JP4956946B2

JP4956946B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4956946B2
Application number: JP2005269627A
Authority: JP
Inventors: 直也村上; 隆宮澤; 尚史小谷
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007080760A

Description

本発明は、ハウジング内部に燃料改質装置を備える燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell including a fuel reformer inside a housing.

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、且つ、他の燃料電池と比べて作動温度が高いため排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。 In recent years, fuel cells that directly convert chemical energy of fuel into electrical energy have attracted attention as highly efficient and clean power generators. In particular, the solid oxide fuel cell has a number of advantages such as high power generation efficiency and high operating temperature compared to other fuel cells, so that exhaust heat can be effectively used. Research and development is progressing as a fuel cell for power generation.

この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。 This solid oxide fuel cell has a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode) from both sides. As described above, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode layer side, and a fuel gas (H ₂ , CO, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side. The air electrode layer and the fuel electrode layer are both porous layers so that the reaction gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動して燃料極層との界面近傍に到達し、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。 In the power generation cell, oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. It is ionized to (O ²⁻ ). This oxide ion diffuses and moves in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the fuel electrode layer, where it reacts with the fuel gas to produce reaction products (H ₂ O, produce CO _2, etc.), releasing electrons to the fuel electrode layer. Electrons generated by the electrode reaction can be taken out as an electromotive force at an external load on another route.

ところで、燃料電池においては、モジュール内に組み込んだ燃料改質器で都市ガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料ガス）を水素リッチな燃料ガスに改質して発電セルに供給するようにした、所謂、内部改質方式が一般的に行われている。 By the way, in the fuel cell, hydrocarbon fuel gas such as city gas (raw fuel gas) is reformed into hydrogen-rich fuel gas by a fuel reformer built in the module and supplied to the power generation cell. A so-called internal reforming method is generally performed.

この燃料改質器は、水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスとした後、少なくとも３５０℃以上の雰囲気下において両者を反応させることにより、水素を生成するものである。
すなわち、改質反応（水蒸気改質）では、原燃料ガスである炭化水素と水蒸気とが反応して水素と一酸化炭素とが発生し、さらに、この一酸化炭素と水蒸気とが反応することにより、二酸化酸素とともに水素が発生する。
これをメタンを例にして反応式で示せば、以下の通りである。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ This fuel reformer mixes water vapor and raw fuel gas to form a mixed gas, and then generates hydrogen by reacting both in an atmosphere of at least 350 ° C. or higher.
That is, in the reforming reaction (steam reforming), the hydrocarbon, which is the raw fuel gas, reacts with steam to generate hydrogen and carbon monoxide, and further, the carbon monoxide reacts with steam. Hydrogen is generated along with oxygen dioxide.
This can be represented by the following reaction formula using methane as an example.
CH ₄ + H ₂ O → 3H ₂ + CO
CO + H ₂ O → H ₂ + CO ₂

上述の改質反応は吸熱反応であって、残留メタンが１％台の高転化率の改質反応を得るには、燃料改質器内の改質触媒を少なくとも６５０℃、望ましくは７００℃以上に加熱する必要があることから、内部改質式の燃料電池では、コージェネレーションを目的として改質反応に必要な熱エネルギーを燃料電池スタックから排出される高温排ガスおよび輻射熱より回収して使用することが通常行われている。 The above reforming reaction is an endothermic reaction, and in order to obtain a reforming reaction with a high conversion rate of residual methane of 1%, the reforming catalyst in the fuel reformer should be at least 650 ° C., preferably 700 ° C. or higher. In internal reforming fuel cells, the heat energy required for the reforming reaction must be recovered from the high-temperature exhaust gas and radiant heat discharged from the fuel cell stack for the purpose of cogeneration. Is usually done.

このような内部改質型燃料電池として、例えば、特許文献１が開示されている。特許文献１には、高温型改質装置の上流側のモジュール燃料入口部に低温型改質装置を設けた構成が記載されている。
特開平９−２３７６３５号公報 As such an internal reforming fuel cell, for example, Patent Document 1 is disclosed. Patent Document 1 describes a configuration in which a low temperature type reformer is provided at a module fuel inlet on the upstream side of a high temperature type reformer.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-237635

ところで、上述した内部改質型の燃料電池は、以下のような解決すべき問題を有していた。
即ち、燃料改質器を作製するに当たっては、熱交換器としての熱交換性とともに、改質反応に係わる改質触媒の形状や物性（例えば、ペレット等の形状や熱伝導度）等を十分に考慮する必要があるため、改質器の構造が複雑化し、熱交換器としての適正な設計（熱効率の良い構造の実現）を行うことが困難であり、例えば、作動温度が７００℃前後の燃料電池では、改質反応（吸熱反応）に必要な十分な熱回収を行うことが難しく、改質反応が不十分となるという問題がある。改質反応が不十分で発電セルに供給される水素量が少ないと、その少ない分だけ発電が行われなくなり、効率的な発電が行えなくなる。 By the way, the internal reforming fuel cell described above has the following problems to be solved.
That is, in producing the fuel reformer, the shape and physical properties of the reforming catalyst related to the reforming reaction and the physical properties (for example, the shape and thermal conductivity of pellets, etc.) as well as the heat exchangability as a heat exchanger are sufficiently obtained. Therefore, the structure of the reformer is complicated, and it is difficult to perform an appropriate design as a heat exchanger (realization of a structure with high thermal efficiency). For example, a fuel whose operating temperature is around 700 ° C. In the battery, it is difficult to perform sufficient heat recovery necessary for the reforming reaction (endothermic reaction), and there is a problem that the reforming reaction becomes insufficient. If the reforming reaction is insufficient and the amount of hydrogen supplied to the power generation cell is small, power generation is not performed by that small amount, and efficient power generation cannot be performed.

加えて、改質反応の初期段階は吸熱密度が極めて大きいことから、効率の良い熱回収を行うために高い温度場である燃料電池スタックの近傍に燃料改質器を配置すると、改質器による吸熱で燃料電池スタックが不用意に冷却されることから、局部的に発電性能が低下し、燃料電池スタック全体としての効率的な発電が行えなくなるという問題がある。 In addition, the initial stage of the reforming reaction has an extremely high endothermic density. Therefore, if a fuel reformer is placed in the vicinity of the fuel cell stack, which is a high temperature field, for efficient heat recovery, Since the fuel cell stack is carelessly cooled due to heat absorption, there is a problem that the power generation performance is locally reduced, and efficient power generation as the whole fuel cell stack cannot be performed.

本発明は、このような内部改質に伴う問題に鑑み成されたもので、燃料改質装置を多段構成とすることにより、比較的低い温度雰囲気下においても高転化率の改質を可能とすると共に、吸熱反応による燃料電池スタックへの熱的影響を極力回避した高効率の燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the problems associated with such internal reforming, and by making the fuel reformer a multi-stage configuration, it is possible to reform at a high conversion rate even in a relatively low temperature atmosphere. In addition, an object of the present invention is to provide a highly efficient fuel cell that avoids as much as possible the thermal influence on the fuel cell stack due to the endothermic reaction.

すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に多数積層して燃料電池スタックを構成し、燃料改質装置とともに断熱ハウジング内に設置して構成した燃料電池において、前記燃料改質装置は、内部に改質触媒を充填した複数の改質器と、これら改質器の間に介在され、前記燃料電池スタックからの排ガスおよび輻射により改質反応に必要な熱を得る複数の燃料熱交換器とで構成されると共に、これら改質器と燃料熱交換器がそれぞれ交互に、且つ、直列的に接続され、前記複数の改質器および燃料熱交換器は、燃料電池スタックの近傍において積層方向の中段部に、且つ、積層方向に沿って配設されていることを特徴としている。 That is, the present invention according to claim 1 is a fuel cell in which a large number of power generation cells and separators are alternately stacked to form a fuel cell stack, and the fuel cell is installed in a heat insulating housing together with a fuel reformer. The reformer includes a plurality of reformers that are filled with a reforming catalyst, and a plurality of reformers that are interposed between the reformers and obtain heat necessary for the reforming reaction by exhaust gas and radiation from the fuel cell stack. These reformers and fuel heat exchangers are connected alternately and in series, and the plurality of reformers and fuel heat exchangers are fuel cell stacks. It is characterized by being arranged in the middle part of the stacking direction in the vicinity of and along the stacking direction .

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記改質器と燃料熱交換器がそれぞれ離間した状態で配設されていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the first aspect, wherein the reformer and the fuel heat exchanger are disposed in a state of being separated from each other.

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池において、初段の改質器は、少なくとも改質可能な最低温度にて改質平衡が得られており、且つ、上流側から下流側に向かって各改質器の改質平衡温度を高くするように前記燃料熱交換器と前記改質器が配置されていることを特徴としている。 Further, according to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, the reformer at the first stage obtains a reforming equilibrium at least at a minimum temperature at which reforming is possible. The fuel heat exchanger and the reformer are arranged so that the reforming equilibrium temperature of each reformer increases from the upstream side toward the downstream side.

また、請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックを前記ハウジング内の中央付近に配置し、当該燃料電池スタックの一方側に最終段の改質器を配置すると共に、燃料電池スタックを挟んでこの改質器と対向する他方側に前記燃料熱交換器とは別の熱交換器類（例えば、空気熱交換器）を配置し、且つ、この熱交換器類と燃料電池スタックとの間に初段の改質器を配置したことを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the third aspect, the fuel cell stack is disposed near the center of the housing, and the reforming of the final stage is performed on one side of the fuel cell stack. A heat exchanger other than the fuel heat exchanger (for example, an air heat exchanger) is disposed on the other side of the fuel cell stack across the fuel cell stack. The first stage reformer is arranged between the heat exchangers and the fuel cell stack.

また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池において、前記燃料電池は、排ガスを前記発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, wherein the fuel cell has a sealless structure that discharges exhaust gas from the outer peripheral portion of the power generation cell. It is a solid oxide fuel cell.

本発明によれば、燃料改質装置を複数の改質器と、その間に介在した複数の燃料熱交換器とで構成し、各改質器に必要な熱を主として前段の燃料熱交換器で得るようにしたので、熱交換性を重視した熱回収効率の良い燃料熱交換器を作製することができると共に、この燃料熱交換器により燃料ガス（混合ガス）を改質可能な温度に加熱して次段の改質器に導入することができるため、各改質器において所定の出口温度で改質平衡ガスを生成することができる。 According to the present invention, the fuel reformer is composed of a plurality of reformers and a plurality of fuel heat exchangers interposed between the reformers, and heat necessary for each reformer is mainly generated by the fuel heat exchanger in the preceding stage. As a result, it is possible to produce a fuel heat exchanger with good heat recovery efficiency that emphasizes heat exchange and to heat the fuel gas (mixed gas) to a reformable temperature with this fuel heat exchanger. Therefore, the reforming equilibrium gas can be generated at a predetermined outlet temperature in each reformer.

また、吸熱密度が極めて大きい初段の改質器をハウジング内の比較的温度の低い場所に配置して低温改質を行うことにより、以降下流側において各改質器の吸熱密度を小さくすることができ、初段の改質器を含むこれら後段側の改質器による吸熱反応により燃料電池スタックが不本意に冷却されて、発電性能が局部的に低下することが回避できると共に、吸熱密度が小さくなった最終段の改質器をハウジング内の高温度場に配置して改質温度を高くすることにより、当改質器において高い転化率の改質平衡ガスを生成することができ、残留メタンの少ない水素リッチな燃料ガスとして燃料電池スタック内部に供給できるようになる。 In addition, by arranging the first-stage reformer with extremely high endothermic density in a relatively low temperature place in the housing and performing low temperature reforming, it is possible to reduce the endothermic density of each reformer on the downstream side thereafter. In addition, the endothermic reaction by these rear-stage reformers including the first-stage reformer can prevent the fuel cell stack from being inadvertently cooled, thereby avoiding a local decrease in power generation performance and reducing the endothermic density. By arranging the final stage reformer in a high temperature field in the housing and raising the reforming temperature, a reforming equilibrium gas with a high conversion rate can be generated in the reformer, and the residual methane It becomes possible to supply the fuel cell stack as a hydrogen-rich fuel gas.

また、燃料熱交換器と改質器を燃料電池スタックの中段部分に、且つ、積層方向に配設することにより、これら燃料熱交換器と改質器の吸熱作用により、端部に比べて温度の高い燃料電池スタックの中段部を冷却してスタック積層方向の温度分布を無くすことができ、これにより、燃料電池スタック全体として効率的な発電が行える共に、高温部において生じ易い発電セルの破損等が防止できるため、燃料電池の耐久性を向上できる。 In addition, by disposing the fuel heat exchanger and the reformer in the middle part of the fuel cell stack and in the stacking direction, the endothermic temperature of these fuel heat exchanger and reformer increases the temperature compared to the end. The temperature distribution in the stacking direction can be eliminated by cooling the middle part of the high fuel cell stack, which enables efficient power generation as a whole fuel cell stack and damages the power generation cells that are likely to occur in the high temperature part. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved.

以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部上面視、図２は同、固体酸化物形燃料電池の内部側面視、図３は燃料電池スタックの要部構成を示し、図４は燃料改質装置各部の作用を示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
1 is an internal top view of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied, FIG. 2 is an internal side view of the solid oxide fuel cell, and FIG. 4 shows the operation of each part of the fuel reformer.

図１、図２において、符号１は固体酸化物形燃料電池、符号２は内壁に断熱材１８を付装したハウジング（缶体）、符号３は積層方向を縦にした状態でハウジング２の内部中央に設置した燃料電池スタックである。 1 and 2, reference numeral 1 is a solid oxide fuel cell, reference numeral 2 is a housing (can body) having an inner wall provided with a heat insulating material 18, and reference numeral 3 is an interior of the housing 2 with the stacking direction being vertical. This is a fuel cell stack installed in the center.

この燃料電池スタック３は、図３に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に多数積層した構造を有する。 As shown in FIG. 3, the fuel cell stack 3 includes a power generation cell 7 in which a fuel electrode layer 5 and an air electrode layer 6 are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 4, and a fuel electrode current collector outside the fuel electrode layer 5. 8, an air electrode current collector 9 outside the air electrode layer 6, and a large number of separators 10 outside the current collectors 8 and 9 are stacked in order.

固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。 The solid electrolyte layer 4 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, the fuel electrode layer 5 is composed of a metal such as Ni or a cermet such as Ni—YSZ, and the air electrode layer 6 is composed of LaMnO ₃ , LaCoO _3. The fuel electrode current collector 8 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as Ni, and the air electrode current collector 9 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as Ag. The separator 10 is made of stainless steel or the like.

セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスマニホールド１３より供給される燃料ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスマニホールド１４より供給される酸化剤ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路１２を備える。 The separator 10 has a function of electrically connecting the power generation cells 7 and supplying a reaction gas to the power generation cells 7. The fuel gas supplied from the fuel gas manifold 13 is introduced from the outer peripheral surface of the separator 10. Then, an oxidant gas supplied from an oxidant gas manifold 14 and an oxidant gas manifold 14 discharged from a substantially central portion of the separator 10 facing the fuel electrode current collector 8 is introduced from the outer peripheral surface of the separator 10. An oxidant gas passage 12 that discharges from substantially the center of the surface facing the air electrode current collector 9 is provided.

この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図３に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。 This solid oxide fuel cell 1 has a sealless structure in which no gas leakage prevention seal is provided on the outer periphery of the power generation cell 7, and during operation, as shown in FIG. 3, the fuel gas passage 11 and the oxidant gas The fuel electrode layer 5 and the air electrode layer 6 are diffused in the outer circumferential direction of the power generation cell 7 while the fuel gas and the oxidant gas (air) discharged toward the power generation cell 7 from the substantially central portion of the separator 10 through the passage 12. The power generation reaction is caused to spread over the entire surface with a good distribution, and the remaining gas (exhaust gas) that has not been consumed by the power generation reaction is freely released from the outer periphery of the power generation cell 7 to the outside.

また、燃料電池スタック３の他、その周辺には、都市ガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料ガス）を水素リッチな燃料ガスに改質するための燃料改質装置２０や空気予熱用の空気熱交換器３０等が配設されている。
燃料改質装置２０の入口側には外部からの燃料ガス供給管１５が接続されていると共に、出口側は燃料電池スタック内部に配設された燃料ガスマニホールド１３に接続されている。また、空気熱交換器３０の入口側には外部からの酸化剤ガス供給管１６が接続されていると共に、出口側はスタック内部の酸化剤ガスマニホールド１４に接続されている。 In addition to the fuel cell stack 3, there are a fuel reformer 20 for reforming a hydrocarbon fuel gas (raw fuel gas) such as city gas into a hydrogen-rich fuel gas, and air preheating air. A heat exchanger 30 and the like are provided.
A fuel gas supply pipe 15 from the outside is connected to the inlet side of the fuel reformer 20, and the outlet side is connected to a fuel gas manifold 13 disposed inside the fuel cell stack. An oxidant gas supply pipe 16 from the outside is connected to the inlet side of the air heat exchanger 30, and the outlet side is connected to the oxidant gas manifold 14 inside the stack.

そして、上記燃料ガス供給管１５には原燃料ガス（例えば、都市ガス）と水蒸気の混合ガスが導入されると共に、上記酸化剤ガス供給管１６には空気が導入されるようになっている。尚、上述の水蒸気は、当燃料電池スタック３からの排ガスを熱源とする図示しない水蒸気発生器（熱交換器）にて生成される。
これら燃料改質装置２０や空気熱交換器３０は燃料電池スタック３からの十分な熱伝達および輻射熱が得られるよう、それぞれ後述する燃料電池スタック３近傍の適所に配設され、それぞれが、ハウジング２内において効率的な熱回収が行われるように考慮されている。 A mixed gas of raw fuel gas (for example, city gas) and water vapor is introduced into the fuel gas supply pipe 15, and air is introduced into the oxidant gas supply pipe 16. The steam described above is generated by a steam generator (heat exchanger) (not shown) that uses exhaust gas from the fuel cell stack 3 as a heat source.
The fuel reformer 20 and the air heat exchanger 30 are disposed at appropriate positions near the fuel cell stack 3 to be described later so that sufficient heat transfer and radiant heat from the fuel cell stack 3 can be obtained. It is considered that efficient heat recovery is performed in the interior.

ところで、上述の燃料改質装置２０は、内部に改質触媒を充填した第１改質器２１ａ、第２改質器２２ａ、第３改質器２３ａ、第４改質器２４ａの４基の改質器と、これら改質器２１ａ〜２４ａの間に設けられて、燃料電池スタック３からの排ガスを熱源とする第１燃料熱交換器２１ｂ、第２燃料熱交換器、第３燃料熱交換器の３基の燃料熱交換器を備えた多段構成と成され、それぞれが適切に離間した状態で各々配管により順次直列的に接続され、図２に示すように、全体として燃料電池スタック３を取り囲むように積層方向の中央部に、且つ、積層方向に沿って配設されている。 By the way, the above-described fuel reforming apparatus 20 includes four groups of a first reformer 21a, a second reformer 22a, a third reformer 23a, and a fourth reformer 24a filled with a reforming catalyst. A first fuel heat exchanger 21b, a second fuel heat exchanger, and a third fuel heat exchange that are provided between the reformer and the reformers 21a to 24a and use exhaust gas from the fuel cell stack 3 as a heat source. As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 3 as a whole is formed in a multi-stage configuration including three fuel heat exchangers. It is arranged at the center in the stacking direction so as to surround it and along the stacking direction.

即ち、混合ガスは、上流部の燃料ガス供給管１５より燃料改質装置２０に導入され、第１燃料熱交換器２１ｂ〜第１改質器２１ａ〜第２燃料熱交換器２２ｂ〜第２改質器２２ａ〜第３燃料熱交換器２３ｂ〜第３改質器２３ａ〜第４改質器２４といった経路にて流通するようになっている。
加えて、本実施形態では、最上流部に位置する第１改質器２１ａ（初段の改質器）を上記した空気熱交換器３０と燃料電池スタック３の間、即ち、空気熱交換器３０による吸熱作用で雰囲気温度が比較的低下している空間部に配置することで、少なくとも改質可能な最低温度（例えば、３５０〜４００℃）にて改質平衡が得られるようにしており、また、燃料電池スタック３を挟んでこの第１改質器２１ａと対向する高温場に当燃料改質装置２０の最終段となる第４改質器２４ａを配置し、高温度（例えば、６５０〜７００℃）にて改質平衡が得られるようにしている。 That is, the mixed gas is introduced into the fuel reformer 20 through the upstream fuel gas supply pipe 15, and the first fuel heat exchanger 21b to the first reformer 21a to the second fuel heat exchanger 22b to the second reformer. The gas flows through a route from the mass device 22a to the third fuel heat exchanger 23b to the third reformer 23a to the fourth reformer 24.
In addition, in the present embodiment, the first reformer 21a (first-stage reformer) located at the most upstream part is disposed between the air heat exchanger 30 and the fuel cell stack 3, that is, the air heat exchanger 30. By arranging it in a space where the ambient temperature is relatively lowered due to the endothermic action, the reforming equilibrium is obtained at least at the lowest temperature at which reforming is possible (for example, 350 to 400 ° C.). A fourth reformer 24a, which is the final stage of the fuel reformer 20, is disposed in a high-temperature field facing the first reformer 21a with the fuel cell stack 3 interposed therebetween, and a high temperature (for example, 650 to 700). Reforming equilibrium is obtained at (° C.).

ここで、上記構成の燃料改質装置２０の各部における作用の一例を図４を参照して説明すれば、以下の通りである。尚、燃料ガスとして、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）が３．４の都市ガスを使用する。 Here, an example of the operation of each part of the fuel reformer 20 having the above configuration will be described with reference to FIG. Note that city gas having an S / C (steam / carbon ratio) of 3.4 is used as the fuel gas.

先ず、外部からの燃料ガスは燃料ガス供給管１５より第１燃料熱交換器２１ｂに導入され、第１燃料熱交換器２１ｂにおいて６００℃まで昇温された後、第１改質器２１ａにて改質され、改質出口温度４００℃の改質平衡ガスを生成する。
改質初期段階では吸熱密度が極めて大きいため、上述したように第１改質器２１ａを出口温度の４００℃と同程度の比較的低温度場（空気熱交換器３０と燃料電池スタック３の間）に配置して低温改質を行うことにより、吸熱反応による燃料電池スタック３の局部的な冷却を防止し、発電性能の不本意な低下を回避している。 First, fuel gas from the outside is introduced into the first fuel heat exchanger 21b from the fuel gas supply pipe 15, heated up to 600 ° C. in the first fuel heat exchanger 21b, and then in the first reformer 21a. Reformed to produce a reformed equilibrium gas having a reforming outlet temperature of 400 ° C.
Since the endothermic density is extremely high in the reforming initial stage, the first reformer 21a is placed in a relatively low temperature field (between the air heat exchanger 30 and the fuel cell stack 3) as the outlet temperature of 400 ° C. as described above. ) To perform low temperature reforming, local cooling of the fuel cell stack 3 due to endothermic reaction is prevented, and unintentional decline in power generation performance is avoided.

次ぎに、先の第１改質器２１ａでの吸熱反応により、温度が低下した燃料ガスは、第２燃料熱交換器２２ｂにより再度６００℃まで昇温された後、第２改質器２２ａにおいて、上記第１改質器２１ａの時よりさらに高い改質出口温度４６０℃にて改質平衡ガスを生成する。 Next, the fuel gas whose temperature has decreased due to the endothermic reaction in the first reformer 21a is heated again to 600 ° C. by the second fuel heat exchanger 22b, and then in the second reformer 22a. The reforming equilibrium gas is generated at a reforming outlet temperature of 460 ° C. which is higher than that in the first reformer 21a.

次ぎに、この第２改質器２２ａの吸熱反応で６００℃から４６０℃に低下した燃料ガスは、次段の第３燃料熱交換器２３ｂにおいて６００℃まで昇温された後、第３改質器２３ａにおいて改質出口温度５００℃の改質平衡ガスを生成する。 Next, the fuel gas that has decreased from 600 ° C. to 460 ° C. by the endothermic reaction of the second reformer 22a is heated to 600 ° C. in the third fuel heat exchanger 23b in the next stage, and then the third reformer. A reforming equilibrium gas having a reforming outlet temperature of 500 ° C. is generated in the vessel 23a.

ここで、第１改質器２１ａ〜第３改質器２３ａでの吸熱反応は、主として、それぞれの改質器の前段に配設された第１燃料熱交換器２１ｂ〜第３燃料熱交換器２３ｂの各々により加熱・昇温された燃料ガス自体の有する熱を使用して行われており、この段階では既に、燃料改質装置全体の改質吸熱（後述する改質出口温度６５０℃の改質平衡を得るための吸熱量）の内の約４５パーセントの吸熱が行われている。 Here, the endothermic reaction in the first reformer 21a to the third reformer 23a is mainly performed by the first fuel heat exchanger 21b to the third fuel heat exchanger disposed in the front stage of each reformer. 23b is performed using the heat of the fuel gas itself heated and heated by each of the components 23b. At this stage, the reforming endotherm of the entire fuel reformer (reforming outlet reforming temperature 650 ° C. described later) has already been performed. About 45% of the endotherm is obtained.

次ぎに、最終段の第４改質器２４ａに前段の第３改質器２３ａから直接５００℃の燃料ガスが導入され、この第４改質器２４ａにおいて改質出口温度６５０℃の改質平衡ガスが生成される。
本実施形態では、第３改質器２３ａと第４改質器２４ａとの間に上述したような燃料熱交換器を介在せず、この第４改質器２４ａを積極的な熱交換機能を兼ね備えた構造の改質器とし、上述したように燃料電池スタックを挟んで空気熱交換器３０と対向位置にある高温度場に配置している。 Next, the fuel gas of 500 ° C. is directly introduced from the third reformer 23a of the previous stage into the fourth reformer 24a of the final stage, and the reforming equilibrium at the reforming outlet temperature of 650 ° C. is performed in the fourth reformer 24a. Gas is generated.
In the present embodiment, the fuel heat exchanger as described above is not interposed between the third reformer 23a and the fourth reformer 24a, and the fourth reformer 24a has an active heat exchange function. As described above, the reformer has a combined structure, and is disposed in a high temperature field opposite to the air heat exchanger 30 with the fuel cell stack interposed therebetween.

本実施形態の固体酸化物形燃料電池１は燃料電池スタック３の側部から高温の排ガスを自由に放出するシールレス構造であるから、排熱回収には極めて都合が良いことに加え、上述のように第３改質器２３ａにおいて既に全体の４５％の吸熱が終了しているので、第４改質器２４ａにおける吸熱密度を小さくでき、よって、第４改質器２４ａを高温場に置くことにより改質出口温度を安定改質が可能な６５０℃以上に確保することができ、この６５０℃以上の改質平衡組成において、残留メタン１％台と高い転化率を得ることが可能となり、各発電セル７において効率的で安定した発電が行えるようになる。 Since the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment has a sealless structure that freely releases high-temperature exhaust gas from the side of the fuel cell stack 3, in addition to being extremely convenient for exhaust heat recovery, As described above, since the endothermic heat of 45% of the whole is already finished in the third reformer 23a, the endothermic density in the fourth reformer 24a can be reduced, and therefore the fourth reformer 24a is placed in a high temperature field. Thus, the reforming outlet temperature can be secured at 650 ° C. or higher where stable reforming is possible, and in this reforming equilibrium composition at 650 ° C. or higher, it is possible to obtain a high conversion rate of the residual methane level of 1%. The power generation cell 7 can perform efficient and stable power generation.

また、ハウジング２内に本実施形態の燃料改質装置２０を配設する際、上記したように、改質器２１ａ〜２４ａおよび燃料熱交換器２１ｂ〜２３ｂのそれぞれを燃料電池スタック３の中段部分に配置することにより、これら燃料熱交換器と改質器の吸熱作用により、端部に比べて温度の高い燃料電池スタック３の中段部が冷却されるため、積層方向の温度分布を無くすことができ（所謂、平板積層型の燃料電池スタックでは、熱発散性の違いにより、スタック中段の温度がスタック両端に比べて高くなる傾向にあることが知られている）、これにより、燃料電池スタック全体として効率的な発電が可能となると共に、高温部位において生じる熱応力に起因する発電セル７等の破損等が防止できるため、燃料電池の耐久性を向上できる。 Further, when the fuel reformer 20 of the present embodiment is disposed in the housing 2, as described above, the reformers 21a to 24a and the fuel heat exchangers 21b to 23b are respectively connected to the middle stage portion of the fuel cell stack 3. By disposing in this way, the middle part of the fuel cell stack 3 having a temperature higher than that of the end part is cooled by the endothermic action of the fuel heat exchanger and the reformer, thereby eliminating the temperature distribution in the stacking direction. (In a so-called flat plate type fuel cell stack, it is known that the temperature of the middle stage of the stack tends to be higher than the both ends of the stack due to the difference in heat dissipation). As a result, it is possible to efficiently generate power and to prevent damage to the power generation cell 7 and the like due to thermal stress generated in a high-temperature region, thereby improving the durability of the fuel cell.

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部上面図。1 is an internal top view of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied. 同、固体酸化物形燃料電池の内部側面図。FIG. 2 is an internal side view of the solid oxide fuel cell. 燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。It is a principal part schematic block diagram of a fuel cell stack, and shows the gas flow at the time of operation. 本発明の燃料改質装置の各部における作用の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the effect | action in each part of the fuel reforming apparatus of this invention.

Explanation of symbols

１固体酸化物形燃料電池
３燃料電池スタック
７発電セル
１０セパレータ
２０燃料改質装置
２１ａ〜２４ａ改質器
２１ｂ〜２３ｂ燃料熱交換器
３０熱交換器類（空気熱交換器） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 3 Fuel cell stack 7 Power generation cell 10 Separator 20 Fuel reformer 21a-24a Reformer 21b-23b Fuel heat exchanger 30 Heat exchangers (air heat exchanger)

Claims

In a fuel cell configured by stacking a large number of power generation cells and separators alternately to form a fuel cell stack, installed in a heat insulating housing together with a fuel reformer,
The fuel reformer is interposed between a plurality of reformers filled with a reforming catalyst and the reformer, and generates heat necessary for a reforming reaction by exhaust gas and radiation from the fuel cell stack. A plurality of obtained fuel heat exchangers, and these reformers and fuel heat exchangers are connected alternately and in series ,
The plurality of reformers and the fuel heat exchanger are disposed in the middle of the stacking direction in the vicinity of the fuel cell stack and along the stacking direction .

The fuel cell according to claim 1, wherein the reformer and the fuel heat exchanger are disposed in a state of being separated from each other.

The reformer at the first stage has a reforming equilibrium at least at the lowest temperature at which reforming is possible, and the reforming equilibrium temperature of each reformer is increased from the upstream side toward the downstream side. The fuel cell according to claim 1, wherein a fuel heat exchanger and the reformer are arranged.

The fuel cell stack is disposed near the center of the housing, the final reformer is disposed on one side of the fuel cell stack, and the other side of the fuel cell stack is opposed to the reformer. 4. A heat exchanger other than the fuel heat exchanger is disposed, and a first-stage reformer is disposed between the heat exchanger and the fuel cell stack. Fuel cell.

The fuel cell, the fuel cell according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell der Rukoto the sealless structure for discharging exhaust gas from the outer periphery of the power generation cell to claim 4 .