JP5725048B2 - Fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、高温型の燃料電池スタックを当該燃料電池スタックに供給される前の反応ガスと熱交換させる燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device that exchanges heat between a high-temperature fuel cell stack and a reaction gas before being supplied to the fuel cell stack.

従来、高温（例えば、５００℃以上）で作動する高温型の燃料電池スタックとして、固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell）が存在する。   Conventionally, solid oxide fuel cells (SOFCs) and molten carbonate fuel cells (MCFCs) are used as high-temperature fuel cell stacks that operate at high temperatures (eg, 500 ° C or higher). Exists.

この種の高温型の燃料電池スタックは、発電時に発熱反応を伴い、発電時の作動温度が高い程、酸素イオンの導電性が高く発電効率の観点から有利となる。   This type of high-temperature fuel cell stack involves an exothermic reaction during power generation, and the higher the operating temperature during power generation, the higher the conductivity of oxygen ions and the more advantageous from the viewpoint of power generation efficiency.

しかし、燃料電池スタックを構成する構成材料等の耐熱性の面から作動温度を所定温度（例えば、１０００℃）に維持することが要求されており、燃料電池スタックが必要以上に発熱しないように不要な熱を除去する必要がある。   However, it is required that the operating temperature be maintained at a predetermined temperature (for example, 1000 ° C.) from the heat resistance aspect of the constituent materials constituting the fuel cell stack, and is not necessary so that the fuel cell stack does not generate more heat than necessary. Heat must be removed.

また、燃料電池装置には、都市ガス等の燃料ガス（原燃料）を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器が設けられている。この燃料改質器としては、水蒸気と原燃料ガスとを混合させた後、高温の雰囲気下にて、水蒸気と原燃料ガスの炭化水素とを改質反応（水蒸気改質）させて、水素リッチな燃料ガスを生成するものがある。水蒸気と原燃料ガスの炭化水素との改質反応は、吸熱反応であるため、燃料改質器を高温にする必要がある。   In addition, the fuel cell device is provided with a fuel reformer that reforms a fuel gas (raw fuel) such as city gas into a hydrogen-rich fuel gas. In this fuel reformer, after steam and raw fuel gas are mixed, reforming reaction (steam reforming) of water vapor and hydrocarbons of raw fuel gas is performed in a high-temperature atmosphere, and hydrogen rich. Some of them generate fuel gas. Since the reforming reaction between the steam and the hydrocarbon of the raw fuel gas is an endothermic reaction, the fuel reformer needs to be heated to a high temperature.

そこで、高温型の燃料電池スタックを収容する発電室内に、燃料電池スタックで生ずる反応熱を放射熱として受熱し、発電に利用される燃料ガスまたは空気を予熱する放射型熱交換器を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   Therefore, a configuration is provided in which a radiation heat exchanger that receives reaction heat generated in the fuel cell stack as radiant heat and preheats fuel gas or air used for power generation is provided in a power generation chamber that accommodates the high-temperature fuel cell stack. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開平９−７６２４号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-7624

ところで、特許文献１にて放射型熱交換器として用いる熱交換器は、温度分布が大きくなり易い構成となっている。具体的には、特許文献１では、空気を下方側から上方側へと一方向に流通させる熱交換器を放射型熱交換器として採用しており、熱交換器における空気流れ上流側の下方部位が低温、空気流れ下流側の上方部位が高温となり易い。   By the way, the heat exchanger used as a radiation type heat exchanger in Patent Document 1 has a configuration in which the temperature distribution tends to increase. Specifically, in Patent Document 1, a heat exchanger that circulates air in one direction from the lower side to the upper side is adopted as a radiant heat exchanger, and the lower part on the upstream side of the air flow in the heat exchanger However, the upper part on the downstream side of the air flow tends to be hot.

このため、燃料電池スタックにおける熱交換器の下方部位に対向する部位が冷え易く、上方部位に対向する部位が冷え難くなり、燃料電池スタックからの放射熱の熱流束に偏ることで、燃料電池スタックの温度に大きなばらつきが生じてしまう。燃料電池スタックの温度にばらつきが生ずると、燃料電池スタックの低温となる部位の発電効率が低下したり、燃料電池スタックの高温となる部位に生ずる熱応力に起因して破損したりする虞がある。   For this reason, the part facing the lower part of the heat exchanger in the fuel cell stack is easily cooled, the part facing the upper part is difficult to cool, and the fuel cell stack is biased toward the heat flux of the radiant heat from the fuel cell stack. The temperature will vary greatly. If the temperature of the fuel cell stack varies, the power generation efficiency at the low temperature portion of the fuel cell stack may decrease, or it may be damaged due to thermal stress generated at the high temperature portion of the fuel cell stack. .

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池スタックにおける温度ばらつきを抑制しつつ燃料電池スタックからの熱回収を実現可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of realizing heat recovery from a fuel cell stack while suppressing temperature variations in the fuel cell stack.

上記目的を達成するため、請求項１〜３に記載の発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック（１０）と、燃料電池スタックと対向するように配置され、燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段（３４、４４）と、を備え、熱交換媒体は、燃料電池スタックに供給される前の燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれかであり、熱交換手段は、燃料電池スタックに対向する対向面の温度分布が均一となるように、熱交換媒体の流路（３４５）が設定されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first to third aspects of the present invention, a fuel cell stack (10) that outputs electric energy by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel cell stack so as to face each other. And heat exchange means (34, 44) for exchanging radiant heat from the fuel cell stack with the heat exchange medium, wherein the heat exchange medium is fuel gas and oxidant before being supplied to the fuel cell stack The heat exchange means, which is one of gases, is characterized in that the flow path (345) of the heat exchange medium is set so that the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack is uniform.

これによれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入する熱交換手段の流路を燃料電池スタックに対向する対向面の温度分布が均一となるように設定しているので、燃料電池スタックの温度ばらつきを抑制しつつ、燃料電池スタックにおける余剰の熱を回収することができる。   According to this, since the flow path of the heat exchange means into which the fuel gas or oxidant gas flows is set so that the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack is uniform, the temperature variation of the fuel cell stack The excess heat in the fuel cell stack can be recovered while suppressing the above.

具体的には、請求項１に記載の発明では、熱交換手段における熱交換媒体の流路は、少なくとも一部において熱交換媒体の流れの上流側と熱交換媒体の流れの下流側とが隣り合っていることを特徴としている。 Specifically, in the first aspect of the present invention , the flow path of the heat exchange medium in the heat exchange means is at least partially adjacent to the upstream side of the flow of the heat exchange medium and the downstream side of the flow of the heat exchange medium. It is characterized by matching.

これによれば、高温の熱交換媒体が流通する下流側と、低温の熱交換媒体が流通する上流側とが隣り合うので、熱交換手段における燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布を緩和することができる。
また、請求項２に記載の発明では、熱交換手段は、熱交換媒体の流路として複数の熱媒体流路（３４５ａ、３４５ｂ）を有しており、複数の熱媒体流路のうち、少なくとも一部の隣り合う熱媒体流路は、一方の熱媒体流路（３４５ａ）における熱交換媒体の流入部が、他方の熱媒体流路（３４５ｂ）における熱交換媒体の流出部と隣り合い、他方の熱媒体流路における熱交換媒体の流入部が、一方の熱媒体流路における熱交換媒体の流出部と隣り合っていることを特徴としている。
さらに、請求項３に記載の発明では、熱交換手段は、熱交換媒体の流路として複数の熱媒体流路（３４５）を有しており、熱媒体流路は、熱媒体流路を流れる熱交換媒体の流れ方向を反転させる反転部（３４５ｅ）が設けられ、反転部の上流側の流路（３４５ｃ）が反転部の下流側の流路（３４５ｄ）と隣り合っていることを特徴としている。 According to this, since the downstream side through which the high-temperature heat exchange medium flows and the upstream side through which the low-temperature heat exchange medium flow are adjacent to each other, the temperature distribution on the facing surface of the heat exchange means facing the fuel cell stack 10 is Can be relaxed.
In the invention according to claim 2, the heat exchanging means has a plurality of heat medium channels (345a, 345b) as the heat exchange medium channels, and at least of the plurality of heat medium channels. In some adjacent heat medium flow paths, the heat exchange medium inflow part in one heat medium flow path (345a) is adjacent to the heat exchange medium outflow part in the other heat medium flow path (345b), and the other The inflow part of the heat exchange medium in the heat medium flow path is adjacent to the outflow part of the heat exchange medium in one heat medium flow path.
Furthermore, in the invention according to claim 3, the heat exchange means has a plurality of heat medium flow paths (345) as the heat exchange medium flow paths, and the heat medium flow paths flow through the heat medium flow paths. A reversing section (345e) for reversing the flow direction of the heat exchange medium is provided, and the upstream flow path (345c) of the reversing section is adjacent to the downstream flow path (345d) of the reversing section. Yes.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。   In addition, the code | symbol in the parenthesis of each means described in this column and the claim shows an example of a correspondence relationship with the specific means described in the embodiment described later.

第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 第１実施形態に係る燃料電池装置の模式的な構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell device according to a first embodiment. 図２のIII−III断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 図３のIV−IV断面図である。It is IV-IV sectional drawing of FIG. 図３のV−V断面図である。It is VV sectional drawing of FIG. 図３のVI−VI断面図である。It is VI-VI sectional drawing of FIG. 第１実施形態の変形例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the modification of 1st Embodiment. 図７のVIII−VIII断面図である。It is VIII-VIII sectional drawing of FIG. 第２実施形態に係る燃料電池装置の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the fuel cell apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 図９のX−X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 図１０のXI−XI断面図である。It is XI-XI sectional drawing of FIG. 第３実施形態に係る燃料電池装置の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the fuel cell apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第３実施形態に係る燃料電池装置の変形例を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the modification of the fuel cell apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 空気流路の変形例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the modification of an air flow path. 空気流路の変形例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the modification of an air flow path. 空気流路の変形例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the modification of an air flow path. 空気流路の変形例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the modification of an air flow path.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。本実施形態では、図１に示す燃料電池システムに本発明の燃料電池装置１を適用している。 (First embodiment)
First, the first embodiment will be described. In this embodiment, the fuel cell device 1 of the present invention is applied to the fuel cell system shown in FIG.

本実施形態の燃料電池装置１は、断熱性を有するハウジング２、ハウジング２の内部に収容された燃料電池スタック１０、後述する第２空気予熱器３４および燃料改質器４４にて構成されている。なお、燃料電池装置１の内部における具体的な形態については後述する。   The fuel cell device 1 of the present embodiment includes a heat-insulating housing 2, a fuel cell stack 10 accommodated in the housing 2, a second air preheater 34 and a fuel reformer 44 described later. . A specific form inside the fuel cell device 1 will be described later.

燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル１０ａを、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が形成されたセパレータ１４、１５を介して積層した積層体である。   The fuel cell stack 10 includes a plurality of power generation cells 10a that output electric energy by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas (air in this embodiment), and a flow path for the fuel gas and the oxidant gas. It is a laminated body laminated via separators 14 and 15.

本実施形態の燃料電池スタック１０は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成されている。なお、説明の便宜上、図１では、燃料電池スタック１０を単一の発電セル１０ａとして図示している。   The fuel cell stack 10 of the present embodiment is composed of a solid oxide fuel cell (SOFC) whose operating temperature is high (for example, 500 ° C. to 1000 ° C.). For convenience of explanation, FIG. 1 shows the fuel cell stack 10 as a single power generation cell 10a.

本実施形態の発電セル１０ａは、固体電解質体１１、空気極（カソード）１２、燃料極（アノード）１３で構成されている。なお、本実施形態の発電セル１０ａは、炭化水素系の原料であるメタンガス（ＣＨ４）を改質した改質ガス（Ｈ２、ＣＯ）を燃料としている。 The power generation cell 10 a of this embodiment includes a solid electrolyte body 11, an air electrode (cathode) 12, and a fuel electrode (anode) 13. The power generation cell 10a of the present embodiment uses a reformed gas (H 2 , CO) obtained by reforming methane gas (CH 4 ), which is a hydrocarbon-based material, as fuel.

セパレータ１４、１５は、各発電セル１０ａを電気的に接続すると共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスを各発電セル１０ａへ供給する機能を有する。なお、セパレータ１４、１５には、燃料ガスを各発電セル１０ａへ供給する燃料ガス通路（図示略）、および空気を各発電セル１０ａへ供給する空気通路（図示略）が形成されている。   The separators 14 and 15 have functions of electrically connecting the power generation cells 10a and supplying a reaction gas such as a fuel gas and an oxidant gas to the power generation cells 10a. The separators 14 and 15 are formed with a fuel gas passage (not shown) for supplying fuel gas to each power generation cell 10a and an air passage (not shown) for supplying air to each power generation cell 10a.

本実施形態の燃料電池スタック１０は、発電セル１０ａの外周部にガス漏れ防止シール（図示略）が設けられたシール構造となっており、各発電セル１０ａからのオフガスが、図示しないマニホールドを介して、後述する空気排出経路６ａ、燃料排出経路６ｂに排出される。なお、燃料電池スタック１０の構造の簡素化を図るために、燃料電池スタック１０を発電セル１０ａの排出側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してもよい。   The fuel cell stack 10 of this embodiment has a seal structure in which a gas leak prevention seal (not shown) is provided on the outer periphery of the power generation cell 10a, and off-gas from each power generation cell 10a passes through a manifold (not shown). Then, the gas is discharged to an air discharge path 6a and a fuel discharge path 6b described later. In order to simplify the structure of the fuel cell stack 10, the fuel cell stack 10 may have a sealless structure in which a gas leakage prevention seal is not provided on the outer peripheral portion on the discharge side of the power generation cell 10a.

各発電セル１０ａでは、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−…Ｆ１
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−…Ｆ２
また、各発電セル１０ａでは、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ−…Ｆ３
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−…Ｆ４
燃料電池スタック１０の空気の入口側には、空気の供給経路である空気供給経路３が接続されている。この空気供給経路３には、空気流れ上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１、燃料電池スタック１０へと空気を圧送する空気用ブロワ３２、第１空気予熱器３３、および第２空気予熱器３４が設けられている。 In each power generation cell 10a, electric energy is output by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen shown in the following reaction formulas F1 and F2.
(Fuel electrode) 2H 2 + 2O 2- → 2H 2 O + 4e - ... F1
(Air electrode) O 2 + 4e − → 2O 2− … F2
In each power generation cell 10a, electric energy is output by an electrochemical reaction of carbon monoxide (CO) and oxygen shown in the following reaction formulas F3 and F4.
(Fuel electrode) 2CO + 2O 2- → 2CO 2 + 4e - ... F3
(Air electrode) O 2 + 4e − → 2O 2− … F4
An air supply path 3 that is an air supply path is connected to the air inlet side of the fuel cell stack 10. In the air supply path 3, an air filter 31 that removes dust and the like, an air blower 32 that pumps air to the fuel cell stack 10, a first air preheater 33, A two-air preheater 34 is provided.

各空気予熱器３３、３４それぞれは、燃料電池スタック１０の空気極１２に供給する空気と燃料極１３に供給する高温の燃料ガスとの温度差を縮小して、各発電セル１０ａにおける発電効率の向上を図るために設けられている。   Each of the air preheaters 33 and 34 reduces the temperature difference between the air supplied to the air electrode 12 of the fuel cell stack 10 and the high-temperature fuel gas supplied to the fuel electrode 13, thereby improving the power generation efficiency in each power generation cell 10 a. It is provided for improvement.

第１空気予熱器３３は、空気用ブロワ３２から圧送された空気を、後述するオフガス燃焼器６１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。第１空気予熱器３３では、空気用ブロワ３２から圧送された空気と、発電時における燃料電池スタック１０の温度（例えば、７００℃〜８００℃）よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。   The first air preheater 33 heats the air fed from the air blower 32 by exchanging heat with combustion gas generated by an off-gas combustor 61 described later. In the 1st air preheater 33, the low temperature which heat-exchanges the air pumped from the air blower 32, and the combustion gas of temperature lower than the temperature (for example, 700 to 800 degreeC) of the fuel cell stack 10 at the time of electric power generation. This is a preheater.

なお、第１空気予熱器３３は、その内部における空気が、後述する燃料改質器４４に流入する燃料ガスと同等の温度に昇温するように構成することが望ましい。これによれば、後述の燃料電池スタック１０の周囲に配置される第２空気予熱器３４および燃料改質器４４に流入する熱交換媒体の温度が同等となり、各機器３４、４４の温度域を同程度することができ、燃料電池スタック１０の温度ばらつきの抑制を図ることができる。   Note that the first air preheater 33 is preferably configured so that the temperature of the air in the first air preheater 33 rises to a temperature equivalent to the fuel gas flowing into the fuel reformer 44 described later. According to this, the temperature of the heat exchange medium flowing into the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 arranged around the fuel cell stack 10 to be described later becomes equal, and the temperature range of each device 34, 44 is changed. It is possible to achieve the same level, and the temperature variation of the fuel cell stack 10 can be suppressed.

第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温した空気を、第１空気予熱器３３を流通する燃焼ガスよりも高温の燃焼ガスと熱交換させる高温の予熱器（酸化剤ガス予熱器）である。   The second air preheater 34 is a high-temperature preheater (oxidant) that exchanges heat between the air heated by the first air preheater 33 and combustion gas that is higher in temperature than the combustion gas flowing through the first air preheater 33. Gas preheater).

本実施形態の第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０と共にハウジング２の内部に収容されており、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する空気を加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。本実施形態の第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温した空気を熱交換媒体として、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱と熱交換させる熱交換手段を構成している。なお、第２空気予熱器３４には、発電時における燃料電池スタック１０の温度よりも低い空気が流入する。   The second air preheater 34 of the present embodiment is housed inside the housing 2 together with the fuel cell stack 10, absorbs radiant heat generated during power generation of the fuel cell stack 10, and heats the air flowing through the inside. It consists of a radiant heat type heat exchanger. The second air preheater 34 of the present embodiment constitutes a heat exchanging means for exchanging heat with the radiant heat generated during power generation of the fuel cell stack 10 using the air heated by the first air preheater 33 as a heat exchange medium. ing. Air that is lower than the temperature of the fuel cell stack 10 during power generation flows into the second air preheater 34.

一方、燃料電池スタック１０の燃料ガスの入口側には、燃料ガスの供給経路である燃料供給経路４が接続されている。この燃料供給経路４には、燃料ガス流れ上流側から順に、燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、燃料電池スタック１０へと燃料ガスを圧送する燃料用ブロワ４２、燃料予熱器４３、燃料改質器４４が設けられている。   On the other hand, a fuel supply path 4 that is a fuel gas supply path is connected to the fuel gas inlet side of the fuel cell stack 10. In this fuel supply path 4, a desulfurizer 41 that removes sulfur components contained in the fuel gas, a fuel blower 42 that pumps the fuel gas to the fuel cell stack 10, and a fuel preheater 43 in order from the upstream side of the fuel gas flow. A fuel reformer 44 is provided.

燃料予熱器４３は、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスを後述するオフガス燃焼器６１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。この燃料予熱器４３は、水供給経路５にも接続されており、純水器５１を介して水ポンプ５２から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。なお、燃料予熱器４３では、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスと燃料電池スタック１０よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。   The fuel preheater 43 heats the fuel gas pumped from the fuel blower 42 by exchanging heat with a combustion gas generated by an off-gas combustor 61 described later. The fuel preheater 43 is also connected to the water supply path 5 and functions as a water vapor generator that evaporates water supplied from the water pump 52 via the pure water device 51 by heat exchange with the combustion gas. Plays. The fuel preheater 43 is a low-temperature preheater that exchanges heat between the fuel gas pumped from the fuel blower 42 and the combustion gas having a temperature lower than that of the fuel cell stack 10.

燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて加熱された燃料ガス、および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。   The fuel reformer 44 heats the mixed gas obtained by mixing the fuel gas heated by the fuel preheater 43 and the steam with the combustion gas and heats it, and also contains hydrogen and carbon monoxide by steam reforming. It is a fuel gas generator that generates gas.

本実施形態の燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０や第２空気予熱器３４と共にハウジング２の内部に収容されており、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する燃料ガスを加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。本実施形態の燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて昇温した燃料ガスを熱交換媒体として、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱と熱交換させる熱交換手段を構成している。なお、燃料改質器４４には、発電時における燃料電池スタック１０の温度（例えば、７００℃〜８００℃）よりも低い燃料ガスが流入する。   The fuel reformer 44 of this embodiment is housed inside the housing 2 together with the fuel cell stack 10 and the second air preheater 34, absorbs radiant heat generated during power generation of the fuel cell stack 10, and It consists of a radiant heat type heat exchanger that heats the fuel gas that circulates. The fuel reformer 44 of the present embodiment constitutes heat exchange means for exchanging heat with radiant heat generated during power generation of the fuel cell stack 10 using the fuel gas heated by the fuel preheater 43 as a heat exchange medium. . A fuel gas lower than the temperature of the fuel cell stack 10 during power generation (for example, 700 ° C. to 800 ° C.) flows into the fuel reformer 44.

ここで、水蒸気改質は、吸熱反応であり、本実施形態の如く、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱可能な高温の条件下で行うことで、より高転化率の改質反応を実現することができる。但し、燃料電池スタック１０の起動時等には、燃料改質器４４にて部分酸化改質を行うようにしてもよい。   Here, the steam reforming is an endothermic reaction, and, as in this embodiment, the reforming reaction with a higher conversion rate is performed by performing it under a high temperature condition that can absorb the radiant heat generated during power generation of the fuel cell stack 10. Can be realized. However, partial oxidation reforming may be performed by the fuel reformer 44 when the fuel cell stack 10 is started.

なお、図示しないが、空気供給経路３および燃料供給経路４それぞれには、燃料電池スタック１０に供給する燃料ガスの供給量を調整する調整弁や、燃料電池スタック１０に供給する空気の供給量を調整する調整弁等が設けられている。   Although not shown, each of the air supply path 3 and the fuel supply path 4 includes an adjustment valve for adjusting the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack 10 and the amount of air supplied to the fuel cell stack 10. An adjustment valve or the like for adjustment is provided.

燃料電池スタック１０の空気の出口側には、燃料電池スタック１０からの排出空気（酸化剤ガスのオフガス）が流れる空気排出経路６ａが接続され、燃料電池スタック１０の燃料ガスの出口側には、排出燃料（燃料ガスのオフガス）が流れる燃料排出経路６ｂが接続されている。各排出経路６ａ、６ｂは、オフガス燃焼器６１に接続されている。   An air discharge path 6a through which exhaust air (oxidant gas off-gas) from the fuel cell stack 10 flows is connected to the air outlet side of the fuel cell stack 10, and on the fuel gas outlet side of the fuel cell stack 10, A fuel discharge path 6b through which discharged fuel (fuel gas off-gas) flows is connected. Each discharge path 6 a, 6 b is connected to an off-gas combustor 61.

オフガス燃焼器６１は、排出燃料と排出空気とを混合して燃焼させることで、燃料電池スタック１０に供給する空気や燃料ガスの予熱等の熱源として利用される高温（例えば、９００℃〜１０００℃）の燃焼ガスを生成するものである。   The off-gas combustor 61 mixes and burns the discharged fuel and the discharged air, and thus is used as a heat source for preheating the air and fuel gas supplied to the fuel cell stack 10 (for example, 900 ° C. to 1000 ° C. ) Combustion gas.

このオフガス燃焼器６１には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路６が接続されている。この燃焼ガス経路６は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３といった機器に接続されている。なお、図示しないが、燃焼ガス経路６における第１空気予熱器３３の下流側には、給湯水を加熱する熱交換器を設けられており、燃料ガスが有する熱にて、給湯水等を加熱するようになっている。   The off gas combustor 61 is connected to a combustion gas path 6 for discharging high temperature combustion gas. The combustion gas path 6 is a device such as a fuel reformer 44, a second air preheater 34, a fuel preheater 43, and a first air preheater 33 in order from the upstream side in order to effectively use the heat of the combustion gas flowing inside. It is connected to the. Although not shown, a heat exchanger for heating hot water is provided on the downstream side of the first air preheater 33 in the combustion gas path 6 so that the hot water is heated by the heat of the fuel gas. It is supposed to be.

続いて、本実施形態の燃料電池装置１の内部における具体的な形態について、図２〜図６を用いて説明する。なお、図６の第１空気流路３４５ａ内の「×」印は、空気の流通方向が、紙面手前側から奥側となることを示す記号であり、図６の第２空気流路３４５ｂ内の「・」印は、空気の流通方向が、紙面奥側から手前側となることを示す記号である。このことは、他の図面においても同様である。   Then, the specific form inside the fuel cell apparatus 1 of this embodiment is demonstrated using FIGS. In addition, the “x” mark in the first air flow path 345a in FIG. 6 is a symbol indicating that the air flow direction is from the front side to the back side in the drawing, and in the second air flow path 345b in FIG. The “·” mark indicates that the air flow direction is from the back side to the front side. The same applies to other drawings.

図２に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１０は、天地方向が発電セル１０ａの積層方向と一致するように、ハウジング２の中央部に配置されている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 10 of the present embodiment is disposed at the center of the housing 2 so that the top-to-bottom direction matches the stacking direction of the power generation cells 10 a.

本実施形態の燃料電池スタック１０は、内部に空気を導入する第１、第２空気導入部１４１ａ、１４１ｂが後述する第２空気予熱器３４の第１、第２空気出口部３４２ａ、３４２ｂに接続され、内部から空気を排出する第１、第２空気排出部１４２が空気排出経路６ａに接続されている。   In the fuel cell stack 10 of the present embodiment, first and second air introduction portions 141a and 141b for introducing air into the interior are connected to first and second air outlet portions 342a and 342b of a second air preheater 34 described later. The first and second air discharge portions 142 that discharge air from the inside are connected to the air discharge path 6a.

また、燃料電池スタック１０は、内部に燃料ガスを導入する第１、第２燃料導入部１５１ａ、１５１ｂが後述する燃料改質器４４の第１、第２燃料出口部４４２ａ、４４２ｂに接続され、内部から燃料ガスを排出する燃料排出部１５２が燃料排出経路６ｂに接続されている。   Further, in the fuel cell stack 10, first and second fuel introduction portions 151a and 151b for introducing fuel gas therein are connected to first and second fuel outlet portions 442a and 442b of a fuel reformer 44 described later, A fuel discharge portion 152 that discharges fuel gas from the inside is connected to the fuel discharge path 6b.

本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０の周囲に配置されている。また、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０からの充分な熱伝達、および放射熱（輻射熱）が得られるように、燃料電池スタック１０における積層面に対向する位置に燃料電池スタック１０から適切に離間して配置されている。なお、本実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４のうち、一方の熱交換手段と燃料電池スタック１０との間に、他方の熱交換手段が介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置している。   The second air preheater 34 and the fuel reformer 44 of the present embodiment are disposed around the fuel cell stack 10. Further, the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 of the present embodiment are stacked on the fuel cell stack 10 so that sufficient heat transfer from the fuel cell stack 10 and radiant heat (radiant heat) can be obtained. Is appropriately spaced from the fuel cell stack 10. In the present embodiment, the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 are disposed between one of the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 and the fuel cell stack 10. The other heat exchanging means is arranged around the fuel cell stack 10 so as not to intervene.

第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温された空気を流入させる第１、第２空気入口部３４１ａ、３４１ｂ、および各空気入口部３４１ａ、３４１ｂから流入した空気を燃料電池スタック１０へ導入する第１、第２空気出口部３４２ａ、３４２ｂが設けられている。   The second air preheater 34 fuels the air flowing in from the first and second air inlet portions 341a and 341b and the air inlet portions 341a and 341b through which the air heated by the first air preheater 33 flows. First and second air outlet portions 342a and 342b to be introduced into the battery stack 10 are provided.

より具体的には、第２空気予熱器３４は、図３〜図６に示すように、第１空気入口部３４１ａからの空気が流入する第１空気流入タンク３４３ａ（図４参照）、第１空気流入タンク３４３ａに流入した空気が流通する複数の第１空気流路３４５ａ、各第１空気流路３４５ａからの空気を集合させて第１空気出口部３４２ａへ導く第１空気流出タンク３４４ａ（図５参照）を有する。   More specifically, as shown in FIGS. 3 to 6, the second air preheater 34 includes a first air inflow tank 343a (see FIG. 4) and a first air inflow from the first air inlet 341a. A plurality of first air passages 345a through which air flowing into the air inflow tank 343a circulates, and a first air outflow tank 344a that collects air from the first air passages 345a and guides the air to the first air outlet 342a (FIG. 5).

また、第２空気予熱器３４は、第２空気入口部３４１ｂからの空気が流入する第２空気流入タンク３４３ｂ（図５参照）、第２空気流入タンク３４３ｂに流入した空気が流通する複数の第２空気流路３４５ｂ、各第２空気流路３４５ｂからの空気を集合させて第２空気出口部３４２ｂへ導く第２空気流出タンク３４４ｂ（図４参照）を有する。   The second air preheater 34 includes a plurality of second air inflow tanks 343b (see FIG. 5) into which air from the second air inlet portion 341b flows and a plurality of second air inflows into the second air inflow tank 343b. 2 air passages 345b, and a second air outflow tank 344b (see FIG. 4) that collects air from the second air passages 345b and guides the air to the second air outlet 342b.

本実施形態の第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が均一となるように、第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂが設定されている。なお、本実施形態の第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂは、燃料電池スタック１０の積層方向に延びるように設定されている。   In the second air preheater 34 of the present embodiment, the first and second air flow paths 345a and 345b are set so that the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack 10 is uniform. Note that the first and second air flow paths 345 a and 345 b of the present embodiment are set so as to extend in the stacking direction of the fuel cell stack 10.

具体的には、本実施形態の第２空気予熱器３４には、第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂにおける空気流れの上流側と下流側とが隣り合うように各空気流路３４５ａ、３４５ｂが交互に設定されている。すなわち、第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂは、一方の空気流路における流入部が、他方の空気流路における流出部と隣り合うように設定されている。   Specifically, in the second air preheater 34 of the present embodiment, each air flow path 345a, so that the upstream side and the downstream side of the air flow in the first and second air flow paths 345a and 345b are adjacent to each other. 345b are set alternately. That is, the first and second air flow paths 345a and 345b are set so that the inflow part in one air flow path is adjacent to the outflow part in the other air flow path.

これによれば、第１空気流路３４５における低温の空気が流通する空気流れ上流側と、第２空気流路３４５ｂにおける高温の空気が流通する空気流れ下流側とが隣り合う。また、第１空気流路３４５における高温の空気が流通する空気流れ下流側と、第２空気流路３４５ｂにおける低温の空気が流通する空気流れ上流側とが隣り合う。これにより、第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。   According to this, the air flow upstream side in which the low temperature air flows in the first air flow path 345 and the air flow downstream side in which the high temperature air flows in the second air flow path 345b are adjacent to each other. Further, the downstream side of the air flow in which the high temperature air flows in the first air flow path 345 and the upstream side of the air flow in which the low temperature air flows in the second air flow path 345b are adjacent to each other. As a result, the temperature distribution of the facing surface of the second air preheater 34 facing the fuel cell stack 10 is relaxed.

図２に戻り、燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて昇温された燃料ガスを流入させる第１、第２燃料入口部４４１ａ、４４１ｂ、および各燃料入口部４４１ａ、４４１ｂから流入した燃料ガスを燃料電池スタック１０へ導入する第１、第２燃料出口部４４２ａ、４４２ｂが設けられている。   Returning to FIG. 2, the fuel reformer 44 flows in from the first and second fuel inlet portions 441a and 441b and the fuel inlet portions 441a and 441b through which the fuel gas heated by the fuel preheater 43 flows. First and second fuel outlet portions 442a and 442b for introducing the fuel gas into the fuel cell stack 10 are provided.

ここで、図示しないが、本実施形態の燃料改質器４４は、第１燃料入口部４４１ａからの燃料ガスが流通する第１燃料流路、第２燃料入口部４４１ｂからの燃料ガスが流通する第２燃料流路を有している。そして、燃料改質器４４では、第２空気予熱器３４と同様に、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が均一となるように、第１、第２燃料流路における燃料ガス流れ上流側と下流側とが隣り合うように、各燃料流路が交互に設定されている。本実施形態の各燃料流路は、燃料電池スタック１０の積層方向に延びるように設定されている。なお、本実施形態では、第２空気予熱器３４における第１、第２空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４における第１、第２燃料流路が、熱交換媒体が流通する熱媒体流路を構成している。   Here, although not shown, in the fuel reformer 44 of the present embodiment, the fuel gas from the first fuel inlet 441a and the fuel gas from the second fuel inlet 441b circulate. A second fuel flow path is provided. In the fuel reformer 44, as with the second air preheater 34, the fuel gas flow in the first and second fuel flow paths is uniform so that the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack 10 is uniform. Each fuel flow path is alternately set so that the upstream side and the downstream side are adjacent to each other. Each fuel flow path of the present embodiment is set to extend in the stacking direction of the fuel cell stack 10. In the present embodiment, the first and second air flow paths 345a and 345b in the second air preheater 34 and the first and second fuel flow paths in the fuel reformer 44 are heat through which the heat exchange medium flows. A medium flow path is configured.

また、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれは、燃料電池スタック１０に対向する対向面が、燃料電池スタック１０の積層面の大きさよりも大きくなっており、燃料電池スタック１０からの距離が互いに等しくなるように配置されている。これにより、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれは、燃料電池スタック１０との対向方向から見たとき、燃料電池スタック１０と対向する対向面が、燃料電池スタック１０の少なくとも一面の全域と重なり合っている。   Further, in each of the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 of the present embodiment, the facing surface facing the fuel cell stack 10 is larger than the size of the stacked surface of the fuel cell stack 10, and the fuel cell. It arrange | positions so that the distance from the stack | stuck 10 may become mutually equal. Thus, each of the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 of the present embodiment has a facing surface facing the fuel cell stack 10 as viewed from the facing direction of the fuel cell stack 10. It overlaps with the whole area of at least one side.

次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。図示しないコントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、空気用ブロワ３２、燃料用ブロワ４２、水ポンプ５２等が作動する。   Next, the operation of the fuel cell system according to the above configuration will be described. When the operation of the fuel cell system is started by a control command from a controller (not shown), the air blower 32, the fuel blower 42, the water pump 52, etc. are operated.

空気供給経路３では、空気用ブロワ３２にて圧送された空気が第１空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、さらに第２空気予熱器３４にて加熱されて燃料電池スタック１０に供給される。   In the air supply path 3, the air pressure-fed by the air blower 32 is heated to a desired temperature by the first air preheater 33, and further heated by the second air preheater 34 to be a fuel cell. Supplied to the stack 10.

一方、燃料供給経路４では、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガス、および水ポンプ５２にて圧送された水が、燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４にてリッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック１０に供給される。   On the other hand, in the fuel supply path 4, the fuel gas pumped by the fuel blower 42 and the water pumped by the water pump 52 are heated to a desired temperature by the fuel preheater 43 and then fuel reformed. The fuel is reformed into rich fuel gas by the vessel 44 and supplied to the fuel cell stack 10.

燃料電池スタック１０は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式Ｆ１〜Ｆ４に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。   When fuel gas and air are supplied, the fuel cell stack 10 outputs electric energy by the electrochemical reaction shown in the above reaction formulas F1 to F4 using hydrogen and carbon monoxide as fuel.

燃料電池スタック１０から排出された各オフガスは、オフガス燃焼器６１にて燃焼される。そして、オフガス燃焼器６１にて生ずる高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路６を介して燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。   Each off gas discharged from the fuel cell stack 10 is burned in the off gas combustor 61. The high-temperature combustion gas generated in the off-gas combustor 61 flows in the order of the fuel reformer 44, the second air preheater 34, the fuel preheater 43, and the first air preheater 33 via the combustion gas path 6. After being used as a heat source in each device, it is discharged outside.

以上説明した本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれが、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が均一となるように、各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および各燃料流路が設定されている。   In the fuel cell device 1 according to the present embodiment described above, each air flow is such that the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 each have a uniform temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack 10. The paths 345a and 345b and each fuel flow path are set.

具体的には、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および各燃料流路それぞれが、ガス流れ下流側と上流側とが隣り合うように設定されている。   Specifically, the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 are set so that the air flow paths 345a and 345b and the fuel flow paths are adjacent to the gas flow downstream side and the upstream side, respectively. ing.

これによれば、各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および各燃料流路における高温の流体が流通するガス流れ下流側と、低温の空気が流通するガス流れ上流側とが隣り合うので、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。従って、本実施形態の燃料電池装置１によれば、燃料電池スタック１０の温度ばらつきを抑制しつつ、燃料電池スタック１０における余剰の熱を回収することができる。   According to this, since each gas flow path 345a, 345b and the gas flow downstream side where the high temperature fluid flows in each fuel flow path are adjacent to the gas flow upstream side where the low temperature air flows, the fuel cell stack 10 is relaxed. Therefore, according to the fuel cell device 1 of the present embodiment, it is possible to recover excess heat in the fuel cell stack 10 while suppressing temperature variations of the fuel cell stack 10.

また、本実施形態の燃料電池装置１では、比較的作動温度の近い構成機器である第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を燃料電池スタックの周囲に配置する構成としている。これによれば、燃料電池スタック１０からの放射熱を燃料ガスの改質、および酸化剤ガスである空気の加熱に有効利用することができる。   In the fuel cell device 1 of the present embodiment, the second air preheater 34 and the fuel reformer 44, which are components having relatively close operating temperatures, are arranged around the fuel cell stack. According to this, the radiant heat from the fuel cell stack 10 can be effectively used for reforming the fuel gas and heating the air that is the oxidant gas.

また、本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれを、燃料電池スタック１０との対向方向から見たとき、燃料電池スタック１０と対向する対向面が、燃料電池スタック１０の少なくとも一面の全域と重なり合う形状としている。すなわち、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれにおける燃料電池スタック１０に対向する対向面の大きさを、燃料電池スタック１０の積層面の大きさよりも大きくしている。   Further, in the fuel cell device 1 of the present embodiment, when each of the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 is viewed from the direction facing the fuel cell stack 10, the facing surface facing the fuel cell stack 10 is The fuel cell stack 10 has a shape overlapping with the entire area of at least one surface. That is, the size of the facing surface facing the fuel cell stack 10 in each of the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 is made larger than the size of the stacked surface of the fuel cell stack 10.

これによれば、燃料電池スタック１０における少なくとも一面からの放射熱の熱流束を均一化させることができ、燃料電池スタック１０における温度ばらつきを効果的に抑制することができる。   According to this, the heat flux of the radiant heat from at least one surface in the fuel cell stack 10 can be made uniform, and temperature variations in the fuel cell stack 10 can be effectively suppressed.

なお、上述の如く、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれにおける燃料電池スタック１０に対向する対向面の大きさは、燃料電池スタック１０の積層面の大きさよりも大きくすることが望ましいが、これに限定されない。   As described above, it is desirable that the size of the facing surface facing the fuel cell stack 10 in each of the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 is larger than the size of the stacked surface of the fuel cell stack 10. However, it is not limited to this.

例えば、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれにおける燃料電池スタック１０に対向する対向面を、燃料電池スタック１０の積層面の大きさと同程度、または小さくするようにしてもよい。   For example, the opposing surfaces of the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 that oppose the fuel cell stack 10 may be made the same as or smaller than the size of the stacked surface of the fuel cell stack 10.

また、本実施形態では、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を、燃料電池スタック１０の積層方向に延びるように設定する例について説明したが、これに限定されない。例えば、図７、図８に示すように、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を、燃料電池スタック１０の積層方向に直交する方向に延びるように設定してもよい。   In the present embodiment, the air flow paths 345 a and 345 b of the second air preheater 34 and the fuel flow paths of the fuel reformer 44 are set to extend in the stacking direction of the fuel cell stack 10. Although described, it is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 7 and 8, the air flow paths 345 a and 345 b of the second air preheater 34 and the fuel flow paths of the fuel reformer 44 are orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack 10. You may set so that it may extend in a direction.

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４の構造を変更した例について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. This embodiment demonstrates the example which changed the structure of the 2nd air preheater 34 and the fuel reformer 44 with respect to 1st Embodiment. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first embodiment will be omitted or simplified.

本実施形態の燃料電池スタック１０は、図９に示すように、内部に空気を導入する空気導入部１４１が第２空気予熱器３４の空気出口部３４２に接続されると共に、内部に燃料ガスを導入する燃料導入部１５１が燃料改質器４４の燃料出口部４４２に接続されている。   As shown in FIG. 9, in the fuel cell stack 10 of the present embodiment, an air introduction part 141 for introducing air into the interior is connected to an air outlet part 342 of the second air preheater 34, and fuel gas is introduced into the interior. The fuel introduction part 151 to be introduced is connected to the fuel outlet part 442 of the fuel reformer 44.

本実施形態の第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温された空気を流入させる単一の空気入口部３４１、および空気入口部３４１から流入した空気を燃料電池スタック１０へ導入する単一の空気出口部３４２が設けられている。   The second air preheater 34 of the present embodiment has a single air inlet 341 that allows the air heated by the first air preheater 33 to flow in, and the air that has flowed from the air inlet 341 into the fuel cell stack 10. A single air outlet 342 is provided for introduction.

より具体的には、第２空気予熱器３４は、図１０、図１１に示すように、空気流入タンク３４３、空気が流通する複数の空気流路３４５、各空気流路３４５の途中で空気の流れを１８０°反転させる反転部３４５ｅ、空気流出タンク（図示略）を有する。   More specifically, as shown in FIGS. 10 and 11, the second air preheater 34 includes an air inflow tank 343, a plurality of air passages 345 through which air flows, and air in the middle of each air passage 345. A reversing unit 345e for reversing the flow by 180 ° and an air outflow tank (not shown) are provided.

本実施形態の空気流路３４５は、途中に設けられた反転部３４５ｅにより、低温の空気が流通する反転部３４５ｅの上流側の流路３４５ｃと、高温の空気が流通する反転部３４５ｅの下流側の流路３４５ｄとが隣り合うように設定されている。これにより、第２空気予熱器３４では、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。   The air flow path 345 of the present embodiment includes a flow path 345c on the upstream side of the reversing part 345e through which low-temperature air circulates and a downstream side of the reversing part 345e through which high-temperature air circulates by the reversing part 345e provided in the middle. Are set to be adjacent to each other. Thereby, in the 2nd air preheater 34, the temperature distribution of the opposing surface which opposes the fuel cell stack 10 is eased.

また、燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて昇温された燃料ガスを流入させる単一の燃料入口部４４１、および燃料入口部４４１から流入した燃料ガスを燃料電池スタック１０へ導入する単一の燃料出口部４４２が設けられている。   Further, the fuel reformer 44 introduces a single fuel inlet portion 441 through which the fuel gas heated by the fuel preheater 43 flows, and the fuel gas flowing in from the fuel inlet portion 441 into the fuel cell stack 10. A single fuel outlet 442 is provided.

図示しないが、燃料改質器４４は、燃料流入タンク、燃料ガスが流通する複数の燃料流路、各燃料流路の途中で燃料ガスの流れを１８０°反転させる反転部、燃料流出タンクを有する。   Although not shown, the fuel reformer 44 includes a fuel inflow tank, a plurality of fuel flow paths through which the fuel gas flows, a reversing unit that reverses the flow of the fuel gas by 180 ° in the middle of each fuel flow path, and a fuel outflow tank. .

本実施形態の燃料流路は、途中に設けられた反転部により、低温の燃料ガスが流通する反転部の上流側の流路と、高温の燃料ガスが流通する反転部の下流側の流路とが隣り合うように設定されている。これにより、燃料改質器４４では、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。   The fuel flow path of the present embodiment includes a flow path on the upstream side of the reversing section through which the low-temperature fuel gas flows and a flow path on the downstream side of the reversing section in which the high-temperature fuel gas flows by the reversing section provided in the middle Are set next to each other. Thereby, in the fuel reformer 44, the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack 10 is relaxed.

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４の空気流路３４５の途中に反転部３４５ｅを設けると共に、燃料改質器４４の燃料流路の途中に反転部を設ける構成としている。   Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. In the fuel cell device 1 of the present embodiment, the reversing portion 345e is provided in the middle of the air flow path 345 of the second air preheater 34, and the reversing portion is provided in the middle of the fuel flow path of the fuel reformer 44. .

これによれば、空気流路３４５における反転部３４５ｅの上流側の流路３４５ｃと反転部３４５ｅの下流側の流路３４５ｄとが隣り合うことで、第２空気予熱器３４における燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。   According to this, the flow path 345c on the upstream side of the reversing part 345e in the air flow path 345 and the flow path 345d on the downstream side of the reversing part 345e are adjacent to each other, so that the fuel cell stack 10 in the second air preheater 34 The temperature distribution on the opposite facing surface is relaxed.

また、燃料流路における反転部の上流側の流路と反転部の下流側の流路とが隣り合うことで、燃料改質器４４における燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。   In addition, since the upstream flow path of the reversing section and the downstream flow path of the reversing section are adjacent to each other in the fuel flow path, the temperature distribution on the facing surface of the fuel reformer 44 facing the fuel cell stack 10 is relaxed. Is done.

従って、本実施形態の構成によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１０における温度ばらつきを効果的に抑制しつつ、燃料電池スタック１０における余剰の熱を回収することができる。   Therefore, according to the configuration of the present embodiment, surplus heat in the fuel cell stack 10 can be recovered while effectively suppressing temperature variations in the fuel cell stack 10 as in the first embodiment.

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、燃料電池装置１の内部構造を変更した例について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. This embodiment demonstrates the example which changed the internal structure of the fuel cell apparatus 1 with respect to 1st Embodiment. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first and second embodiments will be omitted or simplified.

本実施形態の燃料電池装置１は、図１２に示すように、燃料電池スタック１０および第２空気予熱器３４をハウジング２に収容し、燃料改質器４４については、ハウジング２の外部に配置する構成としている。   As shown in FIG. 12, the fuel cell device 1 of the present embodiment houses the fuel cell stack 10 and the second air preheater 34 in the housing 2, and the fuel reformer 44 is disposed outside the housing 2. It is configured.

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池装置１においても、第２空気予熱器３４内部の各空気流路３４５ａ、３４５ｂにおける高温の空気が流通する空気流れ下流側と、低温の空気が流通する空気流れ上流側とが隣り合うので、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和される。従って、本実施形態の燃料電池装置１においても、燃料電池スタック１０の温度ばらつきを抑制しつつ、燃料電池スタック１０における余剰の熱を回収することができる。   Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. Also in the fuel cell device 1 of the present embodiment, the air flow downstream side in which the high temperature air circulates in the air flow paths 345a and 345b inside the second air preheater 34, and the air flow upstream side in which the low temperature air circulates. Are adjacent to each other, the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack 10 is relaxed. Therefore, also in the fuel cell device 1 of the present embodiment, excess heat in the fuel cell stack 10 can be recovered while suppressing temperature variations of the fuel cell stack 10.

ここで、第２実施形態の燃料電池装置１を、図１３に示すように、燃料電池スタック１０および第２空気予熱器３４をハウジング２に収容し、燃料改質器４４については、ハウジング２の外部に配置する構成としてもよい。   Here, in the fuel cell device 1 of the second embodiment, as shown in FIG. 13, the fuel cell stack 10 and the second air preheater 34 are accommodated in the housing 2, and the fuel reformer 44 is the same as that of the housing 2. It is good also as a structure arrange | positioned outside.

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０および第２空気予熱器３４をハウジング２に収容し、燃料改質器４４をハウジング２の外部に配置する例について説明したが、これに限定されない。   In this embodiment, the example in which the fuel cell stack 10 and the second air preheater 34 are accommodated in the housing 2 and the fuel reformer 44 is disposed outside the housing 2 has been described. However, the present invention is not limited to this.

例えば、燃料電池スタック１０および燃料改質器４４をハウジング２に収容し、第２空気予熱器３４をハウジング２の外部に配置するようにしてもよい。この場合、燃料改質器４４内部の各燃料流路における高温の燃料ガスが流通する燃料ガス流れ下流側と、低温の空気が流通する燃料ガス流れ上流側とが隣り合うので、燃料電池スタック１０に対向する対向面の温度分布が緩和されることとなる。   For example, the fuel cell stack 10 and the fuel reformer 44 may be accommodated in the housing 2, and the second air preheater 34 may be disposed outside the housing 2. In this case, the fuel gas flow downstream side in which the high-temperature fuel gas flows in each fuel flow path inside the fuel reformer 44 and the fuel gas flow upstream side in which the low-temperature air flows are adjacent to each other. Therefore, the temperature distribution on the facing surface facing the surface is relaxed.

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。 (Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range described in the claim, it can change suitably. For example, various modifications are possible as follows.

（１）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を、燃料電池スタック１０の積層方向または積層方向に直交する方向に延びるように設定する例について説明したが、これに限定されない。   (1) In each of the above-described embodiments, the air flow paths 345 a and 345 b of the second air preheater 34 and the fuel flow paths of the fuel reformer 44 are orthogonal to the stacking direction or stacking direction of the fuel cell stack 10. Although an example of setting so as to extend in the direction to be described has been described, the present invention is not limited to this.

第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路は、流路における上流側と下流側とが隣り合うように設定されていれば、例えば、図１４に示すように、第２空気予熱器３４の空気流路３４５を渦巻き状の流路としてもよい。勿論、燃料改質器４４の燃料流路を渦巻き状の流路としてもよい。   If each air flow path 345a, 345b of the second air preheater 34 and each fuel flow path of the fuel reformer 44 are set so that the upstream side and the downstream side in the flow path are adjacent to each other, for example, As shown in FIG. 14, the air flow path 345 of the second air preheater 34 may be a spiral flow path. Of course, the fuel flow path of the fuel reformer 44 may be a spiral flow path.

（２）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を、隣り合う流路における熱交換媒体の流れ方向が平行となる例について説明したが、これに限定されない。例えば、図１５に示すように、第２空気予熱器３４における隣り合う空気流路３４５ａ、３４５ｂの空気の流れ方向が非平行となる流路としてもよい。勿論、燃料改質器４４における隣り合う燃料流路を燃料ガスの流れ方向が非平行となる流路としてもよい。   (2) In each of the embodiments described above, the flow direction of the heat exchange medium in the adjacent flow paths of the air flow paths 345a and 345b of the second air preheater 34 and the fuel flow paths of the fuel reformer 44 is the same. Although the example which becomes parallel was demonstrated, it is not limited to this. For example, as shown in FIG. 15, it is good also as a flow path from which the air flow direction of the adjacent air flow paths 345a and 345b in the 2nd air preheater 34 becomes non-parallel. Of course, adjacent fuel flow paths in the fuel reformer 44 may be flow paths whose fuel gas flow directions are non-parallel.

（３）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂ、および燃料改質器４４の各燃料流路を交互に設定する例について説明したが、これに限定されない。例えば、図１６に示すように、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂの一部にて、隣り合う流路における空気の流れ方向が反転する流路構成としてもよい。勿論、燃料改質器４４における燃料流路の一部にて、隣り合う流路における燃料ガスの流れ方向が反転する流路構成としてもよい。   (3) In each of the above-described embodiments, the example in which the air flow paths 345a and 345b of the second air preheater 34 and the fuel flow paths of the fuel reformer 44 are alternately set has been described. Not. For example, as shown in FIG. 16, it is good also as a flow-path structure in which the flow direction of the air in an adjacent flow path reverses in a part of each air flow path 345a, 345b of the 2nd air preheater 34. FIG. Of course, a part of the fuel flow path in the fuel reformer 44 may have a flow path configuration in which the flow direction of the fuel gas in the adjacent flow path is reversed.

この際、図１７に示すように、空気の流れ方向が反転する流路同士の間隔を、空気の流れ方向が反転しない流路同士の間隔よりも大きくするようにしてもよい。これによれば、第２空気予熱器３４の各空気流路３４５ａ、３４５ｂを流れる空気同士の不必要な熱交換を抑制することができる。このことは、燃料改質器４４における燃料流路について同様である。   At this time, as shown in FIG. 17, the interval between the flow paths in which the air flow direction is reversed may be made larger than the interval between the flow paths in which the air flow direction is not reversed. According to this, unnecessary heat exchange between the air flowing through the air flow paths 345a and 345b of the second air preheater 34 can be suppressed. This is the same for the fuel flow path in the fuel reformer 44.

（４）上述の各実施形態では、第１空気予熱器３３および第２空気予熱器３４を独立した構成機器とすると共に、燃料予熱器４３および燃料改質器４４を独立した構成機器とする例について説明したが、これに限定されない。例えば、第１空気予熱器３３および第２空気予熱器３４を一体化すると共に、燃料予熱器４３および燃料改質器４４を一体化し、これらを燃料電池スタック１０の周囲に配置するようにしてもよい。   (4) In each of the above-described embodiments, the first air preheater 33 and the second air preheater 34 are independent constituent devices, and the fuel preheater 43 and the fuel reformer 44 are independent constituent devices. However, the present invention is not limited to this. For example, the first air preheater 33 and the second air preheater 34 are integrated, and the fuel preheater 43 and the fuel reformer 44 are integrated, and these are arranged around the fuel cell stack 10. Good.

（５）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を燃料電池スタック１０の周囲に配置する例について説明したが、これに限定されない。   (5) In each of the above-described embodiments, the example in which the second air preheater 34 and the fuel reformer 44 are arranged around the fuel cell stack 10 has been described, but the present invention is not limited to this.

例えば、第２空気予熱器３４を、互いに流入する空気の温度が同等となる２つ以上の予熱器で構成し、各予熱器同士が燃料電池スタック１０との間に介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置してもよい。また、燃料改質器４４を、互いに流入する燃料ガスの温度が同等となる２つ以上の改質器で構成し、各改質器同士が燃料電池スタック１０との間に介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置してもよい。   For example, the second air preheater 34 is composed of two or more preheaters in which the temperatures of the air flowing into each other are equal, and the fuel cells are not interposed between the fuel cell stacks 10. It may be arranged around the stack 10. Further, the fuel reformer 44 is composed of two or more reformers in which the temperatures of the fuel gas flowing into each other are equal, so that each reformer is not interposed between the fuel cell stack 10. You may arrange | position around the fuel cell stack 10. FIG.

（６）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０、第２空気予熱器３４、および燃料改質器４４をハウジング２内に収容する例について説明したが、これに限定されず、ハウジング２を省略してもよい。   (6) In each of the above-described embodiments, the example in which the fuel cell stack 10, the second air preheater 34, and the fuel reformer 44 are accommodated in the housing 2 has been described. It may be omitted.

（７）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０を高温で作動する固体酸化物型燃料電池とする例について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０を高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池としてもよい。   (7) In each of the above-described embodiments, the example in which the fuel cell stack 10 is a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the fuel cell stack 10 operates at a high temperature. A molten carbonate fuel cell may be used.

（８）上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上述の各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。   (8) In each of the above-described embodiments, the elements constituting the embodiment are not necessarily essential unless explicitly stated as essential and clearly considered essential in principle. Needless to say. Further, the above-described embodiments are not irrelevant to each other, and can be combined as appropriate unless the combination is clearly impossible.

１ 燃料電池装置
１０ 燃料電池スタック
１０ａ 発電セル
３４ 第２空気予熱器（熱交換手段）
３４５ 空気流路
４４ 燃料改質器（熱交換手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell apparatus 10 Fuel cell stack 10a Power generation cell 34 2nd air preheater (heat exchange means)
345 Air flow path 44 Fuel reformer (heat exchange means)

Claims (6)

燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック（１０）と、
前記燃料電池スタックと対向するように配置され、前記燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段（３４、４４）と、を備え、
前記熱交換媒体は、前記燃料電池スタックに供給される前の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれかであり、
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックに対向する対向面の温度分布が均一となるように、前記熱交換媒体の流路（３４５）が設定されており、
前記熱交換手段における前記熱交換媒体の流路は、少なくとも一部において前記熱交換媒体の流れの上流側と前記熱交換媒体の流れの下流側とが隣り合っていることを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack (10) for outputting electrical energy by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas;
Heat exchange means (34, 44) arranged to face the fuel cell stack and exchanging heat of the radiant heat from the fuel cell stack with a heat exchange medium,
The heat exchange medium is one of the fuel gas and the oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack,
In the heat exchange means, the flow path (345) of the heat exchange medium is set so that the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack is uniform .
The flow path of the heat exchange medium in the heat exchange means is a fuel cell characterized in that the upstream side of the flow of the heat exchange medium and the downstream side of the flow of the heat exchange medium are adjacent to each other at least in part. apparatus. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック（１０）と、
前記燃料電池スタックと対向するように配置され、前記燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段（３４、４４）と、を備え、
前記熱交換媒体は、前記燃料電池スタックに供給される前の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれかであり、
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックに対向する対向面の温度分布が均一となるように、前記熱交換媒体の流路（３４５）が設定されており、
前記熱交換手段は、前記熱交換媒体の流路として複数の熱媒体流路（３４５ａ、３４５ｂ）を有しており、
前記複数の熱媒体流路のうち、少なくとも一部の隣り合う熱媒体流路は、一方の熱媒体流路（３４５ａ）における前記熱交換媒体の流入部が、他方の熱媒体流路（３４５ｂ）における前記熱交換媒体の流出部と隣り合い、前記他方の熱媒体流路における前記熱交換媒体の流入部が、前記一方の熱媒体流路における前記熱交換媒体の流出部と隣り合っていることを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack (10) for outputting electrical energy by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas;
Heat exchange means (34, 44) disposed to face the fuel cell stack and exchanging radiant heat from the fuel cell stack with a heat exchange medium,
The heat exchange medium is one of the fuel gas and the oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack,
In the heat exchange means, the flow path (345) of the heat exchange medium is set so that the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack is uniform .
The heat exchanging means has a plurality of heat medium flow paths (345a, 345b) as flow paths of the heat exchange medium,
Among the plurality of heat medium channels, at least a part of the adjacent heat medium channels has an inflow portion of the heat exchange medium in one heat medium channel (345a) and the other heat medium channel (345b). The heat exchange medium outflow part in the other heat medium flow path is adjacent to the heat exchange medium outflow part in the other heat medium flow path. A fuel cell device. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池スタック（１０）と、
前記燃料電池スタックと対向するように配置され、前記燃料電池スタックからの放射熱を熱交換媒体と熱交換させる熱交換手段（３４、４４）と、を備え、
前記熱交換媒体は、前記燃料電池スタックに供給される前の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれかであり、
前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックに対向する対向面の温度分布が均一となるように、前記熱交換媒体の流路（３４５）が設定されており、
前記熱交換手段は、前記熱交換媒体の流路として複数の熱媒体流路（３４５）を有しており、
前記熱媒体流路は、前記熱媒体流路を流れる前記熱交換媒体の流れ方向を反転させる反転部（３４５ｅ）が設けられ、前記反転部の上流側の流路（３４５ｃ）が前記反転部の下流側の流路（３４５ｄ）と隣り合っていることを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack (10) for outputting electrical energy by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas;
Heat exchange means (34, 44) disposed to face the fuel cell stack and exchanging radiant heat from the fuel cell stack with a heat exchange medium,
The heat exchange medium is one of the fuel gas and the oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack,
In the heat exchange means, the flow path (345) of the heat exchange medium is set so that the temperature distribution on the facing surface facing the fuel cell stack is uniform .
The heat exchange means has a plurality of heat medium flow paths (345) as flow paths of the heat exchange medium,
The heat medium flow path is provided with a reversing section (345e) for reversing the flow direction of the heat exchange medium flowing through the heat medium flow path, and a flow path (345c) on the upstream side of the reversing section is disposed on the reversing section. A fuel cell device, which is adjacent to a downstream channel (345d) . 前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックからの放射熱を利用して前記酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス予熱器（３４）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。 It said heat exchange means, claims 1, characterized in that it is configured to include the fuel by utilizing radiant heat from the cell stack oxidant gas preheater for heating the oxygen-containing gas (34) 3 The fuel cell device according to any one of the above. 前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックからの放射熱を利用して前記燃料ガスを改質する燃料改質器（４４）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。 The said heat exchange means is comprised including the fuel reformer (44) which reforms the said fuel gas using the radiant heat from the said fuel cell stack, The structure of Claim 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned. The fuel cell device according to any one of the above. 前記熱交換手段は、前記燃料電池スタックとの対向方向から見たとき、前記熱交換手段における前記燃料電池スタックと対向する対向面が、前記燃料電池スタックの少なくとも一面の全域と重なり合っていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。 When the heat exchange means is viewed from the direction facing the fuel cell stack, the opposed surface of the heat exchange means facing the fuel cell stack overlaps the entire area of at least one surface of the fuel cell stack. the fuel cell device according to any one of claims 1 to 5, characterized.
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