JP2023134286A - Reformed gas generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、改質ガス発生装置に関する。 The present invention relates to a reformed gas generator.
従来、ガスタービン発電機やガスエンジン発電機に比べて環境有害物質の放出が少なく発電効率に優れる発電装置として、様々なタイプの燃料電池が開発されてきた。特に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は50%以上の高い発電効率が得られるため、産業用から家庭用まで広範な出力範囲の発電に利用される。 Conventionally, various types of fuel cells have been developed as power generation devices that emit less environmentally harmful substances and have superior power generation efficiency compared to gas turbine generators and gas engine generators. In particular, solid oxide fuel cells (SOFC) have a high power generation efficiency of 50% or more, and are therefore used for power generation in a wide range of output ranges from industrial to domestic use.
燃料電池システムは、都市ガス等のメタン含有ガスを原燃料とする改質形と、水素を原燃料とする非改質形があるが、日本国内では水素供給インフラが整備途上であるため、前者が主流となっている。改質形燃料電池システムでは、水蒸気改質触媒を用いた吸熱型の外部改質器を使って改質ガスを生成するのが主流であり、発電のコアとなるセルスタックと共に、改質器や燃焼器等の補助機器をパッケージにして、熱的に自立可能なホットモジュールを構成している。水蒸気改質反応の吸熱には、特許文献1~3に開示されるように、主に高カロリーの原燃料および/または低カロリーのオフガスの燃焼熱を利用する。 There are two types of fuel cell systems: a reformed type that uses methane-containing gas such as city gas as the raw fuel, and a non-reformed type that uses hydrogen as the raw fuel.However, as the hydrogen supply infrastructure is still under development in Japan, the former is has become the mainstream. In reformed fuel cell systems, reformed gas is mainly generated using an endothermic external reformer using a steam reforming catalyst, and the reformer and the cell stack are the core of power generation. Auxiliary equipment such as a combustor is packaged to form a thermally self-sustaining hot module. As disclosed in Patent Documents 1 to 3, the heat of combustion of high-calorie raw fuel and/or low-calorie off-gas is mainly used for endothermic heat absorption in the steam reforming reaction.
特許文献1の燃料電池システムは、ホットモジュール内に二重筒構造の改質器(反応容器)を配置し、改質器の内側から壁面を通じた熱伝導により燃焼熱を与えつつ、改質器の外側からセルスタックの放射伝熱により廃熱を与える構成である。 In the fuel cell system of Patent Document 1, a reformer (reaction vessel) with a double cylinder structure is arranged in a hot module, and combustion heat is supplied from the inside of the reformer by heat conduction through the wall surface. This configuration provides waste heat from the outside of the cell stack through radiant heat transfer.
特許文献2の燃料電池システムは、ホットモジュール内に二重筒構造の改質器を配置し、改質器の内側から壁面を通じた熱伝導により燃焼熱を与えつつ、改質器の外側からセルスタックの放射伝熱およびカソードオフガスの対流伝熱により廃熱を与える構成である。改質器の外側から与える廃熱は、セルスタックの発電反応に伴う発熱であり、主に水素および/または一酸化炭素と酸素の反応エネルギーと、発電セルの損失エネルギーに基因している。 In the fuel cell system of Patent Document 2, a reformer with a double cylinder structure is arranged in a hot module, and combustion heat is supplied from the inside of the reformer by heat conduction through the wall surface, while the cell is supplied from the outside of the reformer. This configuration provides waste heat through radiant heat transfer in the stack and convection heat transfer in the cathode off-gas. The waste heat given from the outside of the reformer is heat generated by the power generation reaction of the cell stack, and is mainly caused by the reaction energy of hydrogen and/or carbon monoxide and oxygen and the energy loss of the power generation cells.
特許文献3は、炭化水素化合物から水素を含む燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池システムに供供給する水素生成装置に関する。この装置は、改質触媒層の容器内側から壁面を通じた熱伝導により燃焼熱を与える構成である。 Patent Document 3 relates to a hydrogen generation device that generates fuel gas containing hydrogen from a hydrocarbon compound and supplies this fuel gas to a fuel cell system. This device is configured to provide combustion heat through heat conduction from the inside of the container of the reforming catalyst layer through the wall surface.
これらのシステムでは、改質器を構成する反応容器の内壁は、火炎や赤熱した燃焼触媒、或いは燃焼ガスが直接接触する構造である。そのため、燃焼時と非燃焼時の温度差により反応容器が膨張・収縮し、反応容器の構成部材や接合部分に熱応力が発生する。本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、熱応力による損傷や破損を回避することのできる改質ガス発生装置を提供することを目的とする。 In these systems, the inner wall of the reaction vessel constituting the reformer has a structure in which the flame, red-hot combustion catalyst, or combustion gas comes into direct contact. Therefore, the reaction vessel expands and contracts due to the temperature difference between combustion and non-combustion, and thermal stress is generated in the constituent members and joints of the reaction vessel. The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a reformed gas generator that can avoid damage and breakage due to thermal stress.
本発明に係る改質ガス発生装置は、外筒と内筒の間に触媒充填層を有する二重筒構造の反応容器と、前記内筒に表面どうしが離間するように挿通された熱放射筒と、を備え、前記触媒充填層に原燃料ガスを通して改質ガスを発生させる構成とする。本構成によれば、熱応力による損傷や破損を回避することが可能となる。 A reformed gas generator according to the present invention includes a reaction vessel having a double cylinder structure having a catalyst packed layer between an outer cylinder and an inner cylinder, and a heat radiating cylinder inserted into the inner cylinder so that the surfaces thereof are spaced apart from each other. and a configuration in which raw fuel gas is passed through the catalyst packed bed to generate reformed gas. According to this configuration, it is possible to avoid damage or breakage due to thermal stress.
上記構成としてより具体的には、前記熱放射筒の基端側に接続したバーナを備え、前記熱放射筒は、前記バーナにおける燃焼室および燃焼ガスの流通路として機能する構成としても良い。本構成によれば、触媒を収容している反応容器に内側から燃焼熱を与え続けても、熱応力による損傷や破損を回避することができる。 More specifically, the above configuration may include a burner connected to the base end side of the heat radiant tube, and the heat radiator tube functions as a combustion chamber and a flow path for combustion gas in the burner. According to this configuration, even if combustion heat is continuously applied from the inside to the reaction vessel housing the catalyst, damage or breakage due to thermal stress can be avoided.
上記構成としてより具体的には、前記外筒は、前記原燃料ガスの取入口および前記改質ガスの取出口を有し、前記取入口は、前記熱放射筒の先端側に対応する側に設けられ、前記取出口は、前記熱放射筒の基端側に対応する側に設けられる構成としても良い。本構成によれば、原燃料ガスおよび改質ガスの流れと、燃焼ガスの流れを対向流とし、効率のよい水蒸気改質反応を行わせることができる。 More specifically, the outer cylinder has an intake port for the raw fuel gas and an exit port for the reformed gas, and the intake port is located on a side corresponding to the tip side of the heat radiating cylinder. The outlet may be provided on a side corresponding to a base end side of the heat radiating tube. According to this configuration, the flow of raw fuel gas and reformed gas and the flow of combustion gas are made to flow in opposite directions, and an efficient steam reforming reaction can be performed.
上記構成としてより具体的には、前記外筒は、前記原燃料ガスの取入口および前記改質ガスの取出口を有し、前記取入口は、前記熱放射筒の基端側に対応する側に設けられ、前記取出口は、前記熱放射筒の先端側に対応する側に設けられる構成としても良い。本構成によれば、原燃料ガスおよび改質ガスの流れと、燃焼ガスの流れを並行流とし、原燃料ガスの予熱効果が高く、原燃料ガスを調製する蒸発器の加熱能力を抑えた設計が可能となる。 More specifically, in the above structure, the outer cylinder has an intake port for the raw fuel gas and an exit port for the reformed gas, and the intake port is located on a side corresponding to the proximal end side of the heat radiating cylinder. The outlet may be provided on a side corresponding to the tip side of the heat radiating tube. According to this configuration, the flow of raw fuel gas and reformed gas and the flow of combustion gas are made to flow in parallel, the preheating effect of raw fuel gas is high, and the heating capacity of the evaporator for preparing raw fuel gas is suppressed. becomes possible.
本発明に係る改質ガス発生装置によれば、熱応力による損傷や破損を回避することが可能となる。 According to the reformed gas generator according to the present invention, it is possible to avoid damage or breakage due to thermal stress.
以下、本発明の実施形態について各図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<燃料電池システムの構成概要>
まず本実施形態に係る燃料電池システム100の構成概要について説明する。図1は、燃料電池システム100の構成を示す説明図である。図1に示すように燃料電池システム100は、複数のセルスタック(燃料電池セルスタック)1、改質器2、バーナ3、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、CO酸化器(一酸化炭素酸化器)8、凝縮水回収タンク9、第1原燃料ブロワ10、第1空気ブロワ11、水ポンプ12、第2原燃料ブロワ13、第2空気ブロワ14、パワーコンディショナ15、およびシステムコントローラ16を備える。
<Summary of fuel cell system configuration>
First, an overview of the configuration of the fuel cell system 100 according to this embodiment will be explained. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 100. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a plurality of cell stacks (fuel cell stacks) 1, a reformer 2, a burner 3, an evaporator 4, an air preheater 5, an anode off-gas cooler 6, an anode off-gas condenser device 7, CO oxidizer (carbon monoxide oxidizer) 8, condensed water recovery tank 9, first raw fuel blower 10, first air blower 11, water pump 12, second raw fuel blower 13, second air blower 14 , a power conditioner 15, and a system controller 16.
なお、本実施形態の例では、図1において図示を省略したものを含め、計8個のセルスタック1が備えられている。また以下の説明では、燃料電池システム100を単に「システム」と称することがある。 In the example of this embodiment, a total of eight cell stacks 1 are provided, including those not shown in FIG. Furthermore, in the following description, the fuel cell system 100 may be simply referred to as a "system."
また燃料電池システム100は、原燃料ラインLa、混合ガスラインLb、アノード燃料ラインLc、アノードオフガスラインLd、カソード空気ラインLe、カソードオフガスラインLf、燃焼ガスラインLg、バーナ冷却用空気ラインLh、改質水ラインLi、起動用空気ラインLj、および凝縮水回収ラインLwの各ライン(管路)を備える。 The fuel cell system 100 also includes a raw fuel line La, a mixed gas line Lb, an anode fuel line Lc, an anode off gas line Ld, a cathode air line Le, a cathode off gas line Lf, a combustion gas line Lg, a burner cooling air line Lh, and a modified gas line Lh. Each line (pipe line) is provided: a quality water line Li, a starting air line Lj, and a condensed water recovery line Lw.
アノード燃料ラインLcは、アノード燃料の導入母管となる第1分配マニホールドMaを含み、カソード空気ラインLeは、カソード空気の導入母管となる第2分配マニホールドMbを含む。これらの分配マニホールドMa,Mbは、入口と各セルスタック1に対応した複数の出口とを有しており、入口に流入した流体を各出口それぞれから流出させる。 The anode fuel line Lc includes a first distribution manifold Ma that serves as an introduction main pipe for anode fuel, and the cathode air line Le includes a second distribution manifold Mb that serves as an introduction main pipe for cathode air. These distribution manifolds Ma, Mb have an inlet and a plurality of outlets corresponding to each cell stack 1, and allow the fluid that has flowed into the inlet to flow out from each outlet.
アノードオフガスラインLdは、アノードオフガスの導出母管となる第1収集マニホールドMcを含み、カソードオフガスラインLfは、カソードオフガスの導出母管となる第2収集マニホールドMdを含む。これらの収集マニホールドMc,Mdは、各セルスタック1に対応した複数の入口と出口を有しており、各入口それぞれに流入した流体を出口から流出させる。 The anode off-gas line Ld includes a first collection manifold Mc that serves as a main pipe for discharging anode off-gas, and the cathode off-gas line Lf includes a second collection manifold Md that serves as a main pipe for discharging cathode off-gas. These collection manifolds Mc, Md have a plurality of inlets and outlets corresponding to each cell stack 1, and allow the fluid that has entered each inlet to flow out from the outlet.
燃焼ガスラインLgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを含む。 The combustion gas line Lg includes a heat radiator Za and a combustion gas pipe Zb.
原燃料ラインLaは、燃料取入口E1とバーナ3を接続する管路であり、この管路中には第2原燃料ブロワ13が配置されている。第2原燃料ブロワ13は、燃料取入口E1から取り入れられた原燃料ガス(例えば都市ガス13A等のメタン含有ガス)Gfを昇圧して、原燃料ラインLaの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムのスタートアップ運転時に駆動される。 The raw fuel line La is a pipe line that connects the fuel intake port E1 and the burner 3, and a second raw fuel blower 13 is arranged in this pipe line. The second raw fuel blower 13 is a device that boosts the pressure of the raw fuel gas (for example, methane-containing gas such as city gas 13A) Gf taken in from the fuel intake port E1 and sends it to the downstream side of the raw fuel line La. Generally, it is activated during system startup operation.
混合ガスラインLbは、燃料取入口E2と改質器2を接続する管路であり、この管路中には上流側から順に、第1原燃料ブロワ10、蒸発器4、および第1ベローズ形伸縮管継手B1が配置されている。第1原燃料ブロワ10は、燃料取入口E2から取り入れられた原燃料ガスGaを昇圧して、混合ガスラインLbの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムの発電運転時に駆動される。 The mixed gas line Lb is a pipe line that connects the fuel intake port E2 and the reformer 2, and in this pipe line, in order from the upstream side, there are a first raw fuel blower 10, an evaporator 4, and a first bellows type. An expansion joint B1 is arranged. The first raw fuel blower 10 is a device that boosts the pressure of the raw fuel gas Ga taken in from the fuel intake port E2 and sends it to the downstream side of the mixed gas line Lb, and is typically driven during power generation operation of the system. .
アノード燃料ラインLcは、改質器2と各セルスタック1のアノードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノード燃料ラインLcは上流側から順に、改質器2と第1分配マニホールドMaの入口とを接続する管路、第1分配マニホールドMa、および、第1分配マニホールドMaの各出口と各セルスタック1のアノードとを接続する8本の管路(第1分配マニホールドMaの枝管)を有する。 The anode fuel line Lc is a pipe line that connects the reformer 2 and the anode of each cell stack 1. More specifically, the anode fuel line Lc includes, in order from the upstream side, a pipe connecting the reformer 2 and the inlet of the first distribution manifold Ma, a first distribution manifold Ma, and a pipe line connecting the reformer 2 and the inlet of the first distribution manifold Ma. It has eight pipes (branch pipes of the first distribution manifold Ma) connecting each outlet and the anode of each cell stack 1.
アノードオフガスラインLdは、各セルスタック1のアノードとバーナ3とを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノードオフガスラインLdは上流側から順に、各セルスタック1のアノードと第1収集マニホールドMcの各入口とを接続する8本の管路(第1収集マニホールドMcの枝管)、第1収集マニホールドMc、および、第1収集マニホールドMcの出口とバーナ3の第1ガス筒31(後述)とを接続する管路(以下、「管路Ld1」と称する。)を有する。管路Ld1の途中には、上流側から順に、第2ベローズ形伸縮管継手B2、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、および気水分離部Saが配置されている。 The anode off-gas line Ld is a conduit that connects the anode of each cell stack 1 and the burner 3. More specifically, the anode off-gas line Ld consists of eight pipes (branch pipes of the first collection manifold Mc) connecting the anode of each cell stack 1 and each inlet of the first collection manifold Mc in order from the upstream side. ), a first collection manifold Mc, and a pipe line (hereinafter referred to as "pipe line Ld1") connecting the outlet of the first collection manifold Mc and the first gas cylinder 31 (described later) of the burner 3. A second bellows-type expansion pipe joint B2, an anode off-gas cooler 6, an anode off-gas condenser 7, and a steam/water separator Sa are arranged in order from the upstream side in the middle of the pipe Ld1.
カソード空気ラインLeは、空気取入口E3と各セルスタック1のカソードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソード空気ラインLeは上流側から順に、空気取入口E3と第2分配マニホールドMbの入口とを接続する管路(以下、「管路Le1」と称する。)、第2分配マニホールドMb、および、第2分配マニホールドMbの各出口と各セルスタック1のカソードとを接続する8本の管路(第2分配マニホールドMbの枝管)を有する。 The cathode air line Le is a conduit connecting the air intake port E3 and the cathode of each cell stack 1. To explain more specifically, the cathode air line Le includes, in order from the upstream side, a conduit connecting the air intake port E3 and the inlet of the second distribution manifold Mb (hereinafter referred to as "pipe line Le1"), a second It has a distribution manifold Mb and eight pipes (branch pipes of the second distribution manifold Mb) connecting each outlet of the second distribution manifold Mb and the cathode of each cell stack 1.
管路Le1の途中には、上流側から順に、第1空気ブロワ11、アノードオフガス冷却器6、空気予熱器5、および第3ベローズ形伸縮管継手B3が配置されている。第1空気ブロワ11は、空気取入口E3から取り入れられた空気Aaを昇圧して、カソード空気ラインLeの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムの発電運転時に駆動される。更に管路Le1においては、空気取入口E3とアノードオフガス冷却器6の中間点、および、空気予熱器5と第3ベローズ形伸縮管継手B3の中間点を結ぶように、アノードオフガス冷却器6と空気予熱器5を迂回するバイパス経路Le2が設けられている。 A first air blower 11, an anode off-gas cooler 6, an air preheater 5, and a third bellows-type expansion pipe joint B3 are arranged in the middle of the pipe line Le1 in this order from the upstream side. The first air blower 11 is a device that boosts the pressure of air Aa taken in from the air intake port E3 and sends it to the downstream side of the cathode air line Le, and is typically driven during power generation operation of the system. Furthermore, in the conduit Le1, an anode off-gas cooler 6 and an anode off-gas cooler 6 are connected so as to connect the midpoint between the air intake port E3 and the anode off-gas cooler 6, and the midpoint between the air preheater 5 and the third bellows type expansion joint B3. A bypass path Le2 that bypasses the air preheater 5 is provided.
カソードオフガスラインLfは、各セルスタック1のカソードとバーナ3とを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソードオフガスラインLfは上流側から順に、各セルスタック1のカソードと第2収集マニホールドMdの各入口とを接続する8本の管路(第2収集マニホールドMdの枝管)、第2収集マニホールドMd、および、第2収集マニホールドMdの出口とバーナ3の第2ガス筒32(後述)とを接続する管路(以下、「管路Lf1」と称する。)を有する。 The cathode off-gas line Lf is a conduit that connects the cathode of each cell stack 1 and the burner 3. More specifically, the cathode off-gas line Lf consists of eight pipes (branch pipes of the second collection manifold Md) connecting the cathode of each cell stack 1 and each inlet of the second collection manifold Md in order from the upstream side. ), a second collection manifold Md, and a pipe line (hereinafter referred to as "pipe line Lf1") connecting the outlet of the second collection manifold Md and the second gas cylinder 32 (described later) of the burner 3.
燃焼ガスラインLgは、バーナ3とガス排出口D1とを接続する管路である。より具体的に説明すると、燃焼ガスラインLgは上流側から順に、熱放射筒Za、熱放射筒Zaと燃焼ガス管Zbとを接続する管路、燃焼ガス管Zb、および、燃焼ガス管Zbとガス排出口D1とを接続する管路(以下、「管路Lg1」と称する。)を有する。管路Lg1の途中には、上流側から順に、第4ベローズ形伸縮管継手B4、空気予熱器5、CO酸化器8、および、蒸発器4が配置されている。 The combustion gas line Lg is a conduit connecting the burner 3 and the gas discharge port D1. To explain more specifically, the combustion gas line Lg includes, in order from the upstream side, a heat radiating tube Za, a pipe connecting the heat radiating tube Za and the combustion gas pipe Zb, a combustion gas pipe Zb, and a combustion gas pipe Zb. It has a pipe line (hereinafter referred to as "pipe line Lg1") that connects to the gas exhaust port D1. A fourth bellows type expansion joint B4, an air preheater 5, a CO oxidizer 8, and an evaporator 4 are arranged in the middle of the pipe line Lg1 in this order from the upstream side.
バーナ冷却用空気ラインLhは、管路Le1と起動用空気ラインLjとを接続する管路であり、この管路中には不図示の流量調整手段(オリフィス等)が設けられている。より具体的に説明すると、バーナ冷却用空気ラインLhは、第1空気ブロワ11とアノードオフガス冷却器6を接続する管路Le1の中間点で分岐し、第2空気ブロワ14の下流側で起動用空気ラインLjに合流する管路であり、第1空気ブロワ11の駆動時に微小流量の空気Abがバーナ3に向けて流通するように構成されている。なお、詳細は後述するが、バーナ3の燃焼温度によってはバーナ冷却用空気ラインLhを省略可能である。 The burner cooling air line Lh is a pipe that connects the pipe Le1 and the starting air line Lj, and a flow rate adjusting means (not shown, such as an orifice) is provided in this pipe. To explain more specifically, the burner cooling air line Lh branches at the midpoint of the pipe line Le1 connecting the first air blower 11 and the anode off-gas cooler 6, and is branched at the midpoint of the pipe line Le1 connecting the first air blower 11 and the anode off-gas cooler 6, and is branched at the downstream side of the second air blower 14 for starting. This is a conduit that joins the air line Lj, and is configured so that a minute flow rate of air Ab flows toward the burner 3 when the first air blower 11 is driven. Although details will be described later, depending on the combustion temperature of the burner 3, the burner cooling air line Lh can be omitted.
改質水ラインLiは、凝縮水回収タンク9と蒸発器4とを接続する管路であり、この管路中には水ポンプ12が配置されている。水ポンプ12は、凝縮水回収タンク9に貯留した凝縮水Wbを改質水Waとして改質水ラインLiの下流側へ送る機器である。 The reformed water line Li is a pipe line that connects the condensed water recovery tank 9 and the evaporator 4, and a water pump 12 is disposed in this pipe line. The water pump 12 is a device that sends condensed water Wb stored in the condensed water recovery tank 9 to the downstream side of the reformed water line Li as reformed water Wa.
起動用空気ラインLjは、空気取入口E4と管路Lf1とを接続する管路であり、この管路中には第2空気ブロワ14が配置されている。第2空気ブロワ14は、空気取入口E4から取り入れられた空気Acを昇圧して、起動用空気ラインLjの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムのスタートアップ運転時に駆動される。 The starting air line Lj is a conduit that connects the air intake port E4 and the conduit Lf1, and the second air blower 14 is arranged in this conduit. The second air blower 14 is a device that boosts the pressure of the air Ac taken in from the air intake port E4 and sends it to the downstream side of the startup air line Lj, and is typically driven during startup operation of the system.
凝縮水回収ラインLwは、管路Ld1の途中に配置された気水分離部Saと凝縮水回収タンク9とを接続する管路である。気水分離部Saは、アノードオフガス凝縮器7で発生した凝縮水WbをアノードオフガスGdから分離する部材であり、凝縮水回収ラインLwには分離された凝縮水Wbが流下する。凝縮水回収ラインLwの先端は、貯留された凝縮水Wbの水温の影響を受けて凝縮量が増減しないように、凝縮水回収タンク9の水相部に没入させることなく気相部に開放される。なお凝縮水回収ラインLwの先端を水相部に没入させないのは、バーナ3に送るアノードオフガスGdの流量を変化させないためである。特に、凝縮水Wbを分離後のアノードオフガスGdをセルスタックの一次側へリサイクルしたり、後段のセルスタックで発電利用したりする場合には、本構成は有効である。気水分離部Saには、例えば直管部を水平方向に配置すると共に分岐管部を下向きに配置したT字管が用いられている。また、鉛直方向に立設した小容量の円筒容器を気水分離部Saに用いることもできる。 The condensed water recovery line Lw is a conduit that connects the steam/water separation section Sa and the condensed water recovery tank 9 arranged in the middle of the conduit Ld1. The steam/water separator Sa is a member that separates the condensed water Wb generated in the anode off-gas condenser 7 from the anode off-gas Gd, and the separated condensed water Wb flows down into the condensed water recovery line Lw. The tip of the condensed water recovery line Lw is opened to the gas phase without being immersed in the water phase of the condensed water recovery tank 9 so that the amount of condensation does not increase or decrease due to the influence of the temperature of the stored condensed water Wb. Ru. Note that the reason why the tip of the condensed water recovery line Lw is not immersed in the water phase portion is to keep the flow rate of the anode off gas Gd sent to the burner 3 unchanged. In particular, this configuration is effective when the anode off-gas Gd after separating the condensed water Wb is recycled to the primary side of the cell stack or used for power generation in the subsequent cell stack. For example, a T-shaped pipe in which a straight pipe section is arranged horizontally and a branch pipe section is arranged downward is used for the steam/water separation section Sa. Further, a small-capacity cylindrical container vertically arranged can also be used as the steam/water separation section Sa.
セルスタック1は、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)で構成された発電体である。固体酸化物形燃料電池は、発電セルを構成する固体電解質、アノードおよびカソードが全てセラミックスである高温作動型の燃料電池であり、所定個数の発電セルを金属インターコネクタ材(セパレータ材ともいう)を介して集積した発電単位をセルスタックと呼んでいる。セルスタック1の電池出力は、パワーコンディショナ15で調整された後に給電される。 The cell stack 1 is a power generation body composed of a solid oxide fuel cell (SOFC). A solid oxide fuel cell is a high-temperature operating type fuel cell in which the solid electrolyte, anode, and cathode that make up the power generation cell are all made of ceramic. The power generation unit integrated through the cell stack is called a cell stack. The battery output of the cell stack 1 is adjusted by the power conditioner 15 and then fed.
改質器2は、水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2は水蒸気改質用の触媒を有しており、原燃料ガスGaに含まれるメタンと水蒸気を反応させ、一酸化炭素と水素を含む改質ガスGcを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であるが、バーナ3からの熱供給により、改質器2は安定的に改質ガスGcを生成することが可能である。 The reformer 2 reforms raw fuel gas Ga using water vapor, generates reformed gas Gc, and sends the reformed gas Gc to the subsequent stage side. The reformer 2 has a catalyst for steam reforming, and causes methane contained in the raw fuel gas Ga to react with steam to generate a reformed gas Gc containing carbon monoxide and hydrogen. Although steam reforming is an endothermic reaction, the reformer 2 can stably generate the reformed gas Gc by supplying heat from the burner 3.
バーナ3は、流入する気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼ガスGgを焼排ガスラインLgへ排出する。蒸発器4は、改質水Waと燃焼ガスGg(熱源流体)を間接熱交換させる機器であり、燃焼ガスGgとの熱交換により、改質水Waを蒸発させると同時に原燃料ガスGaを加熱する役割を果たす。 The burner 3 burns the inflowing gas to generate heat, and discharges the combustion gas Gg generated by the combustion to the burnt exhaust gas line Lg. The evaporator 4 is a device that indirectly exchanges heat between the reformed water Wa and the combustion gas Gg (heat source fluid), and simultaneously evaporates the reformed water Wa and heats the raw fuel gas Ga through heat exchange with the combustion gas Gg. play a role.
空気予熱器5とアノードオフガス冷却器6は、何れも低温流体と高温流体を間接熱交換させる熱交換器である。空気予熱器5は、燃焼ガスGgとの熱交換によりカソード空気ラインLe内の空気Aaを予熱する役割を果たし、アノードオフガス冷却器6は、カソード空気ラインLe内の空気Aaとの熱交換によりアノードオフガスGdを冷却する役割を果たす。 The air preheater 5 and the anode off-gas cooler 6 are both heat exchangers that indirectly exchange heat between a low temperature fluid and a high temperature fluid. The air preheater 5 plays the role of preheating the air Aa in the cathode air line Le by heat exchange with the combustion gas Gg, and the anode off-gas cooler 6 plays the role of preheating the air Aa in the cathode air line Le by heat exchange with the air Aa in the cathode air line Le. It plays a role of cooling off gas Gd.
アノードオフガス凝縮器7は、アノードオフガスGdを冷却して、アノードオフガスGdに含まれる水蒸気を凝縮させる役割を果たす。なお、本実施形態のアノードオフガス凝縮器7は空冷熱交換器としているが、その代わりに水冷熱交換器を採用し、これにより熱回収が行われるコジェネ型のシステムとしても良い。 The anode off-gas condenser 7 plays a role of cooling the anode off-gas Gd and condensing water vapor contained in the anode off-gas Gd. Note that, although the anode off-gas condenser 7 in this embodiment is an air-cooled heat exchanger, a water-cooled heat exchanger may be used instead, and a cogeneration type system in which heat is recovered thereby may be used.
CO酸化器8は、燃焼ガスGgに含まれる有害な一酸化炭素を触媒と接触させ、無害な二酸化炭素に変換する機器である。CO酸化器8は、バーナ3での酸化反応が完全である場合は作動せず、バーナ3での酸化反応が不完全である場合にのみ動作する。 The CO oxidizer 8 is a device that brings harmful carbon monoxide contained in the combustion gas Gg into contact with a catalyst and converts it into harmless carbon dioxide. The CO oxidizer 8 does not operate if the oxidation reaction in the burner 3 is complete, and only operates if the oxidation reaction in the burner 3 is incomplete.
凝縮水回収タンク9は、気水分離部Saから排出される凝縮水Wbを回収し、これを改質水Waとして再利用可能とする役割を果たす。凝縮水回収タンク9には、貯留される改質水Waの水位を所定範囲に調整するため、水位検出器Sbおよび排水弁Scが設けられている。水位検知器Sbで上限水位を検知すると排水弁Scが開放される一方、水位検知器Sbで下限水位を検知すると排水弁Scが閉鎖される。このようにして凝縮水回収タンク9には、所要量の改質水Waが確保されるようになっている。なお改質水Waの排水動作時にアノードオフガスGdが外部に漏洩することを防止するため、排水弁Scによる排水位置は凝縮水回収タンク9の底部付近に設定される。 The condensed water recovery tank 9 plays the role of recovering condensed water Wb discharged from the steam-water separation section Sa and making it reusable as reformed water Wa. The condensed water recovery tank 9 is provided with a water level detector Sb and a drain valve Sc in order to adjust the water level of the stored reformed water Wa to a predetermined range. When the water level detector Sb detects the upper limit water level, the drain valve Sc is opened, and when the water level detector Sb detects the lower limit water level, the drain valve Sc is closed. In this way, the required amount of reformed water Wa is secured in the condensed water recovery tank 9. Note that in order to prevent the anode off-gas Gd from leaking to the outside during the draining operation of the reformed water Wa, the draining position by the drain valve Sc is set near the bottom of the condensed water recovery tank 9.
パワーコンディショナ15は、セルスタック1で発電した電力を事業活動や社会生活の場で利用できる状態に変換するための機器である。パワーコンディショナ15は、セルスタック1から出力された直流電圧を昇圧するDC/DCコンバータ(昇圧回路)と、DC/DCコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れた交流電圧に変換する系統連系インバータ(電圧変換回路)と、セルスタック1の出力電流(掃引電流)を制御する出力電流制御部(出力制御回路)と、補機類に駆動電力を供給するための駆動電力供給部(補助回路)を有している。 The power conditioner 15 is a device that converts the electric power generated by the cell stack 1 into a state that can be used in business activities and social life. The power conditioner 15 includes a DC/DC converter (step-up circuit) that boosts the DC voltage output from the cell stack 1, and converts the DC voltage boosted by the DC/DC converter into an AC voltage that is synchronized with the grid power supply. a grid-connected inverter (voltage conversion circuit) to control the output current, an output current control section (output control circuit) to control the output current (sweep current) of the cell stack 1, and a drive power supply to supply drive power to auxiliary equipment. (auxiliary circuit).
上記の系統連系インバータは、建築物内に設置された商用電源系統の配電盤と電気的に接続される。系統連系インバータと配電盤とは、系統連系用のスイッチを介して並列・解列を切換可能である。配電盤には、商用電源および複数の分電盤が電気的に接続される。分電盤には、建築物内で使用する照明器具、動力装置、コンセント等の負荷機器が電気的に接続される。 The grid-connected inverter described above is electrically connected to a switchboard of a commercial power system installed in a building. The grid-connected inverter and the switchboard can be switched between parallel and disconnection via a grid-connection switch. A commercial power source and a plurality of distribution panels are electrically connected to the distribution panel. Load devices used within the building, such as lighting equipment, power equipment, and electrical outlets, are electrically connected to the distribution board.
上記の駆動電力供給部は、各ブロワ10,11,13,14、水ポンプ12およびバーナ3のスパークロッド(後述する第1電極ロッド)等と接続され、これらの補機類に駆動電力を与える。駆動電力供給部は、補機類がDC駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力をAC/DC変換した電力、商用電源からの入力をAC/DC変換した電力、またはセルスタック1の出力をDC/DC変換した電力を供給するように回路構成される。一方、駆動電力供給部は、補機類がAC駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力電力、または商用電源からの入力電力を供給するように回路構成される。なお上述の補機類は、システムのスタートアップ運転およびシャットダウン運転時は、商用電源を利用して駆動され、システムの発電運転中は、発電電力を利用して駆動される。 The drive power supply unit described above is connected to each blower 10, 11, 13, 14, water pump 12, spark rod (first electrode rod described later) of the burner 3, etc., and supplies drive power to these auxiliary machines. . When the auxiliary equipment is DC driven, the drive power supply unit supplies, for example, the power obtained by converting the output of a grid-connected inverter into AC/DC, the power obtained by converting the input from the commercial power supply into AC/DC, or the output of the cell stack 1. The circuit is configured to supply DC/DC converted power. On the other hand, when the auxiliary equipment is driven by AC, the drive power supply section is configured to supply, for example, output power from a grid-connected inverter or input power from a commercial power source. The above-mentioned auxiliary machines are driven using commercial power during startup and shutdown operations of the system, and are driven using generated power during power generation operation of the system.
システムコントローラ16は、予め作成・記憶された制御プログラムに従って、ブロワ等の補機類およびパワーコンディショナ15の動作(すなわち、システム動作)を制御する機器である。 The system controller 16 is a device that controls the operation of auxiliary equipment such as a blower and the power conditioner 15 (ie, system operation) according to a control program created and stored in advance.
また図1に破線枠で示すように、各セルスタック1、改質器2、バーナ3、各マニホールドMa~Md、熱放射筒Za、および燃焼ガス管Zbは、後述するホットモジュールHMにおける第1ボックスX1(図3を参照)の内側である第1領域R1に配置されている。一方、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、およびCO酸化器8は、第1ボックスX1の外側であって後述する第2ボックスX2(図3を参照)の内側である第2領域R2に配置されている。なお、アノードオフガス凝縮器7、凝縮水回収タンク9、各ブロワ10,11,13,14、水ポンプ12、パワーコンディショナ15、およびシステムコントローラ16は、ホットモジュールHMの外部(常温の領域)に配置される。 Further, as shown by the broken line frame in FIG. 1, each cell stack 1, reformer 2, burner 3, each manifold Ma to Md, heat radiation cylinder Za, and combustion gas pipe Zb are connected to the first It is arranged in the first region R1 inside the box X1 (see FIG. 3). On the other hand, the evaporator 4, air preheater 5, anode off-gas cooler 6, and CO oxidizer 8 are located outside the first box X1 and inside a second box X2 (see FIG. 3), which will be described later. 2 area R2. Note that the anode off-gas condenser 7, condensed water recovery tank 9, blowers 10, 11, 13, 14, water pump 12, power conditioner 15, and system controller 16 are installed outside the hot module HM (in a normal temperature area). Placed.
<燃料電池システムの動作概要>
次に、燃料電池システム100の動作概要について、図1を参照しながら説明する。燃料取入口E2から混合ガスラインLb内に供給された原燃料ガスGaは、第1原燃料ブロワ10の作用により後段側へ送られる。原燃料ガスGaの供給に並行して、凝縮水回収タンク9から改質水ラインLi内に供給された改質水Waは、水ポンプ12によって水量が調節され、混合ガスラインLbへ流入する。
<Overview of fuel cell system operation>
Next, an overview of the operation of the fuel cell system 100 will be described with reference to FIG. 1. The raw fuel gas Ga supplied into the mixed gas line Lb from the fuel intake port E2 is sent to the rear stage side by the action of the first raw fuel blower 10. In parallel with the supply of the raw fuel gas Ga, the reformed water Wa supplied from the condensed water recovery tank 9 into the reformed water line Li has its water volume adjusted by the water pump 12 and flows into the mixed gas line Lb.
改質水Waは、混合ガスラインLb内の原燃料ガスGaとともに蒸発器4に流入し、蒸発器4において熱交換により加熱されて水蒸気(過熱蒸気)となる。当該水蒸気は加熱された原燃料ガスGaと混合し、混合ガスGbとして改質器2へ流入する。 The reformed water Wa flows into the evaporator 4 together with the raw fuel gas Ga in the mixed gas line Lb, and is heated by heat exchange in the evaporator 4 to become steam (superheated steam). The steam is mixed with the heated raw fuel gas Ga and flows into the reformer 2 as a mixed gas Gb.
改質器2は、混合ガスGb中の水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2から送出された改質ガスGcは、アノード燃料ラインLcを通って各セルスタック1のアノードへ分配される。 The reformer 2 reforms raw fuel gas Ga using water vapor in mixed gas Gb, generates reformed gas Gc, and sends the reformed gas Gc to the subsequent stage side. The reformed gas Gc sent out from the reformer 2 is distributed to the anode of each cell stack 1 through the anode fuel line Lc.
一方、上述した原燃料ガスGaの供給に並行して、空気取入口E3からカソード空気ラインLe内に空気Aaが供給される。カソード空気ラインLe内の空気Aaは、第1空気ブロワ11の作用により後段側へ送られる。この空気Aaは、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって加熱され、更に空気予熱器5での熱交換によって加熱された後、各セルスタック1のカソードへ分配される。なお空気Aaの温度調節等のため、空気Aaの一部である空気Aa1を、バイパス経路Le2を介して各セルスタック1のカソードへ流入させることも可能である。 On the other hand, in parallel with the supply of the raw fuel gas Ga described above, air Aa is supplied from the air intake port E3 into the cathode air line Le. Air Aa in the cathode air line Le is sent to the rear stage side by the action of the first air blower 11. This air Aa is heated by heat exchange in the anode off-gas cooler 6, further heated by heat exchange in the air preheater 5, and then distributed to the cathode of each cell stack 1. Note that in order to adjust the temperature of the air Aa, it is also possible to flow the air Aa1, which is a part of the air Aa, into the cathode of each cell stack 1 via the bypass path Le2.
更には、カソードへの空気Aaの供給に同期して、冷却用空気ラインLh内に空気Abが供給される。冷却用空気ラインLh内の空気Abは、第1空気ブロワ11の作用によりバーナ3へ送られる。この空気Abは、バーナ3の燃焼温度を低下させる冷却剤として作用し、保炎器33(後述)の過熱および焼損を防止する。なお空気Abを供給しない状態で、保炎器33の過熱や焼損が起こらない程度に火炎温度が保たれている場合には、バーナ冷却用空気ラインLhを省略してもよい。 Furthermore, air Ab is supplied into the cooling air line Lh in synchronization with the supply of air Aa to the cathode. Air Ab in the cooling air line Lh is sent to the burner 3 by the action of the first air blower 11. This air Ab acts as a coolant that lowers the combustion temperature of the burner 3, and prevents overheating and burnout of the flame stabilizer 33 (described later). Note that if the flame temperature is maintained at a level that does not cause overheating or burnout of the flame stabilizer 33 without supplying air Ab, the burner cooling air line Lh may be omitted.
各セルスタック1は、アノードに流入した改質ガスGcとカソードに流入した空気Aaを用いて発電するとともに、アノードからアノードオフガスラインLdへアノードオフガスGdを排出し、カソードからカソードオフガスラインLfへカソードオフガスGeを排出する。アノードオフガスGdには、アノードにおいて未反応であった燃料成分が含まれており、カソードオフガスGeには、カソードにおいて未反応であった酸素が含まれている。 Each cell stack 1 generates electricity using the reformed gas Gc that has flowed into the anode and the air Aa that has flowed into the cathode, and discharges anode off gas Gd from the anode to the anode off gas line Ld, and discharges the anode off gas Gd from the cathode to the cathode off gas line Lf. Discharge off-gas Ge. The anode off-gas Gd contains fuel components that have not reacted at the anode, and the cathode off-gas Ge contains oxygen that has not reacted at the cathode.
各セルスタック1からアノードオフガスラインLdへ排出されたアノードオフガスGdは、第1収集マニホールドMcに収集された後、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって冷却され、アノードオフガス凝縮器7へ流入する。アノードオフガス凝縮器7では、アノードオフガスGdは露点温度以下まで冷却され、アノードオフガスGdに含まれる水蒸気が凝縮する。 The anode off gas Gd discharged from each cell stack 1 to the anode off gas line Ld is collected in the first collection manifold Mc, cooled by heat exchange in the anode off gas cooler 6, and flows into the anode off gas condenser 7. . In the anode off-gas condenser 7, the anode off-gas Gd is cooled to below the dew point temperature, and water vapor contained in the anode off-gas Gd is condensed.
アノードオフガス凝縮器7を通過したアノードオフガスGdは、気水分離部Saに送られて気水分離され、凝縮水Wbが凝縮水回収タンク9に回収される。凝縮水回収タンク9に回収された凝縮水Wbは、先述のとおり改質水Waとして再利用される。なお、アノードオフガスGdにおける凝縮しなかった部分(気水分離後のアノードオフガスGd)は、バーナ3へ送られる。 The anode off-gas Gd that has passed through the anode off-gas condenser 7 is sent to the steam/water separator Sa where it is separated into steam and water, and the condensed water Wb is collected in the condensed water recovery tank 9 . The condensed water Wb collected in the condensed water recovery tank 9 is reused as reformed water Wa as described above. Note that the portion of the anode off-gas Gd that is not condensed (anode off-gas Gd after steam and water separation) is sent to the burner 3.
各セルスタック1からカソードオフガスラインLfへ排出されたカソードオフガスGeは、第2収集マニホールドMdに収集された後、管路Lf1でバーナ冷却用空気ラインLhを介して流入した空気Abと混合し、バーナ3へ送られる。またバーナ3には、システムの運転状態に応じて、燃料取入口E1から供給された原燃料ガスGfが、原燃料ラインLaを介して送られると共に、空気取入口E4から供給された空気Acが、起動用空気ラインLjを介して送られる。 The cathode off gas Ge discharged from each cell stack 1 to the cathode off gas line Lf is collected in the second collection manifold Md, and then mixed with the air Ab that has flowed in through the burner cooling air line Lh in the pipe Lf1, Sent to burner 3. Further, depending on the operating state of the system, the raw fuel gas Gf supplied from the fuel intake port E1 is sent to the burner 3 via the raw fuel line La, and the air Ac supplied from the air intake port E4 is sent to the burner 3. , is sent via the starting air line Lj.
バーナ3は、原燃料ガスGfおよび/またはアノードオフガスGdである第1バーナ用ガスGxと、空気Acおよび/またはカソードオフガスGeである第2バーナ用ガスGyが流入し、これらを燃焼させて熱を発生させる。すなわち第1バーナ用ガスGxは、原燃料ガスGfとアノードオフガスGdの混合気体、或いは、原燃料ガスGfとアノードオフガスGdの何れか一方の状態であり、どの状態となるかはシステムの動作状態等によって変化し得る。また第2バーナ用ガスGyは、空気AcとカソードオフガスGeの混合気体、或いは、空気AcとカソードオフガスGeの何れか一方の状態であり、どの状態となるかはシステムの動作状態等によって変化し得る。すなわち、システムのスタートアップ運転、発電運転(全負荷運転または部分負荷運転)、シャットダウン運転等に応じて、バーナ3への供給ガスは適宜状態変化する。 The burner 3 receives a first burner gas Gx, which is a raw fuel gas Gf and/or an anode off gas Gd, and a second burner gas Gy, which is air Ac and/or a cathode off gas Ge, and burns them to generate heat. to occur. In other words, the first burner gas Gx is either a mixed gas of raw fuel gas Gf and anode off gas Gd, or one of raw fuel gas Gf and anode off gas Gd, and which state it is in depends on the operating state of the system. etc. may change. In addition, the second burner gas Gy is either a mixed gas of air Ac and cathode off gas Ge, or one of air Ac and cathode off gas Ge, and which state it is in varies depending on the operating state of the system, etc. obtain. That is, the state of the gas supplied to the burner 3 changes as appropriate depending on the startup operation, power generation operation (full load operation or partial load operation), shutdown operation, etc. of the system.
なお、原燃料ガスGfは炭化水素含有ガスの一種である。一方、空気Acは酸化剤含有ガスの一種である。バーナ3の燃焼動作中、バーナ冷却用空気ラインLhからは空気Abが連続的に供給され、燃焼温度の調整が行われる。 Note that the raw fuel gas Gf is a type of hydrocarbon-containing gas. On the other hand, air Ac is a type of oxidizing agent-containing gas. During the combustion operation of the burner 3, air Ab is continuously supplied from the burner cooling air line Lh to adjust the combustion temperature.
バーナ3での燃焼により生じる燃焼ガスGgは、燃焼ガスラインLgへ送られ、熱放射筒Za、燃焼ガス管Zb、蒸発器5、CO酸化器8、および蒸発器4を順に通過して、ガス排出口D1からホットモジュールHMの外部へ排出される。なお詳しくは後述するが、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbは、燃焼ガスGgを用いて改質器2を効果的に加熱できるよう配置されている。また、燃焼ガスラインLg内の燃焼ガスGgは、蒸発器5および蒸発器4を通る際に熱交換に利用され、一酸化炭素が含まれる場合には、CO酸化器8を通る際に当該一酸化炭素が二酸化炭素に変換される。 Combustion gas Gg generated by combustion in the burner 3 is sent to the combustion gas line Lg, passes through the heat radiator Za, the combustion gas pipe Zb, the evaporator 5, the CO oxidizer 8, and the evaporator 4 in order, and the gas It is discharged to the outside of the hot module HM from the discharge port D1. Although details will be described later, the heat radiator Za and the combustion gas pipe Zb are arranged so that the reformer 2 can be effectively heated using the combustion gas Gg. Further, the combustion gas Gg in the combustion gas line Lg is used for heat exchange when passing through the evaporator 5 and the evaporator 4, and if carbon monoxide is included, the combustion gas Gg is used for heat exchange when passing through the CO oxidizer 8. Carbon oxide is converted to carbon dioxide.
<ホットモジュール>
次に、ホットモジュールHMの構成等について、より詳細に説明する。図2は、ホットモジュールHMの斜視図である。図3は、ホットモジュールHMの内部構造が理解容易となるように、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53の一部を不図示としたホットモジュールHMの斜視図である。なお以下の説明における前後、左右、および上下の各方向(互いに直交する方向)は、図2等に示すように便宜的に定めたものに過ぎない。本実施形態の例では、上下方向が鉛直方向に一致する。
<Hot module>
Next, the configuration etc. of the hot module HM will be explained in more detail. FIG. 2 is a perspective view of the hot module HM. FIG. 3 is a perspective view of the hot module HM in which the first box X1, the second box X2, and a part of the plate-shaped heat insulating material 53 are not shown so that the internal structure of the hot module HM can be easily understood. . Note that the front-rear, left-right, and up-down directions (directions perpendicular to each other) in the following description are merely determined for convenience as shown in FIG. 2 and the like. In the example of this embodiment, the up-down direction coincides with the vertical direction.
図2および図3に示すようにホットモジュールHMは、第1台座X1a、第2台座X2a、第1台座X1a上に形成される第1ボックスX1、第2台座X2a上に形成される第2ボックスX2、第1台座X1aを支持する複数本(本実施形態の例では4本)の第1支柱51、および、第2台座X2aを支持する複数本(本実施形態の例では4本)の第2支柱52を備える。 As shown in FIGS. 2 and 3, the hot module HM includes a first pedestal X1a, a second pedestal X2a, a first box X1 formed on the first pedestal X1a, and a second box formed on the second pedestal X2a. X2, a plurality of (four in the example of this embodiment) first pillars 51 that support the first pedestal X1a, and a plurality of (four in the example of this embodiment) first pillars 51 that support the second pedestal X2a. Two pillars 52 are provided.
第1ボックスX1は第2ボックスX2の内部に収容されており、この状態で複数本の第1支柱51は、第2台座X2aから所定高さに第1台座X1aを支持する。第1ボックスX1は、内部の領域が高温動作領域となる第1領域R1(図1を参照)に設定されており、システムの発電動作時に内部で化学反応を伴う第1機器グループGP1が収容される。この第1機器グループGP1には、セルスタック1、改質器2、およびバーナ3が含まれる。 The first box X1 is housed inside the second box X2, and in this state, the plurality of first columns 51 support the first pedestal X1a at a predetermined height from the second pedestal X2a. The first box X1 is set as a first region R1 (see FIG. 1) whose internal region is a high-temperature operation region, and accommodates a first equipment group GP1 that internally undergoes a chemical reaction during power generation operation of the system. Ru. This first equipment group GP1 includes a cell stack 1, a reformer 2, and a burner 3.
第2ボックスX2の内部であって第1ボックスX1の外部(第1台座X1aの下側)の領域は、低温動作領域となる第2領域R2(図1を参照)に設定されており、システムの発電動作時に内部で化学反応を伴わない第2機器グループGP2が収容される。第2機器グループGP2には、蒸発器4および熱交換器(空気予熱器5とアノードオフガス冷却器6)が含まれる。 The area inside the second box X2 and outside the first box X1 (below the first pedestal X1a) is set as a second area R2 (see FIG. 1), which is a low temperature operation area, and the system A second equipment group GP2 that does not involve a chemical reaction during the power generation operation is housed. The second equipment group GP2 includes an evaporator 4 and a heat exchanger (air preheater 5 and anode off-gas cooler 6).
また第2領域R2には、システムの発電動作時に所定の条件を満足した場合にのみ内部で化学反応を伴う第3機器グループGP3も収容される。第3機器グループGP3には、バーナ3での酸化反応が完全である場合は動作せず、バーナ3での酸化反応が不完全である場合にのみ動作するCO酸化器8が含まれる。CO酸化器8は触媒反応に伴う発熱が僅かであるので、CO酸化器8を第2領域R2(低温動作領域)に配置しても殆ど問題は無く、これにより、第1ボックスX1の容量を抑制することができる。 The second region R2 also accommodates a third equipment group GP3 that internally undergoes a chemical reaction only when a predetermined condition is satisfied during power generation operation of the system. The third equipment group GP3 includes a CO oxidizer 8 that does not operate when the oxidation reaction in the burner 3 is complete, and operates only when the oxidation reaction in the burner 3 is incomplete. Since the CO oxidizer 8 generates only a small amount of heat due to the catalytic reaction, there is almost no problem even if the CO oxidizer 8 is placed in the second region R2 (low-temperature operation region), thereby reducing the capacity of the first box X1. Can be suppressed.
第1ボックスX1の前後左右の各側部および頂部(上側)には、板状断熱材53が装着されている。板状断熱材53は、第1ボックスX1の前後左右および上側の各外面をほぼ全て覆っている。これにより強力な断熱効果を得ることができ、第1ボックスX1内を高温状態に保つことが容易となっている。 A plate-shaped heat insulating material 53 is attached to each of the front, rear, left and right sides and the top (upper side) of the first box X1. The plate-shaped heat insulating material 53 covers almost all of the front, rear, left, right, and upper outer surfaces of the first box X1. This allows a strong heat insulating effect to be obtained, making it easy to maintain the inside of the first box X1 at a high temperature.
第2領域R2の空間(第2機器グループGP2の配置空間)には、不図示の粒状断熱材が充填される。高温動作領域である第1ボックスX1から第1台座X1aを通じて第2領域R2への熱伝導が起こるが、当該粒状断熱材を充填することにより十分な断熱効果が得られる。そのため、第2機器グループGP2およびその接続配管を、高価な高温耐性の材料を使用せずに構成することができる。 The space of the second region R2 (the arrangement space of the second equipment group GP2) is filled with a granular heat insulating material (not shown). Although heat conduction occurs from the first box X1, which is a high temperature operation region, to the second region R2 through the first pedestal X1a, a sufficient heat insulation effect can be obtained by filling the granular heat insulating material. Therefore, the second equipment group GP2 and its connecting piping can be configured without using expensive high temperature resistant materials.
また、第1台座X1aには管挿入孔(貫通孔)が設けられており、第1領域R1と第2領域R2の境界を跨いで延びる各ライン(管路)は、この貫通孔を通るように配置される。これにより、第1機器グループGP1と第2機器グループGP2との間での流体の受け渡しは、第1台座X1aを上下方向に貫通する管路を通じて行われる。このように本実施形態では、各機器グループGP1,GP2間での流体の受け渡し用の配管は、第1台座X1aに穿設した管挿入孔に管路を取り付けるだけの構造なので、特別なシール等を必要としない。 In addition, a tube insertion hole (through hole) is provided in the first pedestal X1a, and each line (pipe line) extending across the boundary between the first region R1 and the second region R2 passes through this through hole. will be placed in Thereby, fluid is transferred between the first equipment group GP1 and the second equipment group GP2 through the conduit that vertically penetrates the first pedestal X1a. In this way, in this embodiment, the piping for fluid delivery between each equipment group GP1 and GP2 has a structure that is simply attached to a pipe insertion hole drilled in the first pedestal X1a, so special seals, etc. does not require.
更に、第2機器グループGP2を通る流体の管路には、ベローズ形伸縮管継手を設けるようにしても良い。第1台座X1aを貫通する管路と熱交換器を接続するパイプや、熱交換器どうしを接続するパイプは、システムの冷態時と運転時の温度変化により伸縮する。この伸縮により発生する熱応力は、パイプ本体および接合部の割れや破断の原因となるため、場合によっては可燃性ガスのリーク等、深刻な不具合を引き起こすことになる。第2機器グループGP2の流体接続に使用する配管機材がベローズ形伸縮管継手を含むようにすることで、熱応力の発生が極力抑えられ、このような不具合を回避することが可能となる。 Furthermore, a bellows-type expansion pipe joint may be provided in the fluid conduit passing through the second equipment group GP2. The pipes that connect the conduit passing through the first pedestal X1a and the heat exchanger, and the pipes that connect the heat exchangers to each other expand and contract due to temperature changes when the system is in a cold state and during operation. Thermal stress generated by this expansion and contraction causes cracks and ruptures in the pipe body and joints, which may lead to serious problems such as leakage of flammable gas. By making the piping equipment used for the fluid connection of the second equipment group GP2 include a bellows-type expansion pipe joint, the generation of thermal stress can be suppressed as much as possible, and such problems can be avoided.
本実施形態では図1に示すように、少なくとも、第2機器グループGP2を通る流体の管路のうち第1領域R1と第2領域R2の境界を跨いで延びる各ラインにおいて、第2領域R2の当該境界近傍に上下に伸縮可能なベローズ形伸縮管継手が設置されている。より具体的に説明すると、混合ガスラインLbの当該境界近傍には第1ベローズ形伸縮管継手B1が設置され、アノードオフガスラインLdの当該境界近傍には第2ベローズ形伸縮管継手B2が設置され、カソード空気ラインLeの当該境界近傍には第3ベローズ形伸縮管継手B3が設置され、燃焼ガスラインLgの当該境界近傍には第4ベローズ形伸縮管継手B4が設置されている。また、第2領域R2内の熱交換器どうしを接続する各パイプに、ベローズ形伸縮管継手を設置しても良い。 In this embodiment, as shown in FIG. 1, at least in each line extending across the boundary between the first region R1 and the second region R2 among the fluid pipes passing through the second device group GP2, the second region R2 is A bellows-type expansion pipe joint that can be expanded and contracted up and down is installed near the boundary. To explain more specifically, a first bellows-type expansion joint B1 is installed near the boundary of the mixed gas line Lb, and a second bellows-type expansion joint B2 is installed near the boundary of the anode off-gas line Ld. , a third bellows-type expansion joint B3 is installed near the boundary of the cathode air line Le, and a fourth bellows-type expansion joint B4 is installed near the boundary of the combustion gas line Lg. Further, a bellows-type expansion pipe joint may be installed in each pipe that connects the heat exchangers in the second region R2.
ホットモジュールHMは、例えば次のような工程で組み立てられる。まず第2台座X2aの上に第2機器グループGP2を配置し、所要の配管機材を用いて機器間の配管を施工する。次に、第2台座X2aの上に複数の第1支柱51を取付け、第1支柱51の先端部に第1台座X1aを載置して固定する。次に、第1台座X1aに穿設した管挿入孔に管路を取り付け、この管路と第2機器グループGP2との間で配管を施工する。次に、第2台座X2aの上に第2機器グループGP2を包囲するケーシングを取り付けて半開放の第2ボックスX2を形成し、第2ボックスX2内に粒状断熱材を充填する。 The hot module HM is assembled, for example, in the following steps. First, the second equipment group GP2 is placed on the second pedestal X2a, and piping between the equipment is constructed using required piping equipment. Next, a plurality of first columns 51 are attached on the second pedestal X2a, and the first pedestal X1a is placed and fixed on the tip of the first column 51. Next, a conduit is attached to the tube insertion hole drilled in the first pedestal X1a, and piping is constructed between this conduit and the second equipment group GP2. Next, a casing surrounding the second equipment group GP2 is attached onto the second pedestal X2a to form a semi-open second box X2, and the second box X2 is filled with a granular heat insulating material.
続いて、第1台座X1aの上に第1機器グループGP1を配置し、第1台座X1aに取り付けられた管路と第1機器グループGP1との間で配管を施工すると共に、所要の配管機材を用いて機器間の配管を施工する。次に、第1台座X1aの上に第1機器グループGP1を包囲するケーシングを取り付けて密閉型の第1ボックスX1を形成し、第1ボックスX1の側部および頂部に板状断熱材53を装着する。半開放の第2ボックスX2に対し、第1ボックスX1に装着した板状断熱材53を包囲するケーシングを取り付けて密閉型の第2ボックスX2を形成する。以上のような工程を経由することで、容易にホットモジュールHMを組み立てることができる。 Next, the first equipment group GP1 is placed on the first pedestal X1a, and piping is constructed between the conduits attached to the first pedestal X1a and the first equipment group GP1, and the necessary piping equipment is installed. Use this to construct piping between equipment. Next, a casing surrounding the first equipment group GP1 is attached on the first pedestal X1a to form a closed first box X1, and a plate-shaped heat insulating material 53 is attached to the side and top of the first box X1. do. A casing that surrounds the plate-shaped heat insulating material 53 attached to the first box X1 is attached to the semi-open second box X2 to form a closed second box X2. By going through the steps described above, the hot module HM can be easily assembled.
図4~図6は、それぞれ異なる視点によるホットモジュールHMの斜視図である。また図7および図8は、それぞれ異なる視点によるホットモジュールHMの側面図である。なおこれらの図においては、ホットモジュールHMの内部構造が理解容易となるように、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53を不図示としている。また、図5~図8に示す白抜き矢印は、各流体の流れ方向を模式的に表している。 4 to 6 are perspective views of the hot module HM from different viewpoints. 7 and 8 are side views of the hot module HM from different viewpoints, respectively. Note that in these figures, the first box X1, the second box X2, and the plate-shaped heat insulating material 53 are not shown so that the internal structure of the hot module HM can be easily understood. Furthermore, the white arrows shown in FIGS. 5 to 8 schematically represent the flow direction of each fluid.
これらの図に示すように、第1台座X1aの上側における上方視略中央位置には、上下(鉛直方向)に立設された筒状の改質器2が配置され、改質器2の上側にはバーナ3が配置されている。なお詳しくは後述するが、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaは、改質ガス発生装置として一体的に構成されている。 As shown in these figures, a cylindrical reformer 2 that stands vertically (in the vertical direction) is disposed at a substantially central position above the first pedestal X1a when viewed from above. A burner 3 is disposed at. Although details will be described later, the reformer 2, the burner 3, and the heat radiator Za are integrally configured as a reformed gas generator.
改質器2の左右それぞれには、複数個(本実施形態の例では4個)のセルスタック1を上下に集積したセルスタック集合体61が配置されている。改質器2の前側における左右のセルスタック集合体61に挟まれた領域には、図4に示すように、第1分配マニホールドMaおよび第2分配マニホールドMbのそれぞれが、上下に延びるように配置されている。第1分配マニホールドMaおよび第2分配マニホールドMbは隣接配置されるとともに、セルスタック集合体61の近傍に配置されている。 On each of the right and left sides of the reformer 2, a cell stack assembly 61 in which a plurality of (four in the present embodiment) cell stacks 1 are vertically stacked is arranged. As shown in FIG. 4, in a region sandwiched between the left and right cell stack assemblies 61 on the front side of the reformer 2, a first distribution manifold Ma and a second distribution manifold Mb are arranged to extend vertically. has been done. The first distribution manifold Ma and the second distribution manifold Mb are arranged adjacent to each other and near the cell stack assembly 61.
第1分配マニホールドMaと第2分配マニホールドMbを隣接配置することで、これら2つの分配マニホールドの表面間において放射伝熱や対流伝熱により熱交換が行われる。また、各分配マニホールドMa,Mbをセルスタック集合体61の近傍に配置することで、機器の表面間において放射伝熱や対流伝熱により熱交換が行われる。これにより、セルスタック1に供給するアノード燃料(改質ガスGc)とカソード空気(空気Aa)の温度が均一化されると共に、当該温度をセルスタック1の動作温度近くまで高められるので、発電セルの全体で効率のよい発電反応を行わせることができる。 By arranging the first distribution manifold Ma and the second distribution manifold Mb adjacent to each other, heat exchange is performed between the surfaces of these two distribution manifolds by radiant heat transfer or convection heat transfer. Further, by arranging each distribution manifold Ma, Mb near the cell stack assembly 61, heat exchange is performed between the surfaces of the equipment by radiant heat transfer or convection heat transfer. As a result, the temperatures of the anode fuel (reformed gas Gc) and cathode air (air Aa) supplied to the cell stack 1 are equalized, and the temperature can be raised to near the operating temperature of the cell stack 1, so that the power generation cell An efficient power generation reaction can be carried out in total.
改質器2の後側における左右のセルスタック集合体61に挟まれた領域には、図6に示すように、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdのそれぞれが、上下に延びるように配置されている。すなわち、セルスタック集合体61、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdのそれぞれは、改質器2の外筒21を取り囲むように配置されている。 As shown in FIG. 6, in the area sandwiched between the left and right cell stack assemblies 61 on the rear side of the reformer 2, a first collection manifold Mc and a second collection manifold Md are arranged so as to extend vertically. It is located. That is, each of the cell stack assembly 61, the first collection manifold Mc, and the second collection manifold Md is arranged so as to surround the outer cylinder 21 of the reformer 2.
このように、各セルスタック1、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdは改質器2の近傍に配置されており、改質器2へ発電反応に伴う廃熱を効率良く与えることが可能である。特に第1収集マニホールドMcは、アノードオフガスGdに含まれる廃熱を積極的に改質器2に与える役割を持つ。また第2収集マニホールドMdは、カソードオフガスGeに含まれる廃熱を積極的に改質器2に与える役割を持つ。これにより、改質器2における触媒層での吸熱量が大幅に増加するため、水蒸気改質反応の効率がアップし、触媒使用量が低減されて改質器2の小型化を実現できる。 In this way, each cell stack 1, the first collection manifold Mc, and the second collection manifold Md are arranged in the vicinity of the reformer 2, and it is possible to efficiently provide waste heat accompanying the power generation reaction to the reformer 2. It is possible. In particular, the first collection manifold Mc has a role of actively providing waste heat contained in the anode off-gas Gd to the reformer 2. Further, the second collection manifold Md has a role of actively providing waste heat contained in the cathode off-gas Ge to the reformer 2. As a result, the amount of heat absorbed by the catalyst layer in the reformer 2 increases significantly, so the efficiency of the steam reforming reaction increases, the amount of catalyst used is reduced, and the reformer 2 can be made smaller.
<改質器、バーナ、熱放射筒>
次に、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaの構成等について、より詳細に説明する。なお本実施形態の例では、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaは、改質ガス発生装置RGとして一体的に構成されている。
<Reformer, burner, heat radiator>
Next, the configurations of the reformer 2, the burner 3, the heat radiating tube Za, etc. will be explained in more detail. In the example of this embodiment, the reformer 2, the burner 3, and the heat radiator Za are integrally configured as a reformed gas generator RG.
図9は、改質ガス発生装置RGの側面図を示し、図10は、改質ガス発生装置RGの側方視による断面図を示す。また図11は、改質ガス発生装置RGにおけるバーナ3近傍の詳細構成を示す。なお図11においては、点火/火炎検知回路40の回路の構成例が模式的に示されている。 FIG. 9 shows a side view of the reformed gas generator RG, and FIG. 10 shows a cross-sectional view of the reformed gas generator RG when viewed from the side. Further, FIG. 11 shows a detailed configuration of the vicinity of the burner 3 in the reformed gas generator RG. Note that FIG. 11 schematically shows an example of the configuration of the ignition/flame detection circuit 40.
改質ガス発生装置RGにおいて、改質器2は、外筒21、内筒22、触媒充填層23、基端側蓋板24、および末端側蓋板25を有する。 In the reformed gas generator RG, the reformer 2 has an outer cylinder 21, an inner cylinder 22, a catalyst packed layer 23, a proximal end cover plate 24, and a distal end cover plate 25.
外筒21と内筒22は、上下に延びる軸を共通とした円筒状に形成されており、上下方向の長さは概ね同じであるが、外筒21の直径は内筒22の直径よりも大きい。外筒21と内筒22は、内筒22が外筒21の内側に配置された二重筒構造の反応容器2aを形成している。外筒21と内筒22の間、すなわち反応容器2aの内部には、水蒸気改質用の触媒を充填した触媒充填層23が設けられている。 The outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 are formed into a cylindrical shape with a common axis extending vertically, and the lengths in the vertical direction are approximately the same, but the diameter of the outer cylinder 21 is larger than the diameter of the inner cylinder 22. big. The outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 form a reaction vessel 2a having a double cylinder structure, in which the inner cylinder 22 is placed inside the outer cylinder 21. A catalyst packed bed 23 filled with a catalyst for steam reforming is provided between the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22, that is, inside the reaction vessel 2a.
基端側蓋板24は、外筒21と内筒22の基端部(上端部)どうしを繋いで反応容器2aの上側を封鎖し、末端側蓋板25は、外筒21と内筒22の末端部(下端部)どうしを繋いで反応容器2aの下側を封鎖している。 The proximal cover plate 24 connects the proximal ends (upper ends) of the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 to close off the upper side of the reaction vessel 2a, and the distal side cover plate 25 connects the proximal ends (upper ends) of the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22. The ends (lower ends) of the reaction vessel 2a are connected to each other to close the lower side of the reaction vessel 2a.
なお、基端側蓋板24および末端側蓋板25は円環状鏡板であり、当該円環状鏡板は、円環の断面形状が皿形、正半楕円形または近似半楕円形となっている。反応容器2aの蓋板に円環状鏡板を使用することにより、温度変化による径方向の膨張や収縮が吸収される。そのため、熱応力による反応容器2aの損傷や破損をより効果的に回避することができる。なお、上記の鏡板の断面形状は、JIS B 8247「圧力容器用鏡板」に規定されたもののうち、平鏡板を除くものである。 The proximal end cover plate 24 and the distal end cover plate 25 are annular end plates, and the annular cross-sectional shape of the annular end plate is a dish shape, a regular semi-ellipse, or an approximate semi-ellipse. By using an annular end plate for the lid plate of the reaction vessel 2a, radial expansion and contraction due to temperature changes can be absorbed. Therefore, damage or breakage of the reaction vessel 2a due to thermal stress can be more effectively avoided. Note that the cross-sectional shape of the above-mentioned end plate is one specified in JIS B 8247 "End plate for pressure vessels", excluding the flat end plate.
また、外筒21における取入口21aよりも少し上側の部分には、ベローズ構造の伸縮吸収部21cが形成されている。伸縮吸収部21cを設けたことにより、外筒21の時間的な温度変化や位置的な温度分布による伸縮が吸収される。そのため、触媒を収容している反応容器2aの熱応力による損傷や破損を回避しつつ、反応容器2aを長期間使用することができる。なお、伸縮吸収部21cとしては、市販のベローズ形伸縮管継手を使用するのが好適であり、この管継手とストレート管を接合して外筒21を安価に製作することができる。 Further, in a portion of the outer cylinder 21 slightly above the intake port 21a, an elastic absorbing portion 21c having a bellows structure is formed. By providing the expansion/contraction absorbing portion 21c, expansion/contraction due to temporal temperature changes or positional temperature distribution of the outer tube 21 is absorbed. Therefore, the reaction vessel 2a containing the catalyst can be used for a long period of time while avoiding damage or breakage due to thermal stress. Note that it is preferable to use a commercially available bellows type expansion pipe joint as the expansion/contraction absorbing portion 21c, and the outer cylinder 21 can be manufactured at low cost by joining this pipe joint and a straight pipe.
また改質ガス発生装置RGにおいて、バーナ3は、第1ガス筒31、第2ガス筒32、保炎器33、および熱放射筒Zaを有する。 In the reformed gas generator RG, the burner 3 includes a first gas cylinder 31, a second gas cylinder 32, a flame stabilizer 33, and a heat radiator Za.
第1ガス筒31と第2ガス筒32は、上下に延びる軸を共通とした円筒状に形成されており、第2ガス筒32の直径は第1ガス筒31の直径よりも大きい。第1ガス筒31の上側寄りの部分は、第2ガス筒32の上端よりも上方へ突出しており、第1ガス筒31の下側寄りの部分は、第2ガス筒32の内側に配置されている。第1ガス筒31の上端は封鎖されており、第1ガス筒31と第2ガス筒32との隙間は、第2ガス筒32の上端において封鎖されている。 The first gas cylinder 31 and the second gas cylinder 32 are formed into a cylindrical shape having a common axis extending vertically, and the diameter of the second gas cylinder 32 is larger than the diameter of the first gas cylinder 31. The upper part of the first gas cylinder 31 protrudes upward from the upper end of the second gas cylinder 32, and the lower part of the first gas cylinder 31 is arranged inside the second gas cylinder 32. ing. The upper end of the first gas cylinder 31 is closed, and the gap between the first gas cylinder 31 and the second gas cylinder 32 is closed at the upper end of the second gas cylinder 32.
第2ガス筒32と熱放射筒Zaは1本の管体により形成されており、第2ガス筒32の下端は熱放射筒Zaの上端に連接している。このように第2ガス筒32と熱放射筒Zaを1本の管体で形成することにより、両部材の芯合わせや接合等の作業が不要となり、バーナ3を低コストで製作できる。また図10に示すように、第1ガス筒31の上部には先述した第1バーナ用ガスGxが流入し、第2ガス筒32の上部には先述した第2バーナ用ガスGyが流入する。 The second gas cylinder 32 and the heat radiation cylinder Za are formed of one tube, and the lower end of the second gas cylinder 32 is connected to the upper end of the heat radiation cylinder Za. By forming the second gas cylinder 32 and the heat radiating cylinder Za in one tube in this way, operations such as alignment and joining of both members are unnecessary, and the burner 3 can be manufactured at low cost. Further, as shown in FIG. 10, the first burner gas Gx described above flows into the upper part of the first gas cylinder 31, and the aforementioned second burner gas Gy flows into the upper part of the second gas cylinder 32.
保炎器33は、第1ガス筒31の下端に接続されるとともに、先端部が下方(燃焼させるガスの流れの下流側)に向かって拡開する円錐台状に形成されている。また保炎器33は、拡開方向に間隔をおいた多列の貫通孔33aを有している。また、保炎器33の外径と第2ガス筒32の内径は略同径に形成されており、これによりバーナ3は、第1バーナ用ガスGxと第2バーナ用ガスGyを燃焼させ、第2ガス筒32の内径の径方向断面の全体に亘って、安定した火炎を形成することが可能である。 The flame stabilizer 33 is connected to the lower end of the first gas cylinder 31, and is formed into a truncated cone shape with a distal end expanding downward (downstream of the flow of gas to be combusted). Further, the flame stabilizer 33 has multiple rows of through holes 33a spaced apart in the expansion direction. Further, the outer diameter of the flame stabilizer 33 and the inner diameter of the second gas cylinder 32 are formed to have approximately the same diameter, so that the burner 3 burns the first burner gas Gx and the second burner gas Gy, It is possible to form a stable flame over the entire radial cross section of the inner diameter of the second gas cylinder 32.
また図11に示すように、バーナ3には、第1電極ロッド41および第2電極ロッド42からなる電極対40xが備えられており、電極対40xの先端部が保炎器33の内部に配置されている。第1電極ロッド41は、第1ガス筒31と電気的に絶縁されており、第2電極ロッド42は、第1ガス筒31と電気的に導通している。 Further, as shown in FIG. 11, the burner 3 is equipped with an electrode pair 40x consisting of a first electrode rod 41 and a second electrode rod 42, and the tip of the electrode pair 40x is disposed inside the flame stabilizer 33. has been done. The first electrode rod 41 is electrically insulated from the first gas cylinder 31, and the second electrode rod 42 is electrically connected to the first gas cylinder 31.
電極対40xは、ガス点火の動作制御と火炎検知を行う点火/火炎検知回路40に接続されており、ガス点火と火炎検知の両方に利用することが可能である。点火/火炎検知回路40は、ガス点火部40a、電流検知部40b、第1スイッチ40c1、および第2スイッチ40c2を有している。点火/火炎検知回路40は、ガス点火時には、第1スイッチ40c1を閉じて第2スイッチ40c2を開くことで電極対40xをガス点火部40aに接続させ、ガス点火部40aからの高電流を電極間に流して火花を発生させて、ガス点火を実現させる。 The electrode pair 40x is connected to an ignition/flame detection circuit 40 that performs operation control of gas ignition and flame detection, and can be used for both gas ignition and flame detection. The ignition/flame detection circuit 40 includes a gas ignition section 40a, a current detection section 40b, a first switch 40c1, and a second switch 40c2. At the time of gas ignition, the ignition/flame detection circuit 40 connects the electrode pair 40x to the gas ignition section 40a by closing the first switch 40c1 and opening the second switch 40c2, and transmits a high current from the gas ignition section 40a between the electrodes. ignite the gas by flowing it through the gas to generate a spark.
一方で点火/火炎検知回路40は、火炎検知時には、第1スイッチ40c1を開いて第2スイッチ40c2を閉じることで電極対40xを電流検知部40bに接続させ、電極間に電圧を印加して生じる電流を電流検知部40bに検知させて、火炎の有無を判断する。これにより、電極間に電圧を印加したときの火炎の導電現象を利用して、火炎の有無を検知することが可能である。 On the other hand, when detecting a flame, the ignition/flame detection circuit 40 connects the electrode pair 40x to the current detection section 40b by opening the first switch 40c1 and closing the second switch 40c2, and applies a voltage between the electrodes. The current detection unit 40b detects the current to determine the presence or absence of flame. Thereby, it is possible to detect the presence or absence of a flame by utilizing the flame conduction phenomenon when a voltage is applied between the electrodes.
このようにバーナ3は、ガス点火時においては、第1電極ロッド41をスパークロッドとして機能させるとともに、第2電極ロッド42をアースロッドとして機能させる。一方でバーナ3は、火炎検知時においては、第1電極ロッド41をフレームロッドとして機能させるとともに、第2電極ロッド42をアースロッドとして機能させる。そのためバーナ3によれば、第1電極ロッド41および第2電極ロッド42からなる電極対40xを用いて、ガス点火機構と火炎検知機構を切替可能に構成することにより、確実かつ安全な燃焼動作を行うことができる。 In this way, the burner 3 causes the first electrode rod 41 to function as a spark rod and the second electrode rod 42 to function as a ground rod when igniting gas. On the other hand, when detecting a flame, the burner 3 causes the first electrode rod 41 to function as a flame rod and causes the second electrode rod 42 to function as a ground rod. Therefore, according to the burner 3, by using the electrode pair 40x consisting of the first electrode rod 41 and the second electrode rod 42 and configuring the gas ignition mechanism and the flame detection mechanism to be switchable, a reliable and safe combustion operation can be achieved. It can be carried out.
熱放射筒Zaは、内筒22と軸を共通とした円筒状に形成されており、熱放射筒Zaの外径は内筒22の内径よりも小さい。また、熱放射筒Zaの上端は、内筒22の内側において第2ガス筒32の下端に連接しており、熱放射筒Zaの下端は、内筒22の下端よりも下方へ突出している。なお熱放射筒Zaは、バーナ3の一要素と見ることもできる。 The heat radiating tube Za is formed in a cylindrical shape having a common axis with the inner tube 22, and the outer diameter of the heat radiating tube Za is smaller than the inner diameter of the inner tube 22. Further, the upper end of the heat radiating cylinder Za is connected to the lower end of the second gas cylinder 32 inside the inner cylinder 22, and the lower end of the heat radiating cylinder Za projects further downward than the lower end of the inner cylinder 22. Note that the heat radiator Za can also be viewed as one element of the burner 3.
熱放射筒Zaは、バーナ3における燃焼室および燃焼ガスの流通路として機能し、表面が燃焼熱の放射部としての役割を果たす。バーナ3の燃焼炎は熱放射筒Zaの内側に位置するため、この燃焼炎による熱エネルギーを熱放射筒Zaの外面から効率良く放射させることが可能である。本実施形態では熱放射筒Zaを燃焼室筒として機能させるため、触媒を収容している反応容器2aに内側から燃焼熱を与え続けても、熱放射筒Zaの熱応力による損傷や破損を回避することができる。 The heat radiator Za functions as a combustion chamber and a flow path for combustion gas in the burner 3, and its surface serves as a radiator for combustion heat. Since the combustion flame of the burner 3 is located inside the heat radiating tube Za, it is possible to efficiently radiate the thermal energy from this combustion flame from the outer surface of the heat radiating tube Za. In this embodiment, the heat radiator tube Za functions as a combustion chamber tube, so even if combustion heat is continuously applied from the inside to the reaction vessel 2a containing the catalyst, damage or breakage of the heat radiator tube Za due to thermal stress is avoided. can do.
熱放射筒Zaは、周方向全体において内筒22と表面どうしが離れるように、内筒22に挿通されている。このように、熱放射筒Zaの外面と内筒22の内面の間に隙間が設けられている。そのため、水蒸気改質反応のために内筒22側から触媒充填層23へ熱エネルギーを与える際の熱伝達は、熱放射筒Zaからの放射伝熱によって行われ、熱伝導を伴わない。これにより、触媒を収容している反応容器2aの熱応力による損傷や破損を回避しつつ、反応容器2aを長期間使用することが可能である。 The heat radiating cylinder Za is inserted into the inner cylinder 22 so that the inner cylinder 22 and the surface thereof are separated from each other in the entire circumferential direction. In this way, a gap is provided between the outer surface of the heat radiating tube Za and the inner surface of the inner tube 22. Therefore, heat transfer when providing thermal energy from the inner cylinder 22 side to the catalyst packed bed 23 for the steam reforming reaction is performed by radiant heat transfer from the heat radiating cylinder Za, and is not accompanied by heat conduction. Thereby, it is possible to use the reaction vessel 2a for a long period of time while avoiding damage or breakage of the reaction vessel 2a containing the catalyst due to thermal stress.
また改質器2において、外筒21の下端部近傍には混合ガスGb(原燃料ガスGaと水蒸気の混合ガス)の取入口21aが設けられ、外筒21の上端部近傍には改質ガスGcの取出口21bが設けられている。取入口21aから外筒21と内筒22の間に取り入れられた混合ガスGbは、触媒充填層23を通る際に改質され、改質ガスGcとして取出口21bから取り出される。このように本実施形態では、取入口21aは熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けられ、取出口21bは熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設けられている。 In the reformer 2, an intake port 21a for mixed gas Gb (mixed gas of raw fuel gas Ga and water vapor) is provided near the lower end of the outer cylinder 21, and a reformed gas inlet 21a is provided near the upper end of the outer cylinder 21. A Gc outlet 21b is provided. The mixed gas Gb taken in between the outer tube 21 and the inner tube 22 from the intake port 21a is reformed when passing through the catalyst packed bed 23, and taken out from the outlet 21b as reformed gas Gc. Thus, in this embodiment, the intake port 21a is provided on the side corresponding to the distal end side of the heat radiating tube Za, and the outlet port 21b is provided on the side corresponding to the base end side of the heat radiating tube Za.
ここで、燃焼ガスGgの熱エネルギーは、水蒸気改質反応に伴う吸熱に利用されるので、燃焼ガスGgの温度は、熱放射筒Zaの基端側から先端側に向かって低下していくことになる。この点を考慮し、本実施形態では取入口21aと取出口21bの配置を上記のとおりとしたため、取入口21aから流入した混合ガスGbは、温度低下した燃焼ガスGgによって予熱された後、より高温の燃焼ガスGgの熱エネルギーを使って改質される。 Here, since the thermal energy of the combustion gas Gg is used for heat absorption accompanying the steam reforming reaction, the temperature of the combustion gas Gg decreases from the base end side to the distal end side of the heat radiating tube Za. become. Considering this point, in this embodiment, the arrangement of the intake port 21a and the extraction port 21b is set as described above, so that the mixed gas Gb that flows in from the intake port 21a is preheated by the combustion gas Gg whose temperature has decreased, and then It is reformed using the thermal energy of high-temperature combustion gas Gg.
そして生成した改質ガスGc(水素および一酸化炭素含有ガス)は、取出口21bから連続的に排出され、各セルスタック1のアノード燃料ガスとして使用される。このように本実施形態では、混合ガスGbおよび改質ガスGcの流れと、燃焼ガスの流れを対向流としているので、効率の良い水蒸気改質反応を行わせることができる。 The generated reformed gas Gc (gas containing hydrogen and carbon monoxide) is continuously discharged from the outlet 21b and used as an anode fuel gas for each cell stack 1. In this manner, in this embodiment, since the flows of the mixed gas Gb and the reformed gas Gc and the flow of the combustion gas are opposed to each other, an efficient steam reforming reaction can be performed.
但し、取入口21aと取出口21bの配置を本実施形態とは逆にし、取入口21aを熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設け、取出口21bを熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けるようにしても良い。この場合は、取入口21aから流入した混合ガスGbは、高温の燃焼ガスGgによって瞬時に予熱された後、やや温度低下した燃焼ガスGgの熱エネルギーを使って改質される。このように、混合ガスGbおよび改質ガスGcの流れと、燃焼ガスGgの流れを並行流とすることで、混合ガスGbの予熱効果が高く、混合ガスGbを調製する蒸発器4の加熱能力(熱交換能力)を抑えた設計が可能となり、蒸発器4のコストダウンが期待できる。 However, the arrangement of the intake port 21a and the outlet port 21b is reversed from this embodiment, and the intake port 21a is provided on the side corresponding to the base end side of the heat radiating tube Za, and the outlet port 21b is provided on the side corresponding to the base end side of the heat radiating tube Za. It may also be provided on the side corresponding to. In this case, the mixed gas Gb flowing in from the intake port 21a is instantaneously preheated by the high-temperature combustion gas Gg, and then reformed using the thermal energy of the combustion gas Gg whose temperature has decreased slightly. In this way, by making the flow of the mixed gas Gb and reformed gas Gc and the flow of the combustion gas Gg parallel, the preheating effect of the mixed gas Gb is high, and the heating capacity of the evaporator 4 for preparing the mixed gas Gb is increased. It is possible to design the evaporator 4 with reduced heat exchange capacity, and it is expected that the cost of the evaporator 4 will be reduced.
<燃焼ガス管>
次に、燃焼ガス管Zbの構成等について、より詳細に説明する。図12は、燃焼ガス管Zbの配置形態がより理解容易となるように、各ボックスX1,X2、板状断熱材53、および各マニホールドMa~Md等を不図示としたホットモジュールHMの側面図である。
<Combustion gas pipe>
Next, the configuration etc. of the combustion gas pipe Zb will be explained in more detail. FIG. 12 is a side view of the hot module HM with the boxes X1 and X2, the plate-shaped heat insulating material 53, the manifolds Ma to Md, etc. not shown, so that the arrangement of the combustion gas pipes Zb can be more easily understood. It is.
本図に示すように燃焼ガス管Zbは、上下に延びるストレート管が左右に(つまり平行に)並ぶように上側でUターンした折り返し管路からなり、改質器2の後側に配置されている。上側で繋がる左右の当該ストレート管は、改質器2の下端近傍から上端近傍まで延びており、改質器2の外筒21の近傍に正対配置されている。なお図12に破線矢印で示すように、燃焼ガスGgは右側の当該ストレート管を上昇して、左側の当該ストレート管を下降するように流れる。 As shown in this figure, the combustion gas pipe Zb consists of a folded pipe line in which vertically extending straight pipes are U-turned at the top so that they are lined up left and right (in other words, in parallel), and is arranged on the rear side of the reformer 2. There is. The left and right straight pipes connected at the upper side extend from near the lower end of the reformer 2 to near the upper end, and are disposed directly opposite to the outer cylinder 21 of the reformer 2. As shown by the broken line arrow in FIG. 12, the combustion gas Gg flows upward through the straight pipe on the right side and downward through the straight pipe on the left side.
これにより、バーナ3の作動時に発生する燃焼ガスGgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを順に流通し、改質器2の内側と外側から同時に燃焼熱を与えることができる。そのため、触媒層での吸熱量が増加して燃焼ガスGgの温度が大幅に低下する結果、予熱用の熱交換器に温度低下した燃焼ガスGgを供給することが可能となり、熱交換器を安価な材料(例えばSUS321、SUS316L、SUS310S等)で製作することができる。 Thereby, the combustion gas Gg generated during operation of the burner 3 flows through the heat radiating tube Za and the combustion gas pipe Zb in order, and can provide combustion heat from the inside and outside of the reformer 2 at the same time. As a result, the amount of heat absorbed in the catalyst layer increases and the temperature of the combustion gas Gg decreases significantly, making it possible to supply the combustion gas Gg with a reduced temperature to the preheating heat exchanger, making the heat exchanger cheaper. It can be manufactured from suitable materials (for example, SUS321, SUS316L, SUS310S, etc.).
また、触媒層での吸熱量が大幅に増加することから、水蒸気改質反応の効率がアップし、その分、触媒使用量を低減することができ、改質器2の小型化が可能となっている。なお本実施形態では、改質器2での水蒸気改質反応に必要なエネルギーは、その大部分が燃焼熱によって賄われる。そのため改質器2では、セルスタック1の動作温度に依存することなく、安定した改質ガスGcの生成を行うことができる。 In addition, since the amount of heat absorbed in the catalyst layer increases significantly, the efficiency of the steam reforming reaction increases, and the amount of catalyst used can be reduced accordingly, making it possible to downsize the reformer 2. ing. In this embodiment, most of the energy required for the steam reforming reaction in the reformer 2 is provided by combustion heat. Therefore, the reformer 2 can stably generate the reformed gas Gc without depending on the operating temperature of the cell stack 1.
また図12に示すとおり、左側の燃焼ガス管Zbは左側のセルスタック集合体61の右側近傍に正対配置されており、右側の燃焼ガス管Zbは右側のセルスタック集合体61の左側近傍に正対配置されている。これにより、燃料電池システム100はスタートアップ運転時間の短縮が可能となっている。 Further, as shown in FIG. 12, the left combustion gas pipe Zb is placed directly opposite the right side of the left cell stack assembly 61, and the right side combustion gas pipe Zb is placed near the left side of the right cell stack assembly 61. They are placed facing each other. Thereby, the fuel cell system 100 can shorten the start-up operation time.
つまり、水蒸気改質を利用する改質形燃料電池システムでは、当該燃料電池システムのスタートアップ運転において、改質器およびセルスタックの昇温に水蒸気(過熱蒸気)を用いることがある。この場合、バーナの燃焼により発生させた燃焼ガスを蒸発器の熱源とし、蒸発器の内部で水を加熱することにより、水蒸気の生成が行われる。しかし水蒸気のみを使った昇温では、一般的に8時間以上もの非常に長いスタートアップ運転時間を有する。この点、本実施形態では、燃焼ガス管Zbを改質器2およびセルスタック集合体61の近傍に配置しているので、バーナ燃焼時の熱放射により、冷態の改質器2およびセルスタック集合体61が間接的に加熱される。そのため、スタートアップ運転時間を例えば4時間前後まで短縮することができる。 That is, in a reforming fuel cell system that uses steam reforming, steam (superheated steam) may be used to raise the temperature of the reformer and the cell stack during startup operation of the fuel cell system. In this case, water vapor is generated by heating water inside the evaporator using combustion gas generated by combustion in the burner as a heat source for the evaporator. However, heating using only water vapor has a very long start-up run time, typically 8 hours or more. In this regard, in this embodiment, since the combustion gas pipe Zb is arranged near the reformer 2 and the cell stack assembly 61, heat radiation during burner combustion causes the cold reformer 2 and the cell stack The assembly 61 is heated indirectly. Therefore, the start-up operation time can be shortened to, for example, about 4 hours.
なお、本実施形態では改質器2がセルスタック集合体61の近傍に配置されており、セルスタック1の発電反応に伴う廃熱も、改質器2での水蒸気改質反応に補助的に利用される。そのため、発電セルの劣化等により損失エネルギーが増加した場合でも、セルスタック1の冷却が行えることになり、セルスタック1を適切な動作温度に維持することができる。 In this embodiment, the reformer 2 is arranged near the cell stack assembly 61, and the waste heat accompanying the power generation reaction of the cell stack 1 is also used as an auxiliary to the steam reforming reaction in the reformer 2. used. Therefore, even if energy loss increases due to deterioration of the power generation cells, the cell stack 1 can be cooled, and the cell stack 1 can be maintained at an appropriate operating temperature.
また本実施形態では、燃焼ガス管Zbを折り返し管路としたことにより、改質器2の外側から繰り返し燃焼熱を与えることができ、触媒層での吸熱量が更に増加する。そのため、触媒使用量の低減と改質器2の小型化により、ホットモジュールHMの材料コストを効果的に削減できる。なお当該折り返し管路は、管路のストレート部が改質器2の軸方向に沿って敷設されても良いし、改質器2の軸方向と直交して敷設されても良い。また、本実施形態では当該折り返し管路のターン数を1としているが、当該折り返し管路のターン数を複数としても良い。 Furthermore, in this embodiment, by forming the combustion gas pipe Zb as a folded pipe, combustion heat can be repeatedly applied from the outside of the reformer 2, and the amount of heat absorbed in the catalyst layer further increases. Therefore, by reducing the amount of catalyst used and downsizing the reformer 2, the material cost of the hot module HM can be effectively reduced. Note that the straight portion of the folded pipe may be laid along the axial direction of the reformer 2, or may be laid perpendicular to the axial direction of the reformer 2. Further, in this embodiment, the number of turns of the folded conduit is one, but the number of turns of the folded conduit may be plural.
<セルスタック>
次に、セルスタック1の構成等について、より詳細に説明する。図13および図14はセルスタック1の斜視図であり、図14はセルスタック1の平面図である。
<Cell stack>
Next, the configuration etc. of the cell stack 1 will be explained in more detail. 13 and 14 are perspective views of the cell stack 1, and FIG. 14 is a plan view of the cell stack 1.
図13~図15に示すようにセルスタック1は、所定数の平板型発電セルが左右に積層された積層部75、積層部75の左端に設けた第1端板76a、および、積層部75の右端に設けた第2端板76bを備える。第1端板76aと第2端板76bは、積層部75を挟んで左右に対向する一対の端板として設けられており、左方視で略矩形状である。 As shown in FIGS. 13 to 15, the cell stack 1 includes a stacked section 75 in which a predetermined number of flat power generation cells are stacked on the left and right sides, a first end plate 76a provided at the left end of the stacked section 75, and a stacked section 75. A second end plate 76b is provided at the right end of the. The first end plate 76a and the second end plate 76b are provided as a pair of end plates facing left and right with the laminated portion 75 in between, and have a substantially rectangular shape when viewed from the left.
第1端板76aにおける四隅それぞれの近傍には、フランジ付ガスポート72が配置されている。具体的には図14に示すように、アノード燃料流入ポート72a、カソード空気流入ポート72b、アノードオフガス流出ポート72c、およびカソードオフガス流出ポート72dからなる計4個のフランジ付ガスポート72が設けられている。各フランジ付ガスポート72は、左側(外側)の縁の全周から径方向へ張り出すフランジ部72xを有する。 A flanged gas port 72 is arranged near each of the four corners of the first end plate 76a. Specifically, as shown in FIG. 14, a total of four flanged gas ports 72 are provided, consisting of an anode fuel inflow port 72a, a cathode air inflow port 72b, an anode off-gas outflow port 72c, and a cathode off-gas outflow port 72d. There is. Each flanged gas port 72 has a flange portion 72x that extends in the radial direction from the entire circumference of the left (outside) edge.
またセルスタック1には、各フランジ付ガスポート72のフランジ部72xの縁部に固定される支持板71が設けられる。支持板71は、各フランジ付ガスポート72のフランジ72xそれぞれの位置とサイズに合わせた貫通孔が形成されており、当該貫通孔それぞれの内周面に各フランジ部72xの外周面が密着する。 Further, the cell stack 1 is provided with a support plate 71 fixed to the edge of the flange portion 72x of each flanged gas port 72. The support plate 71 is formed with a through hole corresponding to the position and size of each flange 72x of each flanged gas port 72, and the outer peripheral surface of each flange portion 72x is in close contact with the inner peripheral surface of each of the through holes.
積層部75の前側には、積層部75の発電セルによって発電された電力を出力する端子として、上下を幅方向とした板状の第1電力端子74aおよび第2電力端子74bが配置されている。なお、第1電力端子74aと第2電力端子74bは、互いに極性が異なる電力端子である。第1電力端子74aは、積層部75の前側から前方へ突出して、端部74a1が左側に折り曲げられている。第2電力端子74bは、積層部75の前側における第1電力端子74aよりも左下寄りの位置から前方へ突出して、端部74b1が右側に折り曲げられている。 On the front side of the stacked section 75, a first power terminal 74a and a second power terminal 74b, which are plate-shaped with the top and bottom in the width direction, are arranged as terminals for outputting the power generated by the power generation cells of the stacked section 75. . Note that the first power terminal 74a and the second power terminal 74b are power terminals having mutually different polarities. The first power terminal 74a protrudes forward from the front side of the laminated portion 75, and has an end portion 74a1 bent to the left. The second power terminal 74b protrudes forward from a position closer to the lower left than the first power terminal 74a on the front side of the laminated portion 75, and has an end portion 74b1 bent to the right.
このように、第1電力端子74aおよび第2電力端子74bは、積層部75における平板型発電セルの積層面(左右方向と直交する平面)に略平行かつ同一方向(本実施形態の例では前方)に突出している。各電力端子の端部74a1,74b1は、何れも前方を向いた平面を構成しており、前後方向および左右方向の位置が同じである。 In this way, the first power terminal 74a and the second power terminal 74b are arranged substantially parallel to and in the same direction (in the example of this embodiment, in the front ) stands out. The ends 74a1 and 74b1 of each power terminal form a plane facing forward, and are located at the same position in the front-rear direction and the left-right direction.
<セルスタック集合体>
次に、セルスタック集合体61の構成等について、より詳細に説明する。図16および図17は、それぞれ異なる視点から見た左側のスタック集合体61の斜視図である。なお本実施形態の例では、右側のセルスタック集合体61におけるセルスタック1は、左側のセルスタック集合体61におけるセルスタック1とは上下逆向きに配置される。これにより改質器2を挟んで左右に設けられる各セルスタック集合体61は、各電力端子74a,74bが前方に位置しながら、フランジ付ガスポート72が左右方向内側に位置するように構成される。
<Cell stack assembly>
Next, the configuration of the cell stack assembly 61 will be explained in more detail. 16 and 17 are perspective views of the left stack assembly 61 seen from different viewpoints, respectively. In the example of this embodiment, the cell stacks 1 in the cell stack assembly 61 on the right side are arranged upside down from the cell stacks 1 in the cell stack assembly 61 on the left side. As a result, each cell stack assembly 61 provided on the left and right sides with the reformer 2 in between is configured such that each power terminal 74a, 74b is located at the front, and the flanged gas port 72 is located at the inside in the left-right direction. Ru.
スタック集合体61は、オープンラック62を用いて複数のセルスタック1を上下方向に積み上げた構成となっている。これにより、セルスタック集合体61の設置面積、ひいてはホットモジュールHMの設置面積を極力小さくすることが可能である。そのため本実施形態によれば、既設設備の空きスペース等、狭い場所に設置しやすい燃料電池システム100を構築することができる。また、複数基のセルスタック集合体61をホットモジュールHMに搭載することにより、燃料電池システム100の発電出力の大容量化も容易である。 The stack assembly 61 has a structure in which a plurality of cell stacks 1 are stacked vertically using open racks 62. Thereby, it is possible to minimize the installation area of the cell stack assembly 61 and, by extension, the installation area of the hot module HM. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to construct the fuel cell system 100 that can be easily installed in a narrow place, such as an empty space in an existing facility. Further, by mounting a plurality of cell stack assemblies 61 on the hot module HM, it is easy to increase the power generation output capacity of the fuel cell system 100.
オープンラック62は、上下に延びる柱部64が上方視四隅それぞれに設けられ、この4本の柱部64に固定支持されるようにして、複数のステージ盤63が上下方向へ略等間隔に配置されている。ステージ盤63に挟まれるスペースのサイズは、セルスタック1のサイズに合うように設定されている。 The open rack 62 has pillars 64 extending vertically provided at each of the four corners when viewed from above, and a plurality of stage boards 63 are arranged at approximately equal intervals in the vertical direction so as to be fixedly supported by the four pillars 64. has been done. The size of the space sandwiched between the stage boards 63 is set to match the size of the cell stack 1.
個々のセルスタック1は、ステージ盤63の上に載置されるとともに、例えばネジ止めによって支持板71が右側の柱部64に固定されて、オープンラック62に収容される。そのためセルスタック集合体61の組み立ては、セルスタック1をステージ盤63に載置し、支持板71を柱部64に固定する作業を繰り返すだけでよい。これにより、セルスタック集合体61を容易に組み立てることができる。また、個々のセルスタック1は、ステージ盤63により安定的に自重が支えられ、上下方向の適正位置に保持されるとともに運転中の脱落が防止される。 The individual cell stacks 1 are placed on the stage board 63 and housed in the open rack 62 with the support plate 71 fixed to the right column 64 by, for example, screws. Therefore, to assemble the cell stack assembly 61, it is only necessary to repeat the operations of placing the cell stack 1 on the stage board 63 and fixing the support plate 71 to the column part 64. Thereby, the cell stack assembly 61 can be easily assembled. Furthermore, the individual cell stacks 1 have their own weight stably supported by the stage board 63, are held at appropriate positions in the vertical direction, and are prevented from falling off during operation.
また、上述したオープンラック62は、規定数量(本実施形態の例では4個)のセルスタック1を搭載可能に設計されているが、当該オープンラックの代わりに、1個のセルスタック1に対応する単位ラックの複数個を組み立てたオープンラックを採用しても良い。図18は、このようなオープンラックを形成し得る単位ラック62aにセルスタック1を搭載した状態を例示している。 Furthermore, the open rack 62 described above is designed to be able to mount a specified number of cell stacks 1 (four in the example of this embodiment), but instead of the open rack, one cell stack 1 can be mounted. An open rack constructed by assembling a plurality of unit racks may also be used. FIG. 18 illustrates a state in which the cell stack 1 is mounted on a unit rack 62a that can form such an open rack.
単位ラック61aは、オープンラック62におけるステージ盤63の1段分と同等の構成であるステージ盤63aと、オープンラック62における4本の柱部64の1段分と同等の構成である4本の柱部64aと、を備え、単位ラック61aどうしを上下方向に段積みして固定することが可能となっている。これにより、オープンラック62の場合と同様にして、所要数量のセルスタック1それぞれを各単位ラック61aに収容しておき、収容済みの単位ラック61a(スタック保持体)それぞれを段積みして固定することにより、先述したスタック集合体61と同等のものを得ることができる。 The unit rack 61a includes a stage board 63a, which has a configuration equivalent to one stage of the stage board 63 in the open rack 62, and four pillars, which have a configuration equivalent to one stage of the four pillars 64 in the open rack 62. The unit racks 61a can be vertically stacked and fixed together. As a result, in the same manner as in the case of the open rack 62, the required number of cell stacks 1 are accommodated in each unit rack 61a, and each of the already accommodated unit racks 61a (stack holder) is stacked and fixed. By doing so, it is possible to obtain something equivalent to the stack assembly 61 described above.
この場合のオープンラックは、セルスタック1ごとに分割された単位ラック61aによって形成されることになる。このように単位ラック61aを利用する場合は、例えばホットモジュールHMの発電出力に応じて、セルスタック1の搭載数を容易に調節することができる。また、オープンラックにセルスタック1を搭載しない空き部分が生じないので、ラックの材料コストを削減することもできる。 The open rack in this case is formed by unit racks 61a divided into each cell stack 1. When the unit rack 61a is used in this manner, the number of cell stacks 1 mounted can be easily adjusted depending on, for example, the power generation output of the hot module HM. Further, since there is no vacant space in the open rack where the cell stack 1 is not mounted, the material cost of the rack can be reduced.
<マニホールドの枝管>
全てのセルスタック1における各フランジ付ガスポート72は、対応するマニホールドから延びる枝管に接続されている。具体的には、アノード燃料流入ポート72aは第1分配マニホールドMaから延びる枝管に接続され、カソード空気流入ポート72bは第2分配マニホールドMbから延びる枝管に接続され、アノードオフガス流出ポート72cは第1収集マニホールドMcから延びる枝管に接続され、カソードオフガス流出ポート72dは第2収集マニホールドMdから延びる枝管に接続されている。本実施形態では8個のセルスタック1を有しているため、それぞれのマニホールドから各々8本の枝管が延びる構成である。
<Manifold branch pipe>
Each flanged gas port 72 in all cell stacks 1 is connected to a branch pipe extending from the corresponding manifold. Specifically, the anode fuel inflow port 72a is connected to a branch pipe extending from the first distribution manifold Ma, the cathode air inflow port 72b is connected to a branch pipe extending from the second distribution manifold Mb, and the anode off-gas outflow port 72c is connected to the branch pipe extending from the first distribution manifold Ma. The cathode off-gas outlet port 72d is connected to a branch pipe extending from the second collection manifold Md. In this embodiment, since there are eight cell stacks 1, eight branch pipes extend from each manifold.
各マニホールドMa~Mdから延びる枝管は、対応するフランジ付ガスポート72と当該マニホールドを結ぶ最短距離よりも長い管長を有し、かつ湾曲部を含んで構成されている。また、何れの枝管にも先端にフランジが設けられており、当該フランジを、対応するフランジ付ガスポート72のフランジ部72xに連結させることが可能である。 The branch pipes extending from each manifold Ma to Md have a pipe length longer than the shortest distance connecting the corresponding flanged gas port 72 and the manifold, and are configured to include a curved portion. Further, each branch pipe is provided with a flange at its tip, and the flange can be connected to the flange portion 72x of the corresponding flanged gas port 72.
ここで図19に、各マニホールドMa~Md(便宜的に「マニホールドMx」と総称する。)から延びる枝管の構成例を示す。本図に示す何れの枝管BPも、マニホールドMxから延びて先端にフランジFgが設けられている。 Here, FIG. 19 shows an example of the configuration of branch pipes extending from each manifold Ma to Md (generally referred to as "manifold Mx" for convenience). Each of the branch pipes BP shown in this figure extends from the manifold Mx and is provided with a flange Fg at its tip.
図19(A)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV1が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV2が含まれている。これらの湾曲部CV1,CV2は何れも、平面的な(つまり二次元的な)パイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV1の全領域で枝管BPの断面視中心(枝管BPの延びる方向に直交する平面で切断した場合の断面視中心)は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれており、湾曲部CV2の全領域でも枝管BPの断面視中心は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれている。 In the example shown in FIG. 19(A), a state in which two branch pipes BP extend from the manifold Mx to two cell stacks 1 is partially shown, and one branch pipe BP has a curved portion. CV1 is included, and the other branch pipe BP includes a curved portion CV2. Both of these curved portions CV1 and CV2 have a planar (that is, two-dimensional) pipe structure. That is, in the entire region of the curved portion CV1, the cross-sectional center of the branch pipe BP (the cross-sectional center when cut along a plane perpendicular to the extending direction of the branch pipe BP) is the same plane (a plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx). ), and the cross-sectional center of the branch pipe BP is included in the same plane (a plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx) in the entire region of the curved portion CV2.
図19(B)に示す例では、マニホールドMxから1個のセルスタック1に対して1本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、この枝管BPには湾曲部CV3が含まれている。この湾曲部CV3も、平面的なパイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV3の全領域で枝管BPの断面視中心は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれている。また当該枝管BPには途中にベローズ形伸縮管継手Bp1が設けられており、枝管BPの伸縮を吸収させることが可能となっている。 In the example shown in FIG. 19(B), a state in which one branch pipe BP extends from the manifold Mx to one cell stack 1 is partially shown, and this branch pipe BP has a curved portion CV3. It is included. This curved portion CV3 also has a planar pipe structure. That is, in the entire region of the curved portion CV3, the cross-sectional center of the branch pipe BP is included in the same plane (a plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx). Further, a bellows-type expansion pipe joint Bp1 is provided in the middle of the branch pipe BP, so that expansion and contraction of the branch pipe BP can be absorbed.
図19(C)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV4が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV5が含まれている。これらの湾曲部CV4,CV5は何れも、立体的な(つまり三次元的な)パイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV4,CV5の何れにおいても、全領域で枝管BPの断面視中心が同一の平面に含まれるようにはなっていない。 In the example shown in FIG. 19(C), a state in which two branch pipes BP extend from the manifold Mx to two cell stacks 1 is partially shown, and one branch pipe BP has a curved portion. CV4 is included, and the other branch pipe BP includes a curved portion CV5. Both of these curved portions CV4 and CV5 have a three-dimensional (that is, three-dimensional) pipe structure. That is, in either of the curved portions CV4 and CV5, the cross-sectional center of the branch pipe BP is not included in the same plane in the entire area.
図19(D)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV6が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV7が含まれている。これらの湾曲部CV6,CV7は何れも、立体的なパイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV6,CV7の何れにおいても、全領域で枝管BPの断面視中心が同一の平面に含まれるようにはなっていない。 In the example shown in FIG. 19(D), a state in which two branch pipes BP extend from the manifold Mx to two cell stacks 1 is partially shown, and one branch pipe BP has a curved portion. CV6 is included, and the other branch pipe BP includes a curved portion CV7. Both of these curved portions CV6 and CV7 have a three-dimensional pipe structure. That is, in either of the curved portions CV6 and CV7, the cross-sectional center of the branch pipe BP is not included in the same plane in the entire area.
図19(A)或いは(B)に示す例のように、マニホールドMxの枝管BPに平面的なパイプ構造を有する湾曲部を設けるようにすると、主に枝管BPの水平方向(ホットモジュールHMの上下方向と直交する方向)に生じるパイプの伸縮を、効果的に吸収することができる。これにより、フランジ付ガスポート72との接合部に作用するストレスに基因するガスリークの問題が解消される。 As in the example shown in FIGS. 19(A) or 19(B), when the branch pipe BP of the manifold Mx is provided with a curved portion having a planar pipe structure, the horizontal direction of the branch pipe BP (hot module HM It is possible to effectively absorb the expansion and contraction of the pipe that occurs in the direction perpendicular to the vertical direction of the pipe. This eliminates the problem of gas leakage caused by stress acting on the joint with the flanged gas port 72.
一方で図19(C)或いは(D)に示す例のように、マニホールドMxの枝管BPに立体的なパイプ構造を有する湾曲部を設けるようにすると、枝管BPの水平方向に加えて高さ方向(ホットモジュールHMの上下方向)に生じるパイプの伸縮も、効果的に吸収することができる。これにより、フランジ付ガスポート72との接合部に作用するストレスに基因するガスリークの問題が解消される。各マニホールドMa~Mdの枝管にどのパイプ構造の湾曲部を設けるかは、例えばホットモジュールHMの仕様等に応じて決めることができる。 On the other hand, if the branch pipe BP of the manifold Mx is provided with a curved part having a three-dimensional pipe structure, as in the example shown in FIG. Expansion and contraction of the pipe that occurs in the vertical direction (vertical direction of the hot module HM) can also be effectively absorbed. This eliminates the problem of gas leakage caused by stress acting on the joint with the flanged gas port 72. Which pipe structure curved portions are provided in the branch pipes of each manifold Ma to Md can be determined depending on, for example, the specifications of the hot module HM.
<電力端子およびその接続形態>
また左右両方のスタック集合体61において、各セルスタック1における各電力端子74a,74bは何れも前方に突出しており、これらの電力端子の端部74a1,74b1は、前後方向および左右方向の位置が同じとなるように揃えられている。また、同じスタック集合体61におけるセルスタック1どうしでは、第1電力端子74aおよび第2電力端子74bの上下の位置関係が揃えられている。すなわち、右側のスタック集合体61では、何れのセルスタック1においても第1電力端子74aが第2電力端子74bよりも上側にあり、左側のスタック集合体61では、何れのセルスタック1においても第1電力端子74aが第2電力端子74bよりも下側にある。
<Power terminal and its connection form>
Furthermore, in both the left and right stack assemblies 61, the power terminals 74a and 74b in each cell stack 1 protrude forward, and the ends 74a1 and 74b1 of these power terminals have their positions in the front-rear direction and left-right direction. They are arranged so that they are the same. Moreover, in the cell stacks 1 in the same stack assembly 61, the vertical positional relationship of the first power terminal 74a and the second power terminal 74b is aligned. That is, in the stack assembly 61 on the right side, the first power terminal 74a is located above the second power terminal 74b in any cell stack 1, and in the stack assembly 61 on the left side, the first power terminal 74a is located above the second power terminal 74b in any cell stack 1. The first power terminal 74a is located below the second power terminal 74b.
そして近接するセルスタック1どうしの各電力端子74a,74bは、図5や図7等に示すように、メインバスバー78aおよびサブバスバー78bを用いて電気的に接続されるようにし、各セルスタック1の発電電力を纏めて外部へ出力させることが可能となっている。なお各バスバー78a,78bは、例えば、各電力端子の端部74a1,74b1にネジ止め等によって接続固定される。 The power terminals 74a and 74b of adjacent cell stacks 1 are electrically connected using a main bus bar 78a and a sub bus bar 78b, as shown in FIGS. It is possible to collect the generated power and output it to the outside. Note that each bus bar 78a, 78b is connected and fixed to the end portion 74a1, 74b1 of each power terminal, for example, by screwing or the like.
ここで図20は、各電力端子74a,74bの接続形態を模式的に示している。本図に示すように、右側のセルスタック集合体61の各セルスタック1においては、第1電力端子74aが第2電力端子74bより上側に設けられており、左側のセルスタック集合体61の各セルスタック1においては、第1電力端子74aが第2電力端子74bより下側に設けられている。 Here, FIG. 20 schematically shows the connection form of each power terminal 74a, 74b. As shown in the figure, in each cell stack 1 of the cell stack assembly 61 on the right side, the first power terminal 74a is provided above the second power terminal 74b, and in each cell stack assembly 61 on the left side, the first power terminal 74a is provided above the second power terminal 74b. In the cell stack 1, the first power terminal 74a is provided below the second power terminal 74b.
右側のセルスタック集合体61では、最上段のセルスタック1の第2電力端子74bと上から2段目のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続、上から2段目のセルスタック1の第2電力端子74bと上から3段目のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続、および、上から3段目のセルスタック1の第2電力端子74bと最下段のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続のそれぞれが、メインバスバー78aにより実現されている。 In the cell stack assembly 61 on the right side, the second power terminal 74b of the topmost cell stack 1 is connected to the first power terminal 74a of the second cell stack 1 from the top, and the second power terminal 74a of the second cell stack 1 from the top is connected. connection between the second power terminal 74b of the cell stack 1 in the third row from the top and the first power terminal 74a of the cell stack 1 in the third row from the top, and the connection between the second power terminal 74b of the cell stack 1 in the third row from the top and the cell stack 1 in the bottom row Each of the connections with the first power terminal 74a is realized by a main bus bar 78a.
左側のセルスタック集合体61では、最上段のセルスタック1の第1電力端子74aと上から2段目のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続、上から2段目のセルスタック1の第1電力端子74aと上から3段目のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続、および、上から3段目のセルスタック1の第1電力端子74aと最下段のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続のそれぞれが、メインバスバー78aにより実現されている。 In the cell stack assembly 61 on the left side, the first power terminal 74a of the cell stack 1 at the top level and the second power terminal 74b of the cell stack 1 at the second level from the top are connected, and the cell stack 1 at the second level from the top is connected. connection between the first power terminal 74a of the cell stack 1 in the third row from the top and the second power terminal 74b of the cell stack 1 in the third row from the top, and the connection between the first power terminal 74a of the cell stack 1 in the third row from the top and the cell stack 1 in the bottom row The connection with the second power terminal 74b is realized by the main bus bar 78a.
更に、右側のセルスタック集合体61における最下段のセルスタック1の第2電力端子74bと、左側のセルスタック集合体61における最下段のセルスタック1の第1電力端子74aとが、サブバスバー78bにより実現されている。また、右側のセルスタック集合体61における最上段のセルスタック1の第1電力端子74a、および、左側のセルスタック集合体61における最上段のセルスタック1の第2電力端子74bは、それぞれ別の電力線79に接続されている。これらの電力線79は、それぞれ別の電力線保護管79aに保護されており、ホットモジュールHMの外部に延出する。 Furthermore, the second power terminal 74b of the lowest cell stack 1 in the cell stack assembly 61 on the right side and the first power terminal 74a of the lowest cell stack 1 in the cell stack assembly 61 on the left side are connected by the sub-bus bar 78b. It has been realized. Further, the first power terminal 74a of the uppermost cell stack 1 in the cell stack assembly 61 on the right side and the second power terminal 74b of the uppermost cell stack 1 in the cell stack assembly 61 on the left side are connected to different terminals. It is connected to power line 79. These power lines 79 are protected by separate power line protection tubes 79a, and extend to the outside of the hot module HM.
メインバスバー78aは、ホットモジュールHMの冷態時と発電動作時の温度差による鉛直方向の伸縮に伴う不具合を防ぐため、伸縮吸収部78a1を有する金属板で構成されている。伸縮吸収部78a1は、本実施形態の例では、図8等に示すように左右方向視でU字状の湾曲部としているが、V字状の折曲部等としても良い。伸縮吸収部78a1を有するメインバスバー78aを採用することで、熱応力が緩和され、安定した発電動作が実現可能であるとともに、各段のセルスタック1に過剰な力が作用するのを防止することもできる。 The main bus bar 78a is made of a metal plate having an expansion/contraction absorbing portion 78a1 in order to prevent problems caused by expansion/contraction in the vertical direction due to the temperature difference between the hot module HM when it is in a cold state and during power generation operation. In the example of this embodiment, the stretchable absorbing portion 78a1 is a U-shaped curved portion when viewed in the left-right direction as shown in FIG. 8, but it may also be a V-shaped bent portion or the like. By employing the main bus bar 78a having the expansion/contraction absorbing portion 78a1, thermal stress can be alleviated, stable power generation operation can be realized, and excessive force can be prevented from being applied to the cell stack 1 at each stage. You can also do it.
サブバスバー78bは、ホットモジュールHMの冷態時と発電動作時の温度差による水平方向の伸縮に伴う不具合を防ぐため、伸縮吸収部78b1を有する金属板で構成されている。伸縮吸収部78b1は、本実施形態の例では、図5等に示すように上下方向視でU字状の湾曲部としているが、V字状の折曲部等としても良い。伸縮吸収部78b1を有するサブバスバー78bを採用することで、熱応力が緩和され、安定した発電動作が実現可能であるとともに、最上段のセルスタック1に過剰な力が作用するのを防止することもできる。 The sub-bus bar 78b is made of a metal plate having an expansion/contraction absorbing portion 78b1 in order to prevent problems caused by expansion and contraction in the horizontal direction due to the temperature difference between the hot module HM when it is in a cold state and when it is in power generation operation. In the example of this embodiment, the stretchable absorbing portion 78b1 is a U-shaped curved portion when viewed in the vertical direction, as shown in FIG. 5, etc., but it may also be a V-shaped bent portion or the like. By employing the sub-busbar 78b having the expansion/contraction absorbing portion 78b1, thermal stress is alleviated, stable power generation operation can be realized, and excessive force can be prevented from being applied to the cell stack 1 at the top stage. can.
<蒸発器>
次に、蒸発器4の構成等について、より詳細に説明する。図21は、蒸発器4として機能するプレート組立体80の構成図であり、左側に左側面図を示し、中央に正面図を示し、右側に右側面図を示している。
<Evaporator>
Next, the configuration etc. of the evaporator 4 will be explained in more detail. FIG. 21 is a configuration diagram of a plate assembly 80 functioning as the evaporator 4, with a left side view shown on the left side, a front view shown in the center, and a right side view shown on the right side.
プレート組立体80は、前後に対向配置された第1エンドプレート82aと第2エンドプレート82bの間に、複数の伝熱プレート81を前後方向へ積層し、各エンドプレート82a,82bおよび各伝熱プレート81を接合して一体化したものである。後述するように、これらの伝熱プレート81それぞれには、蒸発器4における低温流体(原燃料ガスGaと改質水Wa)が流れる低温流体流路、および蒸発器4における高温流体(燃焼ガスGg)が流れる高温流体流路の一方が形成される。 The plate assembly 80 has a plurality of heat transfer plates 81 stacked in the front-rear direction between a first end plate 82a and a second end plate 82b which are arranged opposite each other in the front and back, and each end plate 82a, 82b and each heat transfer The plate 81 is joined and integrated. As will be described later, each of these heat transfer plates 81 has a low-temperature fluid flow path through which the low-temperature fluid (raw fuel gas Ga and reformed water Wa) in the evaporator 4 flows, and a low-temperature fluid flow path through which the high-temperature fluid (combustion gas Gg) in the evaporator 4 flows. ) is formed in one of the hot fluid flow paths.
図22は、伝熱プレート81の斜視図である。本図に示すように伝熱プレート81は、上下方向を長手方向とする略矩形状の平板部81a(伝熱面部)と、平板部81aの全周の縁から後方へ略均一な高さに張り出した枠部81bを有する。平板部81aの表裏の各平面は、鉛直方向と平行な伝熱面として機能する。 FIG. 22 is a perspective view of the heat transfer plate 81. As shown in this figure, the heat transfer plate 81 includes a substantially rectangular flat plate portion 81a (heat transfer surface portion) whose longitudinal direction is the vertical direction, and a substantially uniform height rearward from the edge of the entire circumference of the flat plate portion 81a. It has a projecting frame portion 81b. Each of the front and back planes of the flat plate portion 81a functions as a heat transfer surface parallel to the vertical direction.
平板部81aの右上寄りの位置には、第1ヘッダ部形成孔83a1と第5ヘッダ部形成孔83e1が設けられている。更に、平板部81aの左下寄りの位置には第2ヘッダ部形成孔83b1が設けられ、平板部81aの右下寄りの位置には第3ヘッダ部形成孔83c1が設けられ、平板部81aの左上寄りの位置には第4ヘッダ部形成孔83d1が設けられている。 A first header forming hole 83a1 and a fifth header forming hole 83e1 are provided at a position near the upper right of the flat plate portion 81a. Further, a second header forming hole 83b1 is provided at a lower left position of the flat plate part 81a, a third header forming hole 83c1 is provided at a lower right position of the flat plate part 81a, and a third header forming hole 83c1 is provided at a lower left position of the flat plate part 81a. A fourth header forming hole 83d1 is provided at a closer position.
各伝熱プレート81には、枠部81bの内側に所定の各部材が配置されて、図23の左側に示す低温流体流路、および、図23の右側に示す高温流体流路の一方が形成される。なお図23の上側の枠内には、水分配プレート86近傍の拡大図が示されている。 In each heat transfer plate 81, predetermined members are arranged inside the frame portion 81b, and one of a low temperature fluid flow path shown on the left side of FIG. 23 and a high temperature fluid flow path shown on the right side of FIG. 23 is formed. be done. Note that an enlarged view of the vicinity of the water distribution plate 86 is shown in the upper frame of FIG.
低温流体流路を構成する部品としては、蛇行流路プレート85、水分配プレート86(図23に示す破線Q1より外側の部分)、第3補助プレート87c(図23に示す破線Q3より下側の部分)、および第4補助プレート87d(図23に示す破線Q2より上側であって水分配プレート86を除く部分)、が用いられる。 The parts constituting the low temperature fluid flow path include the meandering flow path plate 85, the water distribution plate 86 (the part outside the broken line Q1 shown in FIG. 23), and the third auxiliary plate 87c (the part below the broken line Q3 shown in FIG. 23). ), and the fourth auxiliary plate 87d (the part above the broken line Q2 shown in FIG. 23 and excluding the water distribution plate 86) are used.
伝熱プレート81の中央領域に広く配置された蛇行流路プレート85には、上側から下側に向けて蛇行して延びるように蛇行流路85aが形成されている。蛇行流路85aは、例えばレーザー加工による抜き打ちにより形成可能であり、このようにして蛇行流路プレート85を製作すれば、少ない工数で量産が可能であり、加工コストも安価に抑えることが可能である。蛇行流路85aは概ね、左端近傍および右端近傍の一方から他方へ流体が流下するように斜め下向きに傾斜する傾斜流路部Ch1、および、傾斜流路部Ch1の端部において流体の流れを反転させる折り返し流路部Ch2からなる単位流路Chの複数段が、上下方向に連続的に形成されてなる。 A meandering channel 85a is formed in the meandering channel plate 85, which is widely disposed in the central region of the heat transfer plate 81, so as to extend in a meandering manner from the upper side to the lower side. The meandering flow path 85a can be formed by punching, for example, by laser processing, and if the meandering flow path plate 85 is manufactured in this way, mass production is possible with fewer man-hours, and processing costs can also be kept low. be. The meandering channel 85a generally has an inclined channel section Ch1 that is inclined diagonally downward so that the fluid flows down from one side near the left end and near the right end to the other, and the flow of the fluid is reversed at the end of the inclined channel section Ch1. A plurality of stages of unit channels Ch each including a folded channel section Ch2 are formed continuously in the vertical direction.
水分配プレート86は、第1ヘッダ部形成穴83a1に対応する位置に配置されるプレート部材であり、図23の上側の枠内に示すように、第1ヘッダ部形成穴83a1と連通する主孔86aと、主孔86aを囲む周縁部86bとからなる。また、周縁部86bには、主孔86aの内壁から外側に向けて貫通する副孔86cが形成されている。副孔86cは、主孔86aから下方に延びて蛇行流路の上端部85a1に繋がっている。 The water distribution plate 86 is a plate member disposed at a position corresponding to the first header forming hole 83a1, and has a main hole communicating with the first header forming hole 83a1, as shown in the upper frame of FIG. 86a, and a peripheral portion 86b surrounding the main hole 86a. Further, a sub-hole 86c is formed in the peripheral portion 86b and penetrates outward from the inner wall of the main hole 86a. The sub-hole 86c extends downward from the main hole 86a and is connected to the upper end portion 85a1 of the meandering channel.
第3補助プレート87cは、蛇行流路プレート85の下側に配置されており、第3ヘッダ部形成穴83c1に対応する位置に第3流通穴89cを有し、第2ヘッダ部形成穴83b1に対応する位置に第2ヘッダ部対応穴83b2を有する。第2ヘッダ部対応穴83b2は、蛇行流路85aの下端に繋がっている。 The third auxiliary plate 87c is disposed below the meandering channel plate 85, has a third communication hole 89c at a position corresponding to the third header forming hole 83c1, and has a third communication hole 89c at a position corresponding to the third header forming hole 83b1. It has a second header corresponding hole 83b2 at a corresponding position. The second header corresponding hole 83b2 is connected to the lower end of the meandering channel 85a.
第4補助プレート87dは、蛇行流路プレート85の上側に配置されており、第4ヘッダ部形成穴83d1に対応する位置に第4流通穴89dを有し、第5ヘッダ部形成穴83e1に対応する位置に蛇行流路の上端部85a1を有する。蛇行流路の上端部85a1は、蛇行流路プレート85における蛇行流路85aの上端に繋がっている。 The fourth auxiliary plate 87d is disposed above the meandering channel plate 85, and has a fourth communication hole 89d at a position corresponding to the fourth header forming hole 83d1, which corresponds to the fifth header forming hole 83e1. The upper end portion 85a1 of the meandering channel is located at the position where the meandering flow path is located. The upper end portion 85a1 of the meandering channel is connected to the upper end of the meandering channel 85a in the meandering channel plate 85.
高温流体流路を構成する部品としては、伝熱フィン88、第1補助プレート87a、および第2補助プレート87bが用いられる。伝熱フィン88は、本実施形態の例では上下方向に延びる多数の流路が形成されたコルゲートフィンが採用されており、伝熱プレート81の中央領域に広く配置されている。 The heat transfer fins 88, the first auxiliary plate 87a, and the second auxiliary plate 87b are used as components constituting the high-temperature fluid flow path. In the example of this embodiment, the heat transfer fins 88 are corrugated fins in which a large number of channels extending in the vertical direction are formed, and are widely arranged in the central region of the heat transfer plate 81.
第1補助プレート87aは、伝熱フィン88の上側に配置されており、第1ヘッダ部形成穴83a1に対応する位置に第1流通穴89aを有し、第5ヘッダ部形成穴83e1に対応する位置に第5流通穴89eを有し、第4ヘッダ部形成穴83d1に対応する位置に第4ヘッダ部対応穴83d2を有する。第4ヘッダ部対応穴83d2は、伝熱フィン88の上端全体に繋がっている。 The first auxiliary plate 87a is arranged above the heat transfer fins 88, has a first communication hole 89a at a position corresponding to the first header forming hole 83a1, and has a first communication hole 89a at a position corresponding to the fifth header forming hole 83e1. It has a fifth communication hole 89e at a position, and a fourth header-corresponding hole 83d2 at a position corresponding to the fourth header-forming hole 83d1. The fourth header corresponding hole 83d2 is connected to the entire upper end of the heat transfer fin 88.
第2補助プレート87bは、伝熱フィン88の下側に配置されており、第2ヘッダ部形成穴83b1に対応する位置に第2流通穴89bを有し、第3ヘッダ部形成穴83c1に対応する位置に第3ヘッダ部対応穴83c2を有する。第3ヘッダ部対応穴83c2は、伝熱フィン88の下端全体に繋がっている。 The second auxiliary plate 87b is arranged below the heat transfer fins 88, has a second communication hole 89b at a position corresponding to the second header forming hole 83b1, and corresponds to the third header forming hole 83c1. A hole 83c2 corresponding to the third header portion is provided at the position where the third header portion corresponds to the third header portion. The third header corresponding hole 83c2 is connected to the entire lower end of the heat transfer fin 88.
プレート組立体80においては、各エンドプレート82a,82bの間に、低温流体流路が形成された伝熱プレート81と高温流体流路が形成された伝熱プレート81とが交互に積層されて一体化されている。このように形成されたプレート組立体80においては、伝熱プレート81(平板部81a)の一方の伝熱面側に低温流体流路が形成され、他方の伝熱面側に高温流体流路が形成されていると見ることもできる。 In the plate assembly 80, between each end plate 82a, 82b, a heat transfer plate 81 in which a low temperature fluid flow path is formed and a heat transfer plate 81 in which a high temperature fluid flow path is formed are alternately stacked and integrated. has been made into In the plate assembly 80 formed in this way, a low temperature fluid flow path is formed on one heat transfer surface side of the heat transfer plate 81 (flat plate portion 81a), and a high temperature fluid flow path is formed on the other heat transfer surface side. It can also be seen that it is being formed.
また図21に示すように、各エンドプレート82a,82bは、前方視で伝熱プレート81と外縁が概ね一致する略板状に形成されており、前側に設けた第1エンドプレート82aには、第1および第5ヘッダ部形成孔83a1,83e1に対応する流体ポートが設けられ、後側に設けた第2エンドプレート82bには、第2、第3および第4の各ヘッダ部形成孔83b1,83c1,83d1に対応する流体ポートが設けられている。 Further, as shown in FIG. 21, each end plate 82a, 82b is formed into a substantially plate shape whose outer edge generally coincides with the heat transfer plate 81 when viewed from the front, and the first end plate 82a provided on the front side has a Fluid ports corresponding to the first and fifth header forming holes 83a1 and 83e1 are provided, and the second end plate 82b provided on the rear side has the second, third and fourth header forming holes 83b1, Fluid ports corresponding to 83c1 and 83d1 are provided.
これによりプレート組立体80は、第1ヘッダ部形成穴83a1、第1流通穴89a、および主孔86aが前後方向に繋がって形成された第1ヘッダ部83aを有し、第1ヘッダ部83aは第1エンドプレート82aにおいて前方に開口している。またプレート組立体80は、第2ヘッダ部形成穴83b1、第2ヘッダ部対応穴83b2、および第2流通穴89bが前後方向に繋がって形成された第2ヘッダ部83bを有し、第2ヘッダ部83bは第2エンドプレート82bにおいて後方に開口している。 As a result, the plate assembly 80 has a first header part 83a formed by connecting the first header part forming hole 83a1, the first communication hole 89a, and the main hole 86a in the front-rear direction. The first end plate 82a is open to the front. The plate assembly 80 also has a second header part 83b formed by connecting a second header part forming hole 83b1, a second header part corresponding hole 83b2, and a second communication hole 89b in the front-rear direction. The portion 83b opens rearward in the second end plate 82b.
またプレート組立体80は、第3ヘッダ部形成穴83c1、第3ヘッダ部対応穴83c2、および第3流通穴89cが前後方向に繋がって形成された第3ヘッダ部83cを有し、第3ヘッダ部83cは第2エンドプレート82bにおいて後方に開口している。またプレート組立体80は、第4ヘッダ部形成穴83d1、第4ヘッダ部対応穴83d2、および第4流通穴89dが前後方向に繋がって形成された第4ヘッダ部83dを有し、第4ヘッダ部83dは第2エンドプレート82bにおいて後方に開口している。 Further, the plate assembly 80 has a third header part 83c formed by connecting a third header part forming hole 83c1, a third header part corresponding hole 83c2, and a third communication hole 89c in the front-rear direction. The portion 83c opens rearward in the second end plate 82b. The plate assembly 80 also has a fourth header part 83d formed by connecting a fourth header part forming hole 83d1, a fourth header part corresponding hole 83d2, and a fourth communication hole 89d in the front-rear direction. The portion 83d opens rearward in the second end plate 82b.
またプレート組立体80は、第5ヘッダ部形成穴83e1、第5流通穴89e、および蛇行流路の上端部85a1が前後方向に繋がって形成された第5ヘッダ部83eを有し、第5ヘッダ部83eは第1エンドプレート82aにおいて前方に開口している。以上のようにして、第1ヘッダ部83aと第5ヘッダ部83eはプレート組立体80の上端部右寄りの箇所に形成され、第2ヘッダ部83bはプレート組立体80の下端部左寄りの箇所に形成され、第3ヘッダ部83cはプレート組立体80の下端部右寄りの箇所に形成され、第4ヘッダ部83dはプレート組立体80の上端部左寄りの箇所に形成されている。 The plate assembly 80 also has a fifth header part 83e formed by connecting a fifth header part forming hole 83e1, a fifth communication hole 89e, and an upper end part 85a1 of the meandering channel in the front-rear direction. The portion 83e opens forward in the first end plate 82a. As described above, the first header part 83a and the fifth header part 83e are formed at the top right of the plate assembly 80, and the second header part 83b is formed at the bottom left of the plate assembly 80. The third header portion 83c is formed at the bottom right of the plate assembly 80, and the fourth header 83d is formed at the top left of the plate assembly 80.
なお、各ヘッダ部形成穴83a1~83e1、各流通穴89a~89e、および各ヘッダ部対応穴83b2~83d2は、例えばレーザー加工により形成可能である。また、伝熱プレート81の積層において、流体の分配/収集が不要であるヘッダ部形成穴に対応する位置(つまり、低温流体流路側での第3ヘッダ部形成穴83c1と第4ヘッダ部形成穴83d1に対応する位置、および、高温流体流路側での第1ヘッダ部形成穴83a1と第2ヘッダ部形成穴83b1と第5ヘッダ部形成穴83e1に対応する位置)には、補助プレート87a~87dが挟持されている。 The header forming holes 83a1 to 83e1, the communication holes 89a to 89e, and the header corresponding holes 83b2 to 83d2 can be formed, for example, by laser processing. In addition, in the stacking of the heat transfer plates 81, positions corresponding to the header forming holes where fluid distribution/collection is unnecessary (that is, the third header forming hole 83c1 and the fourth header forming hole on the low temperature fluid flow path side) 83d1, and positions corresponding to the first header forming hole 83a1, second header forming hole 83b1, and fifth header forming hole 83e1 on the high temperature fluid flow path side, auxiliary plates 87a to 87d are provided. is being held.
当該補助プレートは、ヘッダ部形成穴と流通穴の縁部をロウ付け等で接合して連結することにより、その流体流路に不要な流体が進入しないようにし、適切なヘッダ部を簡単に形成することができる。このような構成を採用すれば、伝熱プレート81を1種類のプレス金型で製作することができるため、蒸発器4の量産に適する。また本実施形態では、蛇行流路プレート85、水分配プレート86、第3補助プレート87cおよび第4補助プレート87dの各部品は、1枚の板材に対するレーザー加工等による抜き打ちによって一体的に製作される。このように当該各部品を一体的に製作することにより、部品点数を抑制して蒸発器4の組立工数を削減することができる。 The auxiliary plate prevents unnecessary fluid from entering the fluid flow path by joining and connecting the edges of the header part forming hole and the circulation hole by brazing etc., making it possible to easily form an appropriate header part. can do. If such a configuration is adopted, the heat transfer plate 81 can be manufactured using one type of press mold, which is suitable for mass production of the evaporator 4. Further, in this embodiment, the meandering channel plate 85, the water distribution plate 86, the third auxiliary plate 87c, and the fourth auxiliary plate 87d are integrally manufactured by punching a single plate by laser processing or the like. . By manufacturing the respective parts integrally in this way, the number of parts can be suppressed and the number of steps required to assemble the evaporator 4 can be reduced.
第1ヘッダ部83aには改質水Waが供給され、第5ヘッダ部83eには原燃料ガスGaが供給される。第1ヘッダ部83aに供給された改質水Waは、各低温流体流路の水分配プレート86に均等に分配され、主孔86aおよび副孔86cを通じて蛇行流路85aの最上段ステージに流下する。この改質水Waは蛇行流路85aを進みながら加熱され、水蒸気となって第2ヘッダ部83bに到達する。 Reformed water Wa is supplied to the first header section 83a, and raw fuel gas Ga is supplied to the fifth header section 83e. The reformed water Wa supplied to the first header section 83a is evenly distributed to the water distribution plate 86 of each low-temperature fluid flow path, and flows down to the uppermost stage of the meandering flow path 85a through the main hole 86a and the sub-hole 86c. . This reformed water Wa is heated while traveling through the meandering flow path 85a, becomes water vapor, and reaches the second header portion 83b.
なお水分配プレート86における副孔86cは、主孔86aから上方に延びた後、折り返し流路を経て蛇行流路の上端部85a1に繋がるように構成してもよい。主孔86aに供給された改質水Waを上向きに吐出させることにより、副孔86cから改質水Waを押し出す際に比較的高い流動抵抗が生じる。そのため、図23のように改質水Waを下向きに吐出させる構成に比べて、より均等な水分配が可能になる。 Note that the sub-hole 86c in the water distribution plate 86 may be configured to extend upward from the main hole 86a and then connect to the upper end portion 85a1 of the meandering channel via a folded channel. By discharging the reformed water Wa supplied to the main hole 86a upward, a relatively high flow resistance is generated when pushing out the reformed water Wa from the sub-hole 86c. Therefore, compared to the configuration in which the reformed water Wa is discharged downward as shown in FIG. 23, more even water distribution is possible.
第5ヘッダ部83eに供給された原燃料ガスGaも、各低温流体流路に均等に分配され、改質水Waと同時に蛇行流路85aを進みながら加熱されて第2ヘッダ部83bに到達する。このようにプレート組立体80は、原燃料ガスGa中で水蒸発を行わせる構成となっており、第2ヘッダ部83bにおいて原燃料ガスGaと水蒸気の混合ガスGbが過熱状態で連続的に得られる。この混合ガスGbは、そのまま改質器2に供給することができる。 The raw fuel gas Ga supplied to the fifth header section 83e is also equally distributed to each low-temperature fluid flow path, and is heated while traveling along the meandering flow path 85a at the same time as the reformed water Wa, and reaches the second header section 83b. . In this way, the plate assembly 80 is configured to evaporate water in the raw fuel gas Ga, and a mixed gas Gb of the raw fuel gas Ga and water vapor is continuously obtained in a superheated state in the second header part 83b. It will be done. This mixed gas Gb can be supplied to the reformer 2 as is.
一方、第3ヘッダ部83cには、熱源ガスとして燃焼ガスGgが供給される。第3ヘッダ部83cに供給された燃焼ガスGgは、各高温流体流路に均等に分配され、伝熱フィン88における流路のそれぞれを上昇流で流通し、第4ヘッダ部83dで収集されて管路Lg1へ排出される。 On the other hand, combustion gas Gg is supplied to the third header section 83c as a heat source gas. The combustion gas Gg supplied to the third header section 83c is evenly distributed to each high-temperature fluid channel, flows upward through each channel in the heat transfer fins 88, and is collected at the fourth header section 83d. It is discharged to pipe Lg1.
このとき各低温流体流路の蛇行経路85aは、隣り合う高温流体流路の伝熱フィン88と伝熱プレート81を介して前後方向に対向しているため、燃焼ガスGgの熱を用いて改質水Waおよび原燃料ガスGaが効率良く加熱される。 At this time, since the meandering path 85a of each low-temperature fluid flow path faces the heat transfer fins 88 of the adjacent high-temperature fluid flow path in the front-rear direction via the heat transfer plate 81, the meandering path 85a of each low-temperature fluid flow path is modified using the heat of the combustion gas Gg. The quality water Wa and the raw fuel gas Ga are efficiently heated.
また、改質水Waおよび原燃料ガスGaは蛇行経路85aを下方へ流れ、燃焼ガスGgは伝熱フィン88を上方へ流れることから、これらはカウンターフローで熱交換される。これによりプレート組立体80の下部領域では、第3ヘッダ部83cから導入直後の高温熱源ガス(燃焼ガスGg)で水蒸気(改質水Wa)が加熱されるので、第2ヘッダ部83bから過熱蒸気を取り出すことができる。この過熱蒸気は、改質器2での炭化水素燃料の水蒸気改質反応において有用である。 In addition, since the reformed water Wa and the raw fuel gas Ga flow downward through the meandering path 85a, and the combustion gas Gg flows upward through the heat transfer fins 88, they exchange heat in a counterflow manner. As a result, in the lower region of the plate assembly 80, the water vapor (reformed water Wa) is heated by the high temperature heat source gas (combustion gas Gg) immediately introduced from the third header part 83c, so that the superheated steam is heated from the second header part 83b. can be taken out. This superheated steam is useful in the steam reforming reaction of hydrocarbon fuel in the reformer 2.
<本願発明の効果およびその他の変形例>
以上に説明したとおり、本実施形態に係る改質ガス発生装置RGは、外筒21と内筒22の間に触媒充填層23を有する二重筒構造の反応容器2aと、内筒22に表面どうしが離間するように挿通された熱放射筒Zaと、を備え、触媒充填層23に原燃料ガス(混合ガスGb中の原燃料ガスGa)を通して改質ガスGcを発生させる。
<Effects of the present invention and other modifications>
As explained above, the reformed gas generator RG according to the present embodiment includes a reaction vessel 2a having a double cylinder structure having a catalyst packed layer 23 between the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22, and a surface on the inner cylinder 22. The heat radiating cylinder Za is inserted so as to be spaced apart from each other, and raw fuel gas (raw fuel gas Ga in mixed gas Gb) is passed through the catalyst packed bed 23 to generate reformed gas Gc.
このように改質ガス発生装置RGにおいて、内筒22と熱放射筒Zaは互いの表面が離間し、所定の隙間が生じている配置構造である。つまり、水蒸気改質反応のために触媒充填層23に内筒22側から熱エネルギーを与える場合、熱伝達は、熱放射筒Zaからの放射伝熱によって行われ、熱伝導を伴わない。そのため、触媒を収容している反応容器2aは、熱応力による損傷や破損を回避しつつ、長期間使用することができる。 In this manner, in the reformed gas generator RG, the inner cylinder 22 and the heat radiating cylinder Za are arranged so that their surfaces are spaced apart from each other and a predetermined gap is created. That is, when thermal energy is applied to the catalyst packed bed 23 from the inner cylinder 22 side for the steam reforming reaction, heat transfer is performed by radiant heat transfer from the heat radiating cylinder Za, and is not accompanied by heat conduction. Therefore, the reaction vessel 2a containing the catalyst can be used for a long period of time while avoiding damage or breakage due to thermal stress.
改質ガス発生装置RGは、熱放射筒Zaの基端側に接続したバーナ3を備え、熱放射筒Zaは、バーナ3における燃焼室および燃焼ガスGgの流通路として機能する。このように改質ガス発生装置RGでは、触媒充填層23に与える熱エネルギーに燃焼熱を利用するため、熱放射筒Zaにバーナ3を接続し、熱放射筒Zaを燃焼室筒として機能させる。そのため、触媒を収容している反応容器2aに内側から燃焼熱を与え続けても、熱応力による損傷や破損を回避することができる。 The reformed gas generator RG includes a burner 3 connected to the base end side of a heat radiant tube Za, and the heat radiant tube Za functions as a combustion chamber in the burner 3 and a flow path for the combustion gas Gg. In this way, in the reformed gas generator RG, in order to utilize combustion heat for the thermal energy given to the catalyst packed bed 23, the burner 3 is connected to the heat radiant tube Za, and the heat radiant tube Za functions as a combustion chamber tube. Therefore, even if combustion heat is continuously applied from the inside to the reaction vessel 2a containing the catalyst, damage or breakage due to thermal stress can be avoided.
また改質ガス発生装置RGにおいて、外筒21は、原燃料ガス(混合ガスGb中の原燃料ガスGa)の取入口21aおよび改質ガスGcの取出口21bを有し、取入口21aは、熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けられ、取出口21bは、熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設けられている。燃焼ガスGgの熱エネルギーは、水蒸気改質反応に伴う吸熱に利用されるので、燃焼ガスGgの温度は、熱放射筒Zaの基端側から先端側に向かって低下していく。取入口21aから流入した原燃料ガスGa(メタン含有ガス、具体的にはメタンと水蒸気の混合ガスGb)は、温度低下した燃焼ガスGgによって予熱された後、より高温の燃焼ガスGgの熱エネルギーを使って改質される。生成した改質ガスGc(水素および一酸化炭素含有ガス)は、取出口21bから連続的に排出され、セルスタック1のアノード燃料ガスとして使用される。 In the reformed gas generator RG, the outer cylinder 21 has an intake port 21a for the raw fuel gas (raw fuel gas Ga in the mixed gas Gb) and an outlet 21b for the reformed gas Gc, and the intake port 21a has a The outlet 21b is provided on a side corresponding to the distal end side of the heat radiating tube Za, and the outlet 21b is provided on a side corresponding to the proximal end side of the heat radiating tube Za. Since the thermal energy of the combustion gas Gg is used for heat absorption accompanying the steam reforming reaction, the temperature of the combustion gas Gg decreases from the base end side to the front end side of the heat radiating cylinder Za. The raw fuel gas Ga (methane-containing gas, specifically a mixed gas Gb of methane and water vapor) flowing in from the intake port 21a is preheated by the combustion gas Gg whose temperature has decreased, and then is converted into the thermal energy of the higher temperature combustion gas Gg. modified using. The generated reformed gas Gc (gas containing hydrogen and carbon monoxide) is continuously discharged from the outlet 21b and used as the anode fuel gas of the cell stack 1.
本実施形態では上記のように、取入口21aを熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けて、取出口21bを熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設けたことにより、原燃料ガスGa(混合ガスGb)および改質ガスGcの流れと、燃焼ガスGgの流れを対向流としているので、効率のよい水蒸気改質反応を行わせることができる。 In this embodiment, as described above, by providing the intake port 21a on the side corresponding to the distal end side of the heat radiating tube Za, and providing the outlet port 21b on the side corresponding to the base end side of the heat radiating tube Za, Since the flow of the raw fuel gas Ga (mixed gas Gb) and the reformed gas Gc and the flow of the combustion gas Gg are opposed to each other, an efficient steam reforming reaction can be performed.
また取入口21aと取出口21bの配置に関しては、既に説明したとおり、取入口21を熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設け、取出口21bを熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けても良い。この場合、取入口21aから流入した原燃料ガスGaは、高温の燃焼ガスGgによって瞬時に予熱された後、やや温度低下した燃焼ガスGgの熱エネルギーを使って改質される。原燃料ガスGa(混合ガスGb)および改質ガスGcの流れと、燃焼ガスGgの流れを並行流としているので、原燃料ガスGaの予熱効果が高く、原燃料ガスGa(混合ガスGb)を調製する蒸発器4の加熱能力(熱交換能力)を抑えた設計が可能である。そのため、蒸発器4のコストダウンが期待できる。 Regarding the arrangement of the intake port 21a and the outlet port 21b, as already explained, the intake port 21 is provided on the side corresponding to the base end side of the heat radiating tube Za, and the outlet port 21b is provided on the side corresponding to the distal end side of the heat radiating tube Za. It may be provided on the side where the In this case, the raw fuel gas Ga flowing in from the intake port 21a is instantaneously preheated by the high-temperature combustion gas Gg, and then reformed using the thermal energy of the combustion gas Gg whose temperature has decreased slightly. Since the flow of raw fuel gas Ga (mixed gas Gb) and reformed gas Gc and the flow of combustion gas Gg are made to flow in parallel, the preheating effect of raw fuel gas Ga is high, and the raw fuel gas Ga (mixed gas Gb) is It is possible to design the evaporator 4 to be prepared with a reduced heating capacity (heat exchange capacity). Therefore, cost reduction of the evaporator 4 can be expected.
なお、本実施形態のシステムは単段式の燃料電池システムであるが、本発明は多段式の燃料電池システムにも適用可能である。一例として2段式の燃料電池システムとする場合は、前段側のセルスタックと後段側のセルスタックが設けられ、前段側のセルスタックから排出されるアノードオフガス(未反応の燃料成分を含む)を用いて、後段側のセルスタックが発電するよう構成される。 Note that although the system of this embodiment is a single-stage fuel cell system, the present invention is also applicable to a multi-stage fuel cell system. For example, in the case of a two-stage fuel cell system, a front-stage cell stack and a rear-stage cell stack are provided, and the anode off-gas (including unreacted fuel components) discharged from the front-stage cell stack is collected. The subsequent cell stack is configured to generate electricity using the power source.
また本発明の改質ガス発生装置RGは、改質型の燃料電池システム以外に、COシフト化反応装置等と組み合わせて水素製造システムとしての利用も可能である。水素製造システムで製造した水素は、例えば燃料電池自動車(FCV)で使用されるほか、純水素型の燃料電池システムで使用される。 In addition to the reforming type fuel cell system, the reformed gas generator RG of the present invention can also be used as a hydrogen production system in combination with a CO shift reaction device or the like. Hydrogen produced by a hydrogen production system is used, for example, in a fuel cell vehicle (FCV) or in a pure hydrogen fuel cell system.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the configuration of the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the gist of the invention. That is, the above embodiments are illustrative in all respects, and should not be considered restrictive. It is understood that the technical scope of the present invention is indicated by the claims rather than the description of the above embodiments, and includes all changes that fall within the meaning and range equivalent to the claims. Should.
本発明は、固体酸化物形の燃料電池システムに利用可能である。 The present invention can be used in solid oxide fuel cell systems.
1 セルスタック
2 改質器
2a 反応容器
3 バーナ
4 蒸発器
5 空気予熱器
6 アノードオフガス冷却器
7 アノードオフガス凝縮器
8 CO酸化器
9 凝縮水回収タンク
10 第1原燃料ブロワ
11 第1空気ブロワ
12 水ポンプ
13 第2原燃料ブロワ
14 第2空気ブロワ
15 パワーコンディショナ
16 システムコントローラ
21 外筒
21a 取入口
21b 取出口
21c 伸縮吸収部
22 内筒
23 触媒充填層
24 基端側蓋板
25 末端側蓋板
31 第1ガス筒
32 第2ガス筒
33 保炎器
40 点火/火炎検知回路
40a ガス点火部
40b 電流検知部
40c1 第1スイッチ
40c2 第2スイッチ
40x 電極対
51 第1支柱
52 第2支柱
53 板状断熱材
61 セルスタック集合体
62 オープンラック
62a 単位ラック
63 ステージ盤
63a ステージ盤
64 柱部
64a 柱部
71 支持板
72 フランジ付ガスポート
72a アノード燃料流入ポート
72b カソード空気流入ポート
72c アノードオフガス流出ポート
72d カソードオフガス流出ポート
72x フランジ部
74a 第1電力端子
74a1 第1電力端子の端部
74b 第2電力端子
74b1 第2電力端子の端部
75 積層部
76a 第1端板
76b 第2端板
78a メインバスバー
78a1 伸縮吸収部
78b サブバスバー
78b1 伸縮吸収部
79 電力線
79a 電力線保護管
80 プレート組立体
81 伝熱プレート
81a 平板部
81b 枠部
82a 第1エンドプレート
82b 第2エンドプレート
83a 第1ヘッダ部
83b 第2ヘッダ部
83c 第3ヘッダ部
83d 第4ヘッダ部
83e 第5ヘッダ部
83a1 第1ヘッダ部形成孔
83b1 第2ヘッダ部形成孔
83c1 第3ヘッダ部形成孔
83d1 第4ヘッダ部形成孔
83e1 第5ヘッダ部形成孔
83b2 第2ヘッダ部対応穴
83c2 第3ヘッダ部対応穴
83d2 第4ヘッダ部対応穴
85 蛇行流路プレート
85a 蛇行流路
86 水分配プレート
86a 主孔
86b 周縁部
86c 副孔
87a 第1補助プレート
87b 第2補助プレート
87c 第3補助プレート
87d 第4補助プレート
88 伝熱フィン
89a 第1流通穴
89b 第2流通穴
89c 第3流通穴
89d 第4流通穴
89e 第5流通穴
100 燃料電池システム
Aa~Ac 空気
B1 第1ベローズ形伸縮管継手
B2 第2ベローズ形伸縮管継手
B3 第3ベローズ形伸縮管継手
B4 第4ベローズ形伸縮管継手
BP 枝管
Bp1 ベローズ形伸縮管継手
CV 湾曲部
Ch 単位流路
Ch1 傾斜流路部
Ch2 折り返し流路部
D1 ガス排出口
E1、E2 燃料取入口
E3、E4 空気取入口
Fg フランジ
Ga 原燃料ガス
Gb 混合ガス
Gc 改質ガス
Gd アノードオフガス
Ge カソードオフガス
Gf 原燃料ガス
Gg 燃焼ガス
La 原燃料ライン
Lb 混合ガスライン
Lc アノード燃料ライン
Ld アノードオフガスライン
Ld1 管路
Le カソード空気ライン
Le1 管路
Le2 バイパス経路
Lf カソードオフガスライン
Lf1 管路
Lg 燃焼ガスライン
Lg1 管路
Lh バーナ冷却用空気ライン
Li 改質水ライン
Lj 起動用空気ライン
Lw 凝縮水回収ライン
Ma 第1分配マニホールド
Mb 第2分配マニホールド
Mc 第1収集マニホールド
Md 第2収集マニホールド
RG 改質ガス発生装置
Sa 気水分離部
Sb 水位水検知器
Sc 排水弁
Wa 改質水
Wb 凝縮水
X1 第1ボックス
X1a 第1台座
X2 第2ボックス
X2a 第2台座
Za 熱放射筒
Zb 燃焼ガス管
1 Cell stack 2 Reformer 2a Reaction vessel 3 Burner 4 Evaporator 5 Air preheater 6 Anode off-gas cooler 7 Anode off-gas condenser 8 CO oxidizer 9 Condensed water recovery tank 10 First raw fuel blower 11 First air blower 12 Water pump 13 Second raw fuel blower 14 Second air blower 15 Power conditioner 16 System controller 21 Outer cylinder 21a Inlet 21b Outlet 21c Expandable absorption section 22 Inner cylinder 23 Catalyst packed bed 24 Base end cover plate 25 End side cover Plate 31 First gas cylinder 32 Second gas cylinder 33 Flame stabilizer 40 Ignition/flame detection circuit 40a Gas ignition part 40b Current detection part 40c1 First switch 40c2 Second switch 40x Electrode pair 51 First pillar 52 Second pillar 53 Plate shaped heat insulating material 61 cell stack assembly 62 open rack 62a unit rack 63 stage board 63a stage board 64 pillar part 64a pillar part 71 support plate 72 flanged gas port 72a anode fuel inflow port 72b cathode air inflow port 72c anode off-gas outflow port 72d Cathode off-gas outflow port 72x Flange portion 74a First power terminal 74a1 End portion of first power terminal 74b Second power terminal 74b1 End portion of second power terminal 75 Laminated portion 76a First end plate 76b Second end plate 78a Main bus bar 78a1 Expandable absorption section 78b Sub bus bar 78b1 Expandable absorption section 79 Power line 79a Power line protection tube 80 Plate assembly 81 Heat transfer plate 81a Flat plate section 81b Frame section 82a First end plate 82b Second end plate 83a First header section 83b Second header section 83c Third header part 83d Fourth header part 83e Fifth header part 83a1 First header part forming hole 83b1 Second header part forming hole 83c1 Third header part forming hole 83d1 Fourth header part forming hole 83e1 Fifth header part forming hole 83b2 2nd header part corresponding hole 83c2 3rd header part corresponding hole 83d2 4th header part corresponding hole 85 Meandering channel plate 85a Meandering channel 86 Water distribution plate 86a Main hole 86b Peripheral part 86c Sub-hole 87a First auxiliary plate 87b Second Auxiliary plate 87c 3rd auxiliary plate 87d 4th auxiliary plate 88 Heat transfer fin 89a 1st circulation hole 89b 2nd circulation hole 89c 3rd circulation hole 89d 4th circulation hole 89e 5th circulation hole 100 Fuel cell system Aa to Ac Air B1 1st bellows expansion joint B2 2nd bellows expansion joint B3 3rd bellows expansion joint B4 4th bellows expansion joint BP Branch pipe Bp1 Bellows expansion joint CV Curved section Ch Unit channel Ch1 Inclined flow Channel section Ch2 Turned channel section D1 Gas outlet E1, E2 Fuel intake port E3, E4 Air intake port Fg Flange Ga Raw fuel gas Gb Mixed gas Gc Reformed gas Gd Anode off gas Ge Cathode off gas Gf Raw fuel gas Gg Combustion gas La Raw fuel line Lb Mixed gas line Lc Anode fuel line Ld Anode off-gas line Ld1 Pipe Le Cathode air line Le1 Pipe Le2 Bypass route Lf Cathode off-gas line Lf1 Pipe Lg Combustion gas line Lg1 Pipe Lh Burner cooling air line Li Reform Quality water line Lj Starting air line Lw Condensed water recovery line Ma 1st distribution manifold Mb 2nd distribution manifold Mc 1st collection manifold Md 2nd collection manifold RG Reformed gas generator Sa Steam/water separation unit Sb Water level detector Sc Drain valve Wa Reformed water Wb Condensed water X1 1st box X1a 1st pedestal X2 2nd box X2a 2nd pedestal Za Heat radiation cylinder Zb Combustion gas pipe
Claims (4)
前記内筒に表面どうしが離間するように挿通された熱放射筒と、を備え、
前記触媒充填層に原燃料ガスを通して改質ガスを発生させることを特徴とする改質ガス発生装置。 A reaction vessel with a double cylinder structure having a catalyst packed layer between an outer cylinder and an inner cylinder,
a heat radiating cylinder inserted into the inner cylinder so that the surfaces thereof are spaced apart from each other;
A reformed gas generation device, characterized in that a reformed gas is generated by passing raw fuel gas through the catalyst packed bed.
前記熱放射筒は、前記バーナにおける燃焼室および燃焼ガスの流通路として機能することを特徴とする請求項1に記載の改質ガス発生装置。 comprising a burner connected to the base end side of the heat radiating cylinder,
The reformed gas generation device according to claim 1, wherein the heat radiant cylinder functions as a combustion chamber and a flow path for combustion gas in the burner.
前記取入口は、前記熱放射筒の先端側に対応する側に設けられ、
前記取出口は、前記熱放射筒の基端側に対応する側に設けられることを特徴とする請求項2に記載の改質ガス発生装置。 The outer cylinder has an inlet for the raw fuel gas and an outlet for the reformed gas,
The intake port is provided on a side corresponding to the tip side of the heat radiating tube,
The reformed gas generator according to claim 2, wherein the outlet is provided on a side corresponding to a base end side of the heat radiating tube.
前記取入口は、前記熱放射筒の基端側に対応する側に設けられ、
前記取出口は、前記熱放射筒の先端側に対応する側に設けられることを特徴とする請求項2に記載の改質ガス発生装置。 The outer cylinder has an inlet for the raw fuel gas and an outlet for the reformed gas,
The intake port is provided on a side corresponding to the base end side of the heat radiating tube,
The reformed gas generation device according to claim 2, wherein the outlet is provided on a side corresponding to a front end side of the heat radiating tube.
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