JP4906249B2

JP4906249B2 - Fuel cell reformer

Info

Publication number: JP4906249B2
Application number: JP2004194334A
Authority: JP
Inventors: 成門高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2006019084A

Description

本発明は、炭化水素含有ガスを水素含有の燃料ガスに改質するための燃料電池用改質器に関するものであり、より詳細には、燃料電池構造体内部に設けられ、該構造体内部での発熱によって触媒が所定の改質温度に加熱されて改質が行われる内部加熱方式の燃料電池用改質器に関する。 The present invention relates to a reformer for a fuel cell for reforming a hydrocarbon-containing gas into a hydrogen-containing fuel gas, and more specifically, provided inside a fuel cell structure, The present invention relates to an internal heating type fuel cell reformer in which reforming is performed by heating a catalyst to a predetermined reforming temperature due to heat generation of the above.

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池（セル）のスタックをハウジング内に収容した燃料電池が種々提案されている。例えば固体電解質形燃料電池の構造体は、複数の燃料電池（セル）を積み重ねられたセルスタックが、適当な間隔で複数配列されてなる燃料電池本体をハウジング内に収容して構成され、約１０００℃の温度で運転される。 In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells (cells) is housed in a housing have been proposed as next-generation energy. For example, a solid electrolyte fuel cell structure, the cell stack stacked a plurality of fuel cells (cells), a fuel cell body comprising a plurality of sequences at appropriate intervals constructed accommodated in the housing, about 1000 Operated at a temperature of ℃.

発電のための燃料ガスとしては、水素が使用され、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを燃料電池本体内に供給し、酸素含有ガスをセル中の酸素極に接触させ、且つ水素をセル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。 Hydrogen is used as a fuel gas for power generation, hydrogen gas and an oxygen-containing gas (usually air) are supplied into the fuel cell body, the oxygen-containing gas is brought into contact with the oxygen electrode in the cell, Electric power is generated by bringing hydrogen into contact with the fuel electrode in the cell to cause a predetermined electrode reaction.

燃料ガスとしての水素の供給方法としては、天然ガス等の炭化水素を水蒸気と反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられるが、炭化水素と水素との改質反応（吸熱反応である）が５００〜９００℃で行われるため、改質反応開始後も、継続して触媒を加熱しておかなければならないという問題があった。 As a method for supplying hydrogen as a fuel gas, a steam reforming method in which a hydrocarbon such as natural gas reacts with steam to generate hydrogen is used. A reforming reaction between hydrocarbon and hydrogen (an endothermic reaction). ) Is performed at 500 to 900 ° C., there is a problem that the catalyst must be continuously heated even after the reforming reaction is started.

このような問題を解決するために、セルスタックを収容しているハウジング内に改質器を配置し、発電に際して発生する熱を水蒸気改質反応に利用し、熱効率を高めることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１１５３０７号公報 In order to solve such a problem, a reformer is disposed in a housing that accommodates a cell stack, and heat generated during power generation is used for a steam reforming reaction to increase thermal efficiency. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2003-115307 A

しかるに、特許文献１に開示されている改質器では、改質に必要な水蒸気を、改質器とは別個に設けた加湿器を用いて供給する構造となっているため、加湿器のための熱源（水蒸気生成のための熱源）が必要であり、熱効率の点でさらなる改善が求められている。熱効率をさらに高めるためには、燃料電池の発電に際して発生する熱を、水蒸気生成のための熱源としても利用することが考えられるが、この場合には、水の気化による水蒸気の生成が不安定になるという問題がある。即ち、水が急激に加熱されて気化するような場合には、改質触媒に供給される水蒸気に脈動を生じやすく、燃料電池の出力変動が生じやすくなってしまうのである。 However, the reformer disclosed in Patent Document 1 has a structure in which steam necessary for reforming is supplied using a humidifier provided separately from the reformer. Heat sources (heat sources for generating water vapor) are required, and further improvements are required in terms of thermal efficiency. In order to further increase the thermal efficiency, it is conceivable to use the heat generated during power generation of the fuel cell as a heat source for generating water vapor. In this case, the generation of water vapor due to water vaporization becomes unstable. There is a problem of becoming. That is, when water is heated suddenly and vaporizes, the water vapor supplied to the reforming catalyst tends to pulsate, and the output fluctuation of the fuel cell tends to occur.

従って本発明の目的は、炭化水素含有ガスを水素含有の燃料ガスに改質するための燃料電池用改質器であって、改質反応維持のための触媒加熱及び水蒸気生成のための加熱の何れもが、燃料電池内の発熱を利用して行われ、しかも水蒸気の生成及び供給を安定して行うことが可能な燃料電池用改質器を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is a fuel cell reformer for reforming a hydrocarbon-containing gas into a hydrogen-containing fuel gas, which comprises heating a catalyst for maintaining the reforming reaction and heating for generating steam. All of them are to provide a reformer for a fuel cell that is performed by using heat generated in the fuel cell and that can stably generate and supply water vapor.

本発明によれば、炭化水素含有ガスを水素含有の燃料ガスに改質するための燃料電池用改質器において、
直立した筒状体からなり、
前記筒状体は、高さ方向に延びている仕切壁によって、改質部と気化部とに仕切られており、
前記改質部は、改質すべき炭化水素含有ガスが導入されるガス導入室と、該ガス導入室上に形成されており且つ内部に改質触媒が充填され、改質されたガスを排出するガス排出管に接続される触媒室とからなっており、
前記ガス導入室と触媒室とは、改質触媒保持可能で且つガスの流通可能な仕切壁によって区画されており、
前記ガス導入室には、改質すべき炭化水素含有ガスを導入するためのガス導入管が接続され、
前記気化部の下方部分とガス導入室とは、連通孔を介して互いに連通しており、
前記気化部には、送水管が接続され、送水管から気化部内に供給される水が、少なくとも気化部の下端部分から上部に達してから下方に降下して下端に達し、前記連通孔からガス導入室内に移行するように該気化部が構成されていることを特徴とする燃料電池用改質器が提供される。 According to the present invention, in a reformer for a fuel cell for reforming a hydrocarbon-containing gas into a hydrogen-containing fuel gas,
It consists of an upright cylindrical body,
The cylindrical body is partitioned into a reforming portion and a vaporizing portion by a partition wall extending in the height direction,
The reforming section is formed with a gas introduction chamber into which a hydrocarbon-containing gas to be reformed is introduced, and is formed on the gas introduction chamber and is filled with a reforming catalyst, and discharges the reformed gas. It consists of a catalyst chamber connected to the gas discharge pipe,
The gas introduction chamber and the catalyst chamber are partitioned by a partition wall capable of holding the reforming catalyst and allowing the gas to flow therethrough,
A gas introduction pipe for introducing a hydrocarbon-containing gas to be reformed is connected to the gas introduction chamber,
The lower part of the vaporization part and the gas introduction chamber communicate with each other through a communication hole,
A water supply pipe is connected to the vaporization section, and water supplied from the water supply pipe into the vaporization section reaches at the upper part from at least the lower end portion of the vaporization section and then descends downward to reach the lower end. A fuel cell reformer is provided in which the vaporization unit is configured to move into the introduction chamber.

上記の燃料電池用改質器においては、
（１）前記気化部内にはセラミック粒状物が充填されていること、
（２）前記送水管は、気化部の下端部分から上端部分近傍まで侵入していること、
（３）前記気化部は、直立した仕切壁によって２室に区分され、これらの２室は上端部で互いに連通しているとともに、一方の室に前記送水管が接続され、他方の室が前記連通孔を介してガス導入室に連通していること、
（４）前記直立筒状体の上端部分は、水平方向に延びている水平筒状体に接続されており、該水平筒状体内部にも触媒室が形成されており、水平筒状体内の触媒室と、前記直立筒状体の触媒室とが連続していること、
が好適である。 In the above fuel cell reformer,
(1) The vaporization part is filled with ceramic particulates,
(2) The water supply pipe penetrates from the lower end portion of the vaporization portion to the vicinity of the upper end portion,
(3) The vaporizing section is divided into two chambers by an upright partition wall, and these two chambers communicate with each other at the upper end, and the water pipe is connected to one chamber, and the other chamber is Communicating with the gas introduction chamber through the communication hole;
(4) The upper end portion of the upright cylindrical body is connected to a horizontal cylindrical body extending in the horizontal direction, and a catalyst chamber is formed inside the horizontal cylindrical body, The catalyst chamber and the catalyst chamber of the upright cylindrical body are continuous,
Is preferred.

また、本発明によれば、複数の燃料電池からなるセルスタックが配列されている発電室と、該発電室の上部に配置され且つ該発電室から排出されたガスを燃焼する燃焼室と、上述した燃料電池用改質器とがハウジング内に設けられた燃料電池構造体であって、前記改質器の直立筒状体が前記発電室の側面側に対面するように配置されており、前記セルスタックからの輻射熱により前記気化部及び触媒室が加熱されることを特徴とする燃料電池構造体が提供される。 Further, according to the present invention, a power generation chamber in which a cell stack composed of a plurality of fuel cells is arranged, a combustion chamber that is disposed at the top of the power generation chamber and burns gas discharged from the power generation chamber, A fuel cell structure provided in the housing, wherein the upright cylindrical body of the reformer is disposed so as to face the side surface side of the power generation chamber, A fuel cell structure is provided in which the vaporization section and the catalyst chamber are heated by radiant heat from a cell stack.

上記の燃料電池構造体においては、
（５）前記気化部と発電室との間に触媒室及びガス導入室が位置するように、前記改質器が配置されていること、
（６）前記改質器が、前記直立筒状体の上端部分に、内部に触媒室を有する水平筒状体が接続された構造を有するものであり、水平筒状体内の触媒室が前記燃焼室上を延びていること、
が好ましい。 In the above fuel cell structure,
(5) The reformer is disposed so that the catalyst chamber and the gas introduction chamber are located between the vaporization section and the power generation chamber,
(6) The reformer has a structure in which a horizontal cylindrical body having a catalyst chamber therein is connected to an upper end portion of the upright cylindrical body, and the catalyst chamber in the horizontal cylindrical body is burned. Extending over the room,
Is preferred.

本発明の燃料電池用改質器では、送水管によって供給される水の気化部内からガス導入室までの移動経路が著しく長く設定されているため、このような気化部を有する直立筒状体を、燃料電池構造体の発電室の側面側に立設することにより、発電室からの輻射熱により、安定して水を気化せしめて水蒸気を生成し、水蒸気量の変動による出力変動を有効に回避することができる。 In the fuel cell reformer of the present invention, since the movement path from the inside of the vaporization part of water supplied by the water pipe to the gas introduction chamber is set to be extremely long, an upright cylindrical body having such a vaporization part is provided. By standing on the side of the power generation chamber of the fuel cell structure, water is stably vaporized by radiant heat from the power generation chamber to generate water vapor, effectively avoiding fluctuations in output due to fluctuations in the amount of water vapor be able to.

特に、上記の気化部と発電室との間にガス導入室及び触媒室を配置することにより、気化部に供給される水の急激な加熱が抑制されるため、水の急激加熱による水蒸気の脈動を確実に防止でき、燃料電池構造体の出力変動防止の点でもっとも好ましい。 In particular, by arranging the gas introduction chamber and the catalyst chamber between the vaporization section and the power generation chamber, rapid heating of water supplied to the vaporization section is suppressed. Is most preferable in terms of preventing output fluctuation of the fuel cell structure.

また、前記改質器が、前記直立筒状体の上端部分に、内部に触媒室を有する水平筒状体が接続された構造を有するものでは、水平筒状体内の触媒室が燃料電池構造体の燃焼室上を延びるように改質器を配置することにより、発電室からの輻射熱と燃焼域での燃焼熱とによって触媒加熱を効率よく行うことができ、短時間で改質反応開始温度まで加熱することができ、且つ安定に改質反応温度を維持することができる。 Further, when the reformer has a structure in which a horizontal cylindrical body having a catalyst chamber therein is connected to an upper end portion of the upright cylindrical body, the catalyst chamber in the horizontal cylindrical body is a fuel cell structure. By arranging the reformer so as to extend over the combustion chamber, the catalyst can be heated efficiently by the radiant heat from the power generation chamber and the combustion heat in the combustion zone, and the reforming reaction start temperature can be reached in a short time. Heating can be performed and the reforming reaction temperature can be stably maintained.

本発明を、以下、添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の改質器が使用される燃料電池構造体の発電プロセスの概略を示す概念図であり、
図２は、本発明の改質器の一例を示す側断面図であり、
図３は、図２の改質器の気化部の構造を示す概略断面図であり、
図４は、図２の改質器の改質部の構造を示す概略断面図であり、
図５は、図２の改質器の気化部の構造の他の例を示す概略断面図であり、
図６は、本発明の改質器の他の一例を示す側断面図であり、
図７は、図２の改質器を備えた本発明の燃料電池本体の概略構造を示す図であり、
図８は、図７の燃料電池構造体における発電室に設けられているセルスタックの概略構造を示す図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on specific examples shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an outline of a power generation process of a fuel cell structure in which the reformer of the present invention is used.
FIG. 2 is a side sectional view showing an example of the reformer of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the vaporization section of the reformer of FIG.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the reforming section of the reformer of FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of the structure of the vaporizer of the reformer of FIG.
FIG. 6 is a side cross-sectional view showing another example of the reformer of the present invention,
FIG. 7 is a diagram showing a schematic structure of a fuel cell main body of the present invention provided with the reformer of FIG.
FIG. 8 is a view showing a schematic structure of a cell stack provided in the power generation chamber in the fuel cell structure of FIG.

図１を参照して、本発明の改質器が使用される燃料電池構造体は、複数のセルスタックが配置された発電室１と、改質触媒が充填されている改質器２とが、所定のハウジング（図示せず）内に設けられた構造を有しており、発電室１の上部に、発電室１から排出されるガスの燃焼域３が形成されており、この燃焼域３を介して廃ガスが外部に排出される構造となっている。 Referring to FIG. 1, a fuel cell structure in which a reformer of the present invention is used includes a power generation chamber 1 in which a plurality of cell stacks are disposed, and a reformer 2 filled with a reforming catalyst. , A structure provided in a predetermined housing (not shown), and a combustion zone 3 of gas discharged from the power generation chamber 1 is formed in an upper portion of the power generation chamber 1. It has a structure in which waste gas is discharged to outside.

即ち、都市ガスなどの炭化水素ガス（通常、ＣＨ_４ガス）を、脱硫器５を介して改質器２に供給し、水素を含有する燃料ガスに改質し、改質された燃料ガスを発電室１内に供給する。一方、発電室１内には、別経路で酸素含有ガス（通常、空気）が供給され、これらのガスの供給によって発電が行われる。発電後のガスは、発電室１の上部に排出され、点火バーナーなどによる着火によって燃焼域３で拡散燃焼し、燃焼廃ガス（排気ガス）は、外部に放出される。 That is, a hydrocarbon gas such as city gas (usually CH ₄ gas) is supplied to the reformer 2 via the desulfurizer 5, reformed into a fuel gas containing hydrogen, and the reformed fuel gas is Supply into the power generation chamber 1. On the other hand, oxygen-containing gas (usually air) is supplied into the power generation chamber 1 through another path, and power is generated by supplying these gases. The gas after power generation is discharged to the upper part of the power generation chamber 1 and diffused and combusted in the combustion zone 3 by ignition by an ignition burner or the like, and combustion waste gas (exhaust gas) is released to the outside.

炭化水素ガスを水素含有燃料ガスに改質するための改質反応としては、部分酸化改質反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応が知られており、各反応は、例えば下記式で表される。
部分酸化改質反応：
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２ → ２Ｈ_２＋ＣＯ（発熱反応）
自己熱改質反応
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２ → ３Ｈ_２＋ＣＯ_２（熱量制御可能）
水蒸気改質反応
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ（吸熱反応） As a reforming reaction for reforming a hydrocarbon gas into a hydrogen-containing fuel gas, a partial oxidation reforming reaction, an autothermal reforming reaction, and a steam reforming reaction are known. expressed.
Partial oxidation reforming reaction:
CH ₄ + 1 / 2O ₂ → 2H ₂ + CO (exothermic reaction)
Autothermal reforming reaction CH ₄ + H ₂ O + 1 / 2O ₂ → 3H ₂ + CO ₂ (heat quantity controllable)
Steam reforming reaction CH ₄ + H ₂ O → 3H ₂ + CO (endothermic reaction)

部分酸化反応は発熱反応であり、反応の進行にしたがい温度上昇を伴う。自己熱改質反応は、発熱反応と吸熱反応とが複合した反応であり、酸素量及び水蒸気量の調整により熱量制御可能であり、例えば酸素量を多くすると発熱反応が支配的となり、水蒸気量を多くすると吸熱反応が支配的となる。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応を安定に継続させるためには加熱を要する。 The partial oxidation reaction is an exothermic reaction and is accompanied by an increase in temperature as the reaction proceeds. The autothermal reforming reaction is a reaction in which an exothermic reaction and an endothermic reaction are combined, and the amount of heat can be controlled by adjusting the amount of oxygen and the amount of water vapor.For example, when the amount of oxygen is increased, the exothermic reaction becomes dominant and the amount of water vapor is reduced. If it increases, the endothermic reaction becomes dominant. Moreover, the steam reforming reaction is an endothermic reaction, and heating is required to continue the reaction stably.

燃料電池構造体を稼動するにあたっては、原理的には、上記何れの改質反応によって水素含有燃料ガスを生成させ、これを発電室１内に供給することができるが、部分酸化反応は発熱反応であり、反応の進行にしたがって温度上昇を伴うため、過剰昇温を生じやすく、継続して発電を行うには適当でなく、部分酸化法の利用は、通常、起動時（稼動初期）のみであり、所定の改質温度に触媒が到達した後は、水蒸気を供給して、自己熱改質反応或いは水蒸気改質反応により水素含有の燃料ガスに改質されて発電が行われる。 In operation of the fuel cell structure, in principle, the hydrogen-containing fuel gas can be generated by any of the above reforming reactions and supplied into the power generation chamber 1, but the partial oxidation reaction is an exothermic reaction. Since the temperature rises as the reaction progresses, excessive temperature rise is likely to occur, and it is not suitable for continuous power generation. The partial oxidation method is usually used only at the start-up (initial stage of operation). Yes, after the catalyst reaches a predetermined reforming temperature, steam is supplied and reformed into a hydrogen-containing fuel gas by autothermal reforming reaction or steam reforming reaction to generate power.

しかるに、水蒸気を供給して改質反応を実行する場合には、吸熱反応による温度低下を生じるため、触媒を所定の温度に加熱維持することが必要となり、また、水蒸気生成のための熱源も必要となる。本発明の改質器は、このような触媒の加熱維持や水蒸気生成の熱源も、燃料電池構造体の内部で発生する熱を利用して行うものである。 However, when the reforming reaction is performed by supplying water vapor, the temperature is lowered due to the endothermic reaction, so it is necessary to heat and maintain the catalyst at a predetermined temperature, and a heat source for generating water vapor is also necessary. It becomes. In the reformer of the present invention, such a heat source for maintaining and heating steam and generating steam is also performed using heat generated inside the fuel cell structure.

（改質器の構造）
図２乃至図４を参照して、全体として２で示す本発明の改質器は、ステンレススチール等の熱伝導性材料からなる直立した筒状体（直立筒状体）１０を有しており、この直立筒状体１０の内部は、高さ方向に延びている仕切壁１２によって、改質部１０ａと気化部１０ｂとに仕切られている。 (Structure of reformer)
Referring to FIGS. 2 to 4, the reformer of the present invention indicated by 2 as a whole has an upright cylindrical body (upright cylindrical body) 10 made of a heat conductive material such as stainless steel. The interior of the upright cylindrical body 10 is partitioned into a reforming portion 10a and a vaporizing portion 10b by a partition wall 12 extending in the height direction.

改質部１０ａは、改質すべき炭化水素含有ガスが導入されるガス導入室１３と、ガス導入室１３上に形成され且つ内部に改質触媒が充填された触媒室１５とから成っている。また、ガス導入室１３と触媒室１５とは、改質触媒保持可能で且つガスの流通可能な仕切壁、例えばメッシュ壁１７によって区画されており、ガス導入室１３には、原料ガス供給管１９が接続されている。即ち、この供給管１９から、メタンガス等の改質すべき炭化水素ガスがガス導入室１３を通って触媒室１５に導入され、改質が行われ、水素含有の燃料ガスが生成する。 The reforming unit 10a includes a gas introduction chamber 13 into which a hydrocarbon-containing gas to be reformed is introduced, and a catalyst chamber 15 formed on the gas introduction chamber 13 and filled with a reforming catalyst. The gas introduction chamber 13 and the catalyst chamber 15 are partitioned by a partition wall capable of holding the reforming catalyst and through which gas can flow, for example, a mesh wall 17. The gas introduction chamber 13 has a raw material gas supply pipe 19. Is connected. That is, a hydrocarbon gas to be reformed, such as methane gas, is introduced from the supply pipe 19 through the gas introduction chamber 13 into the catalyst chamber 15, where reforming is performed, and hydrogen-containing fuel gas is generated.

触媒室１５に収容される改質触媒としては、それ自体、公知のものが使用され、例えばＮｉ触媒等の卑金属触媒や、Ｒｕ，Ｐｔなどの貴金属触媒が使用される。Ｎｉ触媒等の卑金属触媒は酸化活性が低く、改質反応開始温度は３５０℃程度と高く、一方、貴金属触媒は、通常、酸化活性が高く、炭化水素ガスを通したときの改質反応開始温度が２５０〜３００℃程度である。 As the reforming catalyst accommodated in the catalyst chamber 15, a known catalyst is used, and for example, a base metal catalyst such as a Ni catalyst or a noble metal catalyst such as Ru or Pt is used. Base metal catalysts such as Ni catalysts have low oxidation activity, and the reforming reaction start temperature is as high as about 350 ° C. On the other hand, noble metal catalysts usually have high oxidation activity, and the reforming reaction start temperature when passing through hydrocarbon gas. Is about 250-300 degreeC.

尚、上記の直立筒状体１０は、輻射熱による加熱を効率よく行うために、直方体形状であることが最も好ましいが、必要により、円柱形状（円筒形状）とすることも可能である。また、直立筒状体１０の上端には、水平筒状体２０が接続されていることが好ましい。この水平筒状体２０は、内部に触媒室２１が形成されており、この排気側には、排気室２３が形成され、排気室２３には改質ガス排気管２５が接続されている。即ち、上記の触媒室１５の上端が、水平筒状体２０の触媒室２１に連通しており、ガス導入室１３に導入された原料ガスは、触媒室１５及び触媒室２１を通って改質され、生成した水素含有燃料ガスは、排気室２３を通って排気管２５から排出され、図１に示す燃料電池構造体の発電室１内に供給される。 The upright cylindrical body 10 is most preferably in the shape of a rectangular parallelepiped in order to efficiently perform the heating by radiant heat. However, if necessary, the cylindrical body (cylindrical shape) may be used. Moreover, it is preferable that the horizontal cylindrical body 20 is connected to the upper end of the upright cylindrical body 10. The horizontal cylindrical body 20 has a catalyst chamber 21 formed therein, an exhaust chamber 23 is formed on the exhaust side, and a reformed gas exhaust pipe 25 is connected to the exhaust chamber 23. That is, the upper end of the catalyst chamber 15 communicates with the catalyst chamber 21 of the horizontal cylindrical body 20, and the raw material gas introduced into the gas introduction chamber 13 is reformed through the catalyst chamber 15 and the catalyst chamber 21. The produced hydrogen-containing fuel gas is discharged from the exhaust pipe 25 through the exhaust chamber 23 and supplied into the power generation chamber 1 of the fuel cell structure shown in FIG.

後述するが、上記の改質器２において、直立筒状体１０は、燃料電池構造体の発電室１の側部に配置され、発電室１からの輻射熱によって所定の改質温度に加熱保持されるが、上記のような水平筒状体２０を設けた場合には、水平筒状体２０内の触媒室２１を、燃焼域３の上部近傍に配置することができ、燃焼域３の燃焼熱によって、改質反応温度に安定して触媒を加熱維持することができる。 As will be described later, in the reformer 2 described above, the upright cylindrical body 10 is disposed at the side of the power generation chamber 1 of the fuel cell structure, and is heated and held at a predetermined reforming temperature by radiant heat from the power generation chamber 1. However, when the horizontal cylindrical body 20 as described above is provided, the catalyst chamber 21 in the horizontal cylindrical body 20 can be disposed in the vicinity of the upper portion of the combustion zone 3, and the combustion heat in the combustion zone 3 Thus, the catalyst can be heated and maintained stably at the reforming reaction temperature.

本発明において、直立筒状体１０の改質部１０ａに並列して設けられている気化部１０ｂは、送水管３０が接続され、また下方部分には連通孔３１が形成され、この連通孔３１によって気化部１０ｂとガス導入室１３とが連通しており、送水管３０から供給された水は、気化室１０ｂで気化し、生成した水蒸気がガス導入室１３に供給されるようになっている。即ち、ガス導入室１３において、原料ガスと水蒸気とが混合され、この混合ガスが触媒室１５（及び触媒室２１）に供給され、水蒸気改質反応が行われる。 In the present invention, the vaporizing section 10b provided in parallel with the reforming section 10a of the upright cylindrical body 10 is connected to the water supply pipe 30, and a communication hole 31 is formed in the lower part thereof. The vaporization unit 10b and the gas introduction chamber 13 communicate with each other, the water supplied from the water pipe 30 is vaporized in the vaporization chamber 10b, and the generated water vapor is supplied to the gas introduction chamber 13. . That is, in the gas introduction chamber 13, the raw material gas and water vapor are mixed, and this mixed gas is supplied to the catalyst chamber 15 (and the catalyst chamber 21) to perform a steam reforming reaction.

また、先に述べたように、直立筒状体１０は、燃料電池構造体の発電室１の側部に配置され、発電室１からの輻射熱によって加熱されるが、この加熱によって気化部１０ｂでの水蒸気生成が有効に行われるように、気化部１０ｂ内には、高熱容量のセラミック粒状物３３、例えばジルコニア（ＺｒＯ_２）粒状物などが充填されていることが好ましい。このようなセラミック粒状物３３は、必要により、ガス導入室１３内に充填されていてもよい。 Further, as described above, the upright cylindrical body 10 is disposed on the side portion of the power generation chamber 1 of the fuel cell structure and is heated by the radiant heat from the power generation chamber 1. It is preferable that the vaporization part 10b is filled with ceramic particles 33 having a high heat capacity, such as zirconia (ZrO ₂ ) particles, so that the water vapor is effectively generated. Such ceramic particulate matter 33 may be filled in the gas introduction chamber 13 as necessary.

さらに、本発明においては、上記気化部１０ｂでは、送水管３０からの水が少なくとも気化部１０ｂの下端部分から上部に達し、その後、下方に降下して下端に達し、連通孔３１からガス導入室１３内に移行するようにすることが重要である。例えば、図２及び図３に示されているように、送水管３０は、気化部１０ｂの下端から気化部１０ｂ内に侵入しており、その先端は、気化室１０ｂの上部まで達している。即ち、送水管３０から供給される水は、気化室１０ｂの下端から上部まで流れる際に加熱され、さらに上部から下端に降下する際にも加熱される。従って、加熱経路が十分長く設定され、安定して水蒸気に気化することができ、一定量の水蒸気を安定にガス導入室１３に供給することができ、安定した改質反応を実行することができ、改質量の変動による燃料電池構造体の出力変動を有効に防止することができる。また、このような直立筒状体１０を、燃料電池構造体の発電室１の側部に配置したとき、発電室１からの輻射熱によって送水管３０からの水は徐々に加熱されるため、急激な気化を回避することができ、水蒸気の脈動を抑制し、脈動による出力変動も有効に回避することができる。例えば、気化部１０ｂへの水の供給を、気化部１０ｂの上端から行った場合には、水の加熱経路が短くなってしまうため、水の気化を安定に行うことが困難となってしまい、水蒸気量の変動が生じ、出力変動を生じやすくなってしまう。また、気化部１０ｂの上端部分は、燃料電池構造体の燃焼域３（図１参照）からの燃焼によって急激に加熱されるおそれもあり、急激な気化による水蒸気の脈動によって出力変動を生じやすくなってしまう。 Furthermore, in the present invention, in the vaporization section 10b, water from the water supply pipe 30 reaches at least the upper portion from the lower end portion of the vaporization section 10b, and then descends downward to reach the lower end. It is important to make the transition to 13. For example, as shown in FIGS. 2 and 3, the water supply pipe 30 penetrates into the vaporization unit 10b from the lower end of the vaporization unit 10b, and its tip reaches the upper part of the vaporization chamber 10b. That is, the water supplied from the water supply pipe 30 is heated when flowing from the lower end to the upper portion of the vaporizing chamber 10b, and further heated when descending from the upper portion to the lower end. Accordingly, the heating path is set sufficiently long and can be stably vaporized into water vapor, and a certain amount of water vapor can be stably supplied to the gas introduction chamber 13 and a stable reforming reaction can be performed. Thus, output fluctuations of the fuel cell structure due to fluctuations in the reforming amount can be effectively prevented. In addition, when such an upright cylindrical body 10 is disposed on the side of the power generation chamber 1 of the fuel cell structure, the water from the water supply pipe 30 is gradually heated by the radiant heat from the power generation chamber 1. Vaporization can be avoided, pulsation of water vapor can be suppressed, and fluctuations in output due to pulsation can be effectively avoided. For example, when the water supply to the vaporization unit 10b is performed from the upper end of the vaporization unit 10b, the water heating path is shortened, making it difficult to stably vaporize the water. Variations in the amount of water vapor occur and output variations are likely to occur. In addition, the upper end portion of the vaporizing section 10b may be heated suddenly by combustion from the combustion zone 3 (see FIG. 1) of the fuel cell structure, and output fluctuation is likely to occur due to the pulsation of water vapor due to rapid vaporization. End up.

また、上記のような直立筒状体１０に改質部１０ａと気化部１０ｂとを並列に隣接した本発明の改質器においては、ガス導入室１３での過剰昇温が気化部１０ｂでの気化熱によって有効に抑制され、例えば過剰昇温による煤の発生（炭化水素の熱分解）を有効に防止し、安定した発電を行うことができる。 Further, in the reformer of the present invention in which the reforming section 10a and the vaporizing section 10b are adjacent to the upright cylindrical body 10 in parallel as described above, excessive temperature rise in the gas introduction chamber 13 is caused in the vaporizing section 10b. It is effectively suppressed by heat of vaporization, for example, generation of soot due to excessive temperature rise (thermal decomposition of hydrocarbons) can be effectively prevented, and stable power generation can be performed.

さらに、本発明においては、気化部１０ｂの構造は図２、図３に示されるものに限定されるものではなく、例えば図５に示されているように、気化部１０ｂを仕切壁３５で２つの室Ａ，Ｂに区画し、上端部分において、２つの室Ａ，Ｂを連通せしめ、一方の室Ａには、送水管３０を接続し、送水管３０の先端を室３０の下端部分に位置せしめ、他方の室Ｂの下端部分にガス導入室１３との連通孔３１を設けることができる。また、２つの室Ａ，Ｂには、高熱容量のセラミック粒状物３３を充填しておくことが好ましい。このような図５の態様においても、送水管３０からの水は、気化部１０ｂの上端部分に到達した後、降下して連通孔３１からガス導入室１３に流れ込むように構成されているため、図２の例と同様、送水管３０からの水の加熱経路を長くすることができ、確実に水を気化させて、一定量の水蒸気を安定に供給することができ、また、下端から水を供給するため、水の急激な気化を抑制し、水蒸気の脈動を防止することができる。 Furthermore, in the present invention, the structure of the vaporizing portion 10b is not limited to that shown in FIGS. 2 and 3, and for example, as shown in FIG. The two chambers A and B are divided into two chambers A and B, and the two chambers A and B are communicated with each other at the upper end portion. It is possible to provide a communication hole 31 with the gas introduction chamber 13 at the lower end portion of the other chamber B. The two chambers A and B are preferably filled with ceramic particles 33 having a high heat capacity. Even in such an embodiment of FIG. 5, the water from the water pipe 30 is configured to descend and flow into the gas introduction chamber 13 from the communication hole 31 after reaching the upper end portion of the vaporization unit 10 b. As in the example of FIG. 2, the heating path of the water from the water pipe 30 can be lengthened, the water can be surely vaporized, and a certain amount of water vapor can be stably supplied. Since it supplies, the rapid vaporization of water can be suppressed and the pulsation of water vapor can be prevented.

また、図２に示す改質器２は、直立筒状体１０の改質部１０ａが燃料電池構造体の発電室１側に位置するように適した構造を有しているが、気化部１０ｂ側を発電室１側に配置する場合には、図６に示すように、気化部１０ｂを水平筒状体２０側に位置するように設けるのがよい。但し、気化部１０ｂにおいて、水の急激な気化による水蒸気の脈動を防止するという点では、図２に示す構造とし、改質部１０ａが燃料電池構造体の発電室１側に位置せしめることが好適である。 Further, the reformer 2 shown in FIG. 2 has a structure suitable for the reforming portion 10a of the upright cylindrical body 10 to be positioned on the power generation chamber 1 side of the fuel cell structure, but the vaporizing portion 10b. When the side is disposed on the power generation chamber 1 side, as shown in FIG. 6, it is preferable to provide the vaporizing portion 10 b so as to be positioned on the horizontal cylindrical body 20 side. However, in the point of preventing the pulsation of water vapor due to the rapid vaporization of water in the vaporization unit 10b, the structure shown in FIG. 2 is preferable, and the reforming unit 10a is preferably positioned on the power generation chamber 1 side of the fuel cell structure. It is.

尚、上述した構造を有する改質器２においては、ガス導入室１３及び排気室２３に熱センサを設け、触媒室１５、２１での触媒入口温度及び触媒出口温度をモニターするようにしておくことが、原料ガスや水蒸気の供給のタイミングを制御する上で好ましい。 In the reformer 2 having the above-described structure, a heat sensor is provided in the gas introduction chamber 13 and the exhaust chamber 23 so that the catalyst inlet temperature and the catalyst outlet temperature in the catalyst chambers 15 and 21 are monitored. However, it is preferable for controlling the timing of supplying the raw material gas and water vapor.

（燃料電池構造体）
上述した本発明の改質器を用いて構成された燃料電池構造体の概略構造を、図２の改質器を用いた場合を例にとって図７に示した。また、図８は、図７の発電室１に設けられるセルスタックの概略構造を示す図である。 (Fuel cell structure)
The schematic structure of the fuel cell structure constructed using the above-described reformer of the present invention is shown in FIG. 7 taking the case of using the reformer of FIG. 2 as an example. Moreover, FIG. 8 is a figure which shows schematic structure of the cell stack provided in the power generation chamber 1 of FIG.

図７、８に示す燃料電池構造体において、発電室１の上部には、図１で説明したように、燃焼域３が形成されており、また、上述した構造を有する改質器２は、直立筒状体１０が発電室１の側部に対面し且つ水平筒状体２０が燃焼域３の上部に対面するように配置されている。 In the fuel cell structure shown in FIGS. 7 and 8, the combustion zone 3 is formed in the upper part of the power generation chamber 1 as described in FIG. 1, and the reformer 2 having the above-described structure is The upright cylindrical body 10 is arranged so as to face the side portion of the power generation chamber 1 and the horizontal cylindrical body 20 faces the upper portion of the combustion zone 3.

発電室１には、全体として５０で示すセルスタックが、適当な間隔で複数配列されており、各セルスタック５０の下部には、マニホールド５１が設けられている。上記の改質器２は、各セルスタック５０のそれぞれの側部に配置されており、原料ガス（炭化水素ガス）は、原料ガス供給管１９から改質器２に供給され、改質器２によって改質されたガス（水素含有燃料ガス）は、排気管２５からマニホールド５１からセルスタック５０の内部に供給され、セルスタック５０のセル上部から燃焼域３に放出されるようになっている。 In the power generation chamber 1, a plurality of cell stacks indicated by 50 as a whole are arranged at appropriate intervals, and a manifold 51 is provided at the lower part of each cell stack 50. The reformer 2 is disposed on each side of each cell stack 50, and a raw material gas (hydrocarbon gas) is supplied from the raw material gas supply pipe 19 to the reformer 2. The gas (hydrogen-containing fuel gas) reformed by the above is supplied from the exhaust pipe 25 to the inside of the cell stack 50 from the manifold 51 and discharged from the upper part of the cell stack 50 to the combustion zone 3.

一方、セルスタック５０の間には、図８にも示されているように、発電用ガス供給管５３が上方から下方に延びており、この供給管５３によって発電用の酸素含有ガス（空気）が供給される。即ち、発電用の酸素含有ガスは、供給管５３の下端からセルスタック５０のセル間に供給され、セルスタック５０間の上部から燃焼域３に放出されるようになっている。即ち、燃焼域３では、十分な酸素の供給により、拡散燃焼による燃焼が行われるようになっている。 On the other hand, as shown in FIG. 8, a power generation gas supply pipe 53 extends downward from above between the cell stacks 50, and this supply pipe 53 generates oxygen-containing gas (air) for power generation. Is supplied. That is, the oxygen-containing gas for power generation is supplied between the cells of the cell stack 50 from the lower end of the supply pipe 53 and is discharged from the upper part between the cell stacks 50 to the combustion zone 3. That is, in the combustion zone 3, combustion by diffusion combustion is performed by supplying sufficient oxygen.

セルスタック５０の構造を示す図８を参照して説明すると、マニホールド５１上に設けられているセルスタック５０は、上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セル（燃料電池）６０が複数個接続されたものであり、複数のセルスタック５０の間の空間に、発電用のガス供給管５３が上方から下方に延びている。 Referring to FIG. 8 showing the structure of the cell stack 50, the cell stack 50 provided on the manifold 51 has a plurality of plate-like and column-like upright cells (fuel cells) 60 extending in the vertical direction. A gas supply pipe 53 for power generation extends downward from above in a space between the plurality of cell stacks 50.

セル６０は、それぞれ、電極支持基板６１の一方側の面に、燃料極層６３、固体電解質層６５及び酸素極層６７がこの順に積層され、電極支持基板６１の他方側の面に、酸素極層６７と対面するように、インターコネクタ６９が積層された構造を有している。尚、固体電解質層６５は、燃料極層６３を完全に覆うように設けられており、燃料極層６３及び固体電解質層６５は、電極支持板６１の他方の面まで回りこんでおり、インターコネクタ６９の両端に接合されている。また、電極支持板６１の内部には、マニホールド５１に連通している複数のガス孔６１ａが形成されており、マニホールド５１内に供給された燃料ガス（改質ガス）は、このガス孔６１ａを通って、上部の燃焼域３に排出されるようになっている。即ち、セル６０内のガス孔６１ａに燃料ガス（改質ガス）を供給し、且つセルスタック５０の間に、ガス供給管５３から発電用の酸素含有ガスを供給することにより、発電が行われる構造となっている。 In each cell 60, a fuel electrode layer 63, a solid electrolyte layer 65, and an oxygen electrode layer 67 are laminated in this order on one surface of the electrode support substrate 61, and an oxygen electrode is formed on the other surface of the electrode support substrate 61. The interconnector 69 is laminated so as to face the layer 67. The solid electrolyte layer 65 is provided so as to completely cover the fuel electrode layer 63, and the fuel electrode layer 63 and the solid electrolyte layer 65 extend to the other surface of the electrode support plate 61. It is joined to both ends of 69. A plurality of gas holes 61a communicating with the manifold 51 are formed inside the electrode support plate 61. The fuel gas (reformed gas) supplied into the manifold 51 passes through the gas holes 61a. It passes through and is discharged into the upper combustion zone 3. That is, power is generated by supplying a fuel gas (reformed gas) to the gas hole 61 a in the cell 60 and supplying an oxygen-containing gas for power generation from the gas supply pipe 53 between the cell stacks 50. It has a structure.

また、隣接するセル６０は集電部材７１によって接続されており、一方のセル６０のインターコネクタ７１と他方のセル６０の酸素極層６７が集電部材７１で接続された構造となっている。図示されていないが、セルスタック５０の両端に位置する集電部材７１には、電力取出手段が接続されており、発電した電流が取り出されるようになっている。 Adjacent cells 60 are connected by a current collecting member 71, and the interconnector 71 of one cell 60 and the oxygen electrode layer 67 of the other cell 60 are connected by the current collecting member 71. Although not shown in the drawing, power collecting means 71 is connected to the current collecting members 71 located at both ends of the cell stack 50 so that the generated current is taken out.

上記のセル６０において、電極支持基板６１は、燃料ガスを燃料極層６３まで透過させるためにガス透過性であることが必要であり、さらに、インターコネクタ６９を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。 In the cell 60 described above, the electrode support substrate 61 needs to be gas permeable in order to allow the fuel gas to permeate to the fuel electrode layer 63, and is further conductive to collect current through the interconnector 69. It can be formed from a porous conductive ceramic (or cermet) that satisfies such a requirement.

また、電極支持基板６１は、燃料極層６３や固体電解質層６５との同時焼成により作製するために、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから構成されていることが好ましく、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、その導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。 The electrode support substrate 61 is preferably composed of an iron group metal component and a specific rare earth oxide in order to be manufactured by simultaneous firing with the fuel electrode layer 63 and the solid electrolyte layer 65, and has a required gas permeability. Therefore, the open porosity is preferably 30% or more, particularly 35 to 50%, and the conductivity is preferably 300 S / cm or more, particularly 440 S / cm or more.

燃料極層６３は、多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称されている）と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。 The fuel electrode layer 63 can be formed of a porous conductive ceramic, for example, ZrO ₂ (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or NiO.

固体電解質層６５は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。 The solid electrolyte layer 65 has a function as an electrolyte for bridging electrons between the electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage between fuel gas and air. In general, it is formed from ZrO ₂ in which ₃ to 15 mol% of a rare earth element is dissolved.

酸素極層６７は、所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層６７はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０乃至５０％の範囲にあることが好ましい。 The oxygen electrode layer 67 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO ₃ type perovskite oxide. The oxygen electrode layer 67 is required to have gas permeability, and preferably has an open porosity of 20% or more, particularly 30 to 50%.

インターコネクタ６９は、導電性セラミックから形成することができるが、水素ガス（燃料ガス）及び酸素含有ガス（空気）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。また、インターコネクタ６９は、電極支持基板６１に形成されたガス孔６１ａを通る燃料ガス及び電極支持基板６１の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。 The interconnector 69 can be formed from a conductive ceramic, but since it is in contact with hydrogen gas (fuel gas) and oxygen-containing gas (air), it needs to have reduction resistance and oxidation resistance. Therefore, lanthanum chromite-based perovskite oxides (LaCrO ₃ -based oxides) are preferably used. Further, interconnect motor 69 must be dense to prevent leakage of the air flowing outside of the fuel gas and the electrode support substrate 61 through the gas holes 61a formed in the electrode support substrate 61, 93 It is desirable to have a relative density of at least 95%, particularly at least 95%.

集電部材７１は、弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。 The current collecting member 71 can be composed of a member having an appropriate shape formed from a metal or alloy having elasticity, or a member obtained by adding a required surface treatment to a felt made of metal fiber or alloy fiber.

即ち、上記のようなセル６０が所定の作動温度（７００〜１０００℃程度）に加熱された状態で、供給管５３から発電用の酸素含有ガスを流し、ガス孔６１ａに、改質器２によっての改質により得られた燃料ガス（水素）を流すと、酸素極層６７において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生じ、燃料極層６３において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生じ、この結果、発電することとなる。 That is, with the cell 60 as described above being heated to a predetermined operating temperature (about 700 to 1000 ° C.), an oxygen-containing gas for power generation is caused to flow from the supply pipe 53, and the reformer 2 passes through the gas hole 61 a. When the fuel gas (hydrogen) obtained by the reforming of is flowed, in the oxygen electrode layer 67,
1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → O ²⁻ (solid electrolyte)
Electrode reaction occurs, and in the fuel electrode layer 63,
O ²⁻ (solid electrolyte) + H ₂ → H ₂ O + 2e ⁻
As a result, electric power is generated.

尚、セル６０の構造は、上述した例に限定されるものではなく、例えば、電極支持板６１を燃料極とすることもできるし、燃料極層６３と酸素極層６７との位置関係を逆にし、ガス孔６１ａに発電用の酸素含有ガス（空気）を供給し、セルスタック５０間に燃料ガス（改質ガス）を供給するような構造とすることも可能である。 The structure of the cell 60 is not limited to the above-described example. For example, the electrode support plate 61 can be a fuel electrode, and the positional relationship between the fuel electrode layer 63 and the oxygen electrode layer 67 is reversed. In addition, it is also possible to adopt a structure in which oxygen-containing gas (air) for power generation is supplied to the gas holes 61a and fuel gas (reformed gas) is supplied between the cell stacks 50.

即ち、上記のような燃料電池構造体は、供給管５３から空気（酸素）を発電室１に流し、同時に改質器２を通して原料ガス（或いは原料ガスと酸素）を、マニホールド５１を介して発電室１に流し、燃焼域３で燃焼を行い、この燃焼熱によってセルスタック５０内のセル６０を加熱する。この加熱によってセル６０が所定の作動温度に到達し、且つ発電室１（セルスタック５０）からの輻射熱によって改質器２が加熱され、改質器２内の改質触媒の温度が所定の酸化開始温度に到達したときに、送水管３０から改質器２の気化部１０ｂへの送水を開始する。これにより、送水管３０から送水された水は、気化部１０ｂで水蒸気に気化し、この水蒸気は、連通孔３１からガス導入室１３に供給され、ガス導入室１３内で原料ガスと混合され、この混合ガスが触媒室１５，２１に供給され、改質反応（水蒸気改質反応或いは自己熱改質反応）によって水素含有の燃料ガスに改質され、この燃料ガスは、排気管２５からマニホールド５１を介して各セルスタック５０中のセル６０のガス孔６１ａに供給され、前述した電極反応により発電が行われ、さらに、上部の燃焼域３にガス供給管５３からの空気と共に排気されて燃焼し、燃焼廃ガスとして外部に排出される。 That is, in the fuel cell structure as described above, air (oxygen) is supplied from the supply pipe 53 to the power generation chamber 1, and at the same time, the raw material gas (or raw material gas and oxygen) is generated through the manifold 51 through the reformer 2. It flows into the chamber 1 and burns in the combustion zone 3, and the cells 60 in the cell stack 50 are heated by this combustion heat. By this heating, the cell 60 reaches a predetermined operating temperature, and the reformer 2 is heated by the radiant heat from the power generation chamber 1 (cell stack 50), so that the temperature of the reforming catalyst in the reformer 2 becomes a predetermined oxidation temperature. When the start temperature is reached, water supply from the water supply pipe 30 to the vaporizer 10b of the reformer 2 is started. Thereby, the water supplied from the water supply pipe 30 is vaporized into water vapor in the vaporization section 10b, and this water vapor is supplied from the communication hole 31 to the gas introduction chamber 13 and mixed with the raw material gas in the gas introduction chamber 13, This mixed gas is supplied to the catalyst chambers 15 and 21 and reformed into a hydrogen-containing fuel gas by a reforming reaction (steam reforming reaction or autothermal reforming reaction). Is supplied to the gas hole 61a of the cell 60 in each cell stack 50, and power is generated by the electrode reaction described above. Further, the gas is discharged into the upper combustion zone 3 together with air from the gas supply pipe 53 and burned. , Discharged as combustion waste gas.

上記のような発電開始後は、発電によるジュール熱によりセルスタック５０（セル６０）は、所定の作動温度に加熱維持され、且つセルスタック５０からの輻射熱によって改質器２の直立筒状体１０（改質部１０ａ及び気化部１０ｂ）も、所定の温度に加熱維持される。一方、水平筒状体２０の触媒室２１も、燃焼域３での燃焼熱によって所定の温度に加熱維持され、水蒸気供給による吸熱反応による温度低下を生じることなく、安定して改質反応が行われ、出力変動を生じることなく、安定して発電が行われる。 After the start of power generation as described above, the cell stack 50 (cell 60) is heated and maintained at a predetermined operating temperature by Joule heat generated by power generation, and the upright cylindrical body 10 of the reformer 2 is radiated from the cell stack 50. (The reforming unit 10a and the vaporizing unit 10b) are also heated and maintained at a predetermined temperature. On the other hand, the catalyst chamber 21 of the horizontal cylindrical body 20 is also heated and maintained at a predetermined temperature by the combustion heat in the combustion zone 3, and the reforming reaction can be performed stably without causing a temperature decrease due to the endothermic reaction due to the supply of water vapor. Therefore, power generation is stably performed without causing output fluctuation.

即ち、上記のようにして改質器２が設けられている本発明の燃料電池構造体では、改質器２のガス導入室１３が発電室１（セルスタック５０）からの輻射熱で加熱されるため、ガス導入室１３での異常昇温が有効に防止され、改質触媒と接触しない状態での原料ガスの異常加熱が防止されるため、原料ガスの熱分解による煤の発生が有効に回避され、煤の発生などによる改質器２の機能低下等を確実に抑制することができる。また、改質器２の気化部１０ｂも過度に加熱されないため、急激な加熱による水の急激な気化が抑制され、水蒸気の脈動を有効に抑制でき、水蒸気の脈動による改質反応のばらつきなどを生じることがなく、安定して改質反応が行われる。 That is, in the fuel cell structure of the present invention in which the reformer 2 is provided as described above, the gas introduction chamber 13 of the reformer 2 is heated by radiant heat from the power generation chamber 1 (cell stack 50). Therefore, abnormal temperature rise in the gas introduction chamber 13 is effectively prevented, and abnormal heating of the raw material gas without being in contact with the reforming catalyst is prevented, so that generation of soot due to thermal decomposition of the raw material gas is effectively avoided. In addition, it is possible to reliably suppress a decrease in function of the reformer 2 due to generation of soot and the like. Moreover, since the vaporization part 10b of the reformer 2 is not excessively heated, rapid vaporization of water due to rapid heating can be suppressed, and pulsation of water vapor can be effectively suppressed. The reforming reaction is stably performed without being generated.

尚、図７では、図２で示される改質器２を設けた例を示したが、図６に示された構造の改質器２を設ける場合には、気化部１０ｂが発電室１側に配置されることとなる。 7 shows an example in which the reformer 2 shown in FIG. 2 is provided. However, when the reformer 2 having the structure shown in FIG. 6 is provided, the vaporizer 10b is disposed on the power generation chamber 1 side. Will be placed.

本発明の改質器が使用される燃料電池構造体の発電プロセスの概略を示す概念図。The conceptual diagram which shows the outline of the electric power generation process of the fuel cell structure in which the reformer of this invention is used. 本発明の改質器の一例を示す側断面図。The side sectional view showing an example of the reformer of the present invention. 図２の改質器の気化部の構造を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the structure of the vaporization part of the reformer of FIG. 図２の改質器の改質部の構造を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the structure of the reforming part of the reformer of FIG. 図２の改質器の気化部の構造の他の例を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the other example of the structure of the vaporization part of the reformer of FIG. 本発明の改質器の他の一例を示す側断面図。The side sectional view showing other examples of the reformer of the present invention. 図２の改質器を備えた本発明の燃料電池本体の概略構造を示す図。The figure which shows schematic structure of the fuel cell main body of this invention provided with the reformer of FIG. 図７の燃料電池構造体における発電室に設けられているセルスタックの概略構造を示す図。The figure which shows schematic structure of the cell stack provided in the power generation chamber in the fuel cell structure of FIG.

Explanation of symbols

１：発電室
２：改質器
３：燃焼域
１０：直立筒状体
１０ａ：改質部
１０ｂ：気化部
１３：ガス導入室
１５：触媒室
２０：水平筒状体
２１：触媒室
３０：送水管
３１：連通孔
３３：セラミック粒状物
５０：セルスタック
５１：マニホールド
６０：セル 1: Power generation chamber 2: Reformer 3: Combustion zone 10: Upright cylindrical body 10a: Reforming section 10b: Vaporization section 13: Gas introduction chamber 15: Catalyst chamber 20: Horizontal tubular body 21: Catalyst chamber 30: Sending Water pipe 31: Communication hole 33: Ceramic granular material 50: Cell stack 51: Manifold 60: Cell

Claims

In a reformer for a fuel cell for reforming a hydrocarbon-containing gas into a hydrogen-containing fuel gas,
It consists of an upright cylindrical body,
The cylindrical body is partitioned into a reforming portion and a vaporizing portion by a partition wall extending in the height direction,
The reforming section is formed with a gas introduction chamber into which a hydrocarbon-containing gas to be reformed is introduced, and is formed on the gas introduction chamber and is filled with a reforming catalyst, and discharges the reformed gas. It consists of a catalyst chamber connected to the gas discharge pipe,
The gas introduction chamber and the catalyst chamber are partitioned by a partition wall capable of holding the reforming catalyst and allowing the gas to flow therethrough,
A gas introduction pipe for introducing a hydrocarbon-containing gas to be reformed is connected to the gas introduction chamber,
The lower part of the vaporization part and the gas introduction chamber communicate with each other through a communication hole,
A water supply pipe is connected to the vaporization section, and water supplied from the water supply pipe into the vaporization section reaches at the upper part from at least the lower end portion of the vaporization section and then descends downward to reach the lower end. A reformer for a fuel cell, wherein the vaporizer is configured to move into an introduction chamber.

The reformer for a fuel cell according to claim 1, wherein the vaporization section is filled with ceramic particulate matter.

The reformer for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the water supply pipe penetrates from a lower end portion of the vaporization portion to a vicinity of the upper end portion.

The vaporization section is divided into two chambers by an upright partition wall, and these two chambers communicate with each other at the upper end, and the water supply pipe is connected to one chamber, and the other chamber has the communication hole. The reformer for a fuel cell according to claim 1, wherein the reformer is in communication with the gas introduction chamber through the fuel cell reformer.

An upper end portion of the upright cylindrical body is connected to a horizontal cylindrical body extending in a horizontal direction, and a catalyst chamber is formed inside the horizontal cylindrical body, The reformer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the catalyst chamber of the upright cylindrical body is continuous.

A power generation chamber in which a cell stack composed of a plurality of fuel cells is arranged, a combustion chamber disposed above the power generation chamber and combusting a gas discharged from the power generation chamber, or any one of claims 1 to 5 The fuel cell reformer described above is a fuel cell structure provided in a housing, wherein the upright cylindrical body of the reformer is disposed so as to face the side surface side of the power generation chamber, The fuel cell structure, wherein the vaporization section and the catalyst chamber are heated by radiant heat from the cell stack.

The fuel cell structure according to claim 6, wherein the reformer is disposed such that a catalyst chamber and a gas introduction chamber are located between the vaporization section and the power generation chamber.

The fuel cell structure according to claim 6 or 7, wherein the reformer has the structure according to claim 5, and a catalyst chamber in a horizontal cylindrical body extends on the combustion chamber.