、一方側熱媒体通路285における燃焼ガス流量割合Rcは「0<Rc<1」である。確認的に述べるが、本実施形態の説明で用いられる「流量」とは、特に断りのない限り、質量流量を意味する。
In this embodiment, the combustion gas flow rate Rc in the other side heat
図3の(b)の実線Lcで示されるように、連結熱媒体通路28では、熱媒体が改質ガスGrfへ放熱しながら通路上流端281から通路下流端282へ流通するので、熱媒体の温度は通路下流端282へ近づくほど低下する。本実施形態では、第2オフガスG2aと混合される前の燃焼ガスGcの温度変化と通路途中部283へ導入される第2オフガスG2aの温度T2aとの関係に基づいて予め定められた所定箇所P2aに、通路途中部283は位置している。本実施形態の説明では、その通路途中部283へ導入される第2オフガスG2aの温度T2aは、導入第2オフガス温度T2aとも称される。
As indicated by the solid line Lc in FIG. 3B, in the connecting
上記の所定箇所P2aは、連結熱媒体通路28のうち通路途中部283が配置される配置場所を示す。具体的に、その所定箇所P2aは、通路上流端281から連結熱媒体通路28に流通し通路途中部283に到達する熱媒体の温度が導入第2オフガス温度T2aまで下がる箇所とされる。ここで言う「通路途中部283に到達する熱媒体の温度」とは、別言すれば、通路途中部283で第2オフガスG2aと混合される直前の燃焼ガスGcの温度である。図3の(b)の矢印A2aは、第2オフガスG2aが連結熱媒体通路28に流入することを示している。
The above-described predetermined location P2a indicates an arrangement location where the
なお、連結熱媒体通路28内の燃焼ガスGcの温度と連結熱媒体通路28でのガス流通方向Dfの位置との関係は、予め実験的に求められる。また、導入第2オフガス温度T2aとは、詳しく言えば通路途中部283へ流入する直前の第2オフガスG2aの温度であり、その導入第2オフガス温度T2aも予め実験的に求められる。従って、連結熱媒体通路28のうち通路途中部283が配置される上記の所定箇所P2aは、予め実験的に設定される。
Note that the relationship between the temperature of the combustion gas Gc in the connecting
次に、図2、図3を用いて、改質器26内での改質ガスGrf、燃焼ガスGc、第2オフガスG2aの流れについて説明する。
Next, the flows of the reformed gas Grf, the combustion gas Gc, and the second off-gas G2a within the
図2、図3に示すように、改質器26に供給される燃焼ガスGcは、改質器26に供給される第2オフガスG2aよりも高温である。燃焼ガス流路16(図1参照)から改質器26に供給された燃焼ガスGcは、通路上流端281から連結熱媒体通路28に導入される。これに対し、第2オフガス流路182(図1参照)から改質器26に供給された第2オフガスG2aは、通路途中部283から連結熱媒体通路28に導入され、燃焼ガスGcに合流する。
As shown in FIGS. 2 and 3 , the combustion gas Gc supplied to the
そのため、連結熱媒体通路28の通路途中部283から通路下流端282までの区間では、連結熱媒体通路28に流通する熱媒体は燃焼ガスGcと第2オフガスG2aとの混合ガスになる。その一方で、連結熱媒体通路28の通路上流端281から通路途中部283までの区間では、連結熱媒体通路28に流通する熱媒体は、第2オフガスG2aを含まず且つ燃焼ガスGcを含んだガスになる。
Therefore, in the section from the passage
また、改質通路27では、改質前の改質ガスGrfが改質通路27の上流側端部27aに導入され、改質ガスGrfは、改質通路27の上流側端部27aから下流側端部27bまで改質通路27内を流れる。従って、改質通路27の触媒配置区間Scでは、改質ガスGrfが区間入口部271から区間出口部272へと流れる。
Further, in the reforming
また、改質通路27内では、改質ガスGrfは、連結熱媒体通路28に流通する熱媒体と熱交換しその熱媒体から吸熱しながら流れる。そのため、図3の(b)の一点鎖線Lrfで示されるように、改質ガスGrfは、改質通路27の下流側(すなわち、ガス流通方向Dfの他方側)へ向かうほど高温になる。そして、改質ガスGrfは触媒配置区間Scに流れながら、その改質ガスGrfに含まれる原燃料が水蒸気改質反応により燃料ガスへと改質される。改質後の改質ガスGrfは改質通路27の下流側端部27bから流出し、燃料電池スタック12(図1参照)の燃料極へと流れる。
In the reforming
上述したように、本実施形態によれば、図1、図2に示すように、分岐部18は、燃料電池スタック12から排出される酸化剤オフガスGaを、その酸化剤オフガスGaのうちの一部である第1オフガスG1aと残部である第2オフガスG2aとに分けて流す。そして、燃焼器14は、第1オフガスG1aと燃料電池スタック12から排出される燃料オフガスGfaとから、その燃料オフガスGfaに含まれる燃料ガスの燃焼により、燃焼ガスGcを生成する。
As described above, according to the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the branching
これにより、例えば燃焼器14での燃料ガスの燃焼に酸化剤オフガスGaの全量が使用される比較構成と比較して、改質器26で改質ガスGrfを加熱するために燃焼器14で生成される燃焼ガスGcの温度を高めることができる。
This allows the
そして、他方側熱媒体通路286では一方側熱媒体通路285と比較して、燃焼ガスGcが熱媒体の流量全体に対して占める流量の割合が大きいので、その分、他方側熱媒体通路286では燃焼ガスGcの熱が第2オフガスG2aに奪われにくい。
In the other side heat
例えば仮に、第2オフガスG2aが通路途中部283ではなく通路上流端281から連結熱媒体通路28に導入される比較例を想定すると、その比較例の場合、熱媒体の温度は、図3の(b)の破線L1cで示されるように変化する。すなわち、その比較例では、燃焼ガスGcよりも低温の第2オフガスG2aが通路上流端281で燃焼ガスGcに混合されるので、その混合後の燃焼ガスGcの温度は、実線Lcで示される本実施形態の燃焼ガスGcの温度に比して、破線L1cで示されるように低下する。要するに、その比較例では本実施形態に比して、他方側熱媒体通路286内の熱媒体の温度が低くなる。
For example, assuming a comparative example in which the second off-gas G2a is introduced into the connecting
従って、本実施形態では、例えば第2オフガスG2aが通路上流端281から連結熱媒体通路28に導入される上記比較例に比して、他方側熱媒体通路286内の熱媒体と区間出口部272に流通する改質ガスGrfとの間の温度差ΔTを大きくすることができる。その結果、他方側熱媒体通路286内の熱媒体から吸熱し改質通路27の区間出口部272に流通する改質ガスGrfの温度を、上記比較例に比して高めることができる。
Therefore, in the present embodiment, compared to the above comparative example in which the second off-gas G2a is introduced from the passage
そして、図4に示すように、改質通路27の区間出口部272では、改質ガスGrfの温度が高いほど、原燃料を燃料ガスに改質する改質率Rrfは高くなる。そのため、改質器26の改質性能の向上を図ることができ、延いては、燃料電池装置10の発電効率を向上させることができる。
As shown in FIG. 4, at the
(1)また、本実施形態によれば、図2に示すように、他方側熱媒体通路286には、第2オフガスG2aは導入されず、燃焼ガスGcが、改質ガスGrfと熱交換する熱媒体として導入される。従って、他方側熱媒体通路286内の熱媒体の温度が、第2オフガスG2aが燃焼ガスGcに混合されることに起因して、図3の(b)の破線L1cで示されるように低下することを回避することができる。これにより、他方側熱媒体通路286内の熱媒体と区間出口部272に流通する改質ガスGrfとの間の温度差ΔTを大きくし、改質器26の改質性能の向上を図ることができる。
(1) Further, according to the present embodiment, as shown in FIG. 2, the second off-gas G2a is not introduced into the other side heat
(2)また、本実施形態によれば、図2、図3に示すように、一方側熱媒体通路285には、第2オフガスG2aと燃焼ガスGcとの両方が、改質ガスGrfと熱交換する熱媒体として導入される。そして、その一方側熱媒体通路285に導入される第2オフガスG2aと燃焼ガスGcは、改質通路27の区間入口部271に流通する改質ガスGrfよりも高温になっている。
(2) Further, according to the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, in the one-side
これにより、例えば、一方側熱媒体通路285に燃焼ガスGcだけが導入される場合に比して、区間入口部271に流通する改質ガスGrfに対して熱を与える熱源である熱媒体の流量を増加させることができる。その結果、区間入口部271に流通する改質ガスGrfに対してより多くの熱量を多く与えることが可能である。
As a result, for example, compared to the case where only the combustion gas Gc is introduced into the one-side
そして、区間入口部271での吸熱反応である水蒸気改質反応によって改質ガスGrfが一方側熱媒体通路285内の熱媒体から奪う熱量分を、改質ガスGrfに対して十分に供給することが可能である。また、第2オフガスG2aが有する熱量を区間入口部271での水蒸気改質反応に対して有効に使うことが可能である。
Then, the amount of heat taken by the reformed gas Grf from the heat medium in the one-side
(3)また、本実施形態によれば、燃焼ガス流路16から改質器26に供給された燃焼ガスGcは、通路上流端281から連結熱媒体通路28に導入され、且つ通路下流端282まで連結熱媒体通路28に流通する。そして、第2オフガス流路182から改質器26に供給された第2オフガスG2aは、通路途中部283から連結熱媒体通路28に導入され、且つ通路下流端282まで連結熱媒体通路28に流通する。
(3) Further, according to the present embodiment, the combustion gas Gc supplied from the
従って、第2オフガスG2aが他方側熱媒体通路286に導入されることに起因した他方側熱媒体通路286内の燃焼ガスGcの温度低下を回避しつつ、第2オフガスG2aが有する熱量を改質通路27での水蒸気改質反応に対して有効に使うことが可能である。
Therefore, while avoiding the temperature drop of the combustion gas Gc in the other side heat
(4)また、本実施形態によれば、第2オフガスG2aは、通路途中部283から連結熱媒体通路28に導入される。そして、連結熱媒体通路28のうち、通路途中部283は、通路上流端281から連結熱媒体通路28に流通し通路途中部283に到達する熱媒体の温度が導入第2オフガス温度T2aまで下がる所定箇所P2aに位置している。
(4) Further, according to the present embodiment, the second off-gas G2a is introduced into the connecting
従って、改質通路27での水蒸気改質のために第2オフガスG2aを無駄なく熱交換させることができる。詳細に言えば、燃焼ガスGcの熱の一部が第2オフガスG2aへ移ることを抑制し、連結熱媒体通路28への第2オフガスG2aの導入に起因した熱媒体の温度低下を防止することができる。その結果、熱ロスを低減し、効率良く改質器26の改質性能を向上させることができる。
Therefore, the second offgas G2a can be heat-exchanged for steam reforming in the reforming
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態と異なる点を主として説明する。また、前述の実施形態と同一または均等な部分については省略または簡略化して説明する。このことは後述の実施形態の説明においても同様である。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In this embodiment, differences from the above-described first embodiment will be mainly described. Also, the same or equivalent parts as those of the above-described embodiment will be omitted or simplified. This also applies to the description of the embodiments that will be described later.
図5に示すように、本実施形態では、第1実施形態の連結熱媒体通路28(図2参照)に替えて、熱媒体が流通する第1熱媒体通路41と第2熱媒体通路42とが改質器26に形成されている。この点において、本実施形態は、第1実施形態と異なっている。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, instead of the connecting heat medium passage 28 (see FIG. 2) of the first embodiment, a first
具体的に、第1熱媒体通路41と第2熱媒体通路42は互いに離れて設置された流通路であり、第1熱媒体通路41は、第2熱媒体通路42に対してガス流通方向Dfの一方側に離れて配置されている。
Specifically, the first
第1熱媒体通路41は、その第1熱媒体通路41のうち熱媒体流れ上流側に位置する通路上流端411と、第1熱媒体通路41のうち熱媒体流れ下流側に位置する通路下流端412とを有している。この通路下流端412は、通路上流端411に対しガス流通方向Dfの他方側に位置している。第1熱媒体通路41の全体は、改質通路27の区間出口部272に対しガス流通方向Dfの一方側に位置している。
The first
また、第1熱媒体通路41の通路上流端411は、第2オフガス流路182(図1参照)に接続され、通路下流端412は空気予熱器36に接続されている。従って、第2オフガス流路182から改質器26に供給された第2オフガスG2aは、通路上流端411から第1熱媒体通路41に導入され、且つ通路下流端412まで第1熱媒体通路41に流通する。
A passage
なお、第1熱媒体通路41に燃焼ガスGcは導入されない。すなわち、第1熱媒体通路41に流通し改質ガスGrfへ放熱する熱媒体には、第2オフガスG2aは含まれるが、燃焼ガスGcは含まれない。
Note that the combustion gas Gc is not introduced into the first
第2熱媒体通路42は、その第2熱媒体通路42のうち熱媒体流れ上流側に位置する通路上流端421と、第2熱媒体通路42のうち熱媒体流れ下流側に位置する通路下流端422とを有している。この通路下流端422は、通路上流端421に対しガス流通方向Dfの他方側に位置している。第2熱媒体通路42の全体は、改質通路27の区間入口部271に対しガス流通方向Dfの他方側に位置している。
The second
また、第2熱媒体通路42の通路上流端421は、燃焼ガス流路16(図1参照)に接続され、通路下流端422は空気予熱器36に接続されている。従って、燃焼ガス流路16から改質器26に供給された燃焼ガスGcは、通路上流端421から第2熱媒体通路42に導入され、且つ通路下流端422まで第2熱媒体通路42に流通する。
A passage
なお、第2熱媒体通路42に第2オフガスG2aは導入されない。すなわち、第2熱媒体通路42に流通し改質ガスGrfへ放熱する熱媒体には、燃焼ガスGcは含まれるが、第2オフガスG2aは含まれない。
Note that the second offgas G2a is not introduced into the second
本実施形態の改質器26は、第1実施形態の通路隔壁30(図2参照)に替えて、第1通路隔壁43と第2通路隔壁44とを有している。この第1通路隔壁43と第2通路隔壁44はつながって形成され、改質通路27に面しガス流通方向Dfに延伸する1枚の通路側壁を構成している。
The
第1通路隔壁43は、第2通路隔壁44に対してガス流通方向Dfの一方側に配置されている。第1通路隔壁43は、第1熱媒体通路41と改質通路27との間に介在し、その第1熱媒体通路41と改質通路27とを隔てている。その一方で、第2通路隔壁44は、第2熱媒体通路42と改質通路27との間に介在し、その第2熱媒体通路42と改質通路27とを隔てている。
The
改質通路27の区間入口部271の周りに着目すると、第1通路隔壁43は、その区間入口部271に面する一方隔壁部301を含んでいる。そして、第1熱媒体通路41は、その一方隔壁部301を挟んで区間入口部271に対して隔てられた一方側熱媒体通路285を含んでいる。第1熱媒体通路41の通路上流端411はこの一方側熱媒体通路285の上流端でもある。
Focusing on the
また、改質通路27の区間出口部272の周りに着目すると、第2通路隔壁44は、その区間出口部272に面する他方隔壁部302を含んでいる。そして、第2熱媒体通路42は、その他方隔壁部302を挟んで区間出口部272に対して隔てられた他方側熱媒体通路286を含んでいる。第2熱媒体通路42の通路下流端422はこの他方側熱媒体通路286の下流端でもある。本実施形態でも第1実施形態と同様に、他方側熱媒体通路286に流通する熱媒体には、燃焼ガスGcは含まれるが、第2オフガスG2aは含まれないので、他方側熱媒体通路286では一方側熱媒体通路285と比較して燃焼ガス流量割合Rcが大きい。
Focusing on the area around the
本実施形態では、一方側熱媒体通路285に流通する第2オフガスG2aと他方側熱媒体通路286に流通する燃焼ガスGcとの何れも、改質通路27に流通する改質ガスGrfに対し同じ向きに流れる並行流となっている。
In this embodiment, both the second off-gas G2a flowing through the one-side
以上説明したことを除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。そして、本実施形態では、前述の第1実施形態と共通の構成から奏される効果を第1実施形態と同様に得ることができる。 Except for what has been described above, this embodiment is the same as the first embodiment. In addition, in the present embodiment, it is possible to obtain the same effects as in the first embodiment, which are provided by the configuration common to that of the first embodiment.
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態と異なる点を主として説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In this embodiment, differences from the above-described first embodiment will be mainly described.
図6に示すように、本実施形態では、第1実施形態の連結熱媒体通路28(図2参照)に替えて、熱媒体が流通する第1熱媒体通路41と第2熱媒体通路42とが改質器26に形成されている。この点において、本実施形態は、第1実施形態と異なっている。
As shown in FIG. 6, in this embodiment, instead of the connecting heat medium passage 28 (see FIG. 2) of the first embodiment, a first
具体的に、第1熱媒体通路41と第2熱媒体通路42は互いに離れて設置された流通路である。そして、第1熱媒体通路41は、第2熱媒体通路42に対し、ガス流通方向Dfに垂直な通路並び方向Dwで改質通路27を挟んだ反対側に配置されている。すなわち、第1熱媒体通路41と改質通路27と第2熱媒体通路42は、第1熱媒体通路41、改質通路27、第2熱媒体通路42の順番で通路並び方向Dwに並んで配置されている。この通路並び方向Dwは、例えば改質通路27の幅方向でもある。
Specifically, the first
第1熱媒体通路41は、その第1熱媒体通路41のうち熱媒体流れ上流側に位置する通路上流端411と、第1熱媒体通路41のうち熱媒体流れ下流側に位置する通路下流端412とを有している。この通路下流端412は、通路上流端411に対しガス流通方向Dfの他方側に位置している。第1熱媒体通路41の全体は、改質通路27の区間出口部272に対しガス流通方向Dfの一方側に位置している。
The first
また、第1熱媒体通路41の通路上流端411は、第2オフガス流路182(図1参照)に接続され、通路下流端412は空気予熱器36に接続されている。従って、第2オフガス流路182から改質器26に供給された第2オフガスG2aは、通路上流端411から第1熱媒体通路41に導入され、且つ通路下流端412まで第1熱媒体通路41に流通する。
A passage
なお、第1熱媒体通路41に燃焼ガスGcは導入されない。すなわち、第1熱媒体通路41に流通し改質ガスGrfへ放熱する熱媒体には、第2オフガスG2aは含まれるが、燃焼ガスGcは含まれない。
Note that the combustion gas Gc is not introduced into the first
第2熱媒体通路42は、その第2熱媒体通路42のうち熱媒体流れ上流側に位置する通路上流端421と、第2熱媒体通路42のうち熱媒体流れ下流側に位置する通路下流端422とを有している。この通路下流端422は、通路上流端421に対しガス流通方向Dfの一方側に位置している。
The second
また、第2熱媒体通路42の通路上流端421は、燃焼ガス流路16(図1参照)に接続され、通路下流端422は空気予熱器36に接続されている。従って、燃焼ガス流路16から改質器26に供給された燃焼ガスGcは、通路上流端421から第2熱媒体通路42に導入され、且つ通路下流端422まで第2熱媒体通路42に流通する。
A passage
なお、第2熱媒体通路42に第2オフガスG2aは導入されない。すなわち、第2熱媒体通路42に流通し改質ガスGrfへ放熱する熱媒体には、燃焼ガスGcは含まれるが、第2オフガスG2aは含まれない。
Note that the second offgas G2a is not introduced into the second
本実施形態の改質器26は、第1実施形態の通路隔壁30(図2参照)に替えて、第1通路隔壁43と第2通路隔壁44とを有している。
The
第1通路隔壁43は、第1熱媒体通路41と改質通路27との間に介在し、その第1熱媒体通路41と改質通路27とを隔てている。その一方で、第2通路隔壁44は、第2熱媒体通路42と改質通路27との間に介在し、その第2熱媒体通路42と改質通路27とを隔てている。
The first
また、第2通路隔壁44は、改質通路27の全長にわたって改質通路27内の改質ガスGrfに接触し、連結熱媒体通路28の全長にわたって連結熱媒体通路28内の燃焼ガスGcに接触する。そのため、第2通路隔壁44は、改質通路27の全長にわたって、改質通路27内の改質ガスGrfと連結熱媒体通路28内の燃焼ガスGcとを熱交換させる。
The second
改質通路27の区間入口部271の周りに着目すると、第1通路隔壁43は、その区間入口部271に面する第1一方隔壁部301aを含み、第2通路隔壁44は、その区間入口部271に面する第2一方隔壁部301bを含んでいる。本実施形態では、この第1一方隔壁部301aと第2一方隔壁部301bとが本開示の一方隔壁部に対応する。
Focusing on the
第1熱媒体通路41は、その第1一方隔壁部301aを挟んで区間入口部271に対して隔てられた第1一方側熱媒体通路285aを含んでいる。第1熱媒体通路41の通路上流端411はこの第1一方側熱媒体通路285aの上流端でもある。
The first
また、第2熱媒体通路42は、第2一方隔壁部301bを挟んで区間入口部271に対して隔てられた第2一方側熱媒体通路285bを含んでいる。第2熱媒体通路42の通路下流端422はこの第2一方側熱媒体通路285bの下流端でもある。
In addition, the second
本実施形態では、第1一方側熱媒体通路285aと第2一方側熱媒体通路285bとの全体が本開示の一方側熱媒体通路に対応する。従って、本開示の一方側熱媒体通路における燃焼ガス流量割合Rcは、第1一方側熱媒体通路285aと第2一方側熱媒体通路285bとの全体において、燃焼ガスGcが熱媒体の流量全体に対して占める流量の割合とされ、上記式F2から算出される。例えば、第1一方側熱媒体通路285aに流通する第2オフガスG2aの流量と第2一方側熱媒体通路285bに流通する燃焼ガスGcの流量とが同じであれば、燃焼ガス流量割合Rcは「Rc=0.5」である。
In this embodiment, the entire first one-side
一方、改質通路27の区間出口部272の周りに着目すると、第2通路隔壁44は、その区間出口部272に面する他方隔壁部302を含んでいる。そして、第2熱媒体通路42は、その他方隔壁部302を挟んで区間出口部272に対して隔てられた他方側熱媒体通路286を含んでいる。第2熱媒体通路42の通路上流端421はこの他方側熱媒体通路286の上流端でもある。
On the other hand, focusing on the area around the
本実施形態でも第1実施形態と同様に、他方側熱媒体通路286に流通する熱媒体には、燃焼ガスGcは含まれるが、第2オフガスG2aは含まれない。そのため、他方側熱媒体通路286では、第1、第2一方側熱媒体通路285a、285bの全体と比較して燃焼ガス流量割合Rcが大きい。
In this embodiment, as in the first embodiment, the heat medium flowing through the other side heat
本実施形態では、第1熱媒体通路41に流通する第2オフガスG2aは、改質通路27に流通する改質ガスGrfに対して並行流となっている。これに対し、第2熱媒体通路42に流通する燃焼ガスGcは、改質通路27に流通する改質ガスGrfに対して対向流となっている。
In this embodiment, the second off-gas G2a flowing through the first
以上説明したことを除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。そして、本実施形態では、前述の第1実施形態と共通の構成から奏される効果を第1実施形態と同様に得ることができる。 Except for what has been described above, this embodiment is the same as the first embodiment. In addition, in the present embodiment, it is possible to obtain the same effects as in the first embodiment, which are provided by the configuration common to that of the first embodiment.
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態と異なる点を主として説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. In this embodiment, differences from the above-described first embodiment will be mainly described.
図7に示すように、改質器26には、連結熱媒体通路28が2本形成されている。この2本の連結熱媒体通路28は改質通路27を挟んで一対を成すように配置されている。すなわち、その一対の連結熱媒体通路28のうちの一方は、それの他方に対し、通路並び方向Dwで改質通路27を挟んだ反対側に配置されている。例えば、一対の連結熱媒体通路28は、改質通路27を挟んで通路並び方向Dwに対称になる形状となっている。
As shown in FIG. 7, the
このように連結熱媒体通路28が一対設けられているので、改質器26は、改質通路27と連結熱媒体通路28との間に介在する通路隔壁30を一対有している。すなわち、一対の通路隔壁30の一方は、改質通路27と一対の連結熱媒体通路28の一方との間に介在し、一対の通路隔壁30の他方は、改質通路27と一対の連結熱媒体通路28の他方との間に介在する。
Since the pair of connecting heat
本実施形態では、一対の連結熱媒体通路28の通路上流端281は燃焼ガス流路16(図1参照)にそれぞれ接続され、通路下流端282は空気予熱器36にそれぞれ接続されている。また、一対の連結熱媒体通路28に連結した途中部開口284aはそれぞれ、第2オフガス流路182(図1参照)に接続されている。従って、燃焼ガス流路16から改質器26に供給された燃焼ガスGcは、一対の連結熱媒体通路28にそれぞれ分配される。そして、第2オフガス流路182から改質器26に供給された第2オフガスG2aも、一対の連結熱媒体通路28にそれぞれ分配される。
In this embodiment, the passage upstream ends 281 of the pair of connected heat
以上説明したことを除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。そして、本実施形態では、前述の第1実施形態と共通の構成から奏される効果を第1実施形態と同様に得ることができる。 Except for what has been described above, this embodiment is the same as the first embodiment. In addition, in the present embodiment, it is possible to obtain the same effects as in the first embodiment, which are provided by the configuration common to that of the first embodiment.
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態と異なる点を主として説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. In this embodiment, differences from the above-described first embodiment will be mainly described.
図8に示すように、本実施形態でも第1実施形態と同様に、改質通路27は、連結熱媒体通路28に対し通路隔壁30を挟んで通路並び方向Dwの一方側に並んで配置されている。但し、本実施形態では、通路隔壁30の形状が第1実施形態に対して異なっている。
As shown in FIG. 8, in the present embodiment, as in the first embodiment, the reforming
なお、本実施形態でも第1実施形態と同様に、改質触媒29は複数の粒子状物として形成されているが、図8では改質触媒29の図示が簡略化され、ドット状のハッチングで表されている。この改質触媒29の図示の簡略化は、図8に相当する後述の図でも同様である。
In this embodiment, the reforming
具体的に、通路隔壁30は、その通路隔壁30のうち触媒配置区間Scに沿った部分が通路並び方向Dwの他方側へ段差を持ってずれた形状を成している。従って、通路隔壁30は、一方隔壁部301からガス流通方向Dfの一方側へ延設された一方側延設隔壁部303を有し、その一方側延設隔壁部303は、一方隔壁部301に対して通路並び方向Dwの一方側にずれて配置されている。そして、通路隔壁30は、一方隔壁部301と一方側延設隔壁部303との間で通路並び方向Dwの段差を生じるように形成されている。
Specifically, the
また、通路隔壁30は、他方隔壁部302からガス流通方向Dfの他方側へ延設された他方側延設隔壁部304を有し、その他方側延設隔壁部304は、他方隔壁部302に対して通路並び方向Dwの一方側にずれて配置されている。そして、通路隔壁30は、他方隔壁部302と他方側延設隔壁部304との間でも通路並び方向Dwの段差を生じるように形成されている。
Further, the
一方隔壁部301は、通路並び方向Dwの一方側に向いた改質側一方壁面301eと、通路並び方向Dwの他方側に向いた熱媒体側一方壁面301fとを有している。その改質側一方壁面301eは改質通路27の区間入口部271に面し、熱媒体側一方壁面301fは一方側熱媒体通路285に面する。
One
他方隔壁部302は、通路並び方向Dwの一方側に向いた改質側他方壁面302eと、通路並び方向Dwの他方側に向いた熱媒体側他方壁面302fとを有している。その改質側他方壁面302eは改質通路27の区間出口部272に面し、熱媒体側他方壁面302fは他方側熱媒体通路286に面する。
The other
他方隔壁部302は、ガス流通方向Dfと通路並び方向Dwとの両方に沿った平面で切断した通路縦断面(例えば、図8の断面)においてガス流通方向Dfへ延伸する波形状を成すように形成されている。すなわち、改質側他方壁面302eも熱媒体側他方壁面302fも、通路縦断面においてその波形状を成すように形成されている。
On the other hand, the
この通路隔壁30の波形状は、通路隔壁30のうち部分的に設けられ、触媒配置区間Scに沿った部分のうちガス流通方向Dfの他方側に偏って設けられている。そして、通路隔壁30で触媒配置区間Scに沿った部分のうち上記波形状の部分を除いた部分である非波形状部分は、ガス流通方向Dfに沿った平板状に形成されている。この非波形状部分には一方隔壁部301も含まれるので、改質側一方壁面301eも熱媒体側一方壁面301fもガス流通方向Dfに沿った平面状に形成されている。
The corrugated shape of the
このような壁面形状の違いから、熱媒体側他方壁面302fは、熱媒体側一方壁面301fに比して、ガス流通方向Dfの単位長さあたりの表面積が大きくなるように形成されている。そして、改質側他方壁面302eは、改質側一方壁面301eに比して、ガス流通方向Dfの単位長さあたりの表面積が大きくなるように形成されている。
Due to such a difference in wall surface shape, the heat medium side wall surface 302f is formed to have a larger surface area per unit length in the gas flow direction Df than the heat medium side wall surface 301f. The reforming-
本実施形態では、図8に示すように、第1実施形態の途中部開口284a(図2参照)に替えて、通路並び方向Dwに延伸した第2オフガス導入通路284bが改質器26に形成されている。この第2オフガス導入通路284bは、第1実施形態の途中部開口284aが通路状に延伸したものに相当する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, a second
従って、第2オフガス導入通路284bは、第1実施形態の途中部開口284aと同様に、第2オフガス流路182(図1参照)に接続されている。そして、第2オフガス流路182から改質器26に供給された第2オフガスG2aは、第2オフガス導入通路284bを介して連結熱媒体通路28に通路途中部283に導入される。
Therefore, the second
すなわち、本実施形態の第2オフガス導入通路284bは連結熱媒体通路28に対して通路途中部283で連結し、第2オフガス導入通路284bには、第2オフガスG2aが通路途中部283へ向かって流れる。
That is, the second
(1)上述したように、本実施形態によれば、熱媒体側他方壁面302fは、熱媒体側一方壁面301fに比して、ガス流通方向Dfの単位長さあたりの表面積が大きくなるように形成されている。そして、改質側他方壁面302eは、改質側一方壁面301eに比して、ガス流通方向Dfの単位長さあたりの表面積が大きくなるように形成されている。
(1) As described above, according to the present embodiment, the heat medium side wall surface 302f has a larger surface area per unit length in the gas flow direction Df than the heat medium side wall surface 301f. formed. The reforming-
従って、改質通路27および連結熱媒体通路28の流通抵抗の増大を抑えながら、改質器26の改質性能を高める上で最も重要な区間出口部272にて、熱媒体から改質ガスGrfへの伝熱を促進することが可能である。
Therefore, while suppressing an increase in the flow resistance of the reforming
以上説明したことを除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。そして、本実施形態では、前述の第1実施形態と共通の構成から奏される効果を第1実施形態と同様に得ることができる。 Except for what has been described above, this embodiment is the same as the first embodiment. In addition, in the present embodiment, it is possible to obtain the same effects as in the first embodiment, which are provided by the configuration common to that of the first embodiment.
(第6実施形態)
次に、第6実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第5実施形態と異なる点を主として説明する。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment will be described. In this embodiment, differences from the fifth embodiment described above will be mainly described.
図9に示すように、本実施形態の通路隔壁30には、図8に示された波形状は設けられていない。本実施形態では、通路隔壁30のうち触媒配置区間Scに沿った部分の全体が、ガス流通方向Dfに沿った平板状に形成されている。
As shown in FIG. 9, the
また、本実施形態では、第2オフガス導入通路284bの向きが第5実施形態に対して異なっている。具体的に、本実施形態の第2オフガス導入通路284bは、通路途中部283に近づくほどガス流通方向Dfの一方側に位置するように、連結熱媒体通路28に対して傾いている。言い換えると、第2オフガス導入通路284bは、通路途中部283に近づくほど、連結熱媒体通路28内で通路途中部283へ向かう熱媒体の流れ方向の順方向側に位置するように、連結熱媒体通路28に対して傾いている。
Also, in this embodiment, the direction of the second off-
(1)従って、連結熱媒体通路28の通路途中部283で燃焼ガスGcと第2オフガスG2aとの合流に起因した熱媒体の圧損増大を抑制し、第2オフガスG2aを燃焼ガスGcに対し円滑に合流させることが可能である。そして、燃焼ガスGcの流れを第2オフガスG2aの流れでアシストすることが可能である。
(1) Therefore, an increase in the pressure loss of the heat medium due to the confluence of the combustion gas Gc and the second off-gas G2a at the
以上説明したことを除き、本実施形態は第5実施形態と同様である。そして、本実施形態では、前述の第5実施形態と共通の構成から奏される効果を第5実施形態と同様に得ることができる。 Except for what has been described above, this embodiment is the same as the fifth embodiment. In addition, in this embodiment, the same effects as in the fifth embodiment can be obtained from the configuration common to that of the fifth embodiment.
(第7実施形態)
次に、第7実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第5実施形態と異なる点を主として説明する。
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment will be described. In this embodiment, differences from the fifth embodiment described above will be mainly described.
図10、図11に示すように、本実施形態の通路隔壁30には、図8に示された波形状は設けられていない。その替わりに、本実施形態では、通路隔壁30の他方隔壁部302は、ガス流通方向Dfの他方側ほど通路並び方向Dwの一方側に位置する勾配隔壁部302gを含んでいる。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
この勾配隔壁部302gは、例えば他方隔壁部302のうちガス流通方向Dfの他方側に偏って配置されている。すなわち、勾配隔壁部302gは、他方側延設隔壁部304に対し他方隔壁部302が段差を生じる部分に配置されている。そして、勾配隔壁部302gは、その勾配隔壁部302gが無い場合に比して、他方側延設隔壁部304に対する他方隔壁部302の段差を緩やかにしている。勾配隔壁部302gは平板状であってもよいが、本実施形態の勾配隔壁部302gは、改質通路27側に凹面を形成するように湾曲している。
The gradient
他方側延設隔壁部304は、勾配隔壁部302gからガス流通方向Dfの他方側へ延設されている。他方側延設隔壁部304は、本開示の延設隔壁部に対応する。
The other side extended
また、勾配隔壁部302gには、改質触媒29である複数の粒子状物が接触している。例えば、勾配隔壁部302gは、改質通路27に面する改質通路側壁面302hを有し、その改質通路側壁面302hの曲率半径Rxは、その改質触媒29の粒子径Dcの1/2である粒子半径に対し格段に大きい。そして、その改質通路側壁面302hがガス流通方向Dfに占めるガス流通方向長さLxは、改質触媒29の粒子径Dcに対し格段に大きい。このような寸法関係により、勾配隔壁部302gには、改質触媒29である複数の粒子状物が接触する。
In addition, a plurality of particles, which are the reforming
(1)上述したように、本実施形態によれば、通路隔壁30の他方隔壁部302は、ガス流通方向Dfの他方側ほど通路並び方向Dwの一方側に位置する勾配隔壁部302gを含んでいる。他方側延設隔壁部304は、勾配隔壁部302gからガス流通方向Dfの他方側へ延設されている。そして、勾配隔壁部302gには、改質触媒29である複数の粒子状物が接触している。
(1) As described above, according to the present embodiment, the other
従って、他方隔壁部302のうち熱媒体から最も受熱しやすい箇所である勾配隔壁部302gで、勾配隔壁部302gと改質触媒29との接触により熱が改質触媒29へ伝わりやすくなり、改質性能の向上に寄与できる。更に、勾配隔壁部302gが無く他方側延設隔壁部304と他方隔壁部302との間に段差がある場合と比較して、改質通路27に流通する改質ガスGrfの圧損と連結熱媒体通路28に流通する熱媒体の圧損とを低減することが可能である。
Therefore, the contact between the gradient
以上説明したことを除き、本実施形態は第5実施形態と同様である。そして、本実施形態では、前述の第5実施形態と共通の構成から奏される効果を第5実施形態と同様に得ることができる。 Except for what has been described above, this embodiment is the same as the fifth embodiment. In addition, in this embodiment, the same effects as in the fifth embodiment can be obtained from the configuration common to that of the fifth embodiment.
(第8実施形態)
次に、第8実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態と異なる点を主として説明する。
(Eighth embodiment)
Next, an eighth embodiment will be described. In this embodiment, differences from the above-described first embodiment will be mainly described.
図12に示すように、本実施形態では、複数の粒子状物として形成された改質触媒29が、触媒配置区間Scにおいてガス流通方向Dfの他方側ほど密になるように充填されている。この点において本実施形態は第1実施形態に対して異なっている。
As shown in FIG. 12, in the present embodiment, the reforming
具体的に、本実施形態の触媒配置区間Scは、一方側区間S1cと、その一方側区間S1cに対しガス流通方向Dfの他方側に配置され一方側区間S1cに連結した他方側区間S2cとを有している。一方側区間S1cと他方側区間S2cとのそれぞれでの改質触媒29の疎密は、改質触媒29の粒子径Dc(図11参照)に応じたものとなっている。
Specifically, the catalyst arrangement section Sc of the present embodiment includes one side section S1c and the other side section S2c arranged on the other side of the one side section S1c in the gas flow direction Df and connected to the one side section S1c. have. The density of the reforming
すなわち、一方側区間S1cに充填された改質触媒29の粒子径Dcの分布は、他方側区間S2cに充填された改質触媒29と比較して大径側に偏っている。要するに、一方側区間S1cに充填された改質触媒29の粒子径Dcは、他方側区間S2cに充填された改質触媒29の粒子径Dcよいも大きい。これにより、他方側区間S2cでは一方側区間S1cよりも改質触媒29が密に充填されている。
That is, the distribution of the particle diameters Dc of the reforming
(1)上述したように、本実施形態によれば、改質触媒29が、触媒配置区間Scにおいてガス流通方向Dfの他方側ほど密になるように充填されている。これにより、改質ガスGrfが改質通路27の触媒配置区間Scに滞留する滞留時間を調整することができ、それと共に、改質触媒29が密になっている区間出口部272側での熱交換性能を向上させることができる。
(1) As described above, according to the present embodiment, the reforming
以上説明したことを除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。そして、本実施形態では、前述の第1実施形態と共通の構成から奏される効果を第1実施形態と同様に得ることができる。 Except for what has been described above, this embodiment is the same as the first embodiment. In addition, in the present embodiment, it is possible to obtain the same effects as in the first embodiment, which are provided by the configuration common to that of the first embodiment.
なお、本実施形態は第1実施形態に基づいた変形例であるが、本実施形態を前述の第2~第7実施形態の何れかと組み合わせることも可能である。 Although this embodiment is a modification based on the first embodiment, it is also possible to combine this embodiment with any of the above-described second to seventh embodiments.
(他の実施形態)
(1)上述の各実施形態では、例えば図1に示すように、燃料電池装置10は、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック12を備えているが、これは一例である。例えば、燃料電池装置10は、燃料電池スタック12に替えて単一の燃料電池セルを備えていても差し支えない。その場合、その燃料電池セルが本開示の燃料電池に対応する。
(Other embodiments)
(1) In each of the above-described embodiments, as shown in FIG. 1, the
(2)上述の第1実施形態では、図3に示すように、連結熱媒体通路28のうち通路途中部283が配置される所定箇所P2aが予め実験的に定められている。そして、その所定箇所P2aは、通路上流端281から連結熱媒体通路28に流通し通路途中部283に到達する熱媒体の温度が導入第2オフガス温度T2aまで下がる箇所とされる。しかしながら、これは一例である。
(2) In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 3, the predetermined portion P2a of the connecting
例えば、その通路途中部283が配置される所定箇所P2a(言い換えると、連結熱媒体通路28のうち第2オフガスG2aが導入される所定箇所P2a)は、図3に示された位置に対し熱媒体流れ下流側へずれた箇所とされてもよい。すなわち、第2オフガスG2aが導入される所定箇所P2aは、通路上流端281から連結熱媒体通路28に流通し通路途中部283に到達する熱媒体の温度が導入第2オフガス温度T2a以下になる箇所とされてもよい。
For example, the predetermined location P2a where the
(3)上述の第1実施形態では、図2に示すように、第2オフガス流路182から改質器26に供給された第2オフガスG2aの全量が、途中部開口284aを介して通路途中部283から連結熱媒体通路28に導入されるが、これは一例である。例えば、第2オフガス流路182から改質器26に供給された第2オフガスG2aのうち微量の第2オフガスG2aが分離され、その微量の第2オフガスG2aが連結熱媒体通路28の通路上流端281から連結熱媒体通路28に導入されることも想定できる。
(3) In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 2, the entire amount of the second offgas G2a supplied from the second
(4)上述の第1実施形態では、図2に示すように、連結熱媒体通路28に流通する熱媒体は、改質通路27の全長にわたって、改質通路27に流通する改質ガスGrfに対し対向流となっているが、これは一例である。例えば連結熱媒体通路28が図2とは異なる形状に形成され、その連結熱媒体通路28に流通する熱媒体が、改質通路27のうち区間入口部271または区間出口部272内の改質ガスGrfの流れに対し垂直な向きに流れる直交流となっていても差し支えない。
(4) In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 2, the heat medium flowing through the connecting
(5)上述の各実施形態において例えば図2では、ガス流通方向Dfは、直線に沿った方向として示されているが、これは一例である。例えば、そのガス流通方向Dfは、曲線に沿った方向であっても差し支えない。 (5) In each of the embodiments described above, for example, in FIG. 2, the gas flow direction Df is shown as a direction along a straight line, but this is an example. For example, the gas flow direction Df may be along a curved line.
(6)上述の第1実施形態において、図2に示すように、連結熱媒体通路28のうち通路途中部283から通路下流端282までの間では、第2オフガスG2aが燃焼ガスGcに混合されるが、その第2オフガスG2aと燃焼ガスGcとが混合されることは必須ではない。
(6) In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 2, the second off-gas G2a is mixed with the combustion gas Gc from the passage
(7)上述の第8実施形態では、図12に示すように、触媒配置区間Scにおける改質触媒29の疎密は段階的に変化しているが、連続的に変化していても差し支えない。
(7) In the eighth embodiment described above, as shown in FIG. 12, the density of the reforming
(8)上述の第8実施形態では、図12に示すように、改質触媒29の粒子径Dcに応じて改質触媒29の疎密が生じているが、これは一例である。その改質触媒29の疎密は、改質触媒29の粒子径Dc以外の要因(例えば、改質触媒29の形状など)に応じて生じていても差し支えない。
(8) In the eighth embodiment described above, as shown in FIG. 12, the reforming
(9)上述の各実施形態では、図1に示すように、改質器26に供給される原燃料を含むガスに燃料リサイクル流路24の燃料オフガスGfbを合流させるために、燃料電池装置10はエジェクタ34を備えているが、これは一例である。例えば、燃料電池装置10は、そのエジェクタ34に替えて、燃料リサイクル流路24に設けられたポンプを備えていてもよい。
(9) In each of the above-described embodiments, as shown in FIG. 1, the
あるいは、燃料電池装置10に燃料リサイクル流路24が設けられず、燃料電池装置10は、燃料オフガスGfbが改質器26に供給されない構成であることも想定される。
Alternatively, it is also assumed that the
(10)上述の各実施形態では、図1に示す燃料電池スタック12は、平板状の固定電解質を用いた燃料電池セルが複数積層された構造であったが、他の構造であってもよい。また、燃料電池スタック12を構成する燃料電池セルとして、固体酸化物形燃料電池セルが用いられているが、これは一例である。その燃料電池スタック12を構成する燃料電池セルとして、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池セル(すなわち、MCFC)など他の燃料電池セルが用いられても差し支えない。上記のMCFCは、「Molten Carbonate Fuel Cell」の略である。
(10) In each of the above-described embodiments, the
(11)なお、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。 (11) It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. Moreover, the above-described embodiments are not unrelated to each other, and can be appropriately combined unless the combination is clearly impossible.
また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。 Further, in each of the above-described embodiments, it goes without saying that the elements constituting the embodiment are not necessarily essential, unless it is explicitly stated that they are essential, or they are clearly considered essential in principle. stomach. In addition, in each of the above-described embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, amount, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, when it is explicitly stated that they are particularly essential, and when they are clearly limited to a specific number in principle is not limited to that particular number. In addition, in each of the above-described embodiments, when referring to the material, shape, positional relationship, etc. of the constituent elements, unless otherwise specified or in principle limited to a specific material, shape, positional relationship, etc. , its material, shape, positional relationship, and the like.
10 燃料電池装置
12 燃料電池スタック(燃料電池)
14 燃焼器
18 分岐部
26 改質器
27 改質通路
29 改質触媒
285 一方側熱媒体通路
286 他方側熱媒体通路
Df ガス流通方向
10
14
Claims (10)
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池(12)と、
前記燃料電池から排出される酸化剤オフガス(Ga)を、該酸化剤オフガスのうちの一部である第1オフガス(G1a)と残部である第2オフガス(G2a)とに分けて流す分岐部(18)と、
前記第1オフガスと前記燃料電池から排出される燃料オフガス(Gfa)とから、該燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスの燃焼により燃焼ガス(Gc)を生成する燃焼器(14)と、
原燃料を含む改質ガス(Grf)が流入する改質通路(27)が形成され、該改質通路に流通する前記改質ガスに含まれる前記原燃料を、前記燃焼ガスと前記第2オフガスとの少なくとも一方を含む熱媒体によって加熱することにより前記燃料ガスに改質し、該燃料ガスを含む前記改質ガスを前記燃料電池へ供給する改質器(26)とを備え、
前記改質通路には、前記原燃料を前記燃料ガスへ改質するための改質触媒(29)が配置されガス流通方向(Df)の一方側から他方側へ前記改質ガスが流れる触媒配置区間(Sc)が設けられ、
前記改質通路は、前記触媒配置区間のうち前記ガス流通方向の前記一方側に位置する区間入口部(271)と、前記触媒配置区間のうち前記ガス流通方向の前記他方側に位置する区間出口部(272)とを有し、
前記改質器には、伝熱可能な一方隔壁部(301、301a、301b)を挟んで前記区間入口部に対して隔てられ前記熱媒体が流通する一方側熱媒体通路(285、285a、285b)と、伝熱可能な他方隔壁部(302)を挟んで前記区間出口部に対して隔てられ前記熱媒体が流通する他方側熱媒体通路(286)とが形成され、
前記他方側熱媒体通路では前記一方側熱媒体通路と比較して、前記燃焼ガスが前記熱媒体の流量全体に対して占める流量の割合が大きい、燃料電池装置。 A fuel cell device,
a fuel cell (12) that generates electricity through an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas;
A branch portion ( 18) and
a combustor (14) for generating a combustion gas (Gc) by burning the fuel gas contained in the fuel off-gas from the first off-gas and the fuel off-gas (Gfa) discharged from the fuel cell;
A reforming passage (27) into which a reformed gas (Grf) containing raw fuel flows is formed, and the raw fuel contained in the reformed gas flowing through the reforming passage is combined with the combustion gas and the second offgas. A reformer (26) that reforms the fuel gas by heating with a heat medium containing at least one of and supplies the reformed gas containing the fuel gas to the fuel cell,
A reforming catalyst (29) for reforming the raw fuel into the fuel gas is arranged in the reforming passage so that the reformed gas flows from one side to the other side in the gas flow direction (Df). A section (Sc) is provided,
The reforming passage has a section inlet (271) positioned on the one side in the gas flow direction of the catalyst arrangement section and a section outlet positioned on the other side in the gas flow direction of the catalyst arrangement section. a portion (272);
In the reformer, one side heat medium passages (285, 285a, 285b) through which the heat medium flows are separated from the section inlet portion with one heat transferable partition wall portions (301, 301a, 301b) interposed therebetween. ) and the other side heat medium passage (286), which is separated from the section outlet with the other heat transferable partition wall (302) interposed therebetween and through which the heat medium flows, are formed,
In the fuel cell device, the ratio of the flow rate of the combustion gas to the total flow rate of the heat medium is greater in the other side heat medium passage than in the one side heat medium passage.
前記連結熱媒体通路は、該連結熱媒体通路のうち熱媒体流れ上流側に位置する通路上流端(281)と、前記連結熱媒体通路のうち熱媒体流れ下流側に位置する通路下流端(282)と、前記連結熱媒体通路のうち前記一方側熱媒体通路と前記他方側熱媒体通路との間に位置する通路途中部(283)とを有し、
前記燃焼ガスは、前記通路上流端から前記連結熱媒体通路に導入され且つ前記通路下流端まで前記連結熱媒体通路に前記熱媒体として流通し、
前記第2オフガスは、前記通路途中部から前記連結熱媒体通路に導入され且つ前記通路下流端まで前記連結熱媒体通路に前記熱媒体として流通する、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池装置。 The one-side heat medium passage and the other-side heat medium passage form a connected heat-medium passage (28) in which the one-side heat-medium passage is connected to the other-side heat-medium passage on the downstream side of the heat medium flow,
The connecting heat medium passage has a passage upstream end (281) located on the upstream side of the heat medium flow of the connected heat medium passages, and a passage downstream end (282) of the connected heat medium passages located on the downstream side of the heat medium flow. ), and a passage middle portion (283) located between the one side heat medium passage and the other side heat medium passage of the connecting heat medium passage,
The combustion gas is introduced into the connecting heat medium passage from the upstream end of the passage and flows as the heat medium in the connecting heat medium passage to the downstream end of the passage,
4. The second off-gas according to any one of claims 1 to 3, wherein said second off-gas is introduced into said connecting heat medium passage from a middle portion of said passage and circulates as said heat medium in said connecting heat medium passage to said downstream end of said passage. fuel cell device.
該通路隔壁は、前記改質通路に流通する前記改質ガスと前記連結熱媒体通路に流通する前記熱媒体との間で伝熱し、
前記連結熱媒体通路では、前記熱媒体が前記改質ガスへ放熱しながら流通し、
前記通路途中部は、前記通路上流端から前記連結熱媒体通路に流通し前記通路途中部に到達する前記熱媒体の温度が、前記通路途中部へ導入される前記第2オフガスの温度(T2a)以下になる所定箇所(P2a)に位置している、請求項4に記載の燃料電池装置。 The reformer has a passage partition wall (30) that includes the one partition wall portion and the other partition wall portion and separates the reforming passage and the connecting heat medium passage,
The passage partition wall transfers heat between the reformed gas flowing through the reforming passage and the heat medium flowing through the connecting heat medium passage,
In the connecting heat medium passage, the heat medium flows while radiating heat to the reformed gas,
In the middle of the passage, the temperature (T2a) of the second off-gas introduced into the middle of the passage is equal to the temperature of the heat medium flowing from the upstream end of the passage into the connecting heat medium passage and reaching the middle of the passage. 5. The fuel cell device according to claim 4, located at a predetermined location (P2a) where:
該通路隔壁は、前記改質通路に流通する前記改質ガスと前記連結熱媒体通路に流通する前記熱媒体との間で伝熱し、
前記連結熱媒体通路では、前記熱媒体が前記改質ガスへ放熱しながら流通し、
前記通路途中部は、前記通路上流端から前記連結熱媒体通路に流通し前記通路途中部に到達する前記熱媒体の温度が、前記通路途中部へ導入される前記第2オフガスの温度(T2a)まで下がる所定箇所(P2a)に位置している、請求項4に記載の燃料電池装置。 The reformer has a passage partition wall (30) that includes the one partition wall portion and the other partition wall portion and separates the reforming passage and the connecting heat medium passage,
The passage partition wall transfers heat between the reformed gas flowing through the reforming passage and the heat medium flowing through the connecting heat medium passage,
In the connecting heat medium passage, the heat medium flows while radiating heat to the reformed gas,
In the middle of the passage, the temperature (T2a) of the second off-gas introduced into the middle of the passage is equal to the temperature of the heat medium flowing from the upstream end of the passage into the connecting heat medium passage and reaching the middle of the passage. 5. The fuel cell device according to claim 4, located at a predetermined point (P2a) that descends to the
前記改質器は、前記一方隔壁部と前記他方隔壁部とを含み前記改質通路と前記連結熱媒体通路とを隔てる通路隔壁(30)を有し、
前記改質通路は、前記連結熱媒体通路に対し前記通路隔壁を挟んで通路並び方向(Dw)の一方側に並んで配置され、
前記通路隔壁は、前記改質通路に流通する前記改質ガスと前記連結熱媒体通路に流通する前記熱媒体との間で伝熱し、
前記他方隔壁部は、前記ガス流通方向の前記他方側ほど前記通路並び方向の前記一方側に位置する勾配隔壁部(302g)を含み、
前記通路隔壁は、前記勾配隔壁部から前記ガス流通方向の前記他方側へ延設され前記他方隔壁部に対して前記通路並び方向の前記一方側にずれて配置された延設隔壁部(304)を有し、
前記勾配隔壁部には前記改質触媒が接触している、請求項4に記載の燃料電池装置。 The reforming catalyst is formed as a plurality of particulate matter,
The reformer has a passage partition wall (30) that includes the one partition wall portion and the other partition wall portion and separates the reforming passage and the connecting heat medium passage,
The reforming passage is arranged side by side with respect to the connecting heat medium passage on one side in the passage alignment direction (Dw) across the passage partition,
The passage partition transfers heat between the reformed gas flowing through the reforming passage and the heat medium flowing through the connecting heat medium passage,
The other partition wall portion includes a gradient partition wall portion (302g) positioned closer to the one side in the passage arrangement direction as the gas flow direction approaches the other side,
The passage partition wall is an extended partition wall portion (304) that extends from the gradient partition wall portion to the other side in the gas flow direction and is displaced from the other partition wall portion to the one side in the passage arrangement direction. has
5. The fuel cell apparatus according to claim 4, wherein said reforming catalyst is in contact with said gradient partition.
前記第2オフガス導入通路は、前記通路途中部に近づくほど、前記連結熱媒体通路内で前記通路途中部へ向かう前記熱媒体の流れ方向の順方向側に位置するように、前記連結熱媒体通路に対して傾いている、請求項4ないし7のいずれか1つに記載の燃料電池装置。 The reformer is formed with a second offgas introduction passage (284b) that is connected to the connecting heat medium passage in the middle of the passage so that the second offgas flows toward the middle of the passage,
The second off-gas introduction passage is arranged in the connecting heat medium passage so as to be located on the forward side in the flow direction of the heat medium toward the middle portion of the passage in the connecting heat medium passage as it approaches the middle portion of the passage. 8. A fuel cell device according to any one of claims 4 to 7, tilted with respect to.
前記他方隔壁部は、前記他方側熱媒体通路に面する熱媒体側他方壁面(302f)を有し、
前記熱媒体側他方壁面は、前記熱媒体側一方壁面に比して、前記ガス流通方向の単位長さあたりの表面積が大きくなるように形成されている、請求項1ないし9のいずれか1つに記載の燃料電池装置。 The one partition has a heat medium side one wall surface (301f) facing the one heat medium passage,
The other partition wall portion has a heat medium side other wall surface (302f) facing the other heat medium passage,
10. The heat medium side wall surface is formed to have a larger surface area per unit length in the gas flow direction than the heat medium side wall surface. The fuel cell device according to .
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