JP5772001B2 - Fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas.

燃料ガス(水素含有ガス)と空気(酸素含有ガス、酸化剤ガス)とを用いて電力を得ることができる複数の単セルを収納容器内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、複数の単セルに供給する燃料ガスを生成するにあたって、例えば、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ている。そして、そのような水蒸気改質を行うための改質器も種々提案されている。   A plurality of single cells capable of obtaining power using fuel gas (hydrogen-containing gas) and air (oxygen-containing gas, oxidant gas) are accommodated in a storage container, and fuel gas and air are stored in the plurality of single cells. Various fuel cell devices that generate electricity by supplying the above are proposed. In such a fuel cell apparatus, when generating a fuel gas to be supplied to a plurality of single cells, for example, a steam reforming method is used in which hydrogen such as natural gas is reacted with steam to generate hydrogen. Various reformers for performing such steam reforming have been proposed.

炭化水素を水蒸気改質するための改質器は、内部に改質触媒を収容し、その内蔵された改質触媒の近傍を炭化水素と水蒸気とを通過させることで水蒸気改質を行っている。このように改質器を利用する水蒸気改質においては、内蔵された改質触媒の劣化が問題となる。そこで下記特許文献1に記載の燃料電池装置では、改質触媒の寿命を延ばすように構成した改質器を含む燃料電池装置が提案されている。   A reformer for steam reforming hydrocarbons contains a reforming catalyst inside and performs steam reforming by passing hydrocarbons and steam through the built-in reforming catalyst. . Thus, in steam reforming using a reformer, deterioration of a built-in reforming catalyst becomes a problem. Therefore, in the fuel cell device described in Patent Document 1 below, a fuel cell device including a reformer configured to extend the life of the reforming catalyst has been proposed.

下記特許文献1に開示されている燃料電池装置は、単セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、単セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドと、セルスタックの上方に配置される改質器とを備えている。改質器は、筒状の容器の中央部に、原燃料が供給される原燃料供給口が設けられた気化部を有している。改質器は、容器の両側部に、気化部より流入した原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒を含む改質部を有している。それぞれの改質部とマニホールドとが燃料ガス供給管により接続され、燃料ガス供給管に、燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段を備えている。   A fuel cell device disclosed in the following Patent Document 1 includes a cell stack in which a plurality of single cells are erected and electrically connected, and a manifold for supplying fuel gas to the single cells And a reformer disposed above the cell stack. The reformer has a vaporization section provided with a raw fuel supply port through which a raw fuel is supplied at the center of a cylindrical container. The reformer has reforming sections including reforming catalysts for reforming raw fuel flowing from the vaporization section into fuel gas on both sides of the container. Each reforming section and the manifold are connected by a fuel gas supply pipe, and the fuel gas supply pipe is provided with a fuel gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the fuel gas.

特開2010−198896号公報JP 2010-198896 A

上述した従来の燃料電池装置においては、改質部に収められている改質触媒が劣化したと判断される場合に、燃料ガス流量調整手段を作動させることにより、マニホールドに精製度の低い燃料ガスが供給されることを抑制することができるものである。   In the above-described conventional fuel cell device, when it is determined that the reforming catalyst contained in the reforming unit has deteriorated, the fuel gas flow rate adjusting means is operated, so that the fuel gas having a low purity is supplied to the manifold. Can be prevented from being supplied.

また、一方の改質部に収められている改質触媒が劣化したと判断され、他方の改質部に収められている改質触媒は正常に改質反応を行なうことができると判断される場合においては、一方の改質部より送出される燃料ガスがマニホールドに供給されることを抑制するとともに、他方の改質部より送出される燃料ガスを単セルに供給している。従って、片方の改質部に備えられた改質触媒が劣化した場合であっても、他方の改質部をそのまま継続して使用することで、改質器の寿命を向上するものとしている。   Further, it is determined that the reforming catalyst stored in one reforming unit has deteriorated, and it is determined that the reforming catalyst stored in the other reforming unit can perform the reforming reaction normally. In some cases, the fuel gas delivered from one reforming part is suppressed from being supplied to the manifold, and the fuel gas delivered from the other reforming part is supplied to the single cell. Therefore, even when the reforming catalyst provided in one reforming section deteriorates, the life of the reformer is improved by continuously using the other reforming section as it is.

しかしながら、上述した従来の燃料電池装置では、当初は改質器全体に収められている改質触媒を利用して発電運転を行っているところ、一部の改質触媒が劣化していると判断すると実質的な改質器の容量を減じて対応しているものである。従って、燃料ガスの供給能力が著しく低下し、燃料電池装置としての発電性能は低下するものと思われる。   However, in the conventional fuel cell device described above, when the power generation operation is initially performed using the reforming catalyst stored in the entire reformer, it is determined that some of the reforming catalyst has deteriorated. Then, the substantial capacity | capacitance of a reformer is reduced and it respond | corresponds. Therefore, it is considered that the fuel gas supply capability is remarkably lowered, and the power generation performance as the fuel cell device is lowered.

そこで本発明者らは、改質触媒の劣化について本質的な検討を行い、改質器の改質性能を大きく変動させることなく延命させるための方策について考察を重ねた。燃料ガスの原料となる原料ガスとして炭化水素を用いる場合、改質器においては水蒸気改質を行うものであるから、改質器に炭化水素と水蒸気とを所定の割合で供給することが求められる。このように供給される炭化水素と水蒸気とは、炭化水素の供給量に対して水蒸気が極めて微量必要とされるものである。炭化水素の供給量は、燃料電池装置から引かれる電力が変動したり、燃料電池装置内の燃料ガスの流れが脈動したりすることによって変動するものである。そのため、変動する炭化水素の量に完全に同期させて、微量の水蒸気を変動させながら供給することは実質的に不可能なものであり、炭化水素の供給量と水蒸気の供給量との不均衡による炭素析出が発生することは避け難いものである。   Therefore, the present inventors have made an essential study on the deterioration of the reforming catalyst, and have repeatedly considered measures for extending the life of the reformer without greatly changing the reforming performance. When hydrocarbon is used as a raw material gas for fuel gas, steam reforming is performed in the reformer, and therefore it is required to supply hydrocarbon and steam at a predetermined ratio to the reformer. . The hydrocarbon and water vapor supplied in this way require a very small amount of water vapor relative to the amount of hydrocarbon supplied. The amount of hydrocarbons to be supplied fluctuates when the electric power drawn from the fuel cell device fluctuates or the flow of fuel gas in the fuel cell device pulsates. For this reason, it is virtually impossible to supply a minute amount of water vapor while fluctuating completely in synchronization with the amount of fluctuating hydrocarbons, and an imbalance between the amount of hydrocarbons supplied and the amount of water vapor supplied It is difficult to avoid the occurrence of carbon deposition due to.

このように炭化水素を水蒸気改質する限り、炭素析出の課題を根本的に解決することは困難である。改質器内において原料ガスである炭化水素の炭素析出が起こると、改質器内に収められている改質触媒に析出した炭素が付着し、原料ガスである炭化水素の流れを阻害する。炭素析出による原料ガスの目減りと、流動阻害による原料ガスの供給不足によって、改質器内には水蒸気が過剰な状態となるおそれがある。改質触媒が収められた改質器内が水蒸気過剰になると、改質触媒として用いられているルテニウムが離脱して燃料電池装置外へと放出されることになる。   Thus, as long as the hydrocarbon is steam reformed, it is difficult to fundamentally solve the problem of carbon deposition. When the carbon deposition of the hydrocarbon, which is the raw material gas, occurs in the reformer, the deposited carbon adheres to the reforming catalyst housed in the reformer, thereby obstructing the flow of the hydrocarbon, which is the raw material gas. There is a risk that water vapor will be excessive in the reformer due to the loss of the raw material gas due to carbon deposition and the insufficient supply of the raw material gas due to flow inhibition. When the inside of the reformer containing the reforming catalyst becomes excessive in water vapor, ruthenium used as the reforming catalyst is detached and released out of the fuel cell device.

炭素析出の発生を根本的に防止することが困難であることから、改質器内の改質触媒の劣化は避け難いことに加え、改質器内の容量は燃料電池装置のサイズの都合上、無制限に大きくすることもできない。従って、限られた容量に収められる限られた量の改質触媒を無駄にすることなく、劣化の進行を段階的なものとしながら、全ての改質触媒を上手に使い切ることが求められる。ここで、例えば、改質器内を複数の部屋に区切り、それぞれの部屋に改質触媒を分配して収めておき、それぞれの部屋の改質触媒の劣化を検知しながらソレノイド等の駆動手段を用いて仕切壁を駆動し、順番に流路を切り替えながら改質触媒を段階的に使っていくことも考えられる。   Since it is difficult to fundamentally prevent the occurrence of carbon deposition, it is difficult to avoid deterioration of the reforming catalyst in the reformer, and the capacity in the reformer is limited due to the size of the fuel cell device. It can't be made unlimited. Therefore, it is required to use all the reforming catalysts well while making the progress of deterioration stepwise without wasting a limited amount of the reforming catalyst that can be accommodated in a limited capacity. Here, for example, the interior of the reformer is divided into a plurality of rooms, the reforming catalyst is distributed and stored in each room, and a driving means such as a solenoid is installed while detecting deterioration of the reforming catalyst in each room. It is also conceivable to use the reforming catalyst stepwise while driving the partition walls and switching the flow paths in order.

しかしながら、炭化水素を原料ガスとする燃料電池装置の駆動温度は極めて高いものであり、改質器内の状態を検知するセンサーを配置したり、改質器内にソレノイド等の駆動手段を配置して流路を切り替えたりすることは、現実的には実現困難なものである。   However, the driving temperature of a fuel cell device using hydrocarbon as a raw material gas is extremely high, and a sensor for detecting the state in the reformer is disposed, or driving means such as a solenoid is disposed in the reformer. In practice, it is difficult to switch the flow path.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、改質器内の状態を検知するセンサーや改質器内の流路を切り替えるための駆動手段を用いることなく、改質器内に収められた全ての改質触媒を上手に使いきることができる燃料電池装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas, and includes a sensor for detecting a state in the reformer and a reformer. An object of the present invention is to provide a fuel cell device that can use all the reforming catalysts contained in the reformer well without using a driving means for switching the flow path in the reactor.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、電気的に接続された複数の管状の単セルを有し、これらの単セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体と、を備えている。前記改質器は、本体部と、当該本体部の内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒とを有する。前記本体部には、原料ガスを導入する流入口と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを前記セル集合体に向けて流出させる流出口と、前記流入口と前記流出口との間に前記改質触媒が収容される触媒収容部と、が形成されている。前記触媒収容部は、第一収容室と第二収容室とを有する。前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記第二収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されている。   In order to solve the above-described problems, a fuel cell device according to the present invention is a fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and generates a fuel gas by steam reforming a raw material gas containing hydrocarbons. The reformer includes a plurality of electrically connected tubular single cells, and a cell assembly that generates power through the reaction of the fuel gas and the oxidant gas by the single cells. The reformer includes a main body portion and a reforming catalyst containing ruthenium accommodated in the main body portion. The main body includes an inlet for introducing a raw material gas, an outlet for flowing a fuel gas generated by steam reforming the raw material gas toward the cell assembly, and the inlet and the outlet. And a catalyst housing portion in which the reforming catalyst is housed. The catalyst housing portion has a first housing chamber and a second housing chamber. The pressure loss when the raw material gas flows into the second storage chamber and flows out as fuel gas is higher than the pressure loss when the raw material gas flows into the first storage chamber and flows out as fuel gas. Preliminarily configured so that carbon contained in the raw material gas is precipitated in the first storage chamber, and the flow resistance through which the raw material gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber is reduced. Is increased, the inflow of the raw material gas into the second storage chamber increases autonomously.

本発明では、触媒収容部が第一収容室と第二収容室とを有しているので、改質触媒を第一収容室と第二収容室とに分けて収容することができ、それぞれに収容された改質触媒を段階的に使用することが可能となる。更に、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されているので、別段の制御的な手段を用いることなく第一収容室に優先的に原料ガスを流入させることができる。従って、第一収容室に収容されている改質触媒が優先的に使用され、改質された燃料ガスをセル集合体に供給することができる。   In the present invention, since the catalyst storage unit has the first storage chamber and the second storage chamber, the reforming catalyst can be stored separately in the first storage chamber and the second storage chamber. The contained reforming catalyst can be used stepwise. Furthermore, the pressure loss when the raw material gas flows into the second storage chamber and flows out as fuel gas is higher than the pressure loss when the raw material gas flows into the first storage chamber and flows out as fuel gas. Thus, the source gas can be preferentially flowed into the first storage chamber without using a separate control means. Therefore, the reforming catalyst accommodated in the first accommodating chamber is preferentially used, and the reformed fuel gas can be supplied to the cell assembly.

炭化水素を含む原料ガスを用いて水蒸気改質を行う場合、炭素析出は避け難い現象であるところ、本発明ではその炭素析出現象を逆手にとって有効活用し、第一収容室における水蒸気改質から第二収容室における水蒸気改質へと上手に流路を切り替えるものとしている。上述したように、第一収容室に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室において流動抵抗が増えれば、事後的に、第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。   When steam reforming is performed using a raw material gas containing hydrocarbons, carbon deposition is a phenomenon that is unavoidable. It is assumed that the flow path is successfully switched to steam reforming in the two storage chambers. As described above, since the source gas is preferentially flowed into the first storage chamber, the effect of carbon deposition appears first in the first storage chamber. Therefore, carbon contained in the raw material gas is precipitated in the first storage chamber, and the flow resistance increases by narrowing the flow path through which the raw material gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber. If the flow resistance increases in the first containment chamber, the source gas flows into the first containment chamber and the fuel loss rather than the pressure loss when the feedstock gas flows into the second containment chamber and flows out as fuel gas. Pressure loss when flowing out as gas increases.

本発明ではこのような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室を経由する改質経路から第二収容室を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室及び第二収容室に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。   In the present invention, the change in pressure loss caused by such carbon deposition is utilized, and the reforming path passing through the second storage chamber from the reforming path passing through the first storage chamber in accordance with the operation continuation status of the fuel cell device. The flow path is switched to. By switching the reforming path in this way, the reforming catalyst stored in the first storage chamber and the second storage chamber can be used up well, and one of the reforming paths is excessively blocked. It can also be prevented that the reforming catalyst ruthenium is separated due to excessive steam. Therefore, the unavoidable phenomenon of carbon deposition is reversed, and the entire reforming catalyst accommodated in the reformer can be used up without using any special control means.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記本体部の前記セル集合体に対向する下面に前記流入口及び前記流出口が形成され、前記第一収容室及び前記第二収容室は、前記本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置されていることも好ましい。   In the fuel cell device according to the present invention, the inlet and the outlet are formed on a lower surface of the main body portion facing the cell assembly, and the first storage chamber and the second storage chamber are formed of the main body portion. It is also preferable that they are arranged so as to line up and down along the direction from the lower surface to the upper surface.

この好ましい態様では、本体部のセル集合体に対向する下面に流入口及び流出口が形成されているので、原料ガスが本体部の下面から本体部内に流入し、改質された燃料ガスが本体部の下面から流出する。このように本体部の下面から原料ガスを流入させる構成を採用しつつ、第一収容室及び第二収容室を本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することで、下面側に配置された方の改質経路に優先的に原料ガスが流れ込むように構成している。このような配置上の工夫によって、原料ガスの流入しやすさに差を設けているので、第一収容室と第二収容室との圧力損失の差を小さくすることが可能になると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されない状態での切り替えが可能なものとなる。   In this preferred embodiment, since the inflow port and the outflow port are formed on the lower surface of the main body portion facing the cell assembly, the raw material gas flows into the main body portion from the lower surface of the main body portion, and the reformed fuel gas is the main body. It flows out from the lower surface of the part. By adopting a configuration in which the source gas flows in from the lower surface of the main body portion in this way, the first storage chamber and the second storage chamber are arranged so as to be lined up and down along the direction from the lower surface of the main body portion to the upper surface. The raw material gas flows preferentially into the reforming path arranged on the lower surface side. As a result of such arrangement, a difference in the inflow of the raw material gas is provided, so that the difference in pressure loss between the first storage chamber and the second storage chamber can be reduced, while The reforming path can be switched in a state where the reforming path is not excessively blocked.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記下面側に、前記第二収容室が前記上面側に、それぞれ配置されていることも好ましい。   In the fuel cell device according to the present invention, it is also preferable that the first storage chamber is disposed on the lower surface side and the second storage chamber is disposed on the upper surface side.

この好ましい態様では、第一収容室を下面側に配置することで原料ガスの流入容易性を高める一方で、第二収容室を上面側に配置することで原料ガスが流入し難いように構成している。従って、第一収容室における改質経路の閉塞が発生していない段階では、第二収容室への原料ガスの流入を抑制し、第一収容室における改質経路の閉塞が発生した後に第二収容室へ原料ガスが流入するように構成している。このような構成上の工夫によって、第二収容室への原料ガスの流入移行を緩やかなものとし、第一収容室内の改質触媒が劣化した後の第二収容室内の改質触媒による改質性能を確保することができ、改質器全体の改質性能を高めることができる。   In this preferred embodiment, the first storage chamber is arranged on the lower surface side to improve the ease of inflow of the source gas, while the second storage chamber is arranged on the upper surface side so that the source gas is difficult to flow in. ing. Therefore, at the stage where the reforming path is not blocked in the first storage chamber, the inflow of the raw material gas into the second storage chamber is suppressed, and the second passage after the reforming path is blocked in the first storage chamber. The material gas is configured to flow into the storage chamber. By such a device in construction, the inflow transition of the raw material gas into the second storage chamber is made gradual, and the reforming by the reforming catalyst in the second storage chamber after the reforming catalyst in the first storage chamber deteriorates. The performance can be ensured, and the reforming performance of the entire reformer can be enhanced.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記触媒収容部は、前記第一収容室及び前記第二収容室の双方に繋がる第三収容室をさらに有し、前記第一収容室及び前記第二収容室は前記流入口側に、前記第三収容室は前記流出口側に、それぞれ配置されていることも好ましい。   In the fuel cell device according to the present invention, the catalyst housing portion further includes a third housing chamber connected to both the first housing chamber and the second housing chamber, and the first housing chamber and the second housing chamber. It is also preferable that the chamber is disposed on the inlet side, and the third accommodating chamber is disposed on the outlet side.

本発明における改質器では、流入口から原料ガスを流入させる一方で、流出口から改質後の燃料ガスを流出させているので、流入口側で炭素析出が発生し、流出口側では水蒸気過多による触媒劣化が進行する傾向にある。そこでこの好ましい態様では、第一収容室及び第二収容室を流入口側に設ける一方で、第一収容室及び第二収容室の下流側であって流出口側に第三収容室を設けることで、下流側における触媒劣化の進行を第一収容室内及び第二収容室内にとどめ、第三収容室に収容された触媒は劣化しない状態を維持することができる。   In the reformer of the present invention, the raw material gas is introduced from the inlet, while the reformed fuel gas is allowed to flow out from the outlet, so that carbon deposition occurs on the inlet side, and water vapor is generated on the outlet side. There is a tendency for catalyst deterioration due to excess to proceed. Therefore, in this preferred embodiment, the first storage chamber and the second storage chamber are provided on the inlet side, while the third storage chamber is provided on the outlet side and downstream of the first storage chamber and the second storage chamber. Thus, the catalyst deterioration on the downstream side can be kept in the first storage chamber and the second storage chamber, and the catalyst stored in the third storage chamber can be maintained in a state where it does not deteriorate.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記第三収容室に繋がる第一連絡口よりも前記流入口側に第二連絡口が形成され、この第二連絡口と前記第三収容室とを繋ぐ分流通路が設けられ、前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記分流通路に原料ガスが流入し前記第三収容室へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されていることも好ましい態様である。この好ましい態様においては、前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記分流通路を経由する前記第三収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されていることも好ましい。   Further, in the fuel cell device according to the present invention, a second communication port is formed on the inflow side from the first communication port where the first storage chamber is connected to the third storage chamber. A shunt passage connecting the three storage chambers, and the source gas flows into the shunt passage more than the pressure loss when the raw material gas flows into the first storage chamber and flows out as fuel gas. It is also a preferable aspect that the pressure loss when flowing out into the three storage chambers is increased in advance. In this preferred embodiment, carbon contained in the source gas is deposited in the first storage chamber, and the flow resistance increases by narrowing the flow path through which the source gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber. Thus, it is also preferable that the inflow of the raw material gas into the third storage chamber via the branch passage is autonomously increased.

上述したように、第一収容室に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室において流動抵抗が増えれば、事後的に、第三収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。   As described above, since the source gas is preferentially flowed into the first storage chamber, the effect of carbon deposition appears first in the first storage chamber. Therefore, carbon contained in the raw material gas is precipitated in the first storage chamber, and the flow resistance increases by narrowing the flow path through which the raw material gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber. If the flow resistance increases in the first storage chamber, then the source gas flows into the first storage chamber and the fuel flows more than the pressure loss when the source gas flows into the third storage chamber and flows out as fuel gas. Pressure loss when flowing out as gas increases.

この好ましい態様では、このような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室を経由する改質経路から分流通路を経由し第三収容室を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室及び第三収容室に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。   In this preferred embodiment, the variation in pressure loss due to such carbon deposition is utilized, and the third passage through the shunt passage from the reforming passage through the first storage chamber according to the operation continuation state of the fuel cell device. The flow path is switched to the reforming path via the storage chamber. By switching the reforming path in this manner, the reforming catalyst stored in the first storage chamber and the third storage chamber can be used up well, and one of the reforming paths is excessively blocked. It can also be prevented that the reforming catalyst ruthenium is separated due to excessive steam. Therefore, the unavoidable phenomenon of carbon deposition is reversed, and the entire reforming catalyst accommodated in the reformer can be used up without using any special control means.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記分流通路から前記第三収容室へ供給される原料ガスは、前記第一収容室の下流側直下よりも前記第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、前記分流通路が設けられていることも好ましい。   In the fuel cell device according to the present invention, the source gas supplied from the branch passage to the third storage chamber is more directly below the downstream side of the second storage chamber than directly below the first storage chamber. It is also preferable that the diversion passage is provided so as to be supplied.

上述したように、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えると、分流経路を経由せずに第三収容室に繋がる流路においても炭素析出の影響を受けているものと想定される。そこでこの好ましい態様では、分流通路から第三収容室へ供給される原料ガスは、第一収容室の下流側直下よりも第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、分流通路を設けることで、炭素析出の影響がより小さいと想定される第二収容室の下流側直下に原料ガスを供給することができる。従って、第三収容室に収容されている改質触媒をより上手に使い切ることができる。   As described above, when the carbon contained in the raw material gas is precipitated in the first storage chamber and the flow resistance increases by narrowing the flow path through which the raw material gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber, It is assumed that the flow path leading to the third storage chamber without passing through the route is also affected by the carbon deposition. Therefore, in this preferred embodiment, the distribution gas is supplied so that the source gas supplied from the branch passage to the third storage chamber is supplied more directly downstream of the second storage chamber than directly downstream of the first storage chamber. By providing the path, it is possible to supply the raw material gas directly under the downstream side of the second storage chamber where the influence of carbon deposition is assumed to be smaller. Therefore, the reforming catalyst stored in the third storage chamber can be used up more effectively.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記第二収容室よりも前記第一収容室に近接させて前記流入口が形成され、前記第一収容室よりも前記第二収容室に近接させて前記流出口が形成されていることも好ましい。


In the fuel cell device according to the present invention, the inflow port is formed closer to the first storage chamber than the second storage chamber, and closer to the second storage chamber than the first storage chamber. it is also preferred that the outflow port is formed.


この好ましい態様では、流入口を第一収容室に近接させて形成することで、運転開始当初は第一収容室に原料ガスを確実に導入することができる。一方、流出口を第二収容室に近接させて形成することで、改質後の燃料ガスの流れは第二収容室側から排出されるものとし、第一収容室下流への流れを相対的に減少させている。従って、運転開始当初は第一収容室に収容された改質触媒を集中的に使用しつつ、第一収容室下流における改質触媒劣化を第二収容室側に分散することで、改質器全体の改質性能を高めることができる。   In this preferred embodiment, by forming the inlet close to the first storage chamber, the source gas can be reliably introduced into the first storage chamber at the beginning of operation. On the other hand, by forming the outlet close to the second storage chamber, the flow of the reformed fuel gas is discharged from the second storage chamber side, and the flow downstream of the first storage chamber is relatively It is reduced to. Therefore, the reformer catalyst is dispersed to the second storage chamber side while the reforming catalyst deterioration in the downstream of the first storage chamber is dispersed while intensively using the reforming catalyst stored in the first storage chamber at the beginning of operation. Overall reforming performance can be enhanced.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記上面側に、前記第二収容室が前記下面側に、それぞれ配置されていることも好ましい。   In the fuel cell device according to the present invention, it is also preferable that the first storage chamber is disposed on the upper surface side and the second storage chamber is disposed on the lower surface side.

この好ましい態様では、第二収容室を下面側に配置することで、セル集合体において発電反応に使用された残余の燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼する燃焼部に、第二収容室を近接させることができる。従って、第一収容室における改質経路の閉塞が発生すると原料ガスが流入する第二収容室を下面側に配置することで、改質性能が相対的に低下した場合に主体となる第二収容室の温度を高めに維持し、改質器全体の改質性能を高めることができる。   In this preferable aspect, by disposing the second storage chamber on the lower surface side, the second storage chamber is brought close to the combustion portion where the remaining fuel gas and oxidant gas used in the power generation reaction in the cell assembly burn. be able to. Accordingly, when the reforming path in the first accommodating chamber is blocked, the second accommodating chamber into which the raw material gas flows is arranged on the lower surface side, so that the second accommodating which becomes a main component when the reforming performance is relatively deteriorated. The chamber temperature can be maintained high, and the reforming performance of the entire reformer can be enhanced.

本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、改質器内の状態を検知するセンサーや改質器内の流路を切り替えるための駆動手段を用いることなく、改質器内に収められた全ての改質触媒を上手に使いきることができる燃料電池装置を提供することができる。   According to the present invention, a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas, using a sensor for detecting a state in the reformer and a driving unit for switching a flow path in the reformer. Therefore, it is possible to provide a fuel cell device that can use all the reforming catalysts contained in the reformer well.

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジングが外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell module in a state where a housing of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention is removed. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図2のA方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from the A direction of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図2のB方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from the B direction of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。It is a front view which shows the fuel cell unit of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 図2に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the fuel cell module showing a state where a casing covering the fuel cell assembly is removed from the fuel cell module shown in FIG. 2. 図6に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the evaporative mixer in the fuel cell module shown in FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図である。It is the schematic plan view which looked at the heat exchanger of the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from upper direction. 本発明の一実施形態におる燃料電池装置に用いられる改質器の水平面に沿った断面を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the cross section along the horizontal surface of the reformer used for the fuel cell apparatus in one Embodiment of this invention. 図9に示す改質器において、被改質ガスを導入して改質プロセスを開始した初期の状態を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an initial state in which a reforming process is started by introducing a gas to be reformed in the reformer shown in FIG. 9. 図9に示す改質器において、図10から更に改質プロセスを進行させた状態を示す図である。In the reformer shown in FIG. 9, it is a figure which shows the state which advanced the reforming process from FIG. 図9に示す改質器における連通穴の形成態様を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the formation aspect of the communicating hole in the modifier shown in FIG. 図9に示す改質器の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the reformer shown in FIG. 図9に示す改質器の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the reformer shown in FIG.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

本発明の一実施形態による燃料電池装置である固体電解質形燃料電池を説明する。図1は、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。   A solid oxide fuel cell which is a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備えている。このハウジング6内部には、断熱材(図示せず)に囲まれて密封空間8が形成されている。この密封空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6. Inside the housing 6, a sealed space 8 is formed surrounded by a heat insulating material (not shown). A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and oxidant gas (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8.

この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14を備えている(図6参照)。この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(単セル、図5参照)から構成されている。燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 6). The fuel cell stack 14 is composed of 16 fuel cell units 16 (single cell, see FIG. 5). The fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成されている。この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス(空気)とが燃焼し、燃焼ガス(排気ガス)を生成するようになっている。   A combustion chamber 18 is formed in the sealed space 8 of the fuel cell module 2 above the power generation chamber 10 described above. In the combustion chamber 18, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the remaining oxidant gas (air) are combusted to generate combustion gas (exhaust gas).

この燃焼室18の上方には、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器20が配置されている。上述した燃焼ガスの燃焼熱によって、改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス(発電用空気)を加熱する熱交換器22が配置されている。   Above the combustion chamber 18 is disposed a reformer 20 that reforms the raw material gas to generate fuel gas. The reformer 20 is heated to a temperature at which the reforming reaction can be performed by the combustion heat of the combustion gas described above. Further, a heat exchanger 22 for heating an oxidant gas (power generation air) introduced from the outside by heat of the combustion gas is disposed above the reformer 20.

補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。   The auxiliary unit 4 stores a pure water tank 26 that stores water from a water supply source 24 such as a tap water and makes it pure water with a filter, and a water flow rate adjusting unit 28 that adjusts the flow rate of water supplied from the water storage tank. (Such as a “water pump” driven by a motor). The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided.

さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44(モータで駆動される「空気ブロア」等)及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant gas supplied from an air supply source 40, and a reforming air flow rate adjustment unit 44 that adjusts the flow rate of air (driven by a motor). “Air blower” and the like, a power generation air flow rate adjustment unit 45 (such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and power generation And a second heater 48 for heating the power generation air supplied to the chamber. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。   The fuel cell module 2 is connected to a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown). The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like. The fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

続いて、図2‐図4、図6、図7により、本発明の実施形態によるSOFCの燃料電池モジュール2の内部構造を説明する。図2は、本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジング6が取り外された状態の燃料電池モジュール2を示す斜視図である。図2においては、燃料電池モジュール2を構成する各燃料電池セルスタック14において、燃料電池セルユニット16が8本並ぶ方向をx軸方向としている。また、燃料電池セルユニット16が立設されて延びる方向をy軸方向とし、x軸及びy軸に直交する方向をz軸方向としている。図3以降において図中に記載しているx軸、y軸、及びz軸は、図2におけるx軸、y軸、及びz軸を基準としている。   Subsequently, the internal structure of the SOFC fuel cell module 2 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 4, 6, and 7. FIG. 2 is a perspective view showing the fuel cell module 2 in a state where the housing 6 of the fuel cell device according to the embodiment of the present invention is removed. In FIG. 2, in each fuel cell stack 14 constituting the fuel cell module 2, the direction in which eight fuel cell units 16 are arranged is the x-axis direction. The direction in which the fuel cell unit 16 is erected and extends is the y-axis direction, and the direction orthogonal to the x-axis and the y-axis is the z-axis direction. The x-axis, y-axis, and z-axis described in FIG. 3 and thereafter are based on the x-axis, y-axis, and z-axis in FIG.

図3は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール2を図2のA方向から見た断面図である。図4は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール2を図2のB方向から見た断面図である。図6は、図2に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。図7は、図6に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 of the fuel cell apparatus according to the embodiment of the present invention as viewed from the direction A in FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 of the fuel cell apparatus according to the embodiment of the present invention as viewed from the direction B of FIG. FIG. 6 is a perspective view of the fuel cell module showing a state in which a casing covering the fuel cell assembly is removed from the fuel cell module shown in FIG. FIG. 7 is a perspective view showing an evaporating mixer in the fuel cell module shown in FIG.

図2‐図4に示すように、燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12は、ケーシング56により、全体が覆われている。図6に示すように、燃料電池セル集合体12は、B方向よりA方向の方が長いほぼ直方体形状であり、上面12a、下面12b、図2のA方向に沿って延びる長辺側面12cと、図2のB方向に沿って延びる短辺側面12dを備えている。   As shown in FIGS. 2 to 4, the fuel cell assembly 12 of the fuel cell module 2 is entirely covered with a casing 56. As shown in FIG. 6, the fuel cell assembly 12 has a substantially rectangular parallelepiped shape that is longer in the A direction than in the B direction, and includes an upper surface 12a, a lower surface 12b, and a long side surface 12c extending along the A direction in FIG. 2 is provided with a short side surface 12d extending along the direction B of FIG.

図3に示すように、燃料電池モジュール2内の密封空間8内の最下方部分には、蒸発混合器58が燃料電池セル集合体12の長辺側面12cに沿って設けられている。この蒸発混合器58は、燃焼ガスにより加熱して、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス(都市ガス)と酸化剤ガスである空気とを混合するためのものである。この蒸発混合器58の一端側には、図2、図4、図7に示すように、被改質ガス供給管60と、水供給管62が接続されている。被改質ガス供給管60は、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44から、被改質ガス(原料ガス)及び改質用空気を導入するようになっている。   As shown in FIG. 3, an evaporative mixer 58 is provided along the long side surface 12 c of the fuel cell assembly 12 in the lowermost portion of the sealed space 8 in the fuel cell module 2. The evaporative mixer 58 is heated by the combustion gas to turn water into water vapor, and to mix the water vapor with fuel gas (city gas) as reformed gas and air as oxidant gas. Is. As shown in FIGS. 2, 4, and 7, a reformed gas supply pipe 60 and a water supply pipe 62 are connected to one end side of the evaporation mixer 58. The to-be-reformed gas supply pipe 60 introduces the to-be-reformed gas (raw material gas) and the reforming air from the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44.

図4に示すように、蒸発混合器58の他端側には、燃料供給管64の下端が接続されている。この燃料供給管64の上端は、改質器20の上流端に接続されている。この燃料供給管64により、燃料ガスが蒸発混合器58から改質器20へ供給されるようになっている。また、改質器20の下流端には、燃料供給管66の上端が接続されている。この燃料供給管66の下端側66aは、燃料ガスタンク68内に進入して、水平方向に延びている。   As shown in FIG. 4, the lower end of the fuel supply pipe 64 is connected to the other end side of the evaporative mixer 58. The upper end of the fuel supply pipe 64 is connected to the upstream end of the reformer 20. The fuel gas is supplied from the evaporation mixer 58 to the reformer 20 through the fuel supply pipe 64. The upper end of the fuel supply pipe 66 is connected to the downstream end of the reformer 20. The lower end side 66a of the fuel supply pipe 66 enters the fuel gas tank 68 and extends in the horizontal direction.

図3及び図4に示すように、燃料ガスタンク68は、燃料電池セル集合体12の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク68内に挿入された燃料供給管66の下端側66aの外周には、長手方向(A方向)に沿って複数の小穴(図示せず)が形成されている。改質器20で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴(図示せず)によって燃料ガスタンク68内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク68に供給された燃料ガスは、燃料電池セルユニット16の内側にある燃料ガス流路88(図5参照)内に供給され、燃料電池セルユニット16内を上昇して、燃焼室18に至るようになっている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel gas tank 68 is provided directly below the fuel cell assembly 12. A plurality of small holes (not shown) are formed along the longitudinal direction (A direction) on the outer periphery of the lower end side 66 a of the fuel supply pipe 66 inserted into the fuel gas tank 68. The fuel gas reformed by the reformer 20 is uniformly supplied in the longitudinal direction into the fuel gas tank 68 through the plurality of small holes (not shown). The fuel gas supplied to the fuel gas tank 68 is supplied into a fuel gas flow path 88 (see FIG. 5) inside the fuel cell unit 16 and rises in the fuel cell unit 16 to enter the combustion chamber 18. It has come to.

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール2へ供給するための構造を説明する。図2‐4に示すように、改質器20の上方に、燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12の上面12a及び短辺側面12d(図2及び図4の右側短辺側面)に沿って、熱交換器22が設けられている。熱交換器22には、複数の燃焼ガス配管70と、この燃焼ガス配管70の周囲に形成された発電用空気流路72が設けられている。   Next, a structure for supplying power generation air to the fuel cell module 2 will be described. As shown in FIG. 2-4, above the reformer 20, along the upper surface 12 a and the short side surface 12 d (the right short side surface in FIGS. 2 and 4) of the fuel cell assembly 12 of the fuel cell module 2. A heat exchanger 22 is provided. The heat exchanger 22 is provided with a plurality of combustion gas pipes 70 and a power generation air flow path 72 formed around the combustion gas pipes 70.

なお、本実施形態においては、熱交換器22は、燃料電池セル集合体12の上面12a及び右側の短辺側面12dに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器22を、右側の短辺側面12dのみに沿って設けても良いし、右側及び左側の両方の短辺側面12dのみに沿って設けても良いし、さらに、上面12a及び両側の短辺側面12dに沿って設けるようにしても良い。   In the present embodiment, the heat exchanger 22 is provided along the upper surface 12a and the right short side surface 12d of the fuel cell assembly 12, but not limited thereto, the heat exchanger 22 is provided. Further, it may be provided along only the right short side surface 12d, may be provided only along both the right and left short side surfaces 12d, and further along the upper surface 12a and the short side surfaces 12d on both sides. It may be provided.

熱交換器22の短辺側面12dに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図2に示すように、発電用空気導入管74の導入口74aが取り付けられている。この発電用空気導入管74により、発電用空気流量調整ユニット45から、発電用空気が、熱交換器22内に導入されるようになっている。   As shown in FIG. 2, an introduction port 74 a of a power generation air introduction pipe 74 is attached to one end side of the lower end of the portion provided along the short side surface 12 d of the heat exchanger 22. The power generation air is introduced into the heat exchanger 22 from the power generation air flow rate adjustment unit 45 by the power generation air introduction pipe 74.

図4及び図8に示すように、熱交換器22の上側の他端側には、発電用空気流路72の出口ポート72aが形成されている。さらに、図3に示すように、燃料電池モジュール2のケーシング56の幅方向(B方向:短辺側面方向)の両側の外側には、発電用空気供給路76が形成されている。発電用空気流路72の出口ポート72aから、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路76は、燃料電池セル集合体12の長手方向(長辺側面12c方向)に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体12の下方側に対応する位置に、発電室10内の燃料電池セル集合体12の各燃料電池セルユニット16に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口78が、長手方向に沿って、等間隔に、形成されている。これらの吹出口78から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット16の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。   As shown in FIGS. 4 and 8, an outlet port 72 a of the power generation air flow path 72 is formed on the other end on the upper side of the heat exchanger 22. Further, as shown in FIG. 3, power generation air supply passages 76 are formed on the outer sides of both sides in the width direction (B direction: short side surface direction) of the casing 56 of the fuel cell module 2. Power generation air is supplied from an outlet port 72 a of the power generation air flow path 72. The power generation air supply path 76 is formed along the longitudinal direction of the fuel cell assembly 12 (in the direction of the long side surface 12c). Furthermore, in order to blow out the air for power generation toward each fuel cell unit 16 of the fuel cell assembly 12 in the power generation chamber 10 at a position corresponding to the lower side of the fuel cell assembly 12 below the fuel cell assembly 12. Are formed at equal intervals along the longitudinal direction. The power generation air blown out from these air outlets 78 flows from below to above along the outside of each fuel cell unit 16.

続いて、燃料ガスと発電用空気(酸化剤ガス)が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。上述したように、熱交換器22内には、燃焼室18で燃料ガスと発電用空気(酸化剤ガス)が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管70が設けられている。図4に示すように、これらの燃焼ガス配管70の下流端側には、燃料電池セル集合体12の下方に位置し長手方向に延びる燃焼ガス排出室80が形成され、燃焼ガス配管70の下端側と燃焼ガス排出室80が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室80内に、上述した蒸発混合器58が配置され、この蒸発混合器58内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って、加熱されるようになっている。さらに、燃焼ガス排出室80の下面には、燃焼ガス排出管82が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。   Next, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air (oxidant gas) will be described. As described above, a plurality of combustion gas pipes 70 are provided in the heat exchanger 22 for discharging the combustion gas generated by burning the fuel gas and the power generation air (oxidant gas) in the combustion chamber 18. It has been. As shown in FIG. 4, a combustion gas discharge chamber 80 located below the fuel cell assembly 12 and extending in the longitudinal direction is formed on the downstream end side of these combustion gas pipes 70. The side and the combustion gas discharge chamber 80 are connected. The above-described evaporative mixer 58 is disposed in the combustion gas discharge chamber 80, and the fuel gas in the evaporative mixer 58 is heated along the longitudinal direction by the high-temperature combustion gas. ing. Further, a combustion gas discharge pipe 82 is connected to the lower surface of the combustion gas discharge chamber 80 so that the combustion gas is discharged to the outside.

続いて、図5を参照しながら、燃料電池セルユニット16について説明する。図5は、本発明の一実施形態によるSOFCの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図5に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。   Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a SOFC fuel cell unit according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.

燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内側(内部)に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。   The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 inside (inside), a cylindrical outer electrode layer 92, and an inner electrode layer. 90 and an electrolyte layer 94 between the outer electrode layer 92 and the outer electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セルユニット16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   Since the inner electrode terminals 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell unit 16 have the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

続いて、改質器20について、図9を参照しながら更に説明する。図9は、改質器20をxz平面を含む平面で断面を見た場合の、本体部20の内部を示す模式的な断面図である。上述したように改質器20は、燃焼室18の上方に配置されるものであり、原料ガスを改質して燃料ガスを生成するものである。上述した燃焼ガスの燃焼熱によって、改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。図9においては、図の紙面に向って奥側(y軸方向の負側)が燃焼室18に対向する面となっている。   Next, the reformer 20 will be further described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the inside of the main body 20 when the cross section of the reformer 20 is viewed in a plane including the xz plane. As described above, the reformer 20 is disposed above the combustion chamber 18, and reforms the raw material gas to generate fuel gas. The reformer 20 is heated to a temperature at which the reforming reaction can be performed by the combustion heat of the combustion gas described above. In FIG. 9, the back side (the negative side in the y-axis direction) faces the combustion chamber 18 as viewed in the drawing.

図9に示すように、改質器20は、本体部20aを有している。本体部20aの内部には、図に明示しない球状の改質触媒が充填されている。本体部20aは、分配室201と、第一収容室202と、第二収容室203と、第三収容室204と、集約室205と、を有している。   As shown in FIG. 9, the reformer 20 has a main body 20a. The inside of the main body 20a is filled with a spherical reforming catalyst (not shown). The main body 20 a includes a distribution chamber 201, a first storage chamber 202, a second storage chamber 203, a third storage chamber 204, and an aggregation chamber 205.

分配室201は、燃料供給管64を経由して蒸発混合器58から原料ガス及び水蒸気を受け入れて、第一収容室202及び第二収容室203に分配するための空間となっている。分配室201の底面には、流入口207が形成されている。流入口207には、燃料供給管64が繋がれている。流入口207は、第二収容室203よりも第一収容室204側にオフセットされて形成されている。   The distribution chamber 201 is a space for receiving the raw material gas and water vapor from the evaporative mixer 58 via the fuel supply pipe 64 and distributing them to the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203. An inlet 207 is formed on the bottom surface of the distribution chamber 201. A fuel supply pipe 64 is connected to the inflow port 207. The inflow port 207 is offset from the second storage chamber 203 toward the first storage chamber 204.

流入口207に導入された原料ガス及び水蒸気は、第一収容室202と第二収容室203とに分配される。分配室201と第一収容室202とを分かつ壁には、連通穴208が形成されている。分配室202と第二収容室203とを分かつ壁には、連通穴209が形成されている。   The source gas and water vapor introduced into the inflow port 207 are distributed to the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203. A communication hole 208 is formed in the wall that divides the distribution chamber 201 and the first storage chamber 202. A communication hole 209 is formed in the wall that divides the distribution chamber 202 and the second storage chamber 203.

連通穴208及び連通穴209を見通す方向から見た図を図9に示す。図9に示すように、連通穴208は、連通穴209よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴208は7箇所に形成される一方で、連通穴209は6箇所に形成されている。従って、分配室201と第一収容室202とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴208の合算開口面積は、分配室201と第二収容室203とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴209の合算開口面積よりも大きくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、分配室201から第一収容室202への原料ガスの流入抵抗は、分配室201から第二収容室203への原料ガスの流入抵抗よりも小さく、原料ガスは第二収容室203よりも第一収容室202に流入しやすくなっている。   FIG. 9 shows a view seen from the direction through which the communication hole 208 and the communication hole 209 are viewed. As shown in FIG. 9, the communication hole 208 is formed as a round hole having a larger diameter than the communication hole 209. The communication holes 208 are formed at seven places, while the communication holes 209 are formed at six places. Therefore, the total opening area of the communication hole 208, which is the cross-sectional area of the flow path connecting the distribution chamber 201 and the first storage chamber 202, is the flow path breakage of the flow path connecting the distribution chamber 201 and the second storage chamber 203. It is comprised so that it may become larger than the total opening area of the communication hole 209 which is an area. Therefore, at least in the initial stage, the inflow resistance of the source gas from the distribution chamber 201 to the first storage chamber 202 is smaller than the inflow resistance of the source gas from the distribution chamber 201 to the second storage chamber 203. It is easier to flow into the first storage chamber 202 than the second storage chamber 203.

図9に戻って説明を続ける。第一収容室202及び第二収容室203の下流側には、第一収容室202及び第二収容室203の双方に繋がる第三収容室204が形成されている。第一収容室202と第三収容室204とを分かつ壁には、連通穴210が形成されている。第二収容室203と第三収容室204とを分かつ壁には、連通穴211が形成されている。   Returning to FIG. 9, the description will be continued. A third storage chamber 204 connected to both the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 is formed on the downstream side of the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203. A communication hole 210 is formed in the wall that divides the first storage chamber 202 and the third storage chamber 204. A communication hole 211 is formed in the wall that divides the second storage chamber 203 and the third storage chamber 204.

連通穴210は、連通穴211よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴210は7箇所に形成される一方で、連通穴211は6箇所に形成されている。従って、第一収容室202と第三収容室204とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴210の合算開口面積は、第二収容室203と第三収容室204とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴211の合算開口面積よりも大きくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、第一収容室202から第三収容室204への原料ガスの流入抵抗は、第二収容室203から第三収容室204への原料ガスの流入抵抗よりも小さく、原料ガスは第二収容室203を経由するよりも第一収容室202から経由する方がより多く第三収容室204に流入する。   The communication hole 210 is formed as a round hole having a larger diameter than the communication hole 211. The communication holes 210 are formed at seven places, while the communication holes 211 are formed at six places. Therefore, the total opening area of the communication hole 210 which is the flow path cross-sectional area of the flow path connecting the first storage chamber 202 and the third storage chamber 204 is the flow path connecting the second storage chamber 203 and the third storage chamber 204. It is comprised so that it may become larger than the sum total opening area of the communication hole 211 which is the flow-path cross-sectional area. Therefore, at least in the initial stage, the inflow resistance of the source gas from the first storage chamber 202 to the third storage chamber 204 is smaller than the inflow resistance of the source gas from the second storage chamber 203 to the third storage chamber 204, More raw material gas flows into the third storage chamber 204 through the first storage chamber 202 than through the second storage chamber 203.

第一収容室202及び第二収容室203から第三収容室204に流入する原料ガスは、その流動プロセスにおいて水蒸気改質される。具体的には、第一収容室202、第二収容室203、及び第三収容室204には、それぞれ改質触媒が封入されている。本実施形態の場合、改質触媒は、基材にルテニウムを担持させることで形成されている。第一収容室202及び第二収容室203から第三収容室204に流入する原料ガスは、それぞれに封入されている改質触媒の作用によって水素リッチな燃料ガスとして改質される。   The raw material gas flowing into the third storage chamber 204 from the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 is steam reformed in the flow process. Specifically, a reforming catalyst is sealed in each of the first storage chamber 202, the second storage chamber 203, and the third storage chamber 204. In the present embodiment, the reforming catalyst is formed by supporting ruthenium on a base material. The raw material gas flowing into the third storage chamber 204 from the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 is reformed as a hydrogen-rich fuel gas by the action of the reforming catalyst enclosed therein.

改質された燃料ガスは、第三収容室204から集約室205へと流入する。第三収容室204と集約室205とを分かつ壁には、連通穴212及び連通穴213が形成されている。連通穴212は、第一収容室202から本体部20aの外壁に沿って、連通穴210を延伸した下流側に略対応する位置に形成されている。連通穴213は、第二収容室203から本体部20aの外壁に沿って、連通穴211を延伸した下流側に対応する位置に形成されている。   The reformed fuel gas flows from the third storage chamber 204 into the aggregation chamber 205. A communication hole 212 and a communication hole 213 are formed in the wall that divides the third storage chamber 204 and the aggregation chamber 205. The communication hole 212 is formed at a position substantially corresponding to the downstream side of the communication hole 210 extending from the first storage chamber 202 along the outer wall of the main body 20a. The communication hole 213 is formed at a position corresponding to the downstream side where the communication hole 211 extends from the second storage chamber 203 along the outer wall of the main body portion 20a.

連通穴213は、連通穴212よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴213は7箇所に形成される一方で、連通穴212は6箇所に形成されている。従って、第一収容室202の下流側に位置する第三収容室204と集約室205とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴212の合算開口面積は、第二収容室203の下流側に位置する第三収容室204と集約室205とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴213の合算開口面積よりも小さくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、第一収容室202の下流側に位置する第三収容室204から集約室205への燃料ガスの流入抵抗は、第二収容室203の下流側に位置する第三収容室204から集約室205への燃料ガスの流入抵抗よりも大きく、燃料ガスは連通穴212を経由するよりも連通穴213経由する方がより多く集約室205に流入する。   The communication hole 213 is formed as a round hole having a larger diameter than the communication hole 212. The communication holes 213 are formed at seven places, while the communication holes 212 are formed at six places. Therefore, the total opening area of the communication hole 212, which is a flow path cross-sectional area of the flow path connecting the third storage chamber 204 and the aggregation chamber 205 located on the downstream side of the first storage chamber 202, is downstream of the second storage chamber 203. It is configured to be smaller than the total opening area of the communication hole 213 which is the flow path cross-sectional area of the flow path connecting the third storage chamber 204 and the aggregation chamber 205 located on the side. Therefore, at least in the initial stage, the inflow resistance of the fuel gas from the third storage chamber 204 located downstream of the first storage chamber 202 to the aggregation chamber 205 is the third resistance located downstream of the second storage chamber 203. The inflow resistance of the fuel gas from the storage chamber 204 to the aggregation chamber 205 is larger, and the fuel gas flows into the aggregation chamber 205 more through the communication hole 213 than through the communication hole 212.

集約室205は、燃料供給管66を経由して燃料ガスタンク68に燃料ガスを送り出すための空間となっている。集約室205の底面には、流出口214が形成されている。流出口214には、燃料供給管66が繋がれている。流出口214は、連通穴212よりも連通穴213側にオフセットされて形成されている。   The aggregation chamber 205 is a space for sending fuel gas to the fuel gas tank 68 via the fuel supply pipe 66. An outlet 214 is formed on the bottom surface of the aggregation chamber 205. A fuel supply pipe 66 is connected to the outlet 214. The outflow port 214 is formed offset from the communication hole 212 toward the communication hole 213.

本実施形態の場合、第一収容室202と第二収容室203との間の空間に、第一収容室202及び第二収容室203のz軸方向全長に渡って分流通路206が設けられている。第一収容室202と分流通路206とを分かつ壁には、連通穴215が形成されている。分流通路206と第三収容室204とを分かつ壁には、連通穴216が形成されている。連通穴215及び連通穴216は、それぞれ一つ形成されている。連通穴215及び連通穴216は、同じ径の穴であり、連通穴209と略同径である。従って、少なくとも初期状態において、分流通路206への流入抵抗は高く、分流通路206へはほとんど原料ガスが流入しないように構成されている。   In the case of this embodiment, a diversion passage 206 is provided in the space between the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 over the entire length of the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 in the z-axis direction. ing. A communication hole 215 is formed in the wall that divides the first storage chamber 202 and the diversion passage 206. A communication hole 216 is formed in the wall that divides the branch passage 206 and the third storage chamber 204. One communication hole 215 and one communication hole 216 are formed. The communication hole 215 and the communication hole 216 have the same diameter, and have substantially the same diameter as the communication hole 209. Therefore, at least in the initial state, the inflow resistance to the diversion passage 206 is high, and the raw material gas is configured to hardly flow into the diversion passage 206.

続いて、図10及び図11を参照しながら、改質器20内の原料ガス及び燃料ガスの流れを説明する。図10に示すのは、被改質ガスである原料ガスを導入し、改質プロセスを開始した初期の状態における、原料ガス及び燃料ガスの流れを示す図である。図11に示すのは、図10から更に改質プロセスが進行した場合の、原料ガス及び燃料ガスの流れを示す図である。   Subsequently, the flow of the raw material gas and the fuel gas in the reformer 20 will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a diagram showing the flow of the raw material gas and the fuel gas in the initial state where the raw material gas as the gas to be reformed is introduced and the reforming process is started. FIG. 11 shows the flow of the raw material gas and the fuel gas when the reforming process further proceeds from FIG.

図10に示すように、流入口207から改質器20内に導入された原料ガスは、分配室201に導入される。分配室201に導入された原料ガスは、最も流れやすい経路により多く流れる。従って、分配室201から第一収容室202に多くの原料ガスが流入し、分配室201から第二収容室203に流入する原料ガスは極めて少ない。   As shown in FIG. 10, the raw material gas introduced into the reformer 20 from the inlet 207 is introduced into the distribution chamber 201. A large amount of the source gas introduced into the distribution chamber 201 flows along the path that is most likely to flow. Accordingly, a large amount of source gas flows from the distribution chamber 201 into the first storage chamber 202, and the amount of source gas flowing from the distribution chamber 201 into the second storage chamber 203 is extremely small.

第一収容室202に流入した原料ガスは、第一収容室202内に収容されている改質触媒によって改質されながら第三収容室204に流入する。また、第二収容室203に流入した少量の原料ガスも、第二収容室203内に収容されている改質触媒によって改質されながら第三収容室204に流入する。   The source gas that has flowed into the first storage chamber 202 flows into the third storage chamber 204 while being reformed by the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202. A small amount of source gas that has flowed into the second storage chamber 203 also flows into the third storage chamber 204 while being reformed by the reforming catalyst stored in the second storage chamber 203.

第三収容室204に流入した原料ガスは、第三収容室204内に収容されている改質触媒によって改質されながら集約室205に流入する。この場合、連通穴213を経由して流入する方が、連通穴212を経由して流入するよりも流入し易いので、連通穴213を経由する流れが支配的となる。   The source gas flowing into the third storage chamber 204 flows into the aggregation chamber 205 while being reformed by the reforming catalyst stored in the third storage chamber 204. In this case, the flow through the communication hole 213 is easier to flow in than the flow through the communication hole 212, so that the flow through the communication hole 213 is dominant.

上述したように、改質器20内の原料ガス及び燃料ガスの流れは、初期状態においては次のような流れが支配的なものとなる。流入口207から流入した原料ガスの多くは、連通穴208を経由して第一収容室202に流入する。第一収容室202に流入した原料ガスは、連通穴210を経由して第三収容室204に流入する。第三収容室204に流入した原料ガス及び燃料ガスは、連通穴213経由を主とし、連通穴212経由を従とするように、集約室205に流入する。集約室205に流入した燃料ガスは、流出口214から流出する。   As described above, the flow of the raw material gas and the fuel gas in the reformer 20 is dominant in the initial state as follows. Most of the source gas flowing in from the inflow port 207 flows into the first storage chamber 202 via the communication hole 208. The source gas that has flowed into the first storage chamber 202 flows into the third storage chamber 204 via the communication hole 210. The raw material gas and the fuel gas that have flowed into the third storage chamber 204 flow into the collecting chamber 205 mainly through the communication hole 213 and through the communication hole 212. The fuel gas that has flowed into the collecting chamber 205 flows out from the outlet 214.

図10に示す状態から改質プロセスが更に進行すると、図11に示すような状態となる。原料ガスを水蒸気と共に改質器20内に導入し、水素リッチな燃料ガスとして取り出すと、改質器20内の改質触媒には炭素析出が発生する。従って、初期状態において原料ガス及び燃料ガスが支配的に流れた経路に沿って炭素析出が発生し、改質触媒近傍の流路が実質的に狭められる。   When the reforming process further proceeds from the state shown in FIG. 10, the state shown in FIG. 11 is obtained. When the raw material gas is introduced into the reformer 20 together with water vapor and taken out as a hydrogen-rich fuel gas, carbon deposition occurs in the reforming catalyst in the reformer 20. Therefore, carbon deposition occurs along the path in which the raw material gas and the fuel gas flow in the initial state, and the flow path near the reforming catalyst is substantially narrowed.

第一収容室202内の改質触媒には全体に渡って炭素析出が発生し、連通穴208を経由して連通穴210から第三収容室への原料ガス及び燃料ガスの流量が低減する。また、第三収容室204内の改質触媒には、連通穴210と連通穴212との間の領域において炭素析出が発生し、連通穴212を経由する燃料ガスの流量が低減する。   Carbon deposition occurs throughout the reforming catalyst in the first storage chamber 202, and the flow rates of the raw material gas and the fuel gas from the communication hole 210 to the third storage chamber via the communication hole 208 are reduced. In addition, in the reforming catalyst in the third storage chamber 204, carbon deposition occurs in the region between the communication hole 210 and the communication hole 212, and the flow rate of the fuel gas passing through the communication hole 212 is reduced.

従って、図11に示すように、第二収容室203を経由して第三収容室に流入し、連通穴213を経由して集約室205に流入する原料ガス及び燃料ガスの流れが支配的なものとなる。更に、第一収容室202に流入した原料ガスは、第一収容室202内の圧力損失が高まるので、連通穴215を経由して分流通路206に流入する。分流通路206に流入した原料ガスは、連通穴216を経由し、第二収容室202の直接的な下流に位置する第三収容室204の部分に流入する。   Therefore, as shown in FIG. 11, the flow of the raw material gas and the fuel gas flowing into the third storage chamber via the second storage chamber 203 and flowing into the aggregation chamber 205 via the communication hole 213 is dominant. It will be a thing. Furthermore, the source gas that has flowed into the first storage chamber 202 increases the pressure loss in the first storage chamber 202, and therefore flows into the branch passage 206 via the communication hole 215. The raw material gas that has flowed into the diversion passage 206 flows into the portion of the third storage chamber 204 that is located directly downstream of the second storage chamber 202 via the communication hole 216.

図11に示すような原料ガス及び燃料ガスの流れが発生すると、まだ炭素析出が起こっていない領域を通る流れとなり、劣化していない改質触媒を活用して原料ガスから燃料ガスへの改質プロセスが進行する。   When the flow of the raw material gas and the fuel gas as shown in FIG. 11 is generated, the flow passes through the region where the carbon deposition has not yet occurred, and the reforming from the raw material gas to the fuel gas is performed using the reforming catalyst that has not deteriorated. The process proceeds.

上述したように本実施形態に係る燃料電池装置としての固体電解質形燃料電池1は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器20と、電気的に接続された複数の管状の単セルである燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16により燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体としての燃料電池セル集合体12と、を備えている。改質器20は、本体部20aと、本体部20aの内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒とを有する。本体部20aには、原料ガスを導入する流入口207と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを燃料電池セル集合体12に向けて流出させる流出口214と、流入口207と流出口214との間に改質触媒が収容される触媒収容部としての第一収容室202、第二収容室203、及び第三収容室204が形成されている。   As described above, the solid oxide fuel cell 1 as the fuel cell device according to the present embodiment is a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas, and steam-reforms a raw material gas containing hydrocarbons. A reformer 20 that generates fuel gas and a fuel cell unit 16 that is a plurality of electrically connected tubular single cells. The fuel cell unit 16 generates fuel gas and oxidant gas. And a fuel cell assembly 12 as a cell assembly that generates electricity by reacting. The reformer 20 includes a main body 20a and a reforming catalyst containing ruthenium accommodated inside the main body 20a. The main body 20a includes an inlet 207 for introducing a raw material gas, an outlet 214 for flowing a fuel gas generated by steam reforming the raw material gas toward the fuel cell assembly 12, an inlet 207, A first storage chamber 202, a second storage chamber 203, and a third storage chamber 204 are formed between the outlet 214 and a catalyst storage section that stores the reforming catalyst.

上述したように、初期状態においては、第一収容室202に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室203に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されている。そして、図11を参照しながら説明したように、第一収容室202において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室202に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、第二収容室203への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されている。   As described above, in the initial state, the raw material gas flows into the second storage chamber 203 and becomes the fuel gas, rather than the pressure loss when the raw material gas flows into the first storage chamber 202 and flows out as fuel gas. Thus, the pressure loss when flowing out is increased in advance. As described with reference to FIG. 11, the carbon contained in the source gas is precipitated in the first storage chamber 202, and the flow path through which the source gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202. By narrowing the flow rate and increasing the flow resistance, the inflow of the source gas into the second storage chamber 203 increases autonomously.

本実施形態では、第一収容室202と第二収容室203とを有しているので、改質触媒を第一収容室202と第二収容室203とに分けて収容することができ、それぞれに収容された改質触媒を段階的に使用することが可能となる。更に、第一収容室202に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室203に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されているので、別段の制御的な手段を用いることなく第一収容室202に優先的に原料ガスを流入させることができる(図10参照)。従って、第一収容室202に収容されている改質触媒が優先的に使用され、改質された燃料ガスを燃料電池セル集合体12に供給することができる。   In this embodiment, since the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 are provided, the reforming catalyst can be stored separately in the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203, respectively. It becomes possible to use the reforming catalyst accommodated in the stepwise. Furthermore, the pressure loss when the raw material gas flows into the second storage chamber 203 and flows out as the fuel gas is larger than the pressure loss when the raw material gas flows into the first storage chamber 202 and flows out as the fuel gas. Since it is configured in advance so as to be high, the source gas can be preferentially flowed into the first storage chamber 202 without using a separate control means (see FIG. 10). Therefore, the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202 is preferentially used, and the reformed fuel gas can be supplied to the fuel cell assembly 12.

炭化水素を含む原料ガスを用いて水蒸気改質を行う場合、炭素析出は避け難い現象であるところ、本実施形態ではその炭素析出現象を逆手にとって有効活用し、第一収容室202における水蒸気改質から第二収容室203における水蒸気改質へと上手に流路を切り替えるものとしている。図10を参照しながら説明したように、第一収容室202に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室202において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室202において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室202に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室202において流動抵抗が増えれば、事後的に、第二収容室203に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室202に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる(図11参照)。   When steam reforming is performed using a raw material gas containing hydrocarbon, carbon deposition is a phenomenon that is unavoidable, but in this embodiment, the carbon deposition phenomenon is effectively utilized in the opposite direction, and steam reforming in the first storage chamber 202 is performed. Then, the flow path is switched to the steam reforming in the second storage chamber 203. As described with reference to FIG. 10, since the source gas is preferentially flowed into the first storage chamber 202, the first storage chamber 202 is configured such that the influence of carbon deposition appears first. For this reason, carbon contained in the raw material gas is precipitated in the first storage chamber 202, and the flow resistance increases by narrowing the flow path through which the raw material gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202. If the flow resistance increases in the first storage chamber 202, the source gas is introduced into the first storage chamber 202 later than the pressure loss when the source gas flows into the second storage chamber 203 and flows out as fuel gas. The pressure loss when flowing in and flowing out as fuel gas increases (see FIG. 11).

本実施形態ではこのような炭素析出に起因する圧力損失の変動(換言すれば、流入抵抗の変動)を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室202を経由する改質経路から第二収容室203を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室202及び第二収容室203に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器20に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。   In the present embodiment, the pressure loss variation due to such carbon deposition (in other words, variation in inflow resistance) is utilized, and reforming is performed via the first storage chamber 202 in accordance with the operation continuation state of the fuel cell device. The flow path is switched from the path to the reforming path via the second storage chamber 203. By switching the reforming path in this way, the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 can be used up well, and one of the reforming paths is excessively blocked. Accordingly, it is possible to prevent the ruthenium of the reforming catalyst from separating due to excessive steam. Therefore, the unavoidable phenomenon of carbon deposition is reversed, and the entire reforming catalyst accommodated in the reformer 20 can be used up without using any special control means.

また本実施形態では、第一収容室202及び第二収容室203の双方に繋がる第三収容室204を設け、第一収容室202及び第二収容室203は流入口207側に、第三収容室204は流出口214側に、それぞれ配置されている。   In the present embodiment, a third storage chamber 204 connected to both the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 is provided, and the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 are provided on the inlet 207 side. The chambers 204 are respectively arranged on the outlet 214 side.

本実施形態における改質器20では、流入口207から原料ガスを流入させる一方で、流出口214から改質後の燃料ガスを流出させているので、流入口207側で炭素析出が発生し、流出口214側では水蒸気過多による触媒劣化が進行する傾向にある。そこで本実施形態では、第一収容室202及び第二収容室203を流入口207側に設ける一方で、第一収容室202及び第二収容室203の下流側であって流出口214側に第三収容室204を設けることで、下流側における触媒劣化の進行を第一収容室202内及び第二収容室203内にとどめ、第三収容室204に収容された触媒は劣化しない状態を維持することができる。   In the reformer 20 in the present embodiment, the raw material gas is introduced from the inlet 207, while the reformed fuel gas is caused to flow out of the outlet 214, so that carbon deposition occurs on the inlet 207 side, On the outlet 214 side, catalyst deterioration due to excessive steam tends to proceed. Therefore, in the present embodiment, while the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 are provided on the inlet 207 side, the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 are provided downstream of the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 and on the outlet 214 side. By providing the three storage chambers 204, the progress of catalyst deterioration on the downstream side is kept in the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203, and the catalyst stored in the third storage chamber 204 is maintained in a state where it does not deteriorate. be able to.

また本実施形態では、第一収容室202が第三収容室204に繋がる連通穴210(第一連絡口)よりも流入口207側に連通穴215(第二連絡口)が形成され、この連通穴215(第二連絡口)と第三収容室204とを繋ぐ分流通路206を設け、第一収容室202に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、分流通路206に原料ガスが流入し第三収容室204へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されている。このように構成することで、第一収容室202において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室202に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、分流通路206を経由する第三収容室204への原料ガスの流入が自律的に高まる。   In the present embodiment, a communication hole 215 (second communication port) is formed on the inlet 207 side of the communication hole 210 (first communication port) connecting the first storage chamber 202 to the third storage chamber 204, and this communication is performed. A diversion passage 206 is provided to connect the hole 215 (second communication port) and the third storage chamber 204, and the pressure loss when the raw material gas flows into the first storage chamber 202 and flows out as fuel gas is more than the pressure loss. It is configured in advance so as to increase the pressure loss when the raw material gas flows into the flow passage 206 and flows out into the third storage chamber 204 as it is. With this configuration, carbon contained in the source gas is precipitated in the first storage chamber 202, and the flow resistance through which the source gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202 is reduced. As a result, the inflow of the raw material gas into the third storage chamber 204 via the diversion passage 206 increases autonomously.

本実施形態では上述したように、第一収容室202に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室202において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室202において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室202に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室202において流動抵抗が増えれば、事後的に、第三収容室204に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室202に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。   In the present embodiment, as described above, since the source gas is preferentially flowed into the first storage chamber 202, the first storage chamber 202 is configured such that the influence of carbon deposition appears first. For this reason, carbon contained in the raw material gas is precipitated in the first storage chamber 202, and the flow resistance increases by narrowing the flow path through which the raw material gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202. If the flow resistance increases in the first storage chamber 202, the source gas is introduced into the first storage chamber 202 later than the pressure loss when the raw material gas flows into the third storage chamber 204 and flows out as fuel gas. Pressure loss when flowing in and flowing out as fuel gas increases.

このような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室202を経由する改質経路から分流通路206を経由し第三収容室204を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室202及び第三収容室204に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器20に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。   By utilizing such fluctuations in pressure loss caused by carbon deposition, the third storage chamber 204 is routed from the reforming path passing through the first storage chamber 202 via the branch flow passage 206 in accordance with the operation continuation state of the fuel cell device. The flow path is switched to the reforming path via By switching the reforming path in this way, the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202 and the third storage chamber 204 can be used up well, and one of the reforming paths is excessively blocked. Accordingly, it is possible to prevent the ruthenium of the reforming catalyst from separating due to excessive steam. Therefore, the unavoidable phenomenon of carbon deposition is reversed, and the entire reforming catalyst accommodated in the reformer 20 can be used up without using any special control means.

また本実施形態では、分流通路206から第三収容室204へ供給される原料ガスは、第一収容室202の下流側直下よりも第二収容室203の下流側直下により多く供給されるように、分流通路206を設けている。   In the present embodiment, the source gas supplied from the diversion passage 206 to the third storage chamber 204 is supplied more directly below the second storage chamber 203 than directly below the first storage chamber 202. In addition, a diversion passage 206 is provided.

上述したように、第一収容室202において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室202に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えると、分流経路206を経由せずに第三収容室204に繋がる流路においても炭素析出の影響を受けているものと想定される。そこで、分流通路206から第三収容室204へ供給される原料ガスは、第一収容室202の下流側直下よりも第二収容室203の下流側直下により多く供給されるように、分流通路206を設けることで、炭素析出の影響がより小さいと想定される第二収容室203の下流側直下に原料ガスを供給することができる。従って、第三収容室204に収容されている改質触媒をより上手に使い切ることができる。   As described above, when the carbon contained in the raw material gas is precipitated in the first storage chamber 202, the flow resistance increases by narrowing the flow path through which the raw material gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202. Also, it is assumed that the flow path leading to the third storage chamber 204 without passing through the diversion path 206 is also affected by the carbon deposition. Accordingly, the source gas supplied from the diversion passage 206 to the third storage chamber 204 is distributed so that more source gas is supplied directly below the downstream side of the second storage chamber 203 than directly below the downstream side of the first storage chamber 202. By providing the path 206, the source gas can be supplied directly below the downstream side of the second storage chamber 203 where the influence of carbon deposition is assumed to be smaller. Therefore, the reforming catalyst stored in the third storage chamber 204 can be used up more effectively.

また本実施形態では、第二収容室203よりも第一収容室202に近接させて流入口207を形成し、第一収容室202よりも第二収容室203に近接させて流入口214が形成されている。   In this embodiment, the inlet 207 is formed closer to the first storage chamber 202 than the second storage chamber 203, and the inlet 214 is formed closer to the second storage chamber 203 than the first storage chamber 202. Has been.

流入口207を第一収容室202に近接させて形成することで、運転開始当初は第一収容室202に原料ガスを確実に導入することができる。一方、流出口214を第二収容室203に近接させて形成することで、改質後の燃料ガスの流れは第二収容室203側から排出されるものとし、第一収容室202下流への流れを相対的に減少させている。従って、運転開始当初は第一収容室202に収容された改質触媒を集中的に使用しつつ、第一収容室202下流における改質触媒劣化を第二収容室203側に分散することで、改質器20全体の改質性能を高めることができる。   By forming the inflow port 207 close to the first storage chamber 202, the source gas can be reliably introduced into the first storage chamber 202 at the beginning of operation. On the other hand, the flow of the reformed fuel gas is discharged from the second storage chamber 203 side by forming the outlet 214 close to the second storage chamber 203, and the downstream of the first storage chamber 202 The flow is relatively reduced. Therefore, by initially using the reforming catalyst stored in the first storage chamber 202 in an intensive manner, the deterioration of the reforming catalyst downstream of the first storage chamber 202 is distributed to the second storage chamber 203 side. The reforming performance of the entire reformer 20 can be improved.

また本実施形態では、本体部20aの燃料電池セル集合体12に対向する下面に流入口207及び流出口214を形成し、第一収容室202及び第二収容室203を、本体部20aの下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することも好ましい態様である。第一収容室202を下面側に配置し、本体部20aを本体部20bに変形して改質器20Bを構成した例を図13に示す。第二収容室203を下面側に配置し、本体部20aを本体部20cに変形して改質器20Cを構成した例を図14に示す。   In the present embodiment, the inlet 207 and the outlet 214 are formed on the lower surface of the main body portion 20a facing the fuel cell assembly 12, and the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 are connected to the lower surface of the main body portion 20a. It is also a preferable aspect to arrange them so as to line up and down along the direction from the top to the top. FIG. 13 shows an example in which the reformer 20B is configured by arranging the first storage chamber 202 on the lower surface side and deforming the main body portion 20a into the main body portion 20b. FIG. 14 shows an example in which the second storage chamber 203 is disposed on the lower surface side, and the reformer 20C is configured by deforming the main body 20a to the main body 20c.

これらの変形例では、本体部20b,20cの燃料電池セル集合体12に対向する下面に流入口207及び流出口214が形成されているので、原料ガスが本体部20b,20cの下面から本体部20b,20c内に流入し、改質された燃料ガスが本体部20b,20cの下面から流出する。このように本体部20b,20cの下面から原料ガスを流入させる構成を採用しつつ、第一収容室202及び第二収容室203を本体部20b,20cの下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することで、下面側に配置された方の改質経路に優先的に原料ガスが流れ込むように構成している。このような配置上の工夫によって、原料ガスの流入しやすさに差を設けているので、第一収容室202と第二収容室203との圧力損失の差を小さくすることが可能になると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されない状態での切り替えが可能なものとなる。   In these modified examples, since the inlet 207 and the outlet 214 are formed on the lower surface of the main body portions 20b and 20c facing the fuel cell assembly 12, the source gas flows from the lower surface of the main body portions 20b and 20c to the main body portion. The reformed fuel gas flows into 20b and 20c and flows out from the lower surfaces of the main body portions 20b and 20c. The first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 are moved up and down along the direction from the lower surface of the main body portions 20b and 20c to the upper surface while adopting the configuration in which the raw material gas flows in from the lower surface of the main body portions 20b and 20c. By arranging so as to line up with each other, the raw material gas flows preferentially into the reforming path arranged on the lower surface side. With such arrangement, a difference is provided in the ease of flow of the source gas, so that the difference in pressure loss between the first storage chamber 202 and the second storage chamber 203 can be reduced. Thus, switching in a state where one reforming path is not excessively blocked is possible.

図13に示す変形例では、第一収容室202を下面側に配置することで原料ガスの流入容易性を高める一方で、第二収容室203を上面側に配置することで原料ガスが流入し難いように構成している。従って、第一収容室202における改質経路の閉塞が発生していない段階では、第二収容室203への原料ガスの流入を抑制し、第一収容室202における改質経路の閉塞が発生した後に第二収容室203へ原料ガスが流入するように構成している。このような構成上の工夫によって、第二収容室203への原料ガスの流入移行を緩やかなものとし、第一収容室202内の改質触媒が劣化した後の第二収容室203内の改質触媒による改質性能を確保することができ、改質器全体の改質性能を高めることができる。   In the modification shown in FIG. 13, the ease of inflow of the source gas is improved by arranging the first storage chamber 202 on the lower surface side, while the source gas flows in by arranging the second storage chamber 203 on the upper surface side. It is configured to be difficult. Accordingly, at the stage where the reforming path in the first storage chamber 202 is not blocked, the flow of the raw material gas into the second storage chamber 203 is suppressed, and the reforming path in the first storage chamber 202 is blocked. The material gas is configured to flow into the second storage chamber 203 later. By such a device in the configuration, the transition of the raw material gas into the second storage chamber 203 is made gradual, and the reforming in the second storage chamber 203 after the reforming catalyst in the first storage chamber 202 is deteriorated. The reforming performance by the quality catalyst can be ensured, and the reforming performance of the entire reformer can be enhanced.

図14に示す変形例では、第二収容室203を下面側に配置することで、燃料電池セル集合体12において発電反応に使用された残余の燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼する燃焼部に、第二収容室203を近接させることができる。従って、第一収容室202における改質経路の閉塞が発生すると原料ガスが流入する第二収容室203を下面側に配置することで、改質性能が相対的に低下した場合に主体となる第二収容室203の温度を高めに維持し、改質器全体の改質性能を高めることができる。   In the modification shown in FIG. 14, by disposing the second storage chamber 203 on the lower surface side, in the combustion section where the remaining fuel gas and oxidant gas used for the power generation reaction in the fuel cell assembly 12 burns, The 2nd storage chamber 203 can be made to adjoin. Therefore, when the reforming path in the first storage chamber 202 is blocked, the second storage chamber 203 into which the raw material gas flows is arranged on the lower surface side, so that the second main chamber 203 is mainly used when the reforming performance is relatively lowered. The temperature of the two storage chambers 203 can be maintained high, and the reforming performance of the entire reformer can be enhanced.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.

1:固体電解質形燃料電池
2:燃料電池モジュール
4:補機ユニット
6:ハウジング
8:密封空間
10:発電室
12:燃料電池セル集合体
12a:上面
12b:下面
12c:長辺側面
12d:短辺側面
14:燃料電池セルスタック
16:燃料電池セルユニット
18:燃焼室
20:改質器
22:熱交換器
24:水供給源
26:純水タンク
28:水流量調整ユニット
30:燃料供給源
32:ガス遮断弁
36:脱硫器
38:燃料流量調整ユニット
40;空気供給源
42:電磁弁
44:改質用空気流量調整ユニット
45:発電用空気流量調整ユニット
46:第一ヒータ
48:第二ヒータ
50:温水製造装置
52:制御ボックス
54:インバータ
56:ケーシング
58:蒸発混合器
60:被改質ガス供給管
62:水供給管
64:燃料供給管
66:燃料供給管
66a:下端側
68:燃料ガスタンク
70:燃焼ガス配管
72:発電用空気流路
72a:出口ポート
74:発電用空気導入管
74a:導入口
76:発電用空気供給路
78:吹出口
80:燃焼ガス排出室
82:燃焼ガス排出管
84:燃料電池セル
86:内側電極端子
88:燃料ガス流路
90:内側電極層
90a:上部
90b:外周面
90c:上端面
92:外側電極層
94:電解質層
96:シール材
98:燃料ガス流路
20a:本体部
201:分配室
202:第一収容室
203:第二収容室
204:第三収容室
205:集約室
206:分流通路
207:流入口
208:連通穴
209:連通穴
210:連通穴
211:連通穴
212:連通穴
213:連通穴
214:流出口
215:連通穴
216:連通穴
1: Solid electrolyte fuel cell 2: Fuel cell module 4: Auxiliary unit 6: Housing 8: Sealed space 10: Power generation chamber 12: Fuel cell assembly 12a: Upper surface 12b: Lower surface 12c: Long side surface 12d: Short side Side 14: Fuel cell stack 16: Fuel cell unit 18: Combustion chamber 20: Reformer 22: Heat exchanger 24: Water supply source 26: Pure water tank 28: Water flow rate adjustment unit 30: Fuel supply source 32: Gas shutoff valve 36: desulfurizer 38: fuel flow rate adjustment unit 40; air supply source 42: electromagnetic valve 44: reforming air flow rate adjustment unit 45: power generation air flow rate adjustment unit 46: first heater 48: second heater 50 : Hot water production device 52: Control box 54: Inverter 56: Casing 58: Evaporative mixer 60: Reformed gas supply pipe 62: Water supply pipe 64: Fuel supply pipe 66: Fuel supply Pipe 66a: Lower end side 68: Fuel gas tank 70: Combustion gas pipe 72: Power generation air flow path 72a: Outlet port 74: Power generation air introduction pipe 74a: Inlet 76: Power generation air supply path 78: Air outlet 80: Combustion Gas exhaust chamber 82: Combustion gas exhaust pipe 84: Fuel cell 86: Inner electrode terminal 88: Fuel gas flow path 90: Inner electrode layer 90a: Upper part 90b: Outer peripheral surface 90c: Upper end surface 92: Outer electrode layer 94: Electrolyte layer 96: Sealing material 98: Fuel gas flow path 20a: Main body 201: Distribution chamber 202: First storage chamber 203: Second storage chamber 204: Third storage chamber 205: Aggregation chamber 206: Dividing passage 207: Inlet 208 : Communication hole 209: Communication hole 210: Communication hole 211: Communication hole 212: Communication hole 213: Communication hole 214: Outlet 215: Communication hole 216: Communication hole

Claims (8)

燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、
炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、
電気的に接続された複数の管状の単セルを有し、これらの単セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体と、を備え、
前記改質器は、本体部と、当該本体部の内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒と、を有し、
前記本体部には、原料ガスを導入する流入口と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを前記セル集合体に向けて流出させる流出口と、前記流入口と前記流出口との間に前記改質触媒が収容される触媒収容部と、が形成され、
前記触媒収容部は、第一収容室と第二収容室とを有し、
前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、
前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記第二収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
A fuel cell device that generates power with fuel gas and oxidant gas,
A reformer that produces a fuel gas by steam reforming a raw material gas containing hydrocarbon;
A plurality of electrically connected tubular single cells, and a cell assembly in which fuel gas and oxidant gas react with each other to generate electric power.
The reformer has a main body part, and a reforming catalyst containing ruthenium accommodated in the main body part,
The main body includes an inlet for introducing a raw material gas, an outlet for flowing a fuel gas generated by steam reforming the raw material gas toward the cell assembly, and the inlet and the outlet. And a catalyst housing part in which the reforming catalyst is housed,
The catalyst housing portion has a first housing chamber and a second housing chamber,
The pressure loss when the raw material gas flows into the second storage chamber and flows out as fuel gas is higher than the pressure loss when the raw material gas flows into the first storage chamber and flows out as fuel gas. Pre-configured as
The carbon contained in the source gas is precipitated in the first storage chamber, and the flow resistance increases by narrowing the flow path through which the source gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber, thereby increasing the flow resistance. A fuel cell device configured to autonomously increase the inflow of the raw material gas into the storage chamber.
前記本体部の前記セル集合体に対向する下面に前記流入口及び前記流出口が形成され、
前記第一収容室及び前記第二収容室は、前記本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
The inflow port and the outflow port are formed on the lower surface of the main body portion facing the cell assembly,
2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the first storage chamber and the second storage chamber are arranged so as to be aligned vertically along a direction from the lower surface to the upper surface of the main body portion.
前記第一収容室が前記下面側に、前記第二収容室が前記上面側に、それぞれ配置されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 2, wherein the first storage chamber is disposed on the lower surface side, and the second storage chamber is disposed on the upper surface side. 前記触媒収容部は、前記第一収容室及び前記第二収容室の双方に繋がる第三収容室をさらに有し、
前記第一収容室及び前記第二収容室は前記流入口側に、前記第三収容室は前記流出口側に、それぞれ配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
The catalyst storage unit further includes a third storage chamber connected to both the first storage chamber and the second storage chamber,
2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the first storage chamber and the second storage chamber are disposed on the inlet side, and the third storage chamber is disposed on the outlet side.
前記第一収容室が前記第三収容室に繋がる第一連絡口よりも前記流入口側に第二連絡口が形成され、この第二連絡口と前記第三収容室とを繋ぐ分流通路が設けられており、
前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記分流通路に原料ガスが流入し前記第三収容室へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、
前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記分流通路を経由する前記第三収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池装置。
A second communication port is formed on the inflow side from the first communication port connecting the first storage chamber to the third storage chamber, and a branch passage connecting the second communication port and the third storage chamber is provided. Provided,
The pressure loss when the raw material gas flows into the branch passage and flows out into the third storage chamber is higher than the pressure loss when the raw material gas flows into the first storage chamber and flows out as fuel gas. Pre-configured to be
In the first storage chamber, carbon contained in the raw material gas is precipitated, and the flow resistance is increased by narrowing the flow path through which the raw material gas passes in the vicinity of the reforming catalyst stored in the first storage chamber. The fuel cell device according to claim 4, wherein the inflow of the raw material gas into the third storage chamber via the path increases autonomously.
前記分流通路から前記第三収容室へ供給される原料ガスは、前記第一収容室の下流側直下よりも前記第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、前記分流通路が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池装置。   The source gas supplied from the branch passage to the third storage chamber is supplied more directly to the downstream side of the second storage chamber than to the downstream side of the first storage chamber. The fuel cell device according to claim 5, wherein the fuel cell device is provided. 前記第二収容室よりも前記第一収容室に近接させて前記流入口が形成され、前記第一収容室よりも前記第二収容室に近接させて前記流出口が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。 The inflow port is formed closer to the first storage chamber than the second storage chamber, and the outflow port is formed closer to the second storage chamber than the first storage chamber. The fuel cell device according to claim 1. 前記第一収容室が前記上面側に、前記第二収容室が前記下面側に、それぞれ配置されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 2, wherein the first storage chamber is disposed on the upper surface side, and the second storage chamber is disposed on the lower surface side.
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