JP7094168B2 - Combustor and fuel cell module - Google Patents

Combustor and fuel cell module Download PDF

Info

Publication number
JP7094168B2
JP7094168B2 JP2018131612A JP2018131612A JP7094168B2 JP 7094168 B2 JP7094168 B2 JP 7094168B2 JP 2018131612 A JP2018131612 A JP 2018131612A JP 2018131612 A JP2018131612 A JP 2018131612A JP 7094168 B2 JP7094168 B2 JP 7094168B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
wall
fuel
oxidant gas
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018131612A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2020007200A (en
Inventor
怜 加藤
貴亮 染川
雅史 大橋
信 稲垣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Gas Co Ltd filed Critical Tokyo Gas Co Ltd
Priority to JP2018131612A priority Critical patent/JP7094168B2/en
Publication of JP2020007200A publication Critical patent/JP2020007200A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7094168B2 publication Critical patent/JP7094168B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は、燃焼器、及び、燃焼器を備えた燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a combustor and a fuel cell module including the combustor.

従来、固体酸化物形燃料電池セルスタックと、原燃料ガスを改質し燃料電池セルスタックに供給される改質ガスを生成する改質部と、燃料電池セルスタックから排出されたスタック排ガスを燃焼する燃焼器とを備えた燃料電池モジュールが知られている。 Conventionally, a solid oxide fuel cell stack, a reforming unit that reforms raw fuel gas to generate reformed gas supplied to the fuel cell stack, and a stack exhaust gas discharged from the fuel cell stack are burned. Fuel cell modules with a combustor are known.

特開2016-24871号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-24871

この燃料電池モジュールの燃焼器では、燃料電池セルスタックから排出されたスタック排ガスを燃焼させるために、酸化剤ガス(空気)を用いる。スタック排ガスと酸化剤ガスをどのように燃焼室へ供給するかによって燃焼性に影響が出る。燃焼室への供給の仕方によっては、スタック排ガスの燃焼が不十分となり、スタック排ガスが燃焼されないまま燃焼器から排出されたり、燃焼器内において火炎が消失してしまったりすることが考えられる。 In the combustor of this fuel cell module, an oxidant gas (air) is used to burn the stack exhaust gas discharged from the fuel cell stack. Combustibility is affected by how the stack exhaust gas and oxidant gas are supplied to the combustion chamber. Depending on the method of supply to the combustion chamber, it is conceivable that the combustion of the stack exhaust gas becomes insufficient, the stack exhaust gas is discharged from the combustor without being burned, or the flame disappears in the combustor.

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、燃焼器において燃料ガスの燃焼性を向上させる燃焼器、及び、この燃焼器を備えた燃料電池モジュールを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a combustor for improving the combustibility of fuel gas in a combustor, and a fuel cell module provided with the combustor. be.

上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る燃焼器は、燃料ガス及び酸化剤ガスが混合された混合ガスが燃焼される筒状の燃焼室周壁の内側に形成された燃焼室と、前記燃焼室の筒軸の一端側と隣接され外部から前記酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス室仕切壁で前記燃焼室と区画された酸化剤ガス室と、前記酸化剤ガス室の径方向内側に配置され、外部から前記燃料ガスが供給され、燃料ガス室仕切壁で前記酸化剤ガス室と区画された燃料ガス室と、前記酸化剤ガス室仕切壁を貫通し、前記燃焼室と前記酸化剤ガス室とを連通させる酸化剤ガスノズルと、前記燃料ガス室仕切壁を貫通し、前記貫通方向において前記酸化剤ガスノズルと重複する重複部と、前記燃料ガスの噴出先が前記酸化剤ガス室仕切壁の前記酸化剤ガス室側の面であり前記酸化剤ガスノズルと非重複の非重複部を有し、前記燃料ガスを前記酸化剤ガス室へ吐出させる燃料ガスノズルと、を備えている。 In order to achieve the above object, the combustor according to claim 1 of the present invention is a combustion chamber formed inside a tubular combustion chamber peripheral wall in which a mixed gas in which a fuel gas and an oxidant gas are mixed is burned. And, the oxidant gas is supplied from the outside adjacent to one end side of the cylinder shaft of the combustion chamber, and the oxidant gas chamber separated from the combustion chamber by the oxidant gas chamber partition wall, and the oxidant gas chamber. The fuel gas is supplied from the outside and penetrates the fuel gas chamber partitioned from the oxidant gas chamber by the fuel gas chamber partition wall and the oxidant gas chamber partition wall, and the combustion chamber is arranged inside in the radial direction. The oxidant gas nozzle that communicates the oxidant gas chamber with the oxidant gas chamber, the overlapping portion that penetrates the fuel gas chamber partition wall and overlaps with the oxidant gas nozzle in the penetration direction, and the ejection destination of the fuel gas is the oxidant. It is a surface of the gas chamber partition wall on the oxidant gas chamber side and has a non-overlapping portion that does not overlap with the oxidant gas nozzle, and includes a fuel gas nozzle for discharging the fuel gas to the oxidant gas chamber. ..

この燃焼器では、径方向内側の燃料ガス室に供給された燃料ガスは、燃料ガスノズルから酸化剤ガス室へ噴出される。また、酸化剤ガス室に供給された酸化剤ガスは、燃料ガスノズルからの燃料ガスと共に酸化剤ガスノズルから燃焼室へ噴出される。燃料ガスノズルは、酸化剤ガスノズルと重複しない非重複部を有しているので、燃料ガスノズルを通過した燃料ガスの一部は、酸化剤ガス仕切壁に当たり、乱流を生じさせる。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスの混合が促進され、酸化剤ガスノズルから燃焼室へ噴出された混合ガスの燃焼器における燃焼性を向上させることができる。 In this combustor, the fuel gas supplied to the fuel gas chamber on the inner side in the radial direction is ejected from the fuel gas nozzle to the oxidant gas chamber. Further, the oxidant gas supplied to the oxidant gas chamber is ejected from the oxidant gas nozzle to the combustion chamber together with the fuel gas from the fuel gas nozzle. Since the fuel gas nozzle has a non-overlapping portion that does not overlap with the oxidant gas nozzle, a part of the fuel gas that has passed through the fuel gas nozzle hits the oxidant gas partition wall and causes turbulence. This promotes the mixing of the fuel gas and the oxidant gas, and can improve the combustibility of the mixed gas ejected from the oxidant gas nozzle into the combustion chamber in the combustor.

請求項2に係る燃焼器は、前記燃料ガスノズルと前記酸化剤ガスノズルとは、非同軸とされている。 In the combustor according to claim 2, the fuel gas nozzle and the oxidant gas nozzle are non-coaxial.

このように、燃料ガスノズルと酸化剤ガスノズルとを非同軸に配置することにより、燃料ガスノズルと酸化剤ガスノズルの大小関係に係わらず、容易に燃料ガスノズルに重複部と非重複部とを形成することができる。 By arranging the fuel gas nozzle and the oxidant gas nozzle non-coaxially in this way, it is possible to easily form overlapping portions and non-overlapping portions in the fuel gas nozzle regardless of the magnitude relationship between the fuel gas nozzle and the oxidant gas nozzle. can.

請求項3に係る燃焼器は、前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃焼室周壁と同軸に配置された筒状の筒状壁部と、前記筒状壁部の外周下部から前記燃焼室周壁へ拡径され前記燃焼室が前記一端側へ凸となるようにテーパー状とされたテーパー壁部と、を有し、
前記酸化剤ガスノズルは、前記筒状壁部に形成され、前記テーパー壁部には、前記テーパー壁部を貫通して前記酸化剤ガス室と前記燃焼室とを連通させる複数のテーパー壁連通孔が形成されている。
In the combustor according to claim 3, the oxidant gas chamber partition wall has a tubular tubular wall portion arranged coaxially with the combustion chamber peripheral wall and the combustion chamber peripheral wall from the lower outer periphery of the tubular wall portion. It has a tapered wall portion whose diameter is expanded to and the combustion chamber is tapered so as to be convex toward one end side.
The oxidant gas nozzle is formed in the tubular wall portion, and the tapered wall portion has a plurality of tapered wall communication holes that penetrate the tapered wall portion and communicate the oxidant gas chamber and the combustion chamber. It is formed.

請求項3に記載の燃焼器では、筒状壁部に形成された酸化剤ガスノズルから噴出された燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを、テーパー壁部に沿って径方向内側から径方向外側へ拡散させることができ、燃焼器における火炎の長さを短くすることができる。 In the combustor according to claim 3, the mixed gas of the fuel gas and the oxidant gas ejected from the oxidant gas nozzle formed on the tubular wall portion is sent from the radial inside to the radial outside along the tapered wall portion. It can be diffused to and the length of the flame in the combustor can be shortened.

請求項4に係る燃焼器は、前記燃料ガス室仕切壁が、前記筒状壁部の内側に配置された筒状の内側筒壁、及び、前記内側筒壁の先端を覆う天面壁を含んで形成され、前記燃料ガスノズルは前記内側筒壁に形成されている。 The combustor according to claim 4 includes a tubular inner tubular wall in which the fuel gas chamber partition wall is arranged inside the tubular wall portion, and a top wall covering the tip of the inner tubular wall. It is formed and the fuel gas nozzle is formed on the inner cylinder wall.

請求項4に係る燃焼器では、燃料ガス室仕切壁を筒状の内側筒壁と内側筒壁の先端を覆う天面壁を含んで形成することにより、燃料ガス室を筒内側の空間で構成することができる。 In the combustor according to claim 4, the fuel gas chamber is formed by the space inside the cylinder by forming the fuel gas chamber partition wall including the tubular inner cylinder wall and the top wall covering the tip of the inner cylinder wall. be able to.

請求項5に係る燃焼器は、前記テーパー壁連通孔は、前記燃焼室の径方向に同一幅の同心環状帯において、径方向内側よりも径方向外側の方が前記酸化剤ガスの前記テーパー壁連通孔の透過流量が多くなるように形成されている。 In the combustor according to claim 5, the tapered wall communication hole is a concentric annular zone having the same width in the radial direction of the combustion chamber. It is formed so that the permeation flow rate of the communication hole is large.

請求項5に係る燃焼器では、前記燃焼室の径方向内側よりも径方向外側の方が酸化剤ガスのテーパー壁連通孔の透過流量が多い。したがって、酸化剤ガスへ供給された酸化剤ガスのうち燃焼室の径方向外側に供給される流量が増え、燃料ガスに混合される流量が減少するため、燃焼ガスの燃焼速度を下げることができる。これにより、燃焼器の筒軸付近への火炎集中が抑制され、局所加熱による焼損、劣化を抑制することができる。また、燃焼器へ供給される空気比が高い場合には、燃焼に寄与せず排気させることができるため、燃焼性を向上させることができる。 In the combustor according to claim 5, the permeation flow rate of the tapered wall communication hole of the oxidant gas is larger on the radial outer side than on the radial inner side of the combustion chamber. Therefore, of the oxidant gas supplied to the oxidant gas, the flow rate supplied to the radial outside of the combustion chamber increases, and the flow rate mixed with the fuel gas decreases, so that the combustion speed of the combustion gas can be reduced. .. As a result, the concentration of flames near the cylinder shaft of the combustor is suppressed, and burning and deterioration due to local heating can be suppressed. Further, when the air ratio supplied to the combustor is high, the air can be exhausted without contributing to combustion, so that the combustibility can be improved.

請求項6に係る燃焼器は、記テーパー壁連通孔は、同心円状に複数列形成され、径方向内側の列の前記テーパー壁連通孔の個数よりも径方向外側の列の前記テーパー壁連通孔の個数が多いことを特徴とする。 In the combustor according to claim 6, the tapered wall communication holes are formed in a plurality of concentric rows, and the tapered wall communication holes in the radial outer row are larger than the number of the tapered wall communication holes in the radial inner row. It is characterized by a large number of.

このように、径方向内側の列のテーパー壁連通孔の個数よりも、径方向外側の列のテーパー部連通孔の個数を多くすることにより、燃焼室の径方向内側よりも径方向外側の酸化剤ガスの透過流量を多くすることができる。したがって、燃焼ガスの燃焼速度を下げることができると共に、燃焼器へ供給される空気比が高い場合でも燃焼性を向上させることができる。 In this way, by increasing the number of tapered wall communication holes in the radial outer row rather than the number of tapered wall communication holes in the radial inner row, the oxidation of the radial outer side of the combustion chamber is larger than the radial inner side. The permeation flow rate of the agent gas can be increased. Therefore, the combustion speed of the combustion gas can be reduced, and the combustibility can be improved even when the air ratio supplied to the combustor is high.

請求項7に係る燃焼器は、前記テーパー壁連通孔は、同心円状に複数列形成され、径方向内側の列の前記テーパー壁連通孔の開口サイズよりも径方向外側の列の前記テーパー壁連通孔の開口サイズが大きいことを特徴とする。 In the combustor according to claim 7, the tapered wall communication holes are concentrically formed in a plurality of rows, and the tapered wall communication in a row outward in the radial direction from the opening size of the tapered wall communication hole in the radial inner row. It is characterized by a large opening size of the hole.

このように、径方向内側の列のテーパー壁連通孔の開口サイズよりも、径方向外側の列のテーパー部連通孔の開口サイズを大きくすることにより、燃焼室の径方向内側よりも径方向外側の酸化剤ガスの透過流量を多くすることができる。したがって、燃焼ガスの燃焼速度を下げることができると共に、燃焼器へ供給される空気比が高い場合でも燃焼性を向上させることができる。 In this way, by making the opening size of the tapered wall communication hole in the radial outer row larger than the opening size of the tapered wall communication hole in the radial inner row, the radial outer side of the combustion chamber is larger than the radial inner side. The permeation flow rate of the oxidant gas can be increased. Therefore, the combustion speed of the combustion gas can be reduced, and the combustibility can be improved even when the air ratio supplied to the combustor is high.

請求項8に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、原燃料が気化されて原燃料ガスが生成される気化部と、前記原燃料ガスから前記燃料ガスが生成される改質部と、前記燃料電池セルスタックの燃料極から排出された燃料極排ガスである燃料ガスと、前記燃料電池セルスタックの空気極から排出された空気極排ガスである酸化剤ガスとが混合されたスタック排ガスを燃焼させる、請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の燃焼器と、を備えている。 The fuel cell module according to claim 8 includes a fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction between fuel gas and an oxidant gas, a vaporization unit in which raw fuel is vaporized to generate raw fuel gas, and the raw material fuel. The reforming section where the fuel gas is generated from the gas, the fuel gas which is the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack, and the air electrode exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack. The combustor according to any one of claims 1 to 8, which burns a stack exhaust gas mixed with an oxidizing agent gas.

請求項8に係る燃料電池モジュールによれば、上述の燃焼器が適用されているので、起動時や発電時に燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスであるスタック排ガスの性状や組成等が異なる場合でも、スタック排ガスを単一の燃焼器で安定して燃焼させることができる。これにより、燃焼器及びその周辺の構造を簡素化できるので、燃料電池モジュールの小型化及び低コスト化を図ることができる。 According to the fuel cell module according to claim 8, since the above-mentioned combustor is applied, even if the properties and composition of the stack exhaust gas, which is a mixed gas of the fuel gas and the oxidant gas, are different at the time of startup or power generation. , Stacked exhaust gas can be stably burned with a single combustor. As a result, the structure of the combustor and its surroundings can be simplified, so that the fuel cell module can be miniaturized and the cost can be reduced.

請求項8に係る燃料電池モジュールは、前記燃焼器は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、前記改質部は、前記燃焼器の上方に前記燃焼器と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する少なくとも三重の筒状壁によって構成され、かつ、該三重の筒状壁における内側及び筒状壁の間に、断熱空間、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスの熱を利用して前記原燃料ガスが改質されて前記燃料ガスが生成される改質流路をそれぞれ有し、前記気化部は、前記改質部の上方に前記改質部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する少なくとも三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、かつ、該三重の筒状壁における内側及び筒状壁の間に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスとの熱交換により前記原燃料が気化されて前記原燃料ガスが生成される気化流路をそれぞれ有する。 In the fuel cell module according to claim 8, the combustor is provided above the fuel cell stack, and the reforming portion is provided above the combustor coaxially with the combustor and mutually. A heat insulating space, a combustion exhaust gas discharged from the combustor, which is composed of at least a triple tubular wall having a gap between the two, and between the inside and the tubular wall of the triple tubular wall. Each has a flow path and a reforming flow path in which the raw material fuel gas is reformed by utilizing the heat of the combustion exhaust gas to generate the fuel gas, and the vaporization section is above the reforming section. It is composed of at least triple cylindrical or elliptical tubular walls that are provided coaxially with the reforming portion and have gaps between them, and are inside and tubular in the triple tubular wall. Between the walls, there is a heat insulating space, a combustion exhaust gas flow path through which the combustion exhaust gas flows, and a vaporization flow path in which the raw material fuel is vaporized by heat exchange with the combustion exhaust gas to generate the raw material fuel gas.

請求項9に係る燃料電池モジュールによれば、気化部及び改質部は、少なくとも三重の筒状壁によってそれぞれ形成されているので、気化部及び改質部の構造を簡素化することができると共に、気化部及び改質部を小型化することができる。また、燃焼器、改質部、気化部は、同軸上に配置されているので、燃料電池モジュールを径方向に小型化することができる。 According to the fuel cell module according to claim 9, since the vaporizing part and the reforming part are each formed by at least a triple tubular wall, the structures of the vaporizing part and the reforming part can be simplified. , The vaporization part and the reforming part can be miniaturized. Further, since the combustor, the reforming unit, and the vaporizing unit are arranged coaxially, the fuel cell module can be miniaturized in the radial direction.

以上説明したように、本発明によれば、燃焼器において燃料ガスの燃焼性を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, the combustibility of the fuel gas can be improved in the combustor.

燃料電池モジュールの縦断面図である。It is a vertical sectional view of a fuel cell module. 燃料電池モジュールの要部拡大図である。It is an enlarged view of the main part of a fuel cell module. 燃料電池モジュールの要部拡大図である。It is an enlarged view of the main part of a fuel cell module. 燃料電池モジュールの要部拡大図である。It is an enlarged view of the main part of a fuel cell module. 第1実施形態に係る燃焼器の縦断面を含む斜視図である。It is a perspective view which includes the vertical cross section of the combustor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る燃焼器を一部拡大した上面図(A)と、縦断面図(B)である。It is a top view (A) and the vertical sectional view (B) which partially enlarged the combustor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る酸化剤ガスノズル、燃料ガスノズル付近を拡大した断面図である。It is an enlarged sectional view around the oxidant gas nozzle and the fuel gas nozzle which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例に係る酸化剤ガスノズル、燃料ガスノズル付近を拡大した断面図である。It is an enlarged sectional view around the oxidant gas nozzle and the fuel gas nozzle which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第1実施形態に係る燃焼器と比較例に係る燃焼器の、燃焼空気比と燃焼排ガスの一酸化炭素濃度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the combustion air ratio and the carbon monoxide concentration of the combustion exhaust gas of the combustor which concerns on 1st Embodiment and the combustor which concerns on a comparative example. 第2実施形態に係る燃焼器を一部拡大した上面図(A)と、縦断面図(B)である。It is the top view (A) and the vertical sectional view (B) which partially enlarged the combustor which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態の変形例に係る燃焼器を一部拡大した上面図(A)と、縦断面図(B)である。It is the top view (A) and the vertical sectional view (B) which partially enlarged the combustor which concerns on the modification of 2nd Embodiment.

[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について説明する。なお、図中において、水平方向を矢印Xで示し、鉛直方向を矢印Zで示している。
[First Embodiment]
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described. In the figure, the horizontal direction is indicated by an arrow X, and the vertical direction is indicated by an arrow Z.

<燃料電池モジュール>
図1に示されるように、第1実施形態に係る燃料電池モジュールMは、燃料電池セルスタック10と、容器20と、断熱層130と、断熱材140とを備える。
<Fuel cell module>
As shown in FIG. 1, the fuel cell module M according to the first embodiment includes a fuel cell stack 10, a container 20, a heat insulating layer 130, and a heat insulating material 140.

<燃料電池セルスタック>
燃料電池セルスタック10には、一例として、固体酸化物形燃料電池(SOFC)が適用されている。この燃料電池セルスタック10は、鉛直方向に積層された複数の平板形のセル12と、マニホールド14と有している。セル12の形状は、平板形以外に、円筒形、円筒平板形など、どのような形状でも良い。各セル12は、燃料極、電解質層、空気極を有する。
<Fuel cell cell stack>
As an example, a solid oxide fuel cell (SOFC) is applied to the fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 has a plurality of flat plate-shaped cells 12 stacked in the vertical direction, and a manifold 14. The shape of the cell 12 may be any shape such as a cylindrical shape or a cylindrical flat plate shape, in addition to the flat plate shape. Each cell 12 has a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode.

各セル12の燃料極には、燃料ガス(改質ガス)が供給され、各セル12の空気極には、酸化剤ガスが供給される。各セル12は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電すると共に、発電に伴い発熱する。 Fuel gas (reforming gas) is supplied to the fuel electrode of each cell 12, and oxidant gas is supplied to the air electrode of each cell 12. Each cell 12 generates electricity by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas, and generates electricity as the cell 12 generates electricity.

<容器>
容器20は、複数(九個)の管材21~29により構成されている。この複数の管材21~29は、いずれも横断面が真円形状である円筒状に形成され、伝熱性の高い金属で形成される。この複数の管材21~29は、容器20の内側から外側に順に配置されている。なお、本実施形態では、一例として九個の管材21~29により容器20を構成しているが、他の個数(8個以下、10個以上)の管材により容器を構成してもよい。
<Container>
The container 20 is composed of a plurality of (nine) pipe materials 21 to 29. Each of the plurality of pipe materials 21 to 29 is formed in a cylindrical shape having a perfect circular cross section, and is made of a metal having high heat transfer. The plurality of pipe materials 21 to 29 are arranged in order from the inside to the outside of the container 20. In the present embodiment, the container 20 is composed of nine pipe materials 21 to 29 as an example, but the container may be composed of another number (8 or less, 10 or more) of pipe materials.

容器20の内側から一番目の管材21は、燃料電池セルスタック10の上方から容器20の上端部に亘って設けられている。二番目の管材22及び三番目の管材23は、一番目の管材21の上部に対応する長さで形成されており、二番目の管材22は、一番目の管材21の外側から管材21の上部に接合されている。四番目の管材24は、容器20の高さ方向の中央部に設けられており、五番目の管材25及び六番目の管材26は、容器20の下端部から上端部に亘って設けられている。七番目の管材27、八番目の管材28、及び、九番目の管材29は、容器20の高さ方向の中央部から上端部に亘って設けられている。 The first pipe material 21 from the inside of the container 20 is provided from above the fuel cell stack 10 to the upper end of the container 20. The second pipe material 22 and the third pipe material 23 are formed with a length corresponding to the upper part of the first pipe material 21, and the second pipe material 22 is the upper part of the pipe material 21 from the outside of the first pipe material 21. It is joined to. The fourth pipe material 24 is provided in the central portion in the height direction of the container 20, and the fifth pipe material 25 and the sixth pipe material 26 are provided from the lower end portion to the upper end portion of the container 20. .. The seventh pipe material 27, the eighth pipe material 28, and the ninth pipe material 29 are provided from the central portion to the upper end portion in the height direction of the container 20.

六番目の管材26と七番目の管材27とは、水平方向に延びる連結部31を介して連結され、五番目の管材25と八番目の管材28とは、水平方向に延びる連結部32を介して連結されている。また、九番目の管材29の上端部は、水平方向に延びる連結部33を介して三番目の管材23の上端部に固定されている。 The sixth pipe material 26 and the seventh pipe material 27 are connected via a horizontally extending connecting portion 31, and the fifth pipe material 25 and the eighth pipe material 28 are connected via a horizontally extending connecting portion 32. Are connected. Further, the upper end portion of the ninth pipe material 29 is fixed to the upper end portion of the third pipe material 23 via the connecting portion 33 extending in the horizontal direction.

五番目の管材25の下端部は、底壁部34に固定されており、六番目の管材26の下端部は、底壁部35に固定されている。底壁部34には、燃料電池セルスタック10が載置されており、また、底壁部34と底壁部35とは、スペーサ36により固定されている。 The lower end of the fifth pipe 25 is fixed to the bottom wall 34, and the lower end of the sixth pipe 26 is fixed to the bottom wall 35. A fuel cell stack 10 is placed on the bottom wall portion 34, and the bottom wall portion 34 and the bottom wall portion 35 are fixed by a spacer 36.

この複数の管材21~29によって構成される容器20は、機能別には、気化部40と、改質部60と、燃焼部90と、予熱部100と、熱交換部110とを有する。 The container 20 composed of the plurality of pipe materials 21 to 29 has a vaporization unit 40, a reforming unit 60, a combustion unit 90, a preheating unit 100, and a heat exchange unit 110, according to function.

<気化部>
気化部40は、図2、3にも示されるように、四重の筒状壁41~44によって構成されている。四重の筒状壁41~44のうち最も内側に位置する筒状壁41は、一番目の管材21の上部と、二番目の管材22とによって構成され、四重の筒状壁41~44のうち内側から二番目の筒状壁42は、三番目の管材23によって構成されている。また、四重の筒状壁41~44のうち内側から三番目の筒状壁43は、五番目の管材25の上部によって構成され、四重の筒状壁41~44のうち最も外側の筒状壁44は、六番目の管材26の上部によって構成されている。
なお、本実施形態では、一例として四重の筒状壁41~44により気化部40を構成しているが、他の個数(3個以下、5個以上)の筒状壁により気化部を構成してもよい。
<Vaporization part>
As shown in FIGS. 2 and 3, the vaporization unit 40 is composed of quadruple cylindrical walls 41 to 44. The innermost cylindrical wall 41 among the quadruple tubular walls 41 to 44 is composed of the upper part of the first pipe material 21 and the second pipe material 22, and the quadruple tubular walls 41 to 44. The second tubular wall 42 from the inside is composed of the third pipe material 23. Further, the third tubular wall 43 from the inside among the quadruple tubular walls 41 to 44 is composed of the upper part of the fifth pipe material 25, and the outermost cylinder among the quadruple tubular walls 41 to 44. The shaped wall 44 is composed of the upper part of the sixth pipe member 26.
In the present embodiment, as an example, the vaporization unit 40 is composed of the quadruple tubular walls 41 to 44, but the vaporization unit is composed of another number (3 or less, 5 or more) of tubular walls. You may.

この四重の筒状壁41~44によって構成された気化部40は、後述する改質部60の上方に改質部60と同軸上に設けられている。この気化部40を構成する四重の筒状壁41~44は、互いの間に隙間を有しており、この四重の筒状壁41~44の内側から外側には、断熱空間45、気化流路46、燃焼排ガス流路47、及び、酸化剤ガス流路48が順に形成されている。 The vaporization section 40 composed of the quadruple tubular walls 41 to 44 is provided coaxially with the reforming section 60 above the reforming section 60, which will be described later. The quadruple tubular walls 41 to 44 constituting the vaporization portion 40 have a gap between them, and the heat insulating space 45 is located from the inside to the outside of the quadruple tubular walls 41 to 44. The vaporization flow path 46, the combustion exhaust gas flow path 47, and the oxidant gas flow path 48 are formed in this order.

つまり、一番目の筒状壁41の内側の空間は、断熱空間45として形成され、一番目の筒状壁41と、二番目の筒状壁42との間の隙間は、気化流路46として形成されている。また、二番目の筒状壁42と、三番目の筒状壁43との間の隙間は、燃焼排ガス流路47として形成され、三番目の筒状壁43と、四番目の筒状壁44との間の隙間は、酸化剤ガス流路48として形成されている。図2、3において、断熱空間45は、空洞とされているが、この断熱空間45には、断熱材49が充填されても良い。 That is, the space inside the first tubular wall 41 is formed as a heat insulating space 45, and the gap between the first tubular wall 41 and the second tubular wall 42 is used as a vaporization flow path 46. It is formed. Further, the gap between the second tubular wall 42 and the third tubular wall 43 is formed as a combustion exhaust gas flow path 47, and the third tubular wall 43 and the fourth tubular wall 44 are formed. The gap between the two is formed as an oxidizing agent gas flow path 48. In FIGS. 2 and 3, the heat insulating space 45 is hollow, but the heat insulating space 45 may be filled with the heat insulating material 49.

気化流路46の上端部には、容器20の径方向外側に延びる原燃料供給管50が接続されている。原燃料供給管50は、連結部31~33の上方に位置する。気化流路46は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この気化流路46には、原燃料供給管50から供給された原燃料161が鉛直方向上側から下側に流れる。この原燃料供給管50から供給される原燃料161としては、炭化水素燃料に改質用水が混合されたものが使用される。また、この原燃料161に含まれる炭化水素燃料としては、例えば、都市ガスが好適に用いられるが、プロパンなどの炭化水素を主成分とするガスが用いられても良く、また、炭化水素系液体が用いられても良い。 A raw fuel supply pipe 50 extending radially outward of the container 20 is connected to the upper end of the vaporization flow path 46. The raw fuel supply pipe 50 is located above the connecting portions 31 to 33. The vaporization flow path 46 is formed with the upper side in the vertical direction as the upstream side, and the raw material fuel 161 supplied from the raw material fuel supply pipe 50 flows from the upper side to the lower side in the vertical direction in the vaporization flow path 46. As the raw material 161 supplied from the raw material fuel supply pipe 50, a hydrocarbon fuel mixed with reforming water is used. Further, as the hydrocarbon fuel contained in the raw material fuel 161, for example, city gas is preferably used, but a gas containing a hydrocarbon as a main component such as propane may be used, and a hydrocarbon-based liquid may be used. May be used.

この気化流路46には、気化部40の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材51が設けられており、この螺旋部材51により、気化流路46は、気化部40の軸方向回りに螺旋状に形成されている。 The vaporization flow path 46 is provided with a spiral member 51 formed spirally around the axis of the vaporization section 40, and the spiral member 51 causes the vaporization flow path 46 to rotate around the axis of the vaporization section 40. It is formed in a spiral shape.

燃焼排ガス流路47の下端部は、後述する改質部60に形成された燃焼排ガス流路67を介して燃焼器200に形成された燃焼室207(図4参照)と連通されている。燃焼排ガス流路47は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路47には、燃焼器200から排出されると共に改質部60の燃焼排ガス流路67を通じて供給された燃焼排ガス168が鉛直方向下側から上側に流れる。 The lower end of the combustion exhaust gas flow path 47 communicates with the combustion chamber 207 (see FIG. 4) formed in the combustor 200 via the combustion exhaust gas flow path 67 formed in the reforming portion 60 described later. The combustion exhaust gas flow path 47 is formed with the lower side in the vertical direction as the upstream side, and is discharged from the combustor 200 and supplied to the combustion exhaust gas flow path 47 through the combustion exhaust gas flow path 67 of the reforming unit 60. The combustion exhaust gas 168 flows from the lower side in the vertical direction to the upper side.

燃焼排ガス流路47の上端部には、この燃焼排ガス流路47の周方向に沿って環状に形成された整流板52が設けられている。この整流板52には、周方向に間隔を空けて複数のオリフィス53が形成されている。この複数のオリフィス53は、整流板52の板厚方向に貫通している。なお、この整流板52は、省かれても良い。 At the upper end of the combustion exhaust gas flow path 47, a straightening vane 52 formed in an annular shape along the circumferential direction of the combustion exhaust gas flow path 47 is provided. A plurality of orifices 53 are formed on the straightening vane 52 at intervals in the circumferential direction. The plurality of orifices 53 penetrate in the plate thickness direction of the straightening vane 52. The straightening vane 52 may be omitted.

酸化剤ガス流路48の上端部は、後述する熱交換部110に形成された酸化剤ガス流路118と連通されている。この酸化剤ガス流路48は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路48には、熱交換部110の酸化剤ガス流路118から供給された酸化剤ガス164が鉛直方向上側から下側に流れる。 The upper end of the oxidant gas flow path 48 communicates with the oxidant gas flow path 118 formed in the heat exchange section 110 described later. The oxidant gas flow path 48 is formed with the upper side in the vertical direction as the upstream side, and the oxidant gas 164 supplied from the oxidant gas flow path 118 of the heat exchange unit 110 to the oxidant gas flow path 48. Flows from the upper side to the lower side in the vertical direction.

<改質部>
図3に示されるように、改質部60は、四重の筒状壁61~64によって構成されている。四重の筒状壁61~64のうち最も内側に位置する筒状壁61は、一番目の管材21の下部によって構成され、四重の筒状壁61~64のうち内側から二番目の筒状壁62は、四番目の管材24によって構成されている。また、四重の筒状壁61~64のうち内側から三番目の筒状壁63は、五番目の管材25における高さ方向の中央部によって構成され、四重の筒状壁61~64のうち最も外側の筒状壁64は、六番目の管材26における高さ方向の中央部によって構成されている。
<Modified part>
As shown in FIG. 3, the reforming section 60 is composed of quadruple cylindrical walls 61 to 64. The tubular wall 61 located on the innermost side of the quadruple tubular walls 61 to 64 is composed of the lower part of the first pipe material 21, and is the second cylinder from the inside of the quadruple tubular walls 61 to 64. The shaped wall 62 is composed of a fourth pipe member 24. Further, the third tubular wall 63 from the inside among the quadruple tubular walls 61 to 64 is formed by the central portion in the height direction of the fifth tubular wall 25, and the quadruple tubular walls 61 to 64. The outermost cylindrical wall 64 is formed by the central portion in the height direction of the sixth pipe member 26.

この四重の筒状壁61~64によって構成された改質部60は、後述する燃焼器200(図4参照)の上方に燃焼器200と同軸上に設けられている。この改質部60を構成する四重の筒状壁61~64は、互いの間に隙間を有している。そして、この四重の筒状壁61~64の内側から外側には、断熱空間65、燃焼排ガス流路67、改質流路66、及び、酸化剤ガス流路68が順に形成されている。
なお、本実施形態では、一例として四重の筒状壁61~64により改質部60を構成しているが、他の個数(3個以下、5個以上)の筒状壁により改質部を構成してもよい。
The reforming portion 60 composed of the quadruple tubular walls 61 to 64 is provided coaxially with the combustor 200 above the combustor 200 (see FIG. 4) described later. The quadruple cylindrical walls 61 to 64 constituting the reforming portion 60 have a gap between them. A heat insulating space 65, a combustion exhaust gas flow path 67, a reforming flow path 66, and an oxidant gas flow path 68 are formed in this order from the inside to the outside of the quadruple tubular walls 61 to 64.
In the present embodiment, as an example, the reforming portion 60 is composed of the quadruple tubular walls 61 to 64, but the reforming portion is formed by another number (3 or less, 5 or more) of tubular walls. May be configured.

つまり、一番目の筒状壁61の内側の空間は、断熱空間65として形成され、一番目の筒状壁61と、二番目の筒状壁62との間の隙間は、燃焼排ガス流路67として形成されている。また、二番目の筒状壁62と、三番目の筒状壁63との間の隙間は、改質流路66として形成され、三番目の筒状壁63と、四番目の筒状壁64との間の隙間は、酸化剤ガス流路68として形成されている。 That is, the space inside the first tubular wall 61 is formed as a heat insulating space 65, and the gap between the first tubular wall 61 and the second tubular wall 62 is the combustion exhaust gas flow path 67. Is formed as. Further, the gap between the second tubular wall 62 and the third tubular wall 63 is formed as a reforming flow path 66, and the third tubular wall 63 and the fourth tubular wall 64 are formed. The gap between the two is formed as an oxidant gas flow path 68.

断熱空間65は、上述の気化部40の断熱空間45と連通している。図3において、断熱空間65は、空洞とされているが、この断熱空間65には、断熱材69が充填されても良い。燃焼排ガス流路67の下端部は、後述する燃焼器200に形成された燃焼室207(図4、図5参照)と連通されている。燃焼排ガス流路67は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路67には、後述する燃焼器200から排出された燃焼排ガス168が鉛直方向下側から上側に流れる。 The heat insulating space 65 communicates with the heat insulating space 45 of the vaporization unit 40 described above. In FIG. 3, the heat insulating space 65 is hollow, but the heat insulating space 65 may be filled with the heat insulating material 69. The lower end of the combustion exhaust gas flow path 67 communicates with the combustion chamber 207 (see FIGS. 4 and 5) formed in the combustor 200 described later. The combustion exhaust gas flow path 67 is formed with the lower side in the vertical direction as the upstream side, and the combustion exhaust gas 168 discharged from the combustor 200, which will be described later, flows in the combustion exhaust gas flow path 67 from the lower side in the vertical direction to the upper side. ..

<混合部及び分散部>
改質部60の上端部には、鉛直方向上側に延長された混合部80が形成されている。この混合部80は、気化部40と改質部60との間、すなわち、より具体的には、改質部60の上側且つ気化部40の下端部の径方向外側に位置する。気化部40の下端部における周方向の一部からは、連結管81が径方向外側に延びている。連結管81は、混合部80における気化部40との接続部を構成しており、この連結管81の内側は、水平方向に貫通するオリフィス82として形成されている。連結管81(オリフィス82)は、気化流路46の径方向外側に位置しており、気化流路46の下端部と連通する。混合部80は、連結管81(オリフィス82)を一つのみ有する。混合部80には、オリフィス82に対する改質流路66側(径方向外側)に位置しオリフィス82と対向する対向壁部86が設けられている。
<Mixing part and dispersion part>
At the upper end of the reforming portion 60, a mixing portion 80 extending upward in the vertical direction is formed. The mixing unit 80 is located between the vaporization unit 40 and the reforming unit 60, that is, more specifically, above the reforming unit 60 and radially outside the lower end portion of the vaporization unit 40. A connecting pipe 81 extends radially outward from a part of the lower end portion of the vaporization portion 40 in the circumferential direction. The connecting pipe 81 constitutes a connecting portion with the vaporizing portion 40 in the mixing portion 80, and the inside of the connecting pipe 81 is formed as an orifice 82 penetrating in the horizontal direction. The connecting pipe 81 (orifice 82) is located on the radial outer side of the vaporization flow path 46 and communicates with the lower end portion of the vaporization flow path 46. The mixing unit 80 has only one connecting pipe 81 (orifice 82). The mixing portion 80 is provided with a facing wall portion 86 located on the reforming flow path 66 side (outward in the radial direction) with respect to the orifice 82 and facing the orifice 82.

改質流路66の入口(上端)は、混合部80及び連結管81を介して気化流路46と連通されている。改質流路66は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この改質流路66には、気化流路46から供給された原燃料ガス162が鉛直方向上側から下側に流れる。 The inlet (upper end) of the reforming flow path 66 is communicated with the vaporization flow path 46 via the mixing portion 80 and the connecting pipe 81. The reforming flow path 66 is formed with the upper side in the vertical direction as the upstream side, and the raw fuel gas 162 supplied from the vaporization flow path 46 flows from the upper side in the vertical direction to the lower side in the reforming flow path 66.

この改質流路66の入口には、改質流路66の周方向に沿って環状に形成された仕切板83が設けられている。この仕切板83には、周方向に一定の間隔を空けて複数のオリフィス84が形成されている。この複数のオリフィス84は、仕切板83の板厚方向(鉛直方向)に貫通しており、改質流路66には、複数のオリフィス84を通じて原燃料ガス162が流入する。この仕切板83は、鉛直方向に間隔を空けて複数設けられていても良い。 At the inlet of the reforming flow path 66, a partition plate 83 formed in an annular shape along the circumferential direction of the reforming flow path 66 is provided. A plurality of orifices 84 are formed on the partition plate 83 at regular intervals in the circumferential direction. The plurality of orifices 84 penetrate in the plate thickness direction (vertical direction) of the partition plate 83, and raw fuel gas 162 flows into the reforming flow path 66 through the plurality of orifices 84. A plurality of partition plates 83 may be provided at intervals in the vertical direction.

改質流路66には、原燃料ガス162から燃料ガス163を生成するための改質触媒層70が改質流路66の周方向及び軸方向の全長に亘って設けられている。改質触媒層70には、例えば、活性金属としてニッケル、ルテニウム、白金、ロジウム等の金属を担持した粒状触媒又はハニカム触媒等が用いられる。 The reforming flow path 66 is provided with a reforming catalyst layer 70 for generating fuel gas 163 from the raw fuel gas 162 over the entire length in the circumferential direction and the axial direction of the reforming flow path 66. For the reforming catalyst layer 70, for example, a granular catalyst or a honeycomb catalyst carrying a metal such as nickel, ruthenium, platinum, or rhodium as an active metal is used.

酸化剤ガス流路68の上端部は、上述の気化部40に形成された酸化剤ガス流路48と連通されている。この酸化剤ガス流路68は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路68には、気化部40の酸化剤ガス流路48から供給された酸化剤ガス164が鉛直方向上側から下側に流れる。 The upper end of the oxidant gas flow path 68 communicates with the oxidant gas flow path 48 formed in the vaporization portion 40 described above. The oxidant gas flow path 68 is formed with the upper side in the vertical direction as the upstream side, and the oxidant gas 164 supplied from the oxidant gas flow path 48 of the vaporization unit 40 is formed in the oxidant gas flow path 68. It flows from the upper side in the vertical direction to the lower side.

<燃焼部>
図4に示されるように、燃焼部90は、上述の改質部60の下方に改質部60と同軸上に設けられている。この燃焼部90の内部には、図5に示される燃焼器200が形成されている。燃焼器200は、燃焼室周壁201と、燃焼室内壁202と、整流部203と、燃料ガス室仕切壁としての内側筒壁204と、酸化剤ガス室仕切壁としての筒状壁部232、テーパー壁部205とを有する。
<Combustion part>
As shown in FIG. 4, the combustion unit 90 is provided coaxially with the reforming unit 60 below the reforming unit 60 described above. The combustor 200 shown in FIG. 5 is formed inside the combustion unit 90. The combustor 200 includes a combustion chamber peripheral wall 201, a combustion chamber wall 202, a rectifying section 203, an inner tubular wall 204 as a fuel gas chamber partition wall, a tubular wall portion 232 as an oxidizing agent gas chamber partition wall, and a taper. It has a wall portion 205.

燃焼室周壁201は、上述の改質部60を構成する四重の筒状壁61~64のうち内側から二番目の筒状壁62を下方へ延長することにより形成されている(図4参照)。なお、図5に示される燃焼器200では、燃焼室周壁201に段部201Aが形成されているが、図1の燃料電池モジュールMは、段部201Aが省かれた状態で示されている。燃焼室周壁201は、筒状に形成されており、この燃焼室周壁201の内側には、燃焼室207が形成されている。燃焼室207は、鉛直方向を軸方向として形成されている。この燃焼室207では、後述する燃料ガスと、酸化剤ガスとが混合された混合ガスが燃焼される。 The combustion chamber peripheral wall 201 is formed by extending the second cylindrical wall 62 from the inside downward among the quadruple cylindrical walls 61 to 64 constituting the reforming portion 60 (see FIG. 4). ). In the combustor 200 shown in FIG. 5, the stepped portion 201A is formed on the peripheral wall 201 of the combustion chamber, but the fuel cell module M in FIG. 1 is shown in a state where the stepped portion 201A is omitted. The combustion chamber peripheral wall 201 is formed in a cylindrical shape, and a combustion chamber 207 is formed inside the combustion chamber peripheral wall 201. The combustion chamber 207 is formed with the vertical direction as the axial direction. In the combustion chamber 207, a mixed gas in which a fuel gas described later and an oxidant gas are mixed is burned.

燃焼室内壁202は、燃焼室周壁201よりも小径であり、燃焼室周壁201の内側に設けられている。この燃焼室内壁202は、上述の改質部60を構成する四重の筒状壁61~64のうち最も内側の筒状壁61の下端部によって形成されている(図4参照)。図5に示されるように、燃焼室内壁202は、燃焼室207の上側に配置されている。燃焼室周壁201と燃焼室内壁202との間の隙間は、上述の改質部60に形成された燃焼排ガス流路67の入口部67Aとして形成されている。燃焼室207で生じた燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路67の入口部67Aから燃焼排ガス流路67に流入する。 The combustion chamber peripheral wall 202 has a smaller diameter than the combustion chamber peripheral wall 201, and is provided inside the combustion chamber peripheral wall 201. The combustion chamber wall 202 is formed by the lower end portion of the innermost cylindrical wall 61 among the quadruple cylindrical walls 61 to 64 constituting the reforming portion 60 (see FIG. 4). As shown in FIG. 5, the combustion chamber wall 202 is arranged above the combustion chamber 207. The gap between the combustion chamber peripheral wall 201 and the combustion chamber wall 202 is formed as the inlet portion 67A of the combustion exhaust gas flow path 67 formed in the reforming portion 60 described above. The combustion exhaust gas generated in the combustion chamber 207 flows into the combustion exhaust gas flow path 67 from the inlet portion 67A of the combustion exhaust gas flow path 67.

この燃焼室内壁202の下端部には、燃焼室207の下側に向けて延出する整流部203が形成されている。この整流部203は、燃焼室207の上側(下流側)に向かうに従って拡径する円錐状に形成されている。この整流部203の内側及び燃焼室内壁202の内側は、一例として、空洞とされている。なお、整流部203の内側には、断熱材が充填されても良い。 At the lower end of the combustion chamber wall 202, a rectifying portion 203 extending toward the lower side of the combustion chamber 207 is formed. The rectifying unit 203 is formed in a conical shape whose diameter increases toward the upper side (downstream side) of the combustion chamber 207. The inside of the rectifying unit 203 and the inside of the combustion chamber wall 202 are hollow as an example. The inside of the rectifying unit 203 may be filled with a heat insulating material.

燃焼室内壁202及び整流部203は、上述の容器20を構成する複数の管材21~29のうち最も内側の管材21(図1も参照)に形成されている。この管材21の軸芯部には、パイプ150が設けられている。パイプ150は、管材21に固定されており、このパイプ150の内側には、点火プラグ151が挿入されている。図1に示されるように、パイプ150の上端部は、管材21における整流部203側と反対側の端部(上端部)から上方に導出されており、点火プラグ151は、パイプ150の上端側の開口を通じてパイプ150の内側に挿抜可能に挿入されている。 The combustion chamber wall 202 and the rectifying unit 203 are formed on the innermost pipe material 21 (see also FIG. 1) among the plurality of pipe materials 21 to 29 constituting the above-mentioned container 20. A pipe 150 is provided at the shaft core portion of the pipe material 21. The pipe 150 is fixed to the pipe material 21, and a spark plug 151 is inserted inside the pipe 150. As shown in FIG. 1, the upper end portion of the pipe 150 is led out upward from the end portion (upper end portion) of the pipe material 21 opposite to the rectifying portion 203 side, and the spark plug 151 is on the upper end side of the pipe 150. It is removably inserted inside the pipe 150 through the opening of the pipe 150.

点火プラグ151は、導電性の芯材152と、芯材152を被覆する絶縁材153とを有する。芯材152の先端部(下端部)は、点火電極154として形成されており、芯材152の先端部よりも上側の部分は、導電部155として形成されている。パイプ150及び絶縁材153の下端部は、整流部203の先端部から突出されている。また、点火電極154は、パイプ150及び絶縁材153の下端部から突出されており、燃焼室207の中心軸線上に配置されている。なお、この点火電極154は、火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねている。点火電極が火炎電流検知用のフレームロッドを兼ねる技術には、例えば、特公平7-117241号公報に記載の技術が適用される。 The spark plug 151 has a conductive core material 152 and an insulating material 153 that covers the core material 152. The tip end portion (lower end portion) of the core material 152 is formed as an ignition electrode 154, and the portion above the tip end portion of the core material 152 is formed as a conductive portion 155. The lower end of the pipe 150 and the insulating material 153 protrudes from the tip of the rectifying section 203. Further, the ignition electrode 154 protrudes from the lower ends of the pipe 150 and the insulating material 153, and is arranged on the central axis of the combustion chamber 207. The ignition electrode 154 also serves as a frame rod for detecting a flame current. For a technique in which the ignition electrode also serves as a frame rod for detecting a flame current, for example, the technique described in Japanese Patent Publication No. 7-117241 is applied.

燃焼室周壁201の内側には、燃焼室207に加えて、燃料ガス室208及び酸化剤ガス室209が形成されている。燃料ガス室208は、燃焼室207の下側に燃焼室207と隣接して設けられている。この燃料ガス室208には、燃料電池セルスタック10の燃料極から排出された燃料極排ガスが燃料ガスとして供給される。酸化剤ガス室209は、燃料ガス室208の周囲に設けられている。この酸化剤ガス室209には、燃料電池セルスタック10の空気極から排出された空気極排ガスが酸化剤ガスとして供給される。 In addition to the combustion chamber 207, a fuel gas chamber 208 and an oxidant gas chamber 209 are formed inside the combustion chamber peripheral wall 201. The fuel gas chamber 208 is provided below the combustion chamber 207 adjacent to the combustion chamber 207. The fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 10 is supplied as fuel gas to the fuel gas chamber 208. The oxidant gas chamber 209 is provided around the fuel gas chamber 208. The air electrode exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack 10 is supplied to the oxidant gas chamber 209 as an oxidant gas.

内側筒壁204は、筒状に形成されており、燃焼室周壁201の内側に燃焼室周壁201と同軸に設けられている。この内側筒壁204は、燃料ガス室208と酸化剤ガス室209とを区画している。この筒状に形成された内側筒壁204における燃焼室207側の開口は、天面壁222で覆われて閉鎖されている。天面壁222により、燃料ガス室208は、燃焼室207から区画されている。 The inner cylinder wall 204 is formed in a cylindrical shape, and is provided coaxially with the combustion chamber peripheral wall 201 inside the combustion chamber peripheral wall 201. The inner cylinder wall 204 separates the fuel gas chamber 208 and the oxidant gas chamber 209. The opening on the combustion chamber 207 side of the inner cylinder wall 204 formed in the shape of a cylinder is covered with a top wall 222 and closed. The fuel gas chamber 208 is partitioned from the combustion chamber 207 by the top wall 222.

内側筒壁204の先端部(燃焼室207側の端部)の径方向外側には、筒状壁部232が設けられ、筒状壁部232の燃焼室207側の開口は、天面壁222で覆われている。すなわち、天面壁222は、筒状壁部232及び内側筒壁204の先端部を覆っている。筒状壁部232と内側筒壁204の間には、外周酸化剤ガス室242が形成されている。外周酸化剤ガス室242は、環状とされ、酸化剤ガス室209と連通されている。筒状壁部232の筒軸方向の長さは、内側筒壁204よりも短く、筒状壁部232の下端から径方向外側へ向かってテーパー壁部205が延出形成されている。 A cylindrical wall portion 232 is provided on the radial outer side of the tip portion (end portion on the combustion chamber 207 side) of the inner cylindrical wall 204, and the opening of the tubular wall portion 232 on the combustion chamber 207 side is the top wall 222. It is covered. That is, the top wall 222 covers the tip portions of the cylindrical wall portion 232 and the inner cylindrical wall portion 204. An outer peripheral oxidant gas chamber 242 is formed between the cylindrical wall portion 232 and the inner cylindrical wall 204. The outer peripheral oxidant gas chamber 242 has an annular shape and communicates with the oxidant gas chamber 209. The length of the tubular wall portion 232 in the cylindrical axial direction is shorter than that of the inner tubular wall 204, and the tapered wall portion 205 is formed so as to extend radially outward from the lower end of the tubular wall portion 232.

図5にも示されるように、内側筒壁204には、燃料ガスノズル210が形成されている。燃料ガスノズル210は、周方向に間隔を空けて複数形成されている。燃料ガスノズル210は、内側筒壁204を径方向に貫通した円形の孔とされている。この複数の燃料ガスノズル210は、等間隔で配列されている。 As shown in FIG. 5, a fuel gas nozzle 210 is formed on the inner cylinder wall 204. A plurality of fuel gas nozzles 210 are formed at intervals in the circumferential direction. The fuel gas nozzle 210 is a circular hole that penetrates the inner cylinder wall 204 in the radial direction. The plurality of fuel gas nozzles 210 are arranged at equal intervals.

図6(A)(B)に示されるように、筒状壁部232には、燃料ガスノズル210に対応する位置に酸化剤ガスノズル252が形成されている。酸化剤ガスノズル252は、筒状壁部232を径方向に貫通した円形の孔とされている。酸化剤ガスノズル252は、燃料ガスノズル210よりも大径とされている。また、周方向に隣り合う酸化剤ガスノズル252の間には、酸化剤ガスノズル252Aが形成されている。酸化剤ガスノズル252Aは、燃料ガスノズル210が形成されていない位置に設けられている。 As shown in FIGS. 6A and 6B, an oxidant gas nozzle 252 is formed in the cylindrical wall portion 232 at a position corresponding to the fuel gas nozzle 210. The oxidant gas nozzle 252 is a circular hole that penetrates the cylindrical wall portion 232 in the radial direction. The oxidant gas nozzle 252 has a larger diameter than the fuel gas nozzle 210. Further, an oxidant gas nozzle 252A is formed between the oxidant gas nozzles 252 adjacent to each other in the circumferential direction. The oxidant gas nozzle 252A is provided at a position where the fuel gas nozzle 210 is not formed.

燃料ガスノズル210の中心軸S1は、酸化剤ガスノズル252の中心軸S2よりも下側に配置されている。燃料ガスノズル210を中心軸S1方向から見ると、燃料ガスノズル210の下部に酸化剤ガスノズル252と重複しない部分ができる(図7参照)。以下、燃料ガスノズル210の当該非重複の部分を「非重複部210A」と称し、酸化剤ガスノズル252と重複する部分を「重複部210B」と称する。 The central axis S1 of the fuel gas nozzle 210 is arranged below the central axis S2 of the oxidant gas nozzle 252. When the fuel gas nozzle 210 is viewed from the direction of the central axis S1, a portion that does not overlap with the oxidant gas nozzle 252 is formed in the lower portion of the fuel gas nozzle 210 (see FIG. 7). Hereinafter, the non-overlapping portion of the fuel gas nozzle 210 is referred to as “non-overlapping portion 210A”, and the portion overlapping with the oxidant gas nozzle 252 is referred to as “overlapping portion 210B”.

なお、本実施形態では、燃料ガスノズル210の中心軸S1を酸化剤ガスノズル252の中心軸S2よりも下側に配置して中心軸S1と中心軸S2をずらしたが、中心軸S1を中心軸S2よりも上側に配置してもよい。また、中心軸S1と中心軸S2を水平方向にずらしてもよい。 In the present embodiment, the central axis S1 of the fuel gas nozzle 210 is arranged below the central axis S2 of the oxidant gas nozzle 252, and the central axis S1 and the central axis S2 are displaced. It may be placed above the above. Further, the central axis S1 and the central axis S2 may be shifted in the horizontal direction.

また、図8に示されるように、燃料ガスノズル210を酸化剤ガスノズル252よりも大径とし、中心軸S1と中心軸S2を一致させて、燃料ガスノズル210と酸化剤ガスノズル252を同軸配置してもよい。この場合には、燃料ガスノズル210の酸化剤ガスノズル252よりも大径となる部分が非重複部となる。 Further, as shown in FIG. 8, even if the fuel gas nozzle 210 has a larger diameter than the oxidant gas nozzle 252, the central axis S1 and the central axis S2 are aligned, and the fuel gas nozzle 210 and the oxidant gas nozzle 252 are coaxially arranged. good. In this case, a portion having a diameter larger than that of the oxidant gas nozzle 252 of the fuel gas nozzle 210 is a non-overlapping portion.

燃料ガス室208に供給された燃料ガス165は、燃料ガスノズル210から外周酸化剤ガス室242へ噴出される。外周酸化剤ガス室242へ噴出された燃料ガス165は、非重複部210Aにおいて、噴出先の筒状壁部232に当たり、乱流を発生させる。これにより、外周酸化剤ガス室242において、酸化剤ガス166と燃料ガス165とが撹拌混合され、混合された混合ガスMGが、酸化剤ガスノズル252、252Aから燃焼室207へ噴出される。 The fuel gas 165 supplied to the fuel gas chamber 208 is ejected from the fuel gas nozzle 210 to the outer peripheral oxidant gas chamber 242. The fuel gas 165 ejected to the outer peripheral oxidant gas chamber 242 hits the cylindrical wall portion 232 of the ejection destination in the non-overlapping portion 210A to generate turbulent flow. As a result, the oxidant gas 166 and the fuel gas 165 are stirred and mixed in the outer peripheral oxidant gas chamber 242, and the mixed mixed gas MG is ejected from the oxidant gas nozzles 252 and 252A to the combustion chamber 207.

テーパー壁部205は、筒状壁部232の周囲に環状に設けられており、燃焼室207と酸化剤ガス室209とを区画している。このテーパー壁部205は、燃焼室207の下側から上側に向かうに従って拡径するテーパー状に形成されている。 The tapered wall portion 205 is provided in an annular shape around the tubular wall portion 232, and separates the combustion chamber 207 and the oxidant gas chamber 209. The tapered wall portion 205 is formed in a tapered shape whose diameter increases from the lower side to the upper side of the combustion chamber 207.

テーパー壁部205には、複数のテーパー壁連通孔211が形成されている。複数のテーパー壁連通孔211は、テーパー壁部205の厚さ方向に貫通する孔によって形成されている。複数のテーパー壁連通孔211は、燃焼室207の軸を中心にした同心円状に、且つ、放射状に配列されている。つまり、複数のテーパー壁連通孔211は、テーパー壁部205の径方向に複数のテーパー壁連通孔211が並ぶ径方向ノズル列と、テーパー壁部205の周方向に間隔を空けて複数のテーパー壁連通孔211が並ぶ周方向ノズル列と、を形成している。 A plurality of tapered wall communication holes 211 are formed in the tapered wall portion 205. The plurality of tapered wall communication holes 211 are formed by holes penetrating the tapered wall portion 205 in the thickness direction. The plurality of tapered wall communication holes 211 are arranged concentrically and radially around the axis of the combustion chamber 207. That is, the plurality of tapered wall communication holes 211 includes a radial nozzle array in which a plurality of tapered wall communication holes 211 are arranged in the radial direction of the tapered wall portion 205, and a plurality of tapered walls at intervals in the circumferential direction of the tapered wall portion 205. It forms a circumferential nozzle row in which the communication holes 211 are lined up.

各径方向ノズル列では、テーパー壁部205の径方向内側に位置する複数のテーパー壁連通孔211の間隔よりもテーパー壁部205の径方向外側に位置する複数のテーパー壁連通孔211の間隔の方が狭くなっている。これにより、径方向に同一幅の同心環状帯において、径方向内側よりも径方向外側の方が酸化剤ガスのテーパー壁連通孔211の透過流量が多くなる。 In each radial nozzle row, the spacing between the plurality of tapered wall communication holes 211 located on the radial outside of the tapered wall 205 is larger than the spacing between the plurality of tapered wall communication holes 211 located on the radial inside of the tapered wall 205. The one is narrower. As a result, in the concentric annular zone having the same width in the radial direction, the permeation flow rate of the tapered wall communication hole 211 of the oxidant gas is larger on the outer side in the radial direction than on the inner side in the radial direction.

図4に示されるように、テーパー壁連通孔211からは、酸化剤ガス室209に供給された酸化剤ガス166が噴出される。テーパー壁連通孔211から噴出された酸化剤ガス166は、前述の酸化剤ガスノズル252、252Aから噴出され、筒状壁部232の径方向内側から外側に拡散する混合ガスMGと混合される。 As shown in FIG. 4, the oxidant gas 166 supplied to the oxidant gas chamber 209 is ejected from the tapered wall communication hole 211. The oxidant gas 166 ejected from the tapered wall communication hole 211 is ejected from the oxidant gas nozzles 252 and 252A described above, and is mixed with the mixed gas MG diffused from the radial inside to the outside of the tubular wall portion 232.

図4に示されるように、燃焼器200の周囲には、改質部60の改質流路66及び酸化剤ガス流路68が形成されている。つまり、四重の筒状壁61~64のうち内側から三番目及び四番目の筒状壁63,64は、下方へ延長されている。そして、筒状壁62と筒状壁63との間には、改質部60の改質流路66が延長して形成されており、筒状壁63と筒状壁64との間には、改質部60の酸化剤ガス流路68が延長して形成されている。 As shown in FIG. 4, a reforming flow path 66 of the reforming section 60 and an oxidizing agent gas flow path 68 are formed around the combustor 200. That is, of the quadruple cylindrical walls 61 to 64, the third and fourth cylindrical walls 63 and 64 from the inside are extended downward. A reforming flow path 66 of the reforming portion 60 is extended between the tubular wall 62 and the tubular wall 63, and between the tubular wall 63 and the tubular wall 64. , The oxidizing agent gas flow path 68 of the reforming portion 60 is extended and formed.

また、燃料ガス室208の底部には、燃料ガス室底壁213が設けられ、この燃料ガス室底壁213の中央部には、燃料電池セルスタック10側(下側)に突出する筒状の連結壁214が形成されている。燃料電池セルスタック10の燃料極から排出された燃料極排ガスである燃料ガス165は、連結壁214の内側に形成された連通路215を通じて燃料ガス室208に流入する。 Further, a fuel gas chamber bottom wall 213 is provided at the bottom of the fuel gas chamber 208, and a tubular shape protruding toward the fuel cell stack 10 side (lower side) is provided at the center of the fuel gas chamber bottom wall 213. The connecting wall 214 is formed. The fuel gas 165, which is the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 10, flows into the fuel gas chamber 208 through the communication passage 215 formed inside the connecting wall 214.

また、酸化剤ガス室209の外周部には、酸化剤ガス室周壁216が設けられ、酸化剤ガス室209の底部には、酸化剤ガス室底壁217が設けられている。酸化剤ガス室底壁217には、連通孔218が形成されており、燃料電池セルスタック10の空気極から排出された空気極排ガスである酸化剤ガス166は、連通孔218を通じて酸化剤ガス室209に流入する。 Further, an oxidant gas chamber peripheral wall 216 is provided on the outer peripheral portion of the oxidant gas chamber 209, and an oxidant gas chamber bottom wall 217 is provided on the bottom of the oxidant gas chamber 209. A communication hole 218 is formed in the bottom wall 217 of the oxidant gas chamber, and the oxidant gas 166, which is an air electrode exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack 10, is passed through the communication hole 218 to the oxidant gas chamber. It flows into 209.

<予熱部>
図4に示されるように、予熱部100(収容部)は、燃焼部90の下方に設けられた二重の筒状壁101,102によって構成されている。二重の筒状壁101,102のうち内側の筒状壁101は、五番目の管材25の下部によって構成され、二重の筒状壁101,102のうち外側の筒状壁102は、六番目の管材26の下部によって構成されている。
<Preheating part>
As shown in FIG. 4, the preheating section 100 (accommodating section) is composed of double tubular walls 101 and 102 provided below the combustion section 90. The inner tubular wall 101 of the double tubular walls 101 and 102 is composed of the lower part of the fifth pipe material 25, and the outer tubular wall 102 of the double tubular walls 101 and 102 is six. It is composed of the lower part of the second pipe material 26.

この予熱部100は、燃料電池セルスタック10の周囲に設けられており、燃料電池セルスタック10を収容している。予熱部100の内側には、内側空間104が形成されており、予熱部100を構成する二重の筒状壁101,102の間には、予熱流路105が形成されている。 The preheating unit 100 is provided around the fuel cell stack 10 and accommodates the fuel cell stack 10. An inner space 104 is formed inside the preheating portion 100, and a preheating flow path 105 is formed between the double tubular walls 101 and 102 constituting the preheating portion 100.

この予熱流路105には、予熱部100の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材106が設けられており、この螺旋部材106により、予熱流路105は、予熱部100の軸方向回りに螺旋状に形成されている。 The preheating flow path 105 is provided with a spiral member 106 spirally formed around the axial direction of the preheating portion 100, and the spiral member 106 causes the preheating flow path 105 to rotate in the axial direction of the preheating portion 100. It is formed in a spiral shape.

この予熱流路105の上端部は、上述の改質部60の酸化剤ガス流路68と連通され、予熱流路105の下端部は、図1に示される底壁部34と底壁部35との間に形成された導入路37を通じて燃料電池セルスタック10の酸化剤ガス取入口15と連通されている。図4に示されるように、予熱流路105は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この予熱流路105には、改質部60の酸化剤ガス流路68を通じて供給された酸化剤ガス164が鉛直方向上側から下側に流れる。 The upper end of the preheating flow path 105 is communicated with the oxidant gas flow path 68 of the reforming section 60 described above, and the lower end of the preheating flow path 105 is the bottom wall portion 34 and the bottom wall portion 35 shown in FIG. It is communicated with the oxidant gas intake 15 of the fuel cell stack 10 through the introduction path 37 formed between the two. As shown in FIG. 4, the preheating flow path 105 is formed with the upper side in the vertical direction as the upstream side, and the oxidation supplied to the preheating flow path 105 through the oxidant gas flow path 68 of the reforming section 60. The agent gas 164 flows from the upper side to the lower side in the vertical direction.

また、予熱部100の内側には、前述の改質流路66と、燃料電池セルスタック10の燃料ガス取入口16(図1参照)とを接続する燃料ガス配管107が設けられている。改質流路66と燃料ガス配管107の内側とは、改質流路66の下端部に設けられたオリフィス98を通じて連通されている。 Further, inside the preheating unit 100, a fuel gas pipe 107 for connecting the above-mentioned reforming flow path 66 and the fuel gas intake port 16 (see FIG. 1) of the fuel cell stack 10 is provided. The reforming flow path 66 and the inside of the fuel gas pipe 107 communicate with each other through an orifice 98 provided at the lower end of the reforming flow path 66.

<熱交換部>
図2に示されるように、熱交換部110は、上述の改質部60及び気化部40の周囲に設けられた三重の筒状壁111~113によって構成されている。三重の筒状壁111~113における内側の筒状壁111は、七番目の管材27によって構成され、三重の筒状壁111~113における中央の筒状壁112は、八番目の管材28によって構成され、三重の筒状壁111~113における外側の筒状壁113は、九番目の管材29によって構成されている。
なお、本実施形態では、一例として三重の筒状壁111~113により熱交換部110を構成しているが、他の個数(2個以下、4個以上)の筒状壁により熱交換部を構成してもよい。
<Heat exchange section>
As shown in FIG. 2, the heat exchange section 110 is composed of triple tubular walls 111 to 113 provided around the reforming section 60 and the vaporization section 40 described above. The inner tubular wall 111 in the triple tubular walls 111 to 113 is composed of the seventh tubular material 27, and the central tubular wall 112 in the triple tubular walls 111 to 113 is composed of the eighth tubular material 28. The outer cylindrical wall 113 in the triple tubular walls 111 to 113 is composed of the ninth pipe material 29.
In the present embodiment, as an example, the heat exchange section 110 is configured by the triple tubular walls 111 to 113, but the heat exchange section is formed by another number (2 or less, 4 or more) of the tubular walls. It may be configured.

この熱交換部110を構成する三重の筒状壁111~113は、互いの間に隙間を有している。そして、内側の筒状壁111と中央の筒状壁112との間には、酸化剤ガス流路118が形成され、外側の筒状壁113と中央の筒状壁112との間には、燃焼排ガス流路117が形成されている。 The triple tubular walls 111 to 113 constituting the heat exchange unit 110 have a gap between them. An oxidizing agent gas flow path 118 is formed between the inner tubular wall 111 and the central tubular wall 112, and between the outer tubular wall 113 and the central tubular wall 112, an oxidizing agent gas flow path 118 is formed. A combustion exhaust gas flow path 117 is formed.

酸化剤ガス流路118には、熱交換部110の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材121が設けられており、この螺旋部材121により、酸化剤ガス流路118は、熱交換部110の軸方向回りに螺旋状に形成されている。同様に、燃焼排ガス流路117には、熱交換部110の軸方向回りに螺旋状に形成された螺旋部材120が設けられており、この螺旋部材120により、燃焼排ガス流路117は、熱交換部110の軸方向回りに螺旋状に形成されている。 The oxidant gas flow path 118 is provided with a spiral member 121 formed spirally around the axis of the heat exchange section 110, and the spiral member 121 allows the oxidant gas flow path 118 to be connected to the heat exchange section. It is formed in a spiral shape around the axis of 110. Similarly, the combustion exhaust gas flow path 117 is provided with a spiral member 120 spirally formed around the axial direction of the heat exchange unit 110, and the spiral member 120 allows the combustion exhaust gas flow path 117 to exchange heat. The portion 110 is formed in a spiral shape around the axial direction.

酸化剤ガス流路118の下端部には、容器20の径方向外側に延びる酸化剤ガス供給管122(図1参照)が接続されている。連結部31と連結部32との間の隙間は、容器20の径方向に延びる連結流路38として形成されており、酸化剤ガス流路118の上端部は、連結流路38を介して上述の気化部40に形成された酸化剤ガス流路48と連通されている。酸化剤ガス流路118は、鉛直方向下側を上流側として形成されており、この酸化剤ガス流路118には、酸化剤ガス供給管122(図1参照)から供給された酸化剤ガス164が鉛直方向下側から上側に流れる。 An oxidant gas supply pipe 122 (see FIG. 1) extending radially outward of the container 20 is connected to the lower end of the oxidant gas flow path 118. The gap between the connecting portion 31 and the connecting portion 32 is formed as a connecting flow path 38 extending in the radial direction of the container 20, and the upper end portion of the oxidant gas flow path 118 is described above via the connecting flow path 38. It communicates with the oxidant gas flow path 48 formed in the vaporization portion 40 of the above. The oxidant gas flow path 118 is formed with the lower side in the vertical direction as the upstream side, and the oxidant gas 164 supplied from the oxidant gas supply pipe 122 (see FIG. 1) to the oxidant gas flow path 118. Flows from the lower side to the upper side in the vertical direction.

また、連結部32と連結部33との間の隙間は、容器20の径方向に延びる連結流路39として形成されており、燃焼排ガス流路117の上端部は、連結流路39を介して上述の気化部40に形成された燃焼排ガス流路47と連通されている。この燃焼排ガス流路117の下端部には、容器20の径方向外側に延びるガス排出管123(図1参照)が接続されている。燃焼排ガス流路117は、鉛直方向上側を上流側として形成されており、この燃焼排ガス流路117には、気化部40の燃焼排ガス流路47から供給された燃焼排ガス168が鉛直方向上側から下側に流れる。 Further, the gap between the connecting portion 32 and the connecting portion 33 is formed as a connecting flow path 39 extending in the radial direction of the container 20, and the upper end portion of the combustion exhaust gas flow path 117 is formed via the connecting flow path 39. It communicates with the combustion exhaust gas flow path 47 formed in the vaporization unit 40 described above. A gas discharge pipe 123 (see FIG. 1) extending radially outward of the container 20 is connected to the lower end of the combustion exhaust gas flow path 117. The combustion exhaust gas flow path 117 is formed with the upper side in the vertical direction as the upstream side, and the combustion exhaust gas 168 supplied from the combustion exhaust gas flow path 47 of the vaporization unit 40 is formed in the combustion exhaust gas flow path 117 from the upper side to the lower side in the vertical direction. Flow to the side.

<断熱層>
図1に示されるように、改質部60及び気化部40と、熱交換部110とは、容器20の径方向に離間しており、この改質部60及び気化部40と熱交換部110との間には、円筒状の断熱層130が介在されている。この断熱層130は、気化部40及び改質部60を外側から覆っている。
<Insulation layer>
As shown in FIG. 1, the reforming unit 60, the vaporizing unit 40, and the heat exchange unit 110 are separated from each other in the radial direction of the container 20, and the reforming unit 60, the vaporizing unit 40, and the heat exchange unit 110 are separated from each other. A cylindrical heat insulating layer 130 is interposed between the two. The heat insulating layer 130 covers the vaporized portion 40 and the modified portion 60 from the outside.

<断熱材>
断熱材140は、円筒状の本体部141と、円盤状の上部142及び下部143とを有し、容器20を覆っている。つまり、本体部141は、容器20の周囲に設けられており、容器20を外側から覆っている。上部142は、本体部141を鉛直方向上側から覆うと共に、容器20の上部の周囲に設けられている。上部142は、鉛直方向上側から固定部材144により固定されている。下部143は、容器20及び本体部141を鉛直方向下側から覆っている。この断熱材140の表面は、被覆シート145によって覆われている。
<Insulation material>
The heat insulating material 140 has a cylindrical main body portion 141, a disk-shaped upper portion 142 and a lower portion 143, and covers the container 20. That is, the main body portion 141 is provided around the container 20 and covers the container 20 from the outside. The upper portion 142 covers the main body portion 141 from the upper side in the vertical direction, and is provided around the upper portion of the container 20. The upper portion 142 is fixed by a fixing member 144 from the upper side in the vertical direction. The lower portion 143 covers the container 20 and the main body portion 141 from the lower side in the vertical direction. The surface of the heat insulating material 140 is covered with a covering sheet 145.

<燃料電池モジュールの動作>
次に、第1実施形態に係る燃料電池モジュールMの動作について説明する。
<Operation of fuel cell module>
Next, the operation of the fuel cell module M according to the first embodiment will be described.

図1に示される原燃料供給管50を通じて図2に示される気化流路46に原燃料161(原燃料及び改質用水が混合されたもの)が供給されると、この原燃料161は、螺旋状に形成された気化流路46を鉛直方向上側から下側へ流れる。このとき、気化部40では、燃焼器200(図4参照)から排出された燃焼排ガス168が燃焼排ガス流路47を鉛直方向下側から上側に流れる。気化流路46に隣接する燃焼排ガス流路47に燃焼排ガス168が流れると、気化流路46を流れる原燃料161と燃焼排ガス168との間で熱交換される。そして、気化流路46では、原燃料161が気化され、図3に示される原燃料ガス162が生成される。 When the raw fuel 161 (a mixture of the raw fuel and the reforming water) is supplied to the vaporization flow path 46 shown in FIG. 2 through the raw fuel supply pipe 50 shown in FIG. 1, the raw material 161 spirals. The vaporization flow path 46 formed in a shape flows from the upper side to the lower side in the vertical direction. At this time, in the vaporization unit 40, the combustion exhaust gas 168 discharged from the combustor 200 (see FIG. 4) flows through the combustion exhaust gas flow path 47 from the lower side to the upper side in the vertical direction. When the combustion exhaust gas 168 flows through the combustion exhaust gas flow path 47 adjacent to the vaporization flow path 46, heat is exchanged between the raw fuel 161 flowing through the vaporization flow path 46 and the combustion exhaust gas 168. Then, in the vaporization flow path 46, the raw material fuel 161 is vaporized, and the raw material fuel gas 162 shown in FIG. 3 is generated.

この気化流路46で気化された原燃料ガス162は、連結管81の内側に形成されたオリフィス82を通り、改質部60の上方に形成された混合部80の内側空間85に流入する。このとき、気化流路46で気化された原燃料ガス162は、連結管81の内側のオリフィス82を通過する際に流速が高められて噴流となり、混合部80における径方向外側の対向壁部86に衝突する。そして、原燃料ガス162が対向壁部86に衝突することにより乱流が生じ、原燃料ガス162に含まれる炭化水素系ガス及び水蒸気が混合される。 The raw fuel gas 162 vaporized in the vaporization flow path 46 passes through the orifice 82 formed inside the connecting pipe 81 and flows into the inner space 85 of the mixing portion 80 formed above the reforming portion 60. At this time, when the raw fuel gas 162 vaporized in the vaporization flow path 46 passes through the orifice 82 inside the connecting pipe 81, the flow velocity is increased to become a jet flow, and the facing wall portion 86 on the outer side in the radial direction in the mixing portion 80 Collide with. Then, the raw fuel gas 162 collides with the facing wall portion 86 to generate a turbulent flow, and the hydrocarbon gas and the steam contained in the raw fuel gas 162 are mixed.

このようにして混合された原燃料ガス162は、対向壁部86に衝突することにより径方向外側から鉛直方向下側に向きを変え、改質流路66の入口に形成された複数のオリフィス84を通じて改質流路66に流入する。複数のオリフィス84は、改質流路66の周方向に一定の間隔を空けて並んでいるので、この複数のオリフィス84を通過することで、改質流路66には、原燃料ガス162が周方向に分散して流入する。 The raw fuel gas 162 mixed in this way changes its direction from the radial outer side to the vertical lower side by colliding with the facing wall portion 86, and a plurality of orifices 84 formed at the inlet of the reforming flow path 66. It flows into the reforming flow path 66 through. Since the plurality of orifices 84 are arranged at regular intervals in the circumferential direction of the reforming flow path 66, the raw fuel gas 162 is introduced into the reforming flow path 66 by passing through the plurality of orifices 84. It is dispersed in the circumferential direction and flows in.

また、このとき、改質部60では、燃焼器200(図4参照)から排出された燃焼排ガス168が燃焼排ガス流路67を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路66に隣接する燃焼排ガス流路67に燃焼排ガス168が流れると、改質流路66を流れる原燃料ガス162と燃焼排ガス168との間で熱交換される。そして、改質流路66では、燃焼排ガス168の熱を利用して改質触媒層70により原燃料ガス162から燃料ガス163が生成される。 At this time, in the reforming unit 60, the combustion exhaust gas 168 discharged from the combustor 200 (see FIG. 4) flows through the combustion exhaust gas flow path 67 from the lower side to the upper side in the vertical direction. When the combustion exhaust gas 168 flows through the combustion exhaust gas flow path 67 adjacent to the reforming flow path 66, heat is exchanged between the raw fuel gas 162 flowing through the reforming flow path 66 and the combustion exhaust gas 168. Then, in the reforming flow path 66, the fuel gas 163 is generated from the raw fuel gas 162 by the reforming catalyst layer 70 by utilizing the heat of the combustion exhaust gas 168.

改質流路66にて生成された燃料ガス163は、図4に示されるように、オリフィス98を通過し、燃料ガス配管107の内側に流入する。そして、この燃料ガス163は、燃料ガス配管107を通じて燃料電池セルスタック10の燃料ガス取入口16(図1参照)に供給される。 As shown in FIG. 4, the fuel gas 163 generated in the reforming flow path 66 passes through the orifice 98 and flows into the inside of the fuel gas pipe 107. Then, the fuel gas 163 is supplied to the fuel gas inlet 16 (see FIG. 1) of the fuel cell stack 10 through the fuel gas pipe 107.

一方、このとき、図2に示される熱交換部110では、酸化剤ガス供給管122(図1参照)を通じて酸化剤ガス流路118に酸化剤ガス164が供給される。この酸化剤ガス164は、螺旋状に形成された酸化剤ガス流路118を鉛直方向下側から上側に流れる。このとき、熱交換部110では、燃焼器200(図4参照)から排出された燃焼排ガス168が燃焼排ガス流路117を鉛直方向上側から下側に流れる。この燃焼排ガス168は、図1に示されるガス排出管123を通じて燃料電池モジュールMの外部に排出される。 On the other hand, at this time, in the heat exchange unit 110 shown in FIG. 2, the oxidant gas 164 is supplied to the oxidant gas flow path 118 through the oxidant gas supply pipe 122 (see FIG. 1). The oxidant gas 164 flows through the spirally formed oxidant gas flow path 118 from the lower side to the upper side in the vertical direction. At this time, in the heat exchange unit 110, the combustion exhaust gas 168 discharged from the combustor 200 (see FIG. 4) flows through the combustion exhaust gas flow path 117 from the upper side to the lower side in the vertical direction. The combustion exhaust gas 168 is discharged to the outside of the fuel cell module M through the gas discharge pipe 123 shown in FIG.

図2に示されるように、酸化剤ガス流路118に隣接する燃焼排ガス流路117に燃焼排ガス168が流れると、酸化剤ガス流路118を流れる酸化剤ガス164と燃焼排ガス168との間で熱交換される。そして、燃料電池モジュールMの外部へ排出される燃焼排ガス168の温度が低下され、燃料電池モジュールMの外部への放熱が抑制される。一方、酸化剤ガス164は、燃焼排ガス168の熱を吸収し、予熱される。この熱交換部110にて予熱された酸化剤ガス164は、連結流路38を通じて気化部40の酸化剤ガス流路48に流入し、その後、気化部40の酸化剤ガス流路48及び改質部60の酸化剤ガス流路68(図3,図4参照)を鉛直方向上側から下側に流れる。 As shown in FIG. 2, when the combustion exhaust gas 168 flows through the combustion exhaust gas flow path 117 adjacent to the oxidant gas flow path 118, it is between the oxidant gas 164 flowing through the oxidant gas flow path 118 and the combustion exhaust gas 168. Heat is exchanged. Then, the temperature of the combustion exhaust gas 168 discharged to the outside of the fuel cell module M is lowered, and the heat radiation to the outside of the fuel cell module M is suppressed. On the other hand, the oxidant gas 164 absorbs the heat of the combustion exhaust gas 168 and is preheated. The oxidant gas 164 preheated in the heat exchange section 110 flows into the oxidant gas flow path 48 of the vaporization section 40 through the connecting flow path 38, and then the oxidant gas flow path 48 and modification of the vaporization section 40. The oxidizing agent gas flow path 68 (see FIGS. 3 and 4) of the portion 60 flows from the upper side to the lower side in the vertical direction.

図2に示される気化部40では、上述の通り、燃焼器200(図4参照)から排出された燃焼排ガス168が燃焼排ガス流路47を鉛直方向下側から上側に流れる。酸化剤ガス流路48に隣接する燃焼排ガス流路47に燃焼排ガス168が流れると、酸化剤ガス流路48を流れる酸化剤ガス164と燃焼排ガス168との間で熱交換され、酸化剤ガス164がさらに予熱される。 In the vaporization unit 40 shown in FIG. 2, as described above, the combustion exhaust gas 168 discharged from the combustor 200 (see FIG. 4) flows through the combustion exhaust gas flow path 47 from the lower side to the upper side in the vertical direction. When the combustion exhaust gas 168 flows through the combustion exhaust gas flow path 47 adjacent to the oxidant gas flow path 48, heat is exchanged between the oxidant gas 164 flowing through the oxidant gas flow path 48 and the combustion exhaust gas 168, and the oxidant gas 164 Is further preheated.

同様に、図3に示されるように、改質部60では、燃焼器200(図4参照)から排出された燃焼排ガス168が燃焼排ガス流路67を鉛直方向下側から上側に流れる。改質流路66を挟んだ酸化剤ガス流路68と反対側の燃焼排ガス流路67に燃焼排ガス168が流れると、酸化剤ガス流路68を流れる酸化剤ガス164と燃焼排ガス168とが改質流路66(改質触媒層70)を介して熱交換し、このことによっても、酸化剤ガス164が予熱される。 Similarly, as shown in FIG. 3, in the reforming section 60, the combustion exhaust gas 168 discharged from the combustor 200 (see FIG. 4) flows through the combustion exhaust gas flow path 67 from the lower side to the upper side in the vertical direction. When the combustion exhaust gas 168 flows through the combustion exhaust gas flow path 67 on the opposite side of the oxidizing agent gas flow path 68 sandwiching the reforming flow path 66, the oxidant gas 164 and the combustion exhaust gas 168 flowing through the oxidant gas flow path 68 are changed. Heat is exchanged via the quality channel 66 (modified catalyst layer 70), which also preheats the oxidizing agent gas 164.

このように酸化剤ガス流路68を流れることで予熱された酸化剤ガス164は、図4に示される予熱流路105に流入し、この螺旋状に形成された予熱流路105を鉛直方向上側から下側に流れる。この予熱流路105を流れる酸化剤ガス164は、燃料電池セルスタック10の熱によってさらに予熱される。そして、この予熱流路105にて予熱された酸化剤ガス164は、燃料電池セルスタック10の酸化剤ガス取入口15(図1参照)に供給される。 The oxidant gas 164 preheated by flowing through the oxidant gas flow path 68 in this way flows into the preheating flow path 105 shown in FIG. 4, and the spirally formed preheating flow path 105 is vertically upward. Flows downward from. The oxidant gas 164 flowing through the preheating flow path 105 is further preheated by the heat of the fuel cell stack 10. Then, the oxidant gas 164 preheated in the preheating flow path 105 is supplied to the oxidant gas intake 15 (see FIG. 1) of the fuel cell stack 10.

以上のようにして、図1に示される燃料電池セルスタック10の燃料ガス取入口16に燃料ガス(改質ガス)が供給されると共に、燃料電池セルスタック10の酸化剤ガス取入口15に酸化剤ガスが供給されると、燃料電池セルスタック10では、各セル12において、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。また、各セル12は、発電に伴い発熱する。 As described above, the fuel gas (reform gas) is supplied to the fuel gas inlet 16 of the fuel cell stack 10 shown in FIG. 1, and the oxidant gas inlet 15 of the fuel cell stack 10 is oxidized. When the agent gas is supplied, the fuel cell stack 10 generates electricity in each cell 12 by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidizing agent gas. Further, each cell 12 generates heat with power generation.

このように燃料電池セルスタック10が起動すると、燃料電池セルスタック10の燃料極からは、燃料極排ガスが排出され、燃料電池セルスタック10の空気極からは、空気極排ガスが排出される。燃料極排ガスには、燃料電池セルスタック10にて発電に供されなかった燃料ガスが含まれ、同様に、空気極排ガスには、燃料電池セルスタック10にて発電に供されなかった酸化剤ガスが含まれる。 When the fuel cell stack 10 is activated in this way, the fuel electrode exhaust gas is discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 10 and the air electrode exhaust gas is discharged from the air electrode of the fuel cell stack 10. The fuel electrode exhaust gas includes fuel gas that was not used for power generation in the fuel cell stack 10, and similarly, the air electrode exhaust gas includes an oxidant gas that was not used for power generation in the fuel cell stack 10. Is included.

図4に示されるように、燃料電池セルスタック10の燃料極から排出された燃料極排ガスは、燃焼器200の燃料ガス室208に燃料ガスとして供給され、燃料電池セルスタック10の空気極から排出された空気極排ガスは、燃焼器200の一対の酸化剤ガス室209に酸化剤ガスとしてそれぞれ供給される。 As shown in FIG. 4, the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 10 is supplied as fuel gas to the fuel gas chamber 208 of the combustor 200 and discharged from the air electrode of the fuel cell stack 10. The resulting air electrode exhaust gas is supplied as an oxidant gas to the pair of oxidant gas chambers 209 of the combustor 200, respectively.

そして、図4に示されるように、燃料ガスノズル210からは、燃料ガス室208に供給された燃料極排ガスである燃料ガス165が外周酸化剤ガス室242へ噴出される。燃料ガスノズル210から噴出された燃料ガス165は、一部(非重複部210Aを通過する燃料ガス165)が噴出先の筒状壁部232に当たり、乱流を発生させる。これにより、外周酸化剤ガス室242において、酸化剤ガス166と燃料ガス165とが撹拌混合され、混合された混合ガスMGが、酸化剤ガスノズル252、252Aから燃焼室207へ噴出される。混合ガスMGは、酸化剤ガスノズル252、252Aから径方向外側へ向かって噴出され、燃焼室207の径方向内側から外側に拡散される。 Then, as shown in FIG. 4, the fuel gas 165, which is the fuel electrode exhaust gas supplied to the fuel gas chamber 208, is ejected from the fuel gas nozzle 210 to the outer peripheral oxidizing agent gas chamber 242. A part (fuel gas 165 passing through the non-overlapping portion 210A) of the fuel gas 165 ejected from the fuel gas nozzle 210 hits the tubular wall portion 232 of the ejection destination to generate turbulence. As a result, the oxidant gas 166 and the fuel gas 165 are stirred and mixed in the outer peripheral oxidant gas chamber 242, and the mixed mixed gas MG is ejected from the oxidant gas nozzles 252 and 252A to the combustion chamber 207. The mixed gas MG is ejected from the oxidizing agent gas nozzles 252 and 252A in the radial direction and diffused from the radial inside to the outside of the combustion chamber 207.

また、複数のテーパー壁連通孔211からは、酸化剤ガス室209に供給された空気極排ガスである酸化剤ガス166が噴出される。複数のテーパー壁連通孔211から噴出された酸化剤ガス166は、テーパー壁部205の径方向内側から外側に拡散する混合ガスMGと混合される。この燃焼室207における混合ガスは、点火電極154とパイプ150等との間に形成されるスパークによって点火されて燃焼される。 Further, the oxidant gas 166, which is the air electrode exhaust gas supplied to the oxidant gas chamber 209, is ejected from the plurality of tapered wall communication holes 211. The oxidant gas 166 ejected from the plurality of tapered wall communication holes 211 is mixed with the mixed gas MG diffused from the radial inside to the outside of the tapered wall portion 205. The mixed gas in the combustion chamber 207 is ignited and burned by a spark formed between the ignition electrode 154 and the pipe 150 or the like.

ここで、例えば、空気比が高く、酸化剤ガス166の流量が燃料ガス165の流量に対して過剰な場合には、酸化剤ガスノズル252、252Aに近い位置で燃焼室207へ噴出された混合ガスが燃焼され、火炎167が生じる。テーパー壁部205の径方向外側に位置するテーパー壁連通孔211から噴出された酸化剤ガス166の噴流は、混合ガスの燃焼によって生ずる燃焼排ガス168と混合され、燃焼室207から排出される。 Here, for example, when the air ratio is high and the flow rate of the oxidant gas 166 is excessive with respect to the flow rate of the fuel gas 165, the mixed gas ejected to the combustion chamber 207 at a position close to the oxidant gas nozzles 252 and 252A. Is burned and a flame 167 is generated. The jet of the oxidant gas 166 ejected from the tapered wall communication hole 211 located on the radial outer side of the tapered wall portion 205 is mixed with the combustion exhaust gas 168 generated by the combustion of the mixed gas and discharged from the combustion chamber 207.

一方、燃料ガス165の流量が多く空気比が低い場合には、複数のテーパー壁連通孔211のうちテーパー壁部205の径方向内側に位置するテーパー壁連通孔211から噴出された酸化剤ガス166では混合ガスの燃焼に必要な酸素が不足する。この場合には、テーパー壁部205の径方向内側から外側にかけて設けられたテーパー壁連通孔211から噴出された酸化剤ガス166と、酸化剤ガスノズル252から噴出された混合ガスMGとが混合されて燃焼されることで、テーパー壁部205の径方向内側から外側にかけて火炎167が生じる。このように、第1実施形態に係る燃焼器200では、空気比及び燃焼量が変化しても、燃焼を維持するように火炎部分が変化するようになっている。 On the other hand, when the flow rate of the fuel gas 165 is large and the air ratio is low, the oxidant gas 166 ejected from the tapered wall communication hole 211 located inside the tapered wall portion 205 in the radial direction among the plurality of tapered wall communication holes 211. Then, the oxygen required for combustion of the mixed gas is insufficient. In this case, the oxidant gas 166 ejected from the tapered wall communication hole 211 provided from the radial inside to the outside of the tapered wall portion 205 and the mixed gas MG ejected from the oxidant gas nozzle 252 are mixed. By being burned, a flame 167 is generated from the radial inside to the outside of the tapered wall portion 205. As described above, in the combustor 200 according to the first embodiment, the flame portion changes so as to maintain combustion even if the air ratio and the amount of combustion change.

このようにして燃焼室207に燃焼反応が生じ、この燃焼反応にて発生した燃焼排ガス168は、図4に示される整流部203に沿って燃焼排ガス流路67の入口部67Aに流入する。この燃焼排ガス流路67の入口部67Aに流入した燃焼排ガス168は、上述の通り、改質部60の燃焼排ガス流路67、気化部40の燃焼排ガス流路47(図3参照)、連結流路39及び熱交換部110の燃焼排ガス流路117(図2参照)を流れた後、図1に示されるガス排出管123を通じて燃料電池モジュールMの外部に排出される。 In this way, a combustion reaction occurs in the combustion chamber 207, and the combustion exhaust gas 168 generated by this combustion reaction flows into the inlet portion 67A of the combustion exhaust gas flow path 67 along the rectifying section 203 shown in FIG. As described above, the combustion exhaust gas 168 flowing into the inlet portion 67A of the combustion exhaust gas flow path 67 includes the combustion exhaust gas flow path 67 of the reforming section 60, the combustion exhaust gas flow path 47 of the vaporization section 40 (see FIG. 3), and the connecting flow. After flowing through the combustion exhaust gas flow path 117 (see FIG. 2) of the passage 39 and the heat exchange unit 110, the fuel is discharged to the outside of the fuel cell module M through the gas discharge pipe 123 shown in FIG.

次に、本発明の第1実施形態の作用及び効果について説明する。 Next, the operation and effect of the first embodiment of the present invention will be described.

以上詳述したように、第1実施形態の燃焼器200によれば、図6に示されるように、燃料ガスノズル210から噴出された燃料ガス165の噴流は、一部(非重複部210Aを通過する燃料ガス165)が噴出先の筒状壁部232に当たる。これにより、外周酸化剤ガス室242において、乱流を発生させ、酸化剤ガス166と燃料ガス165とが撹拌混合され、混合された混合ガスMGが、酸化剤ガスノズル252、252Aから燃焼室207へ噴出される。噴出された混合ガスMGは、酸化剤ガス166と燃料ガス165との混合が促進されているので、燃焼性が高い。 As described in detail above, according to the combustor 200 of the first embodiment, as shown in FIG. 6, the jet flow of the fuel gas 165 ejected from the fuel gas nozzle 210 passes through a part (non-overlapping portion 210A). The fuel gas 165) hits the tubular wall portion 232 of the jet destination. As a result, a turbulent flow is generated in the outer peripheral oxidant gas chamber 242, the oxidant gas 166 and the fuel gas 165 are stirred and mixed, and the mixed gas MG is transferred from the oxidant gas nozzles 252 and 252A to the combustion chamber 207. It is ejected. The ejected mixed gas MG has high combustibility because the mixing of the oxidant gas 166 and the fuel gas 165 is promoted.

また、酸化剤ガスノズル252から径方向外側へ向かって噴出された混合ガスMGは、燃焼室207の径方向内側から外側に拡散される。したがって、空気比が高く、酸化剤ガス166の流量が燃料ガス165の流量に対して過剰な場合には、酸化剤ガスノズル252、252Aに近い位置で燃焼室207へ噴出された混合ガスMGが燃焼され、火炎167が生じる。一方、燃料ガス165の流量が多く空気比が低い場合には、未燃焼の混合ガスMGが、径方向外側へ移動しつつテーパー壁連通孔211から噴出された酸化剤ガス166と混合されて燃焼されることで、テーパー壁部205の径方向内側から外側にかけて火炎167が生じる。このように、空気比が変化しても、燃焼を維持するように火炎部分が変化することにより、広い空気比の範囲で火炎が吹き消えず安定な短炎燃焼が得られる。 Further, the mixed gas MG ejected from the oxidant gas nozzle 252 toward the radial outside is diffused from the radial inside to the outside of the combustion chamber 207. Therefore, when the air ratio is high and the flow rate of the oxidant gas 166 is excessive with respect to the flow rate of the fuel gas 165, the mixed gas MG ejected to the combustion chamber 207 is burned at a position close to the oxidant gas nozzles 252 and 252A. And a flame 167 is generated. On the other hand, when the flow rate of the fuel gas 165 is large and the air ratio is low, the unburned mixed gas MG is mixed with the oxidizing agent gas 166 ejected from the tapered wall communication hole 211 while moving outward in the radial direction and burned. As a result, flame 167 is generated from the radial inside to the outside of the tapered wall portion 205. In this way, even if the air ratio changes, the flame portion changes so as to maintain combustion, so that the flame does not blow out in a wide air ratio range and stable short flame combustion can be obtained.

燃料電池モジュールMは、前述の燃焼器200が適用されているので、空気比の変動がある場合でも、スタック排ガスを単一の燃焼器200で安定して燃焼させることができる。これにより、燃焼器200及びその周辺の構造を簡素化できるので、燃料電池モジュールMの小型化及び低コスト化を図ることができる。 Since the combustor 200 described above is applied to the fuel cell module M, the stack exhaust gas can be stably combusted by a single combustor 200 even when the air ratio fluctuates. As a result, the structure of the combustor 200 and its surroundings can be simplified, so that the fuel cell module M can be miniaturized and the cost can be reduced.

また、気化部40及び改質部60は、多重の筒状壁によってそれぞれ形成されているので、気化部40及び改質部60の構造を簡素化することができると共に、気化部40及び改質部60を小型化することができる。また、燃焼器200、改質部60、気化部40は、同軸上に配置されているので、燃料電池モジュールMを径方向に小型化することができる。 Further, since the vaporization section 40 and the reforming section 60 are each formed by a plurality of tubular walls, the structures of the vaporization section 40 and the reforming section 60 can be simplified, and the vaporization section 40 and the reforming section 60 can be simplified. The unit 60 can be miniaturized. Further, since the combustor 200, the reforming unit 60, and the vaporizing unit 40 are arranged coaxially, the fuel cell module M can be miniaturized in the radial direction.

[試験例]
本実施形態の燃焼器200と、比較例の燃焼器C1において、供給する燃料ガスと酸化剤ガス(空気)の比を変えて、排出される燃焼排ガスの一酸化炭素濃度を測定した。比較例の燃焼器C1は、燃料ガスノズル210と酸化剤ガスノズル252とが同軸に配置されており、その点だけが、本実施形態(非同軸)と異なっており、その他の構成は同一である。図9のグラフに示されるように、本実施形態の燃焼器200では、比較例の燃焼器C1と比べて、広い範囲の燃焼空気比において、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度が0となっており、燃焼性が良好であることがわかる。
[Test example]
In the combustor 200 of the present embodiment and the combustor C1 of the comparative example, the carbon monoxide concentration of the emitted combustion exhaust gas was measured by changing the ratio of the fuel gas to be supplied and the oxidant gas (air). In the combustor C1 of the comparative example, the fuel gas nozzle 210 and the oxidant gas nozzle 252 are arranged coaxially, and only that point is different from the present embodiment (non-coaxial), and the other configurations are the same. As shown in the graph of FIG. 9, in the combustor 200 of the present embodiment, the carbon monoxide concentration in the combustion exhaust gas becomes 0 in a wide range of combustion air ratios as compared with the combustor C1 of the comparative example. It can be seen that the combustibility is good.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.

図10には、本発明の第2実施形態に係る燃焼器220の一部上面図(A)及び縦断面図(B)が示されている。第2実施形態に係る燃焼器220は、第1実施形態に係る燃焼器200(図6参照)に対し、テーパー壁部205に形成されたテーパー壁連通孔211のうち、径方向の最外の周方向に形成されたテーパー壁連通孔211A、及び、テーパー壁連通孔211Aに隣接しテーパー壁連通孔211Aよりも径方向内側の周方向に形成されたテーパー壁連通孔211Bの開口サイズが異なる。テーパー壁連通孔211Bの開口サイズは、その径方向内側の周方向に形成されたテーパー壁連通孔211Cよりも大きく、酸化剤ガスノズル21Aの開口サイズは、テーパー壁連通孔211Bの開口サイズよりも大きくなっている。 FIG. 10 shows a partial top view (A) and a vertical sectional view (B) of the combustor 220 according to the second embodiment of the present invention. The combustor 220 according to the second embodiment is the outermost radial wall communication hole 211 formed in the tapered wall portion 205 with respect to the combustor 200 (see FIG. 6) according to the first embodiment. The opening sizes of the tapered wall communication hole 211A formed in the circumferential direction and the tapered wall communication hole 211B adjacent to the tapered wall communication hole 211A and formed in the radial direction inside the tapered wall communication hole 211A are different. The opening size of the tapered wall communication hole 211B is larger than that of the tapered wall communication hole 211C formed in the radial inside thereof, and the opening size of the oxidant gas nozzle 21A is larger than the opening size of the tapered wall communication hole 211B. It has become.

このように、テーパー壁連通孔211の開口サイズを径方向内側を小さく、径方向外側を大きくすることにより、燃焼室207の径方向外側から噴出される酸化剤ガスの流量が多くなる。これにより、空気比が高く、酸化剤ガス166の流量が燃料ガス165の流量に対して過剰な場合には、燃焼に不要な酸化剤ガスを火炎から遠い位置で燃焼排ガスと共に排出させ、火炎の消失を抑制することができる。 As described above, by reducing the opening size of the tapered wall communication hole 211 on the radial inside and increasing the radial outside, the flow rate of the oxidant gas ejected from the radial outside of the combustion chamber 207 increases. As a result, when the air ratio is high and the flow rate of the oxidant gas 166 is excessive with respect to the flow rate of the fuel gas 165, the oxidant gas unnecessary for combustion is discharged together with the combustion exhaust gas at a position far from the flame, and the flame is discharged. The disappearance can be suppressed.

また、空気比が低い場合には、燃焼室207の径方向内側の酸化剤ガスノズル252に近い位置において、酸化剤ガスの供給量を少なくして、燃焼速度を下げることができる。これにより、火炎の集中による燃焼器220の局所過熱で、燃焼器220が劣化することを抑制することができる。 When the air ratio is low, the supply amount of the oxidant gas can be reduced at a position close to the oxidant gas nozzle 252 inside the combustion chamber 207 in the radial direction to reduce the combustion speed. As a result, it is possible to prevent the combustor 220 from deteriorating due to local overheating of the combustor 220 due to the concentration of flames.

なお、本実施形態では、テーパー壁連通孔211の開口サイズを変えることにより、燃焼室207の径方向外側から噴出される酸化剤ガスの流量が多くなるようにしたが、開口サイズを変えず、図11に示すように、径方向の最外の周方向に形成されたテーパー壁連通孔211Aの個数を、多くしてもよい。図11では、テーパー壁連通孔211Aの個数をテーパー壁連通孔211B、211Cの2倍としている。この場合でも、空気比が高い場合には、燃焼に不要な酸化剤ガスを火炎から遠い位置で燃焼排ガスと共に排出させ、火炎の消失を抑制することができる。また、空気比が低い場合には、酸化剤ガスノズル252に近い位置において燃焼速度を下げ、燃焼器220の局所過熱で、燃焼器220が劣化することを抑制することができる。 In the present embodiment, the opening size of the tapered wall communication hole 211 is changed so that the flow rate of the oxidant gas ejected from the radial outside of the combustion chamber 207 is increased, but the opening size is not changed. As shown in FIG. 11, the number of tapered wall communication holes 211A formed in the outermost circumferential direction in the radial direction may be increased. In FIG. 11, the number of tapered wall communication holes 211A is twice the number of tapered wall communication holes 211B and 211C. Even in this case, when the air ratio is high, the oxidant gas unnecessary for combustion can be discharged together with the combustion exhaust gas at a position far from the flame, and the extinction of the flame can be suppressed. Further, when the air ratio is low, the combustion speed can be lowered at a position close to the oxidant gas nozzle 252, and deterioration of the combustor 220 due to local overheating of the combustor 220 can be suppressed.

なお、前述の第1、第2実施形態に係る燃焼器200、220は、より好ましくは、燃料電池モジュールに適用されるが、例えば、燃料電池モジュール以外の機器に適用されても良い。また、バイオガスなどの低カロリーガスを燃焼させるための燃焼器として利用されても良い。 The combustors 200 and 220 according to the first and second embodiments described above are more preferably applied to the fuel cell module, but may be applied to devices other than the fuel cell module, for example. Further, it may be used as a combustor for burning a low-calorie gas such as biogas.

また、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。 Further, the present invention is not limited to the above, and it is needless to say that the present invention can be variously modified and implemented within a range not deviating from the gist thereof.

M 燃料電池モジュール、 10 燃料電池セルスタック
40 気化部、 41、42、43 筒状壁
45 断熱空間、 46 気化流路
47 燃焼排ガス流路、 60 改質部、 61、62、63 筒状壁
65 断熱空間、 66 気化流路、 67 燃焼排ガス流路
200、220 燃焼器、 201 燃焼室周壁
205 テーパー壁部
204 内側筒壁(燃料ガス室仕切壁)
207 燃焼室
208 燃料ガス室、 209 酸化剤ガス室
210 燃料ガスノズル、 210A 非重複部、 210B 重複部
211 テーパー壁連通孔、 222 天面壁
232 筒状壁部(酸化剤ガス室仕切壁)
242 外周酸化剤ガス室(酸化剤ガス室)
252 酸化剤ガスノズル
M Fuel cell module, 10 Fuel cell stack 40 Vaporizing part, 41, 42, 43 Cylindrical wall 45 Insulated space, 46 Vaporizing flow path 47 Combustion exhaust gas flow path, 60 Remodeling part, 61, 62, 63 Cylindrical wall 65 Insulated space, 66 Vaporization flow path, 67 Combustion exhaust gas flow path 200, 220 Combustor, 201 Combustion chamber peripheral wall 205 Tapered wall part 204 Inner cylinder wall (fuel gas chamber partition wall)
207 Combustion chamber 208 Fuel gas chamber, 209 Oxidizing agent gas chamber 210 Fuel gas nozzle, 210A Non-overlapping part, 210B Overlapping part 211 Tapered wall communication hole, 222 Top wall 232 Cylindrical wall part (Oxidizing agent gas chamber partition wall)
242 Peripheral oxidizer gas chamber (oxidizer gas chamber)
252 Oxidizing agent gas nozzle

Claims (9)

燃料ガス及び酸化剤ガスが混合された混合ガスが燃焼される筒状の燃焼室周壁の内側に形成された燃焼室と、
前記燃焼室の筒軸の一端側と隣接され外部から前記酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス室仕切壁で前記燃焼室と区画された酸化剤ガス室と、
前記酸化剤ガス室の径方向内側に配置され、外部から前記燃料ガスが供給され、燃料ガス室仕切壁で前記酸化剤ガス室と区画された燃料ガス室と、
前記酸化剤ガス室仕切壁を貫通し、前記燃焼室と前記酸化剤ガス室とを連通させる酸化剤ガスノズルと、
前記燃料ガス室仕切壁を貫通し、前記貫通方向において前記酸化剤ガスノズルと重複する重複部と、前記燃料ガスの噴出先が前記酸化剤ガス室仕切壁の前記酸化剤ガス室側の面であり前記酸化剤ガスノズルと非重複の非重複部を有し、前記燃料ガスを前記酸化剤ガス室へ吐出させる燃料ガスノズルと、
を備えた燃焼器。
A combustion chamber formed inside the peripheral wall of a tubular combustion chamber in which a mixed gas containing a mixture of fuel gas and oxidant gas is burned.
The oxidant gas is supplied from the outside adjacent to one end side of the cylinder shaft of the combustion chamber, and the oxidant gas chamber is partitioned from the combustion chamber by the partition wall of the oxidant gas chamber.
A fuel gas chamber arranged inside the oxidant gas chamber in the radial direction, to which the fuel gas is supplied from the outside, and a fuel gas chamber partitioned from the oxidant gas chamber by a fuel gas chamber partition wall.
An oxidant gas nozzle that penetrates the partition wall of the oxidant gas chamber and communicates the combustion chamber and the oxidant gas chamber.
The overlapping portion that penetrates the fuel gas chamber partition wall and overlaps with the oxidant gas nozzle in the penetration direction, and the fuel gas ejection destination is the surface of the oxidant gas chamber partition wall on the oxidant gas chamber side. A fuel gas nozzle having a non-overlapping portion that does not overlap with the oxidizing agent gas nozzle and discharging the fuel gas to the oxidizing agent gas chamber.
Combustor equipped with.
前記燃料ガスノズルと前記酸化剤ガスノズルとは、非同軸とされている請求項1に記載の燃焼器。 The combustor according to claim 1, wherein the fuel gas nozzle and the oxidant gas nozzle are non-coaxial. 前記酸化剤ガス室仕切壁は、前記燃焼室周壁と同軸に配置された筒状の筒状壁部と、前記筒状壁部の外周下部から前記燃焼室周壁へ拡径され前記燃焼室が前記一端側へ凸となるようにテーパー状とされたテーパー壁部と、を有し、
前記酸化剤ガスノズルは、前記筒状壁部に形成され、前記テーパー壁部には、前記テーパー壁部を貫通して前記酸化剤ガス室と前記燃焼室とを連通させる複数のテーパー壁連通孔が形成されている、請求項1または請求項2に記載の燃焼器。
The oxidant gas chamber partition wall has a tubular tubular wall portion coaxially arranged with the combustion chamber peripheral wall, and the diameter of the tubular wall portion is expanded from the lower outer periphery of the tubular wall portion to the combustion chamber peripheral wall, and the combustion chamber is said to be the same. It has a tapered wall portion that is tapered so as to be convex toward one end.
The oxidant gas nozzle is formed in the tubular wall portion, and the tapered wall portion has a plurality of tapered wall communication holes that penetrate the tapered wall portion and communicate the oxidant gas chamber and the combustion chamber. The combustor according to claim 1 or 2, which is formed.
前記燃料ガス室仕切壁は、前記筒状壁部の内側に配置された筒状の内側筒壁、及び、前記内側筒壁の先端を覆う天面壁を含んで形成され、前記燃料ガスノズルは前記内側筒壁に形成されている、請求項3に記載の燃焼器。 The fuel gas chamber partition wall is formed to include a tubular inner cylinder wall arranged inside the tubular wall portion and a top wall covering the tip of the inner cylinder wall, and the fuel gas nozzle is formed inside the inner cylinder wall. The combustor according to claim 3, which is formed on a cylinder wall. 前記テーパー壁連通孔は、前記燃焼室の径方向に同一幅の同心環状帯において、径方向内側よりも径方向外側の方が前記酸化剤ガスの前記テーパー壁連通孔の透過流量が多くなるように形成されている、請求項3または請求項4に記載の燃焼器。 In the concentric annular zone having the same width in the radial direction of the combustion chamber, the tapered wall communication hole has a larger permeation flow rate of the oxidant gas through the tapered wall communication hole on the outer side in the radial direction than on the inner side in the radial direction. The combustor according to claim 3 or 4, which is formed in. 前記テーパー壁連通孔は、同心円状に複数列形成され、径方向内側の列の前記テーパー壁連通孔の個数よりも径方向外側の列の前記テーパー壁連通孔の個数が多いことを特徴とする、請求項3~請求項5のいずれか1項に記載の燃焼器。 The tapered wall communication holes are formed in a plurality of concentric rows, and the number of the tapered wall communication holes in the radial outer row is larger than the number of the tapered wall communication holes in the radial inner row. , The combustor according to any one of claims 3 to 5. 前記テーパー壁連通孔は、同心円状に複数列形成され、径方向内側の列の前記テーパー壁連通孔の開口サイズよりも径方向外側の列の前記テーパー壁連通孔の開口サイズが大きいことを特徴とする、請求項3~請求項6のいずれか1項に記載の燃焼器。 The tapered wall communication holes are formed in a plurality of concentric rows, and the opening size of the tapered wall communication holes in the radial outer row is larger than the opening size of the tapered wall communication holes in the radial inner row. The combustor according to any one of claims 3 to 6. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、
原燃料が気化されて原燃料ガスが生成される気化部と、
原燃料ガスから前記燃料ガスが生成される改質部と、
前記燃料電池セルスタックの燃料極から排出された燃料極排ガスである燃料ガスと、前記燃料電池セルスタックの空気極から排出された空気極排ガスである酸化剤ガスとが混合されたスタック排ガスを燃焼させる、請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の燃焼器と、
を備える燃料電池モジュール。
A fuel cell stack that generates electricity by an electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas,
The vaporization section where raw fuel is vaporized to generate raw fuel gas,
The reforming part where the fuel gas is generated from the raw fuel gas,
Combustion of stack exhaust gas, which is a mixture of fuel gas, which is the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack, and oxidant gas, which is the air electrode exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack. The combustor according to any one of claims 1 to 7 and the combustor.
A fuel cell module equipped with.
前記燃焼器は、前記燃料電池セルスタックの上方に設けられ、
前記改質部は、前記燃焼器の上方に前記燃焼器と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する少なくとも三重の筒状壁によって構成され、かつ、該三重の筒状壁における内側及び筒状壁の間に、断熱空間、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスの熱を利用して前記原燃料ガスが改質されて前記燃料ガスが生成される改質流路をそれぞれ有し、
前記気化部は、前記改質部の上方に前記改質部と同軸上に設けられると共に、互いの間に隙間を有する少なくとも三重の円筒状又は楕円筒状の筒状壁によって構成され、かつ、該三重の筒状壁における内側及び筒状壁の間に、断熱空間、前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路、及び、前記燃焼排ガスとの熱交換により前記原燃料が気化されて前記原燃料ガスが生成される気化流路をそれぞれ有する、
請求項8に記載の燃料電池モジュール。
The combustor is provided above the fuel cell stack.
The reforming portion is provided above the combustor coaxially with the combustor, is composed of at least triple tubular walls having a gap between them, and is inside the triple tubular wall. The raw material fuel gas is reformed by utilizing the heat insulating space, the combustion exhaust gas flow path through which the combustion exhaust gas discharged from the combustor flows, and the heat of the combustion exhaust gas between the tubular wall and the fuel gas. Each has a reforming flow path in which
The vaporizing portion is provided above the reforming portion coaxially with the reforming portion, and is composed of at least three triple cylindrical or elliptical tubular walls having a gap between them. The raw material gas is vaporized by heat exchange with the heat insulating space, the combustion exhaust gas flow path through which the combustion exhaust gas flows, and the combustion exhaust gas between the inside and the cylindrical wall of the triple cylindrical wall, and the raw material fuel gas. Each has a vaporization channel in which
The fuel cell module according to claim 8.
JP2018131612A 2018-07-11 2018-07-11 Combustor and fuel cell module Active JP7094168B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018131612A JP7094168B2 (en) 2018-07-11 2018-07-11 Combustor and fuel cell module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018131612A JP7094168B2 (en) 2018-07-11 2018-07-11 Combustor and fuel cell module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020007200A JP2020007200A (en) 2020-01-16
JP7094168B2 true JP7094168B2 (en) 2022-07-01

Family

ID=69150586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018131612A Active JP7094168B2 (en) 2018-07-11 2018-07-11 Combustor and fuel cell module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7094168B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003254514A (en) 2001-12-25 2003-09-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Burner for hydrogen generator and hydrogen generator having burner
JP2006100206A (en) 2004-09-30 2006-04-13 Dainichi Co Ltd Combustion device of hydrogen supply device used for fuel cell
JP2010065963A (en) 2008-09-12 2010-03-25 Hitachi Ltd Combustor, method of supplying fuel to the same, and method of modifying the same
JP2017050072A (en) 2015-08-31 2017-03-09 東京瓦斯株式会社 Combustor and fuel battery module

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003254514A (en) 2001-12-25 2003-09-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Burner for hydrogen generator and hydrogen generator having burner
JP2006100206A (en) 2004-09-30 2006-04-13 Dainichi Co Ltd Combustion device of hydrogen supply device used for fuel cell
JP2010065963A (en) 2008-09-12 2010-03-25 Hitachi Ltd Combustor, method of supplying fuel to the same, and method of modifying the same
JP2017050072A (en) 2015-08-31 2017-03-09 東京瓦斯株式会社 Combustor and fuel battery module

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020007200A (en) 2020-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4523054B2 (en) Fuel cell reformer burner and reformer equipped therewith
US7610761B2 (en) Method and device for the combustion of hydrogen in a premix burner
JP6545577B2 (en) Combustor and fuel cell module
US10122027B2 (en) High-temperature operating fuel-cell module
CN107208883B (en) There is the improved turbulent burner of fuel injection device in the upstream and downstream of cyclone
JP6998548B2 (en) Fuel cell system
WO2016009853A1 (en) Fuel cell module
CN101501396A (en) Two-fluid spray burner
JP2007255744A (en) Tubular flame burner and fuel reforming device
JP2007308312A (en) Multiple-fuel combustor
JP7094168B2 (en) Combustor and fuel cell module
JP6545562B2 (en) Combustor and fuel cell module
JP5810006B2 (en) Fuel processing system and combustion apparatus for fuel cell
JP2016115537A (en) Fuel cell module
JP5322465B2 (en) Combustion device of reformer, reformer, and fuel cell system
JP3562463B2 (en) Reformer for fuel cell
US8690976B2 (en) Fuel reformer
CN101501397A (en) Burner
JP2002162007A (en) Burner
JP7126395B2 (en) fuel cell module
JP6422323B2 (en) Fuel cell module
JP7299802B2 (en) Combustor and fuel cell module
JP2021014373A (en) Hydrogen generator
JP5446471B2 (en) Fuel cell system reformer
JP2003074804A (en) Combustion device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210226

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220203

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220215

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220330

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220531

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220621

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7094168

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150