JP7263212B2 - Fuel cell module and fluid supply device used therefor - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池モジュールに関し、特に、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュール及びこれに使用される流体供給装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell module, and more particularly to a fuel cell module that generates electricity by reacting supplied fuel gas and oxidant gas, and a fluid supply device used therein.

特開2017-50192号公報(特許文献1)には、燃料電池モジュールが記載されている。この燃料電池モジュールは、燃料電池セルスタックと、燃焼器と、改質器と、を備えており、これらが筐体に収容されている。特許文献1記載の燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セルスタックは、燃料電池セルを複数積層してなる積層型の燃料電池セルスタックであり、各燃料電池セルは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、カソード電極及びアノード電極を夫々設けることにより構成されている。また、各燃料電池セルの間には、カソードセパレータとアノードセパレータが夫々配置されている。さらに、カソードセパレータには、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成され、アノードセパレータには、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2017-50192 (Patent Document 1) describes a fuel cell module. This fuel cell module includes a fuel cell stack, a combustor, and a reformer, which are housed in a housing. In the fuel cell module described in Patent Document 1, the fuel cell stack is a laminated fuel cell stack formed by stacking a plurality of fuel cells, and each fuel cell is composed of an oxide ion conductor. It is constructed by providing a cathode electrode and an anode electrode on both sides of a plate-like electrolyte, respectively. A cathode separator and an anode separator are arranged between each fuel cell. Furthermore, the cathode separator is formed with an oxidant gas channel for supplying the oxidant gas to the cathode electrode, and the anode separator is formed with a fuel gas channel for supplying the fuel gas to the anode electrode.

このようにして積層された複数の燃料電池セル、カソードセパレータ、及びアノードセパレータは、両端から上部エンドプレート及び下部エンドプレートによって挟まれ、積層方向に押圧固定されている。また、下部エンドプレートには、各燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口と、各燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス入口が設けられている。下部エンドプレートには、さらに、各燃料電池セルのカソード電極に供給され、発電に使用されずに残った酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口と、各燃料電池セルのアノード電極に供給され、発電に使用されずに残った燃料ガスを排出する燃料ガス出口が設けられている。 A plurality of fuel cells, cathode separators, and anode separators stacked in this way are sandwiched between the upper end plate and the lower end plate from both ends, and are pressed and fixed in the stacking direction. Further, the lower end plate is provided with an oxidizing gas inlet for supplying oxidizing gas to each fuel cell and a fuel gas inlet for supplying fuel gas to each fuel cell. The lower end plate further includes an oxidant gas outlet for discharging the remaining oxidant gas that is supplied to the cathode electrode of each fuel cell and not used for power generation, and an oxidant gas outlet that is supplied to the anode electrode of each fuel cell, A fuel gas outlet is provided for discharging the remaining fuel gas that has not been used for power generation.

燃料ガス出口から流出した残余の燃料ガスと酸化剤ガス出口から流出した残余の酸化剤ガスは、筐体内に配置された燃焼器に導かれ、ここで燃焼される。燃焼器において生成された燃焼ガスは、燃料電池セルスタックの両側側面に夫々配置された燃焼ガス通路内に導かれ、燃焼ガス導出口を介して燃料電池セルスタックの両側側面に吹きかけられる。これにより、燃料電池セルスタックは、発電反応が可能な温度に昇温される。このように、特許文献1記載の燃料電池モジュールにおいては、筐体内に配置された燃焼器において、残余の燃料ガスを残余の酸化剤ガスにより燃焼させ、生成された燃焼ガスにより燃料電池セルスタックを直接加熱し、燃料電池セルスタックを発電反応が可能な温度に効率的に昇温させ、その温度を維持している。 The remaining fuel gas that has flowed out from the fuel gas outlet and the remaining oxidant gas that has flowed out from the oxidant gas outlet are guided to a combustor disposed within the housing, where they are combusted. Combustion gas generated in the combustor is guided into combustion gas passages arranged on both side surfaces of the fuel cell stack and sprayed onto both side surfaces of the fuel cell stack through combustion gas outlets. As a result, the temperature of the fuel cell stack is raised to a temperature at which power generation reaction is possible. As described above, in the fuel cell module described in Patent Document 1, the remaining fuel gas is burned with the remaining oxidant gas in the combustor arranged in the housing, and the fuel cell stack is driven by the generated combustion gas. Direct heating is used to efficiently raise the temperature of the fuel cell stack to a temperature at which power generation reaction is possible, and that temperature is maintained.

特開2017-50192号公報JP 2017-50192 A

しかしながら、特許文献1記載の燃料電池モジュールにおいては、筐体内の燃料電池セルスタックが、燃焼器において生成される燃焼ガスの他、極めて高い温度に過熱する燃焼器自体からの輻射熱によっても加熱されるため、これにより燃料電池セルスタックに温度ムラが発生しやすく、均一に加熱することが困難であるという問題がある。燃料電池セルスタックに温度ムラが発生した場合には発電効率が低下すると共に、各燃料電池セルが劣化され耐用年数が短縮されてしまう場合がある。 However, in the fuel cell module described in Patent Document 1, the fuel cell stack inside the housing is heated not only by the combustion gas generated in the combustor, but also by the radiant heat from the combustor itself, which heats up to an extremely high temperature. As a result, the fuel cell stack tends to have temperature unevenness, making it difficult to heat the fuel cell stack uniformly. When temperature unevenness occurs in the fuel cell stack, power generation efficiency is lowered, and each fuel cell may be deteriorated, resulting in a shortened useful life.

また、燃料電池セルスタックが燃焼器などから放射される輻射熱等によって加熱されている場合であっても、輻射熱等によって生じる温度ムラが相殺されるよう燃焼ガスの流れを設定することにより、燃料電池セルスタックの温度を均一に近づけることが考えられる。しかしながら、このように燃焼ガスの流れによって温度ムラを相殺している燃料電池モジュールでは、筐体内の燃焼器、改質器、燃料電池セルスタック等の配置が変更されたり、これらの寸法、形状が変更された場合に、筐体内の燃焼ガスの流れや、輻射熱の方向が変化して温度ムラを引き起こす可能性がある。このため、特許文献1記載の燃料電池モジュールでは、筐体内に収容された燃料電池セルスタックや燃焼器に対して、専用に筐体内の燃焼ガスの流れを設計する必要がある。即ち、筐体内に収容された燃焼器等に僅かな仕様変更があった場合でも、燃料電池セルスタックの温度ムラを避けるために、熱的なシミュレーションや試作のやり直しが必要になる。 In addition, even when the fuel cell stack is heated by radiant heat radiated from the combustor, etc., by setting the flow of the combustion gas so as to offset the temperature unevenness caused by the radiant heat, etc., the fuel cell It is conceivable to bring the temperature of the cell stack closer to uniformity. However, in a fuel cell module in which temperature unevenness is offset by the flow of combustion gas in this way, the layout of the combustor, reformer, fuel cell stack, etc. in the housing may be changed, or their dimensions and shapes may be changed. If changed, there is a possibility that the flow of combustion gas inside the housing and the direction of radiant heat will change, causing temperature unevenness. Therefore, in the fuel cell module described in Patent Document 1, it is necessary to design the flow of combustion gas inside the housing specifically for the fuel cell stack and the combustor accommodated in the housing. That is, even if there is a slight change in the specifications of the combustor or the like housed in the housing, it is necessary to redo thermal simulations and prototypes in order to avoid temperature variations in the fuel cell stack.

本発明は、このような問題を解決するために為されたものであり、燃料電池セルスタックの温度を十分に均一化することができる燃料電池モジュール及びこれに使用される流体供給装置を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and provides a fuel cell module capable of sufficiently uniformizing the temperature of a fuel cell stack and a fluid supply apparatus used therein. It is intended to

上述した課題を解決するために、本発明は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池セルスタックに供給する改質器と、燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器を収容する空間が内部に形成されたハウジングと、を有し、ハウジングは燃料電池セルスタックの上方に配置され、ハウジングと燃料電池セルスタックは離間して配置されていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fuel cell module that generates power by reacting supplied fuel gas and oxidant gas, the fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells; A reformer that reforms the raw fuel gas to generate a fuel gas containing hydrogen and supplies it to the fuel cell stack, and burns the residual fuel gas that is not used for power generation in the fuel cell stack, It has a combustor that heats the reformer and a housing that has a space inside that accommodates the combustor. The housing is arranged above the fuel cell stack, and the housing and the fuel cell stack are separated. It is characterized by being arranged

このように構成された本発明においては、燃料電池セルスタック、及びこの上方に配置されたハウジングが備えられ、燃焼器がハウジングに収容されている。改質器は、原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する。改質された燃料ガスは燃料電池セルスタックに供給される。燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスは、ハウジング側に排出される。残余燃料ガスは、ハウジング内の燃焼器において燃焼されて改質器を加熱する。 In the present invention configured as described above, a fuel cell stack and a housing arranged above the fuel cell stack are provided, and the combustor is accommodated in the housing. The reformer reforms the raw fuel gas to generate fuel gas. The reformed fuel gas is supplied to the fuel cell stack. Residual fuel gas left in the fuel cell stack without being used for power generation is discharged to the housing side. The residual fuel gas is combusted in a combustor within the housing to heat the reformer.

このように構成された本発明によれば、燃料電池セルスタックの上方にハウジングが離間して配置されている。このため、燃焼器等から放射された輻射熱はハウジングによって遮断され、燃料電池セルスタックは、実質的に、燃料電池セルスタックとハウジングの間を流れる流体を介してのみ熱の授受を行う。このため、燃焼器等から放射される輻射熱等に基づいて燃料電池セルスタックに温度ムラが発生することがない。また、燃料電池セルスタックは、実質的に、流体を介してのみ熱の授受を行うので、燃料電池セルスタックの温度分布は供給する流体の温度及び流量によって規定され、ハウジング内の改質器、燃焼器等の配置変更等により、燃料電池セルスタックの温度分布が影響を受けることはない。このため、燃料電池セルスタックと、ハウジング内の改質器、燃焼器等を独立して設計することが可能になり、改質器、燃焼器等の設計の自由度を広げることができる。また、燃焼器を収容したハウジングが燃料電池セルスタックから離間して配置されているので、1機種のハウジングを汎用的に種々の燃料電池セルスタックと組み合わせて使用することができ、量産により製造コストを下げることができる。 According to the present invention configured as described above, the housing is arranged above the fuel cell stack with a space therebetween. Therefore, radiant heat emitted from the combustor or the like is blocked by the housing, and the fuel cell stack substantially exchanges heat only through the fluid flowing between the fuel cell stack and the housing. Therefore, the fuel cell stack does not have temperature variations due to radiant heat radiated from the combustor or the like. In addition, since the fuel cell stack substantially exchanges heat only through the fluid, the temperature distribution of the fuel cell stack is defined by the temperature and flow rate of the supplied fluid, and the reformer in the housing, The temperature distribution of the fuel cell stack is not affected by changes in the layout of the combustor and the like. Therefore, the fuel cell stack and the reformer, combustor, etc. in the housing can be designed independently, and the degree of freedom in designing the reformer, combustor, etc. can be increased. In addition, since the housing containing the combustor is spaced apart from the fuel cell stack, one type of housing can be used in general in combination with various fuel cell stacks. can be lowered.

本発明において、好ましくは、さらに、改質器における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成するための蒸発器を有し、改質器及び蒸発器は、燃料電池セルスタック又は燃焼器の上方に配置されている。 In the present invention, the fuel cell preferably further comprises an evaporator for generating steam used for steam reforming in the reformer, and the reformer and evaporator are arranged above the fuel cell stack or combustor. It is

本発明において、好ましくは、改質器は、ハウジングの中に収容されている。 In the present invention, the reformer is preferably housed in the housing.

本発明において、好ましくは、さらに、改質器における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成するための蒸発器を有し、蒸発器は、ハウジングの上方に配置されている。 Preferably, the present invention further comprises an evaporator for generating steam used for steam reforming in the reformer, and the evaporator is arranged above the housing.

本発明において、好ましくは、ハウジングには、発電に使用する酸化剤ガスを加熱するための熱交換器が設けられている。 In the present invention, the housing is preferably provided with a heat exchanger for heating the oxidant gas used for power generation.

本発明において、好ましくは、熱交換器は、ハウジングの下面に設けられている。 In the present invention, the heat exchanger is preferably provided on the lower surface of the housing.

本発明において、好ましくは、さらに、熱交換器に酸化剤ガスを供給するパイプは、ハウジングの上面に接続されている。 In the present invention, preferably, the pipe for supplying the oxidant gas to the heat exchanger is further connected to the upper surface of the housing.

本発明において、好ましくは、さらに、ハウジングから燃料電池セルスタックに、燃料ガス及び酸化剤ガスを夫々供給する通路、及び、燃料電池セルスタックからハウジングに、残余燃料ガス及び発電に使用されずに残った残余酸化剤ガスを夫々戻す通路は、ハウジング及び燃料電池セルスタックの、互いに対向する面に接続されている。 In the present invention, preferably, there are further passages for supplying the fuel gas and the oxidant gas from the housing to the fuel cell stack, and passages from the fuel cell stack to the housing for residual fuel gas and remaining unused for power generation. Passages for returning residual oxidant gas are connected to opposite surfaces of the housing and the fuel cell stack.

本発明の燃料電池モジュール及びこれに使用される流体供給装置によれば、燃料電池セルスタックの温度を十分に均一化することができる。 According to the fuel cell module of the present invention and the fluid supply device used therein, the temperature of the fuel cell stack can be made sufficiently uniform.

本発明の実施形態による燃料電池モジュール全体の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of an entire fuel cell module according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施例による燃料電池モジュール全体を示す斜視図である。1 is a perspective view showing the entire fuel cell module according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施例による燃料電池モジュールの全断面図である。1 is a full cross-sectional view of a fuel cell module according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施例による燃料電池モジュールの、図3におけるIV-IV線に沿う断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a fuel cell module according to an embodiment of the invention, taken along line IV-IV in FIG. 3; 本発明の実施例による燃料電池モジュールの、図3におけるV-V線に沿う断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a fuel cell module according to an embodiment of the invention, taken along line VV in FIG. 3; 本発明の実施例による燃料電池モジュールの、図3におけるVI-VI線に沿う断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a fuel cell module according to an embodiment of the invention, taken along line VI-VI in FIG. 3;

次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図1は本発明の実施形態による燃料電池モジュール全体の概略構成を示す図である。
Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the entire fuel cell module according to an embodiment of the present invention.

<燃料電池モジュールの概略構成及び作用>
図1に示すように、本発明の実施形態による燃料電池モジュール1は、発電反応を行う燃料電池セルスタック2と、この燃料電池セルスタック2に、原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスである空気を供給する流体供給装置4と、を有する。
<Schematic configuration and action of fuel cell module>
As shown in FIG. 1, a fuel cell module 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 2 that performs a power generation reaction, a fuel gas obtained by reforming raw fuel gas, and a heating and a fluid supply device 4 for supplying air, which is an oxidant gas.

また、流体供給装置4はハウジング6を備えており、このハウジング6が燃料電池セルスタック2の上方に鉛直方向に並べて配置されている。これらの燃料電池セルスタック2、及びハウジング6は断熱材8によって包囲されているとともに、燃料電池セルスタック2とハウジング6との間にも設けられていることで、燃料電池セルスタック2は、ハウジング6(流体供給装置4)から熱的に隔離されている。この燃料電池セルスタック2及びハウジング6を包囲している断熱材8は、燃料電池モジュール1の最表面を構成しており、断熱材8の外側を覆う金属製の容器等は設けられていてもよいが、設けられていなくてもよい。また、ハウジング6によって密閉された空間内には、改質器36、燃焼器38が収容されている。
なお、図1においては、断熱材8はひとつづきのものとして記載しているが、複数の断熱材で構成されるものであってもよい。例えば、燃料電池セルスタック2及びハウジング6を包囲する断熱材と、燃料電池セルスタック2とハウジング6との間に設ける断熱材とは、異なる断熱材であってもよい。
さらに断熱材は、異なる断熱性能を有する部材を複数組み合わせて用いてもよく、重ねあわせや配置方法は、適宜要求される仕様に応じて設計することができる。
また、燃料電池セルスタック2とハウジング6との間に設ける断熱材は、必ずしも燃料電池セルスタック2とハウジング6との間を完全に覆うものでなくてもよく、少なくとも必要に応じて部分的に配置することで効果を奏するものである。
The fluid supply device 4 also includes a housing 6 , which is vertically arranged above the fuel cell stack 2 . The fuel cell stack 2 and the housing 6 are surrounded by a heat insulating material 8, and are also provided between the fuel cell stack 2 and the housing 6, so that the fuel cell stack 2 can be 6 (fluid supply device 4) is thermally isolated. The heat insulating material 8 surrounding the fuel cell stack 2 and the housing 6 constitutes the outermost surface of the fuel cell module 1. Even if a metal container or the like covering the outside of the heat insulating material 8 is provided, Good, but need not be provided. A reformer 36 and a combustor 38 are housed in a space sealed by the housing 6 .
In addition, in FIG. 1, although the heat insulating material 8 is described as one piece, it may be composed of a plurality of heat insulating materials. For example, the heat insulating material surrounding the fuel cell stack 2 and the housing 6 and the heat insulating material provided between the fuel cell stack 2 and the housing 6 may be different heat insulating materials.
Furthermore, the heat insulating material may be used by combining a plurality of members having different heat insulating performances, and the method of stacking and arranging the members can be appropriately designed according to the required specifications.
Moreover, the heat insulating material provided between the fuel cell stack 2 and the housing 6 does not necessarily have to completely cover the space between the fuel cell stack 2 and the housing 6, and at least partially It is effective by arranging it.

改質器36は、流体供給装置4の外部から供給された原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を豊富に含む燃料ガスを生成するように構成されている。改質器36において生成された燃料ガスは燃料電池セルスタック2に送られ、燃料電池セルスタック2において発電に使用される。この燃料ガスは、流体供給装置4のハウジング6と燃料電池セルスタック2の間に延びる燃料供給通路12を介して燃料電池セルスタック2に供給される。ここで、流体供給装置4のハウジング6は断熱材8によって包囲されているので、燃料ガスを供給する燃料供給通路12は、断熱材8を貫通して燃料電池セルスタック2へ延びている。 The reformer 36 is configured to steam-reform the raw fuel gas supplied from the outside of the fluid supply device 4 to generate a hydrogen-rich fuel gas. The fuel gas produced in the reformer 36 is sent to the fuel cell stack 2 and used in the fuel cell stack 2 for power generation. This fuel gas is supplied to the fuel cell stack 2 through a fuel supply passage 12 extending between the housing 6 of the fluid supply device 4 and the fuel cell stack 2 . Here, since the housing 6 of the fluid supply device 4 is surrounded by the heat insulating material 8 , the fuel supply passage 12 for supplying the fuel gas extends through the heat insulating material 8 to the fuel cell stack 2 .

燃焼器38は、燃料電池セルスタック2において発電に使用されずに残った残余燃料を燃焼させるように構成されている。燃料電池セルスタック2において発電に使用されずに残った燃料は、流体供給装置4のハウジング6と燃料電池セルスタック2の間に延びる燃料排出通路14を介してハウジング6側へ排出される。この燃料排出通路14も、流体供給装置4のハウジング6を包囲する断熱材8を貫通して燃料電池セルスタック2から流体供給装置4へ延びている。ハウジング6側へ排出された残余燃料は、ハウジング6内に収容された燃焼器38によって燃焼され、燃焼器38の上方に配置された改質器36を加熱する。これにより、改質器36内の改質触媒(図示せず)が水蒸気改質可能な温度に加熱される。 The combustor 38 is configured to burn residual fuel that remains in the fuel cell stack 2 without being used for power generation. Fuel remaining in the fuel cell stack 2 without being used for power generation is discharged to the housing 6 side through a fuel discharge passage 14 extending between the housing 6 of the fluid supply device 4 and the fuel cell stack 2 . This fuel discharge passage 14 also extends from the fuel cell stack 2 to the fluid supply device 4 through the heat insulating material 8 surrounding the housing 6 of the fluid supply device 4 . The residual fuel discharged to the housing 6 side is combusted by the combustor 38 accommodated in the housing 6 to heat the reformer 36 arranged above the combustor 38 . As a result, a reforming catalyst (not shown) in the reformer 36 is heated to a temperature at which steam reforming is possible.

一方、発電用の酸化剤ガスである空気も外部から流体供給装置4に供給され、ここで、燃焼器38の燃焼熱によって加熱され、高温になった状態で燃料電池セルスタック2へ供給される。燃料電池セルスタック2は、主として、高温に加熱された発電用空気の熱により、発電反応可能な温度まで加熱される。流体供給装置4において加熱された発電用の空気は、ハウジング6から延びる酸化剤ガス供給通路16を介して燃料電池セルスタック2に供給される。この酸化剤ガス供給通路16も、流体供給装置4のハウジング6を包囲する断熱材8を貫通して流体供給装置4から燃料電池セルスタック2へ延びている。 On the other hand, air, which is an oxidizing gas for power generation, is also supplied from the outside to the fluid supply device 4, where it is heated by the combustion heat of the combustor 38 and supplied to the fuel cell stack 2 in a high temperature state. . The fuel cell stack 2 is heated to a temperature at which power generation reaction is possible mainly by the heat of the power generation air heated to a high temperature. The air for power generation heated in the fluid supply device 4 is supplied to the fuel cell stack 2 through the oxidant gas supply passage 16 extending from the housing 6 . This oxygen-containing gas supply passage 16 also penetrates the heat insulating material 8 surrounding the housing 6 of the fluid supply device 4 and extends from the fluid supply device 4 to the fuel cell stack 2 .

また、燃料電池セルスタック2に供給され、発電に使用されずに残った残余の空気は、酸化剤ガス排出通路18を介してハウジング6側へ排出される。この酸化剤ガス排出通路18も、流体供給装置4のハウジング6を包囲する断熱材8を貫通して燃料電池セルスタック2から流体供給装置4へ延びている。ハウジング6側へ排出された残余空気は、ハウジング6内の燃焼器38において、燃焼に使用される。燃焼により生成された燃焼ガスは、排気ガスとして流体供給装置4から排出される。 Moreover, the remaining air that has been supplied to the fuel cell stack 2 and has not been used for power generation is discharged to the housing 6 side through the oxidant gas discharge passage 18 . This oxygen-containing gas discharge passage 18 also extends from the fuel cell stack 2 to the fluid supply device 4 through the heat insulating material 8 surrounding the housing 6 of the fluid supply device 4 . The residual air discharged to the housing 6 side is used for combustion in the combustor 38 inside the housing 6 . Combustion gas generated by combustion is discharged from the fluid supply device 4 as exhaust gas.

このように、本発明の実施形態の燃料電池モジュール1においては、残余燃料ガスが、流体供給装置4の燃焼器38において残余空気によって燃焼され、その燃焼熱によって改質器36が加熱される。一方、改質器36及び燃焼器38は流体供給装置4のハウジング6内に収容され、ハウジング6は断熱材8によって燃料電池セルスタック2から熱的に分離されている。このため、燃料電池セルスタック2は、実質的に、残余燃料の燃焼熱によって直接加熱されることはない。即ち、流体供給装置4(ハウジング6)側と、燃料電池セルスタック2の間の熱の移動は、実質的に、それらの間を流れる流体のみによって行われ、燃焼器38等から放射された輻射熱等によって、燃料電池セルスタック2が直接加熱されることはない。このため、燃料電池セルスタック2の温度は、実質的に、これに供給する流体流量、温度のみによって規定することが出来る。 Thus, in the fuel cell module 1 of the embodiment of the present invention, residual fuel gas is combusted with residual air in the combustor 38 of the fluid supply device 4, and the reformer 36 is heated by the combustion heat. On the other hand, the reformer 36 and the combustor 38 are accommodated within the housing 6 of the fluid supply device 4 , and the housing 6 is thermally separated from the fuel cell stack 2 by the heat insulating material 8 . Therefore, the fuel cell stack 2 is substantially not directly heated by the combustion heat of the residual fuel. That is, the heat transfer between the fluid supply device 4 (housing 6) side and the fuel cell stack 2 is substantially performed only by the fluid flowing between them, and the radiant heat radiated from the combustor 38 etc. For example, the fuel cell stack 2 is not directly heated. Therefore, the temperature of the fuel cell stack 2 can be substantially defined only by the flow rate and temperature of the fluid supplied thereto.

なお、燃料電池モジュールと共に使用される装置として、水蒸気改質用の水蒸気を生成する蒸発器、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器、排気ガス中の一酸化炭素等を除去する燃焼触媒器等があるが、これらをハウジング内に収容することもできる。或いは、これらの装置をハウジングの外側に配置すると共に断熱材で被覆し、ハウジングから排出される排気ガスの熱により、これらを加熱することもできる。 The devices used together with the fuel cell module include an evaporator that generates steam for steam reforming, a desulfurizer that removes the sulfur component contained in the raw fuel gas, and a combustor that removes carbon monoxide from the exhaust gas. Catalytic devices, etc., can also be accommodated within the housing. Alternatively, these devices can be placed outside the housing and covered with thermal insulation and heated by the heat of the exhaust gases exiting the housing.

次に、図2乃至図6を参照して、本発明の実施例による燃料電池モジュールの構成を詳細に説明する。
図2は本発明の実施例による燃料電池モジュール全体を示す斜視図である。図3は、本発明の実施例による燃料電池モジュールの全断面図である。図4は、図3におけるIV-IV線に沿う断面図であり、図5は、図3におけるV-V線に沿う断面図であり、図6は、図3におけるVI-VI線に沿う断面図である。なお、図2においては、燃料電池セルスタック等を包囲する断熱材を省略して示している。
Next, the configuration of the fuel cell module according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 6. FIG.
FIG. 2 is a perspective view showing the entire fuel cell module according to the embodiment of the invention. FIG. 3 is a full cross-sectional view of a fuel cell module according to an embodiment of the invention. 4 is a cross-sectional view along the IV-IV line in FIG. 3, FIG. 5 is a cross-sectional view along the VV line in FIG. 3, and FIG. 6 is a cross-sectional view along the VI-VI line in FIG. It is a diagram. In FIG. 2, a heat insulating material surrounding the fuel cell stack and the like is omitted.

<燃料電池モジュールの全体構成>
図2に示すように、本発明の実施例による燃料電池モジュール1は、発電反応を行う燃料電池セルスタック2と、この燃料電池セルスタック2に原燃料ガスを改質した燃料ガス、及び加熱した酸化剤ガスである空気を供給する流体供給装置4と、を有する。また、流体供給装置4は、蒸発器4a及び改質・加熱器4bから構成されている。蒸発器4aは、供給された水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に、この水蒸気を原燃料ガスと混合するように構成されており、改質・加熱器4bは蒸発器4aから供給された混合ガスを水蒸気改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池セルスタック2に供給するように構成されている。
<Overall Configuration of Fuel Cell Module>
As shown in FIG. 2, the fuel cell module 1 according to the embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 2 that performs a power generation reaction, a fuel gas obtained by reforming raw fuel gas, and a heated fuel gas. and a fluid supply device 4 for supplying air, which is an oxidant gas. The fluid supply device 4 is composed of an evaporator 4a and a reformer/heater 4b. The evaporator 4a is configured to evaporate the supplied water to generate steam and to mix the steam with the raw fuel gas. The gas is steam-reformed to generate a hydrogen-containing fuel gas, which is supplied to the fuel cell stack 2 .

また、改質・加熱器4bは概ね直方体形状の金属製のハウジング6によって覆われており、燃料電池セルスタック2、その上方に配置された改質・加熱器4bのハウジング6、及び蒸発器4aは、鉛直方向に並べて配置されている。これらの燃料電池セルスタック2、ハウジング6、及び蒸発器4aは断熱材8によって夫々包囲されており、燃料電池セルスタック2は、ハウジング6及び蒸発器4aから熱的に隔離されている。 Further, the reformer/heater 4b is covered with a substantially rectangular parallelepiped metal housing 6, and the fuel cell stack 2, the housing 6 of the reformer/heater 4b arranged above it, and the evaporator 4a. are arranged vertically. The fuel cell stack 2, the housing 6, and the evaporator 4a are each surrounded by a heat insulating material 8, so that the fuel cell stack 2 is thermally isolated from the housing 6 and the evaporator 4a.

<燃料電池セルスタックの構成>
図2及び図3に示すように、本実施例においては、燃料電池セルスタック2は平板型セルスタックであり、複数の長方形の平板型燃料電池セル2aを積層して構成されている。即ち、各燃料電池セル2aは、酸化物イオン導電体で構成された平板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極(酸化剤ガス極)の電極を夫々設けることにより構成され、各燃料電池セル2aの間にはセパレータが配置されている(以上、図示せず)。また、積層された複数の燃料電池セル2aの上端にはトップエンドプレート10aが配置され、下端にはボトムエンドプレート10bが配置されている。このように複数の燃料電池セル2aを積層して得られた燃料電池セルスタック2の内部には、各燃料電池セル2aに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路(図示せず)と、酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給通路(図示せず)が形成されている。また、燃料電池セルスタック2の上部及び底部からは、発電された電力を取り出すための2本のバスバー2bが夫々延びている。
<Structure of fuel cell stack>
As shown in FIGS. 2 and 3, in this embodiment, the fuel cell stack 2 is a flat plate cell stack, and is constructed by stacking a plurality of rectangular flat plate fuel cells 2a. That is, each fuel cell 2a is constructed by providing electrodes of a fuel electrode and an air electrode (oxidant gas electrode) on both sides of a plate-like electrolyte made of an oxide ion conductor. Separators are arranged between the cells 2a (not shown). A top end plate 10a is arranged at the upper end of the plurality of stacked fuel cells 2a, and a bottom end plate 10b is arranged at the lower end. Inside the fuel cell stack 2 obtained by stacking a plurality of fuel cells 2a in this way, a fuel gas supply passage (not shown) for supplying fuel gas to each fuel cell 2a, An oxidizing gas supply passage (not shown) is formed for supplying air, which is an oxidizing gas. Two bus bars 2b extend from the top and bottom of the fuel cell stack 2 for taking out the generated power.

さらに、燃料電池セルスタック2のトップエンドプレート10aには、燃料供給通路12と、燃料排出通路14と、酸化剤ガス供給通路16と、酸化剤ガス排出通路18が夫々接続されている。これらの4本の通路は、燃料電池セルスタック2と改質・加熱器4bのハウジング6の間に挟まれた空間内に延びている。即ち、これらの通路は、燃料電池セルスタック2のトップエンドプレート10aの上面から上方に延び、燃料電池セルスタック2の上方に配置されたハウジング6の単一の面である底面に接続されている。従って、燃料供給通路12、燃料排出通路14、酸化剤ガス供給通路16、及び酸化剤ガス排出通路18は、燃料電池セルスタック2とハウジング6の間に配置されている断熱材8を貫通して延びでいる。なお、改質・加熱器4bのハウジング6は、燃料電池セルスタック2に対し、これら4本の通路(燃料供給通路12、燃料排出通路14、酸化剤ガス供給通路16、及び酸化剤ガス排出通路18)のみによって連結され、支持されている。 Further, a fuel supply passage 12, a fuel discharge passage 14, an oxidant gas supply passage 16, and an oxidant gas discharge passage 18 are connected to the top end plate 10a of the fuel cell stack 2, respectively. These four passages extend into the space sandwiched between the fuel cell stack 2 and the housing 6 of the reformer/heater 4b. That is, these passages extend upward from the upper surface of the top end plate 10a of the fuel cell stack 2 and are connected to the bottom surface, which is a single surface, of the housing 6 disposed above the fuel cell stack 2. . Therefore, the fuel supply passage 12, the fuel discharge passage 14, the oxidant gas supply passage 16, and the oxidant gas discharge passage 18 pass through the heat insulating material 8 arranged between the fuel cell stack 2 and the housing 6. It's getting longer. The housing 6 of the reformer/heater 4b is connected to the fuel cell stack 2 by these four passages (the fuel supply passage 12, the fuel discharge passage 14, the oxidant gas supply passage 16, and the oxidant gas discharge passage). 18) is connected and supported only by

燃料供給通路12及び燃料排出通路14は、トップエンドプレート10aの1つの短辺の近傍に並べて取り付けられ、夫々鉛直上方に直線状に延びている。改質・加熱器4bにおいて改質された燃料ガスは、燃料供給通路12を介して燃料電池セルスタック2に供給され、燃料電池セルスタック2内の燃料ガス供給通路(図示せず)を通って各燃料電池セル2aに分配される。各燃料電池セル2aにおいて発電に使用されずに残った残余の燃料ガスは、燃料電池セルスタック2内の燃料ガス排出通路(図示せず)を通って集められ、トップエンドプレート10aに取り付けられた燃料排出通路14を介して改質・加熱器4bに排出される。 The fuel supply passage 12 and the fuel discharge passage 14 are arranged side by side in the vicinity of one short side of the top end plate 10a and extend linearly vertically upward. The fuel gas reformed in the reformer/heater 4b is supplied to the fuel cell stack 2 through the fuel supply passage 12, and passes through the fuel gas supply passage (not shown) in the fuel cell stack 2. It is distributed to each fuel cell 2a. Residual fuel gas not used for power generation in each fuel cell 2a was collected through a fuel gas discharge passage (not shown) in the fuel cell stack 2 and attached to the top end plate 10a. The fuel is discharged through the fuel discharge passage 14 to the reformer/heater 4b.

図3及び図4に示すように、酸化剤ガス供給通路16及び酸化剤ガス排出通路18は、トップエンドプレート10aの1つの長辺の近傍に並べて取り付けられ、夫々鉛直上方に延びた後、内側に向けて90度屈曲して水平方向に延び、さらに90度屈曲して鉛直上方に延びている。これら酸化剤ガス供給通路16、酸化剤ガス排出通路18の上端は、改質・加熱器4bのハウジング6の底面に、その長手方向の中心軸線上に並べて接続されている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the oxidizing gas supply passage 16 and the oxidizing gas discharge passage 18 are arranged side by side near one long side of the top end plate 10a, extend vertically upward, and then extend inward. It bends 90 degrees toward and extends horizontally, and further bends 90 degrees and extends vertically upward. The upper ends of the oxidizing gas supply passage 16 and the oxidizing gas discharge passage 18 are connected to the bottom surface of the housing 6 of the reformer/heater 4b so as to be aligned along the longitudinal central axis thereof.

改質・加熱器4bにおいて加熱された空気は、酸化剤ガス供給通路16を介して燃料電池セルスタック2に供給され、燃料電池セルスタック2内の酸化剤ガス供給通路(図示せず)を通って各燃料電池セル2aに分配される。各燃料電池セル2aにおいて発電に使用されずに残った残余の空気は、燃料電池セルスタック2内の酸化剤ガス排出通路(図示せず)を通って集められ、トップエンドプレート10aに取り付けられた酸化剤ガス排出通路18を介して改質・加熱器4bに排出される。 The air heated in the reformer/heater 4b is supplied to the fuel cell stack 2 through the oxidizing gas supply passage 16, and passes through the oxidizing gas supply passage (not shown) in the fuel cell stack 2. distributed to each fuel cell 2a. Residual air not used for power generation in each fuel cell 2a was collected through an oxidant gas discharge passage (not shown) in the fuel cell stack 2 and attached to the top end plate 10a. It is discharged to the reformer/heater 4b through the oxidant gas discharge passage 18. As shown in FIG.

また、上記のように、酸化剤ガス供給通路16及び酸化剤ガス排出通路18がハウジング6の底面に接続される位置と、それらの通路が燃料電池セルスタック2に接続される位置は、上面視において異なっているが、それらの通路をハウジング6と燃料電池セルスタック2の間の空間内で湾曲させることにより、燃料電池セルスタック2側とハウジング6側を接続することができる。従って、接続する通路を適宜変更することにより、単一のハウジング6(流体供給装置4)に、種々の燃料電池セルスタック2を接続することができる。また、各通路は、ハウジング6と燃料電池セルスタック2の間に挟まれた空間内に延びているので、占有床面積を広げることなく、燃料供給通路12、燃料排出通路14、酸化剤ガス供給通路16、及び酸化剤ガス排出通路18を設けることができる。 Further, as described above, the position where the oxidant gas supply passage 16 and the oxidant gas discharge passage 18 are connected to the bottom surface of the housing 6 and the position where these passages are connected to the fuel cell stack 2 are shown in top view. , the fuel cell stack 2 side and the housing 6 side can be connected by curving those passages in the space between the housing 6 and the fuel cell stack 2 . Therefore, various fuel cell stacks 2 can be connected to a single housing 6 (fluid supply device 4) by appropriately changing the connecting passages. In addition, since each passage extends into the space sandwiched between the housing 6 and the fuel cell stack 2, the fuel supply passage 12, the fuel discharge passage 14, and the oxidant gas supply can be realized without increasing the occupied floor space. A passageway 16 and an oxidant gas discharge passageway 18 may be provided.

さらに、燃料供給通路12、燃料排出通路14、酸化剤ガス供給通路16、及び酸化剤ガス排出通路18は、夫々、配管用ねじを使用した連結構造を有しており、連結用のナットを緩めることにより分離可能に構成されている。このように、燃料供給通路12、燃料排出通路14、酸化剤ガス供給通路16、及び酸化剤ガス排出通路18は、改質・加熱器4bのハウジング6に対し、取り外し可能に連結されている。或いは、これら4本の通路のうちの一部又は全部をハウジング6の底面から延びるように構成し、それらの通路を燃料電池セルスタック2に対して取り外し可能に連結することもできる。 Furthermore, the fuel supply passage 12, the fuel discharge passage 14, the oxidizing gas supply passage 16, and the oxidizing gas discharge passage 18 each have a connecting structure using a piping screw, and the connecting nut is loosened. Therefore, it is configured to be separable. Thus, the fuel supply passage 12, the fuel discharge passage 14, the oxidant gas supply passage 16, and the oxidant gas discharge passage 18 are detachably connected to the housing 6 of the reformer/heater 4b. Alternatively, some or all of these four passages may be configured to extend from the bottom surface of housing 6 and these passages may be detachably connected to fuel cell stack 2 .

<蒸発器の構成>
次に、図2及び図3を参照して、蒸発器4aの構造を説明する。図2に示すように蒸発器4aには、水を供給するための水供給用配管20と、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給配管22と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管24が接続されている。また、改質・加熱器4bのハウジング6と、その外部の蒸発器4aとは配管により接続されており、この配管は改質・加熱器4bから蒸発器4aへ排気ガスを供給する排気ガス配管26と、この内側に配置された混合ガス導管28の二重管構造となっている(図3)。混合ガス導管28は、蒸発器4a内で生成された水蒸気と、蒸発器4aに供給された原燃料ガスを混合した混合器を改質・加熱器4b内に導入するように構成されている。また、蒸発器4aの側面周囲三辺には、蒸発器4aを補助的に加熱するための電気ヒータ29が巻回されている。
<Configuration of evaporator>
Next, the structure of the evaporator 4a will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. As shown in FIG. 2, the evaporator 4a includes a water supply pipe 20 for supplying water, a raw fuel gas supply pipe 22 for supplying raw fuel gas, and an exhaust gas for discharging exhaust gas. A discharge pipe 24 is connected. Further, the housing 6 of the reformer/heater 4b and the evaporator 4a outside thereof are connected by a pipe, and this pipe is an exhaust gas pipe for supplying the exhaust gas from the reformer/heater 4b to the evaporator 4a. 26 and a mixed gas conduit 28 arranged inside (FIG. 3). The mixed gas conduit 28 is configured to introduce a mixer obtained by mixing the steam generated in the evaporator 4a and the raw fuel gas supplied to the evaporator 4a into the reformer/heater 4b. An electric heater 29 for auxiliary heating of the evaporator 4a is wound around three sides around the evaporator 4a.

図3に示すように、蒸発器4aは、金属板により直方体状の箱形に形成されており、内部には、蒸発室30aと、混合室30bと、排気ガス室30cが形成されている。蒸発室30aは、蒸発器4aの天井面の直下に形成された薄型の空間であり、蒸発器4aの天井面に接続された水供給用配管20及び原燃料ガス供給配管22から夫々供給された水及び原燃料ガスが蒸発室30a内に流入するように構成されている。 As shown in FIG. 3, the evaporator 4a is formed of a metal plate in the shape of a rectangular parallelepiped box, and has therein an evaporating chamber 30a, a mixing chamber 30b, and an exhaust gas chamber 30c. The evaporation chamber 30a is a thin space formed directly below the ceiling surface of the evaporator 4a, and the water is supplied from the water supply pipe 20 and the raw fuel gas supply pipe 22 connected to the ceiling surface of the evaporator 4a. Water and raw fuel gas are configured to flow into the evaporation chamber 30a.

混合室30bは、細い通路30dを介して蒸発室30aの下流側に連通した空間として形成されている。蒸発室30a内で生成された水蒸気と、蒸発室30a内に供給された原燃料ガスは、細い通路30dを通って混合室30b内に流入することにより混合される。混合室30bの底面には、混合ガス導管28が接続されており、混合室30b内で混合された水蒸気及び原燃料ガスは混合ガス導管28を通って改質・加熱器4b内に導入される。 The mixing chamber 30b is formed as a space that communicates with the downstream side of the evaporation chamber 30a via a narrow passage 30d. The steam generated in the evaporation chamber 30a and the raw fuel gas supplied into the evaporation chamber 30a are mixed by flowing into the mixing chamber 30b through the narrow passage 30d. A mixed gas conduit 28 is connected to the bottom surface of the mixing chamber 30b, and the steam and raw fuel gas mixed in the mixing chamber 30b are introduced into the reformer/heater 4b through the mixed gas conduit 28. .

排気ガス室30cは、蒸発器4aの下部に設けられた空間であり、蒸発器4aの底面に接続された排気ガス配管26を介して排気ガスが流入するように構成されている。排気ガス室30cに流入した排気ガスは、排気ガス室30cの上側に設けられた蒸発室30aの床面を加熱して、蒸発器4aの側面端部に接続された排気ガス排出管24から排出される。蒸発室30aに供給された水は、排気ガス室30c内を流れる排気ガスによって蒸発室30aの床面が加熱されることにより蒸発される。 The exhaust gas chamber 30c is a space provided under the evaporator 4a, and is configured such that the exhaust gas flows through the exhaust gas pipe 26 connected to the bottom surface of the evaporator 4a. The exhaust gas that has flowed into the exhaust gas chamber 30c heats the floor surface of the evaporation chamber 30a provided above the exhaust gas chamber 30c and is discharged from the exhaust gas discharge pipe 24 connected to the side end of the evaporator 4a. be done. The water supplied to the evaporation chamber 30a is evaporated by heating the floor surface of the evaporation chamber 30a by the exhaust gas flowing in the exhaust gas chamber 30c.

排気ガス室30cの下流側は、流入した排気ガスが蒸発室30aの床面(排気ガス室30cの天井面)に沿って流れるように、薄型にされている。この薄型にされた空間には、排気ガス室30cを流れる排気ガスの熱が蒸発室30aの床面に効率良く伝わるように、伝熱用のフィン30eが配置されている。このように、排気ガス室30cの一端に接続された排気ガス配管26から流入した排気ガスは、他端に接続された排気ガス排出管24に向かって(図3の左から右へ)流れる。一方、蒸発室30aの、排気ガス排出管24側の端部に接続された水供給用配管20から供給された水は、蒸発室30a内で蒸発されながら、他端部に向かって(図3の右から左へ)流れる。このように、蒸発器4a内を流れる水蒸気と排気ガスは反対方向に流れるので、それらの間でカウンターフロー型の熱交換が行われ、効率良く熱交換がなされる。 The downstream side of the exhaust gas chamber 30c is made thin so that the inflowing exhaust gas flows along the floor surface of the evaporation chamber 30a (the ceiling surface of the exhaust gas chamber 30c). Heat transfer fins 30e are arranged in this thin space so that the heat of the exhaust gas flowing through the exhaust gas chamber 30c is efficiently transferred to the floor surface of the evaporation chamber 30a. Thus, the exhaust gas flowing from the exhaust gas pipe 26 connected to one end of the exhaust gas chamber 30c flows toward the exhaust gas discharge pipe 24 connected to the other end (from left to right in FIG. 3). On the other hand, the water supplied from the water supply pipe 20 connected to the end of the evaporation chamber 30a on the side of the exhaust gas discharge pipe 24 is evaporated in the evaporation chamber 30a toward the other end (Fig. 3 from right to left). In this manner, since the water vapor and the exhaust gas flowing in the evaporator 4a flow in opposite directions, counter-flow heat exchange is performed between them, and heat exchange is efficiently performed.

<改質・加熱器の構成>
次に、図2乃至図6を参照して、改質・加熱器4bの構造を説明する。
図2に示すように、改質・加熱器4bは、金属製のハウジング6によって囲まれた直方体状の箱形に形成されており、その上面には発電用の酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給パイプ32が接続されている。また、上述したように、ハウジング6の上面には排気ガス配管26と混合ガス導管28の二重管(図3)、底面には、燃料供給通路12、燃料排出通路14、酸化剤ガス供給通路16、及び酸化剤ガス排出通路18が接続されている。また、ハウジング6の一方の側面には、点火用のセラミックヒータ34が取り付けられている。
<Structure of reformer/heater>
Next, the structure of the reformer/heater 4b will be described with reference to FIGS. 2 to 6. FIG.
As shown in FIG. 2, the reformer/heater 4b is formed in a rectangular parallelepiped box shape surrounded by a metal housing 6, and air, which is an oxidizing gas for power generation, is supplied to the upper surface of the reformer/heater 4b. An air supply pipe 32 is connected for As described above, the upper surface of the housing 6 has a double pipe of the exhaust gas pipe 26 and the mixed gas pipe 28 (FIG. 3), and the bottom has the fuel supply passage 12, the fuel discharge passage 14, and the oxidant gas supply passage. 16, and an oxidant gas discharge passage 18 are connected. A ceramic heater 34 for ignition is attached to one side surface of the housing 6 .

改質・加熱器4bは、混合ガス導管28から導入された混合ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成し、燃料供給通路12を介して燃料電池セルスタック2に供給すると共に、空気供給パイプ32を介して導入された空気を加熱し、酸化剤ガス供給通路16を介して燃料電池セルスタック2に供給するように構成されている。また、燃料電池セルスタック2において発電に使用されずに残った残余燃料ガス及び残余空気(残余酸化剤ガス)は、夫々、燃料排出通路14及び酸化剤ガス排出通路18を介して改質・加熱器4bに排出される。燃料排出通路14及び酸化剤ガス排出通路18を介して排出された残余燃料ガス及び残余空気は、改質・加熱器4b内で燃焼され、この燃焼熱により、空気供給パイプ32から導入された空気を加熱する。燃焼により生成された燃焼ガスは、排気ガス配管26を介して排気ガスとして蒸発器4aへ導入される。 The reformer/heater 4b steam-reforms the mixed gas introduced from the mixed gas conduit 28 to generate a fuel gas, supplies the fuel gas to the fuel cell stack 2 through the fuel supply passage 12, and supplies the fuel gas to the air supply pipe. The air introduced through 32 is heated and supplied to the fuel cell stack 2 through the oxidant gas supply passage 16 . In addition, the residual fuel gas and residual air (residual oxidant gas) that have not been used for power generation in the fuel cell stack 2 are reformed and heated through the fuel discharge passage 14 and the oxidant gas discharge passage 18, respectively. It is discharged to the container 4b. The residual fuel gas and residual air discharged through the fuel discharge passage 14 and the oxygen-containing gas discharge passage 18 are combusted in the reformer/heater 4b, and the combustion heat converts the air introduced from the air supply pipe 32 into to heat. Combustion gas generated by combustion is introduced into the evaporator 4a as exhaust gas via an exhaust gas pipe 26. As shown in FIG.

次に、図3乃至図6を参照して、改質・加熱器4bの内部構造を説明する。
図3に示すように、改質・加熱器4bを形成するハウジング6の内部には、改質器36と、燃焼器38を収容する密閉空間が形成されている。
Next, the internal structure of the reformer/heater 4b will be described with reference to FIGS. 3 to 6. FIG.
As shown in FIG. 3, inside the housing 6 that forms the reformer/heater 4b, a closed space that accommodates the reformer 36 and the combustor 38 is formed.

改質器36は、上面視で長方形の断面を有し、中央に長方形の開口が設けられた金属製の環状容器であり、その一端部には混合ガスを導入するための混合ガス導管28が接続され、他端部には改質された燃料ガスを流出させる燃料供給通路12が接続(図5)されている。蒸発器4aからハウジング6内に延びる混合ガス導管28は、ハウジング6内で90度屈曲され、水平方向に延びた後、鉛直下方に向けて90度屈曲して、改質器36の天井面に接続されている。燃料供給通路12は、混合ガス導管28とは反対側の端部の、改質器36の底面に接続され、ハウジング6の底面を貫通して鉛直下方に延び、燃料電池セルスタック2に接続されている。改質器36の内部には改質触媒36aが充填されている。混合ガス導管28から流入した原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒36aと接触することにより水蒸気改質され、水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。改質器36内で水蒸気改質された燃料ガスは燃料供給通路12に流入し、燃料電池セルスタック2に供給される。 The reformer 36 is a metal annular container having a rectangular cross section when viewed from the top and a rectangular opening in the center. The other end is connected to a fuel supply passage 12 (FIG. 5) through which the reformed fuel gas flows out. The mixed gas conduit 28 extending from the evaporator 4a into the housing 6 is bent 90 degrees in the housing 6, extends horizontally, and then bends vertically downward by 90 degrees to reach the ceiling surface of the reformer 36. It is connected. The fuel supply passage 12 is connected to the bottom surface of the reformer 36 at the end opposite to the mixed gas conduit 28, extends vertically downward through the bottom surface of the housing 6, and is connected to the fuel cell stack 2. ing. The reformer 36 is filled with a reforming catalyst 36a. The mixed gas of raw fuel gas and steam flowing from the mixed gas conduit 28 is steam-reformed by coming into contact with the reforming catalyst 36a to generate fuel gas rich in hydrogen gas. The fuel gas steam-reformed in the reformer 36 flows into the fuel supply passage 12 and is supplied to the fuel cell stack 2 .

燃焼器38は、燃料電池セルスタック2と隣接しているハウジング6の底壁面の内側に設けられており、燃料排出通路14を介して排出された残余燃料ガスを、酸化剤ガス排出通路18介して排出された残余空気により燃焼させるように構成されている。 The combustor 38 is provided inside the bottom wall surface of the housing 6 adjacent to the fuel cell stack 2, and discharges residual fuel gas discharged through the fuel discharge passage 14 through the oxidant gas discharge passage 18. It is arranged to be combusted by the residual air exhausted by the

図6に示すように、燃焼器38は、残余燃料ガスマニホルド38aと、これに接続された残余燃料ガス分配管38bと、残余空気をハウジング6内に分散させる残余空気分散板38cと、を有する。
残余燃料ガスマニホルド38aは、ハウジング6の一端部の底壁面に取り付けられた箱形の部材であり、ハウジング6の底壁面に接続された燃料排出通路14からの残余燃料ガスが内部に流入するように構成されている。
As shown in FIG. 6, the combustor 38 has a residual fuel gas manifold 38a, a residual fuel gas distribution pipe 38b connected thereto, and a residual air distribution plate 38c for distributing the residual air within the housing 6. .
The residual fuel gas manifold 38a is a box-shaped member attached to the bottom wall surface of one end of the housing 6 so that the residual fuel gas from the fuel discharge passage 14 connected to the bottom wall surface of the housing 6 flows into the interior. is configured to

残余燃料ガス分配管38bは円形断面のパイプから構成されており、これらのパイプは残余燃料ガスマニホルド38aからハウジング6の長手方向に4本平行に延び、ハウジング6の他端部において短手方向に延びるパイプにより合流されている。残余燃料ガス分配管38bを構成するパイプの上面には、多数の細孔が設けられており、残余燃料ガスマニホルド38aから残余燃料ガス分配管38bに流入した残余燃料ガスが、これらの細孔から噴出するように構成されている。 Residual fuel gas distribution pipes 38b are composed of pipes of circular cross-section, and these pipes extend in parallel from residual fuel gas manifold 38a in the longitudinal direction of housing 6, and in the other end of housing 6 in the lateral direction. joined by an extending pipe. A large number of pores are provided on the upper surface of the pipe constituting the residual fuel gas distribution pipe 38b. configured to erupt.

残余空気分散板38cは、台形断面に折り曲げられた細長い金属板から構成され(図4)、ハウジング6の底壁面の中央に長手方向に延びるように取り付けられている。ハウジング6の底壁面に接続された酸化剤ガス排出通路18は、残余空気分散板38cとハウジング6の底壁面で囲まれた台形断面の空間と連通している。また、残余空気分散板38cの両側の斜面には多数の細孔が形成されており、酸化剤ガス排出通路18から流入した残余空気は、これらの細孔からハウジング6の内部に噴射され、分散される。 The residual air distribution plate 38c is made of an elongated metal plate bent into a trapezoidal cross section (FIG. 4) and attached to the center of the bottom wall surface of the housing 6 so as to extend longitudinally. The oxygen-containing gas discharge passage 18 connected to the bottom wall surface of the housing 6 communicates with the trapezoidal cross-sectional space surrounded by the residual air dispersion plate 38 c and the bottom wall surface of the housing 6 . In addition, a large number of pores are formed on the slopes on both sides of the residual air distribution plate 38c, and the residual air that has flowed in from the oxidizing gas discharge passage 18 is injected into the housing 6 through these pores and dispersed. be done.

図3及び図6に示すように、ハウジング6の側壁面にはセラミックヒータ34が取り付けられており、その先端部が残余燃料ガス分配管38bの合流部の中央まで延びている。燃料電池モジュール1の起動時において、残余燃料ガス分配管38bの各細孔から残余燃料ガスが噴出し、残余空気分散板38cの各細孔から残余空気が噴出している状態でセラミックヒータ34に通電することにより、噴出している残余燃料ガスに点火することができる。これにより、ハウジング6内で燃焼器38の上方に配置された改質器36を加熱することができる。(なお、燃料電池モジュール1の起動時においては、改質器36が昇温されていないため、改質器36内で改質反応は発生せず、燃料電池セルスタック2による発電も行われていない。) As shown in FIGS. 3 and 6, a ceramic heater 34 is attached to the side wall of the housing 6, and its tip extends to the center of the confluence of the residual fuel gas distribution pipe 38b. When the fuel cell module 1 is started, the residual fuel gas is blown out from the pores of the residual fuel gas distribution pipe 38b, and the residual air is blown out from the pores of the residual air distribution plate 38c. By energizing, it is possible to ignite the ejected residual fuel gas. Thereby, the reformer 36 arranged above the combustor 38 within the housing 6 can be heated. (When the fuel cell module 1 is started, the temperature of the reformer 36 is not raised, so no reforming reaction occurs in the reformer 36, and power generation by the fuel cell stack 2 is also being performed. do not have.)

<酸化剤ガス熱交換器の構成>
次に、図3及び図4を参照して、改質・加熱器4bに備えられた酸化剤ガス熱交換器を説明する。
図3及び図4に示すように、ハウジング6はその壁面の一部が二重壁構造に構成されており、この二重壁の内側に発電用の空気を流すことにより、燃焼器38が生成した燃焼ガスで内部を流れる空気を加熱している。即ち、ハウジング6の上面の一部、長手方向の側壁面の一部、及び底壁面の一部は、内壁板6aと、外壁板6bの二枚の金属板から形成されている。これら内壁板6aと外壁板6bの間には、伝熱用のフィン40が配置されており、内壁板6aの熱が内壁板6aと外壁板6bの間の空間に効率良く伝わるようになっている。従って、内壁板6a、外壁板6b、及び伝熱用のフィン40は、供給された酸化剤ガスである空気を、燃焼器38によって生成された燃焼ガスにより加熱して燃料電池セルスタック2に供給する酸化剤ガス熱交換器として機能する。
<Configuration of oxidant gas heat exchanger>
Next, the oxidant gas heat exchanger provided in the reformer/heater 4b will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG.
As shown in FIGS. 3 and 4, a portion of the wall surface of the housing 6 has a double wall structure, and the combustor 38 is generated by flowing air for power generation inside the double wall. The heated combustion gas heats the air flowing inside. That is, a portion of the upper surface, a portion of the longitudinal side wall surface, and a portion of the bottom wall surface of the housing 6 are formed of two metal plates, an inner wall plate 6a and an outer wall plate 6b. Heat transfer fins 40 are arranged between the inner wall plate 6a and the outer wall plate 6b so that the heat of the inner wall plate 6a is efficiently transferred to the space between the inner wall plate 6a and the outer wall plate 6b. there is Therefore, the inner wall plate 6a, the outer wall plate 6b, and the heat transfer fins 40 heat the supplied air, which is the oxidant gas, by the combustion gas generated by the combustor 38, and supply it to the fuel cell stack 2. It functions as an oxidant gas heat exchanger.

空気供給パイプ32から供給された空気は、ハウジング6の上壁面を構成する内壁板6aと外壁板6bの間の空間に流入し(図3)、ここからハウジング6の短手方向に広がって、ハウジング6の側壁面を構成する内壁板6aと外壁板6bの間の空間に流入する(図4)。ハウジング6の側壁面の中に流入した空気は下方に下り、ハウジング6の底壁面を構成する内壁板6aと外壁板6bの間の空間に流入する。ハウジング6の底壁面の中に流入した空気は、ハウジング6の底壁面の短手方向中央に接続された酸化剤ガス供給通路16(図3)を通って燃料電池セルスタック2に供給される。従って、ハウジング6の上壁面、側壁面、及び底壁面の一部が酸化剤ガス熱交換器として機能し、これらの壁面に酸化剤ガス熱交換器が設けられていることになる。 The air supplied from the air supply pipe 32 flows into the space between the inner wall plate 6a and the outer wall plate 6b that constitute the upper wall surface of the housing 6 (FIG. 3), and spreads in the lateral direction of the housing 6 from there. It flows into the space between the inner wall plate 6a and the outer wall plate 6b that constitute the side walls of the housing 6 (Fig. 4). The air that has flowed into the side wall surface of the housing 6 descends and flows into the space between the inner wall plate 6a and the outer wall plate 6b that constitute the bottom wall surface of the housing 6. As shown in FIG. The air that has flowed into the bottom wall surface of the housing 6 is supplied to the fuel cell stack 2 through an oxidant gas supply passage 16 (FIG. 3) connected to the center of the bottom wall surface of the housing 6 in the width direction. Therefore, part of the upper wall surface, the side wall surface, and the bottom wall surface of the housing 6 function as oxidant gas heat exchangers, and the oxidant gas heat exchangers are provided on these wall surfaces.

<燃料電池モジュールの作用>
次に、本発明の実施例による燃料電池モジュール1の作用を説明する。
まず、燃料電池モジュール1の起動時においては、原燃料ガス供給配管22を介して流体供給装置4の蒸発器4aに原燃料ガスが供給されると共に、空気供給パイプ32を介して発電用の空気が流体供給装置4の改質・加熱器4bに供給される。図3に示すように、供給された原燃料ガスは、蒸発器4aの蒸発室30a、混合室30bを通って混合ガス導管28に流入し、さらに、改質・加熱器4bの改質器36の中に流入する。なお、燃料電池モジュール1の起動初期においては、改質器36の温度が低いため、原燃料ガスを改質する反応は発生しない。改質器36に流入した原燃料ガスは、燃料供給通路12(図5)を通って燃料電池セルスタック2の内部に流入する。
<Action of fuel cell module>
Next, the operation of the fuel cell module 1 according to the embodiment of the invention will be described.
First, when the fuel cell module 1 is started, raw fuel gas is supplied to the evaporator 4a of the fluid supply device 4 through the raw fuel gas supply pipe 22, and air for power generation is supplied through the air supply pipe 32. is supplied to the reformer/heater 4 b of the fluid supply device 4 . As shown in FIG. 3, the supplied raw fuel gas passes through the evaporation chamber 30a and the mixing chamber 30b of the evaporator 4a and flows into the mixed gas conduit 28, and then into the reformer 36 of the reformer/heater 4b. flow into. In addition, since the temperature of the reformer 36 is low at the initial stage of startup of the fuel cell module 1, the reaction for reforming the raw fuel gas does not occur. The raw fuel gas that has flowed into the reformer 36 flows into the fuel cell stack 2 through the fuel supply passage 12 (FIG. 5).

一方、空気供給パイプ32を介して改質・加熱器4bに供給された空気は、ハウジング6の内壁板6aと外壁板6bの間の空間を通って酸化剤ガス供給通路16(図5)を通って燃料電池セルスタック2の内部に流入する。燃料電池セルスタック2内に流入した原燃料ガス及び空気は、内部の通路を通り、燃料排出通路14及び酸化剤ガス排出通路18を介して夫々改質・加熱器4bに排出される。なお、燃料電池モジュール1の起動初期においては、燃料電池セルスタック2の温度が低いため、燃料電池セルスタック2において発電反応は発生しない。 On the other hand, the air supplied to the reformer/heater 4b through the air supply pipe 32 passes through the space between the inner wall plate 6a and the outer wall plate 6b of the housing 6 and the oxidant gas supply passage 16 (FIG. 5). and flows into the fuel cell stack 2. The raw fuel gas and air that have flowed into the fuel cell stack 2 pass through internal passages and are discharged to the reformer/heater 4b via the fuel discharge passage 14 and the oxidant gas discharge passage 18, respectively. It should be noted that, at the initial stage of startup of the fuel cell module 1, the temperature of the fuel cell stack 2 is low, so that the power generation reaction does not occur in the fuel cell stack 2. FIG.

燃料排出通路14を通って改質・加熱器4bに流入した原燃料ガスは、燃焼器38の残余燃料ガスマニホルド38aを通って残余燃料ガス分配管38bに流入し、その細孔から噴出する。一方、酸化剤ガス排出通路18を通って改質・加熱器4bに排出された空気は、残余空気分散板38cの内側に流入し、その細孔から噴出する。また、燃料電池モジュール1の起動時においては、セラミックヒータ34に通電され、セラミックヒータ34の熱により残余燃料ガス分配管38bの細孔から噴出した原燃料ガスに点火される。これにより燃焼器38が燃焼熱を生成するようになる。 The raw fuel gas that has flowed into the reformer/heater 4b through the fuel discharge passage 14 passes through the residual fuel gas manifold 38a of the combustor 38, flows into the residual fuel gas distribution pipe 38b, and is ejected from the pores. On the other hand, the air discharged to the reformer/heater 4b through the oxidant gas discharge passage 18 flows into the residual air distribution plate 38c and is jetted out from the pores. When the fuel cell module 1 is started, the ceramic heater 34 is energized, and the heat of the ceramic heater 34 ignites the raw fuel gas ejected from the pores of the residual fuel gas distribution pipe 38b. This causes combustor 38 to generate combustion heat.

燃焼器38が点火されると、その上方に配置された改質器36が加熱され、内部の改質触媒36aの温度が上昇する。また、燃焼により生成される燃焼ガスにより、ハウジング6の内壁板6aと外壁板6bによって構成される酸化剤ガス熱交換器が加熱され、内部を流れる空気が加熱される。加熱された空気は燃料電池セルスタック2に流入するので、この熱により燃料電池セルスタック2が加熱される。ここで、流体供給装置4のハウジング6は、断熱材8によって包囲されているので、ハウジング6からの輻射熱等による燃料電池セルスタック2の加熱は殆どなく、燃料電池セルスタック2は実質的に、流体供給装置4から供給される流体(空気及び燃料ガス)のみによって加熱される。 When the combustor 38 is ignited, the reformer 36 arranged above it is heated, and the temperature of the reforming catalyst 36a inside rises. In addition, the combustion gas generated by the combustion heats the oxidizing gas heat exchanger constituted by the inner wall plate 6a and the outer wall plate 6b of the housing 6, thereby heating the air flowing inside. Since the heated air flows into the fuel cell stack 2 , the heat heats the fuel cell stack 2 . Here, since the housing 6 of the fluid supply device 4 is surrounded by the heat insulating material 8, the fuel cell stack 2 is hardly heated by radiant heat or the like from the housing 6, and the fuel cell stack 2 is substantially It is heated only by the fluid (air and fuel gas) supplied from the fluid supply device 4 .

また、ハウジング6内で生成された燃焼ガスは、排気ガス配管26を通って排気ガスとして蒸発器4aに流入する。蒸発器4a内に流入した排気ガスは、排気ガス室30cを通って排気ガス排出管24から排出される。この際、排気ガス室30cの上側に設けられた蒸発室30aが加熱される。このように、蒸発器4aに供給された水は、燃焼器38によって生成され、排気ガス配管26によって供給された燃焼ガスにより加熱される。蒸発室30aの温度が上昇した後、水供給用配管20からの水の供給が開始され、蒸発室30a内で水蒸気が生成されるようになる。なお、燃料電池モジュール1の起動時において、蒸発室30aの加熱を補助するために電気ヒータ29に通電を行っても良い。 Combustion gas generated in the housing 6 flows through the exhaust gas pipe 26 into the evaporator 4a as exhaust gas. The exhaust gas that has flowed into the evaporator 4a is discharged from the exhaust gas discharge pipe 24 through the exhaust gas chamber 30c. At this time, the evaporation chamber 30a provided above the exhaust gas chamber 30c is heated. Thus, the water supplied to the evaporator 4 a is heated by the combustion gases produced by the combustor 38 and supplied by the exhaust gas line 26 . After the temperature of the evaporation chamber 30a rises, the supply of water from the water supply pipe 20 is started, and steam is generated in the evaporation chamber 30a. Incidentally, when the fuel cell module 1 is activated, the electric heater 29 may be energized in order to assist the heating of the evaporation chamber 30a.

蒸発室30aにおいて水蒸気が生成されるようになると、原燃料ガスと水蒸気の混合ガスが、改質器36に供給されるようになる。また、改質器36の温度が十分に上昇すると、改質触媒36aにより水蒸気改質反応が誘発されて、原燃料ガスから水素ガスを豊富に含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料電池セルスタック2に供給される。燃料電池セルスタック2の温度が十分に上昇すると、燃料ガスと、改質・加熱器4bにおいて加熱された空気により発電反応が発生するようになる。燃料電池セルスタック2の温度が発電可能な温度まで上昇した状態において、燃料電池セルスタック2からバスバー2bを介して電力が取り出され、発電が開始される。 When steam is generated in the evaporation chamber 30 a , a mixed gas of raw fuel gas and steam is supplied to the reformer 36 . When the temperature of the reformer 36 rises sufficiently, the steam reforming reaction is induced by the reforming catalyst 36a, and fuel gas rich in hydrogen gas is produced from the raw fuel gas. The generated fuel gas is supplied to the fuel cell stack 2 . When the temperature of the fuel cell stack 2 rises sufficiently, the fuel gas and the air heated in the reformer/heater 4b generate power generation reaction. In a state in which the temperature of the fuel cell stack 2 has risen to a temperature at which power generation is possible, power is extracted from the fuel cell stack 2 via the bus bar 2b to start power generation.

<本発明の実施形態の燃料電池モジュールが奏する効果>
本発明の実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料電池セルスタック2が金属製のハウジング6とは独立して、ハウジング6の外部に配置されている(図2)。このため、燃料電池セルスタック2は、実質的に、燃料電池セルスタック2とハウジング6の間を流れる流体を介してのみ熱を受ける。このため、燃焼器38等から放射される輻射熱等に基づいて燃料電池セルスタック2に温度ムラが発生することがない。また、燃料電池セルスタック2は、実質的に、流体を介してのみ加熱されるので、燃料電池セルスタック2の温度分布は供給する流体の温度及び流量によって規定され、ハウジング6内の改質器36、燃焼器38等の配置変更等により、燃料電池セルスタック2の温度分布が影響を受けることはない。このため、燃料電池セルスタック2と、ハウジング6内の改質器36、燃焼器等38を独立して設計することが可能になり、改質器36、燃焼器38等の設計の自由度を広げることができる。また、改質器36、燃焼器38等を収容したハウジング6が燃料電池セルスタック2とは独立しているので、1機種のハウジングを汎用的に種々の燃料電池セルスタックと組み合わせて使用することができ、量産により製造コストを下げることができる。
<Effects of the fuel cell module according to the embodiment of the present invention>
According to the fuel cell module 1 of the embodiment of the present invention, the fuel cell stack 2 is arranged outside the housing 6 independently of the metal housing 6 (Fig. 2). Therefore, the fuel cell stack 2 receives heat substantially only through the fluid flowing between the fuel cell stack 2 and the housing 6 . For this reason, temperature unevenness in the fuel cell stack 2 does not occur due to radiant heat radiated from the combustor 38 or the like. Further, since the fuel cell stack 2 is substantially heated only through the fluid, the temperature distribution of the fuel cell stack 2 is defined by the temperature and flow rate of the supplied fluid, and the reformer in the housing 6 The temperature distribution of the fuel cell stack 2 is not affected by changes in the layout of the combustor 36, combustor 38, and the like. Therefore, the fuel cell stack 2, the reformer 36, the combustor 38, etc. in the housing 6 can be designed independently, and the degree of freedom in designing the reformer 36, the combustor 38, etc. is increased. can be expanded. In addition, since the housing 6 containing the reformer 36, the combustor 38, etc. is independent of the fuel cell stack 2, one type of housing can be used in combination with various fuel cell stacks. It is possible to reduce the manufacturing cost by mass production.

また、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料電池セルスタック2がハウジング6から離間して設けられているので、ハウジング6から熱伝導により燃料電池セルスタック2に直接伝わる熱を低減することができる。これにより、ハウジング6内の改質器36、燃焼器38等の配置変更等が、燃料電池セルスタック2の温度分布に与える影響を更に低減することができる。 Further, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, since the fuel cell stack 2 is provided apart from the housing 6, the heat directly transmitted from the housing 6 to the fuel cell stack 2 by heat conduction is reduced. be able to. As a result, it is possible to further reduce the influence of changes in the arrangement of the reformer 36 and the combustor 38 in the housing 6 on the temperature distribution of the fuel cell stack 2 .

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料電池セルスタック2とハウジング6の間の空間に断熱材8が配置されているので、燃料電池セルスタック2とハウジング6の間で直接伝わる熱を更に低減することができる。これにより、ハウジング6内の改質器36、燃焼器38等の配置変更等が、燃料電池セルスタック2の温度分布に与える影響を更に低減することができる。 Furthermore, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, since the heat insulating material 8 is arranged in the space between the fuel cell stack 2 and the housing 6, the heat is directly transmitted between the fuel cell stack 2 and the housing 6. Heat can be further reduced. As a result, it is possible to further reduce the influence of changes in the arrangement of the reformer 36 and the combustor 38 in the housing 6 on the temperature distribution of the fuel cell stack 2 .

また、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料電池セルスタック2がハウジング6の1つの面に対向するように配置されているので、ハウジング6から燃料電池セルスタック2に熱が直接伝わったとしても、燃料電池セルスタック2に温度ムラが発生しにくく、ハウジング6から受ける熱による悪影響を更に軽減することができる。 Further, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, since the fuel cell stack 2 is arranged to face one surface of the housing 6, heat is directly transmitted from the housing 6 to the fuel cell stack 2. Even if this is the case, the temperature unevenness in the fuel cell stack 2 is unlikely to occur, and the adverse effects of the heat received from the housing 6 can be further reduced.

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料電池セルスタック2及びハウジング6を夫々包囲するように断熱材8が設けられており、燃料電池セルスタック2とハウジング6との間が完全に断熱材8によって熱的に分離されている。このため、この断熱材8を貫通する各通路を通過するガスによる熱の流入を除いては、熱伝達を完全に遮断することができる。 Furthermore, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, the heat insulating material 8 is provided so as to surround the fuel cell stack 2 and the housing 6, respectively, so that the space between the fuel cell stack 2 and the housing 6 is completely are thermally isolated by a heat insulator 8. Therefore, heat transfer can be completely blocked except for the inflow of heat by gas passing through each passage penetrating the heat insulating material 8 .

また、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料電池セルスタック2とハウジング6が、鉛直方向に並べて配置されているので、断熱材8を通してハウジング6内の熱が漏れた場合であっても、燃料電池セルスタック2の一側のみが加熱されることがなく、燃料電池セルスタック2の温度分布をより均一化することができる。 Further, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, the fuel cell stack 2 and the housing 6 are arranged side by side in the vertical direction. Also, only one side of the fuel cell stack 2 is not heated, and the temperature distribution of the fuel cell stack 2 can be made more uniform.

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、重量の軽いハウジング6が重量の重い燃料電池セルスタック2の上方に並べて配置されているので、ハウジング6の上方に燃料電池セルスタック2を並べて配置した場合に比べ、燃料電池モジュール1の安定性が良く、また、上方の装置を容易に支持することができる。 Furthermore, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, since the light housing 6 is arranged above the heavy fuel cell stack 2, the fuel cell stack 2 is arranged above the housing 6. Compared to the arrangement, the fuel cell module 1 is more stable, and the upper device can be easily supported.

また、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料供給通路12と燃料排出通路14が燃料電池セルスタック2とハウジング6の間の空間内に延びている(図1)ので、占有床面積を広げることなく、燃料供給通路12及び燃料排出通路14を設けることができる。また、燃料供給通路12や、燃料排出通路14を接続すべき位置が、上面視において燃料電池セルスタック2側とハウジング6側で異なっている場合でも、それらの間の空間内で通路を湾曲させることにより、通路を接続することができる。このため、単一のハウジング6に対し、寸法、形状の異なる種々の燃料電池セルスタック2を接続することが可能になる。
さらに、上述した本実施形態の燃料電池モジュール1においては、燃料供給通路12及び燃料排出通路14は、燃料電池セルスタック2とハウジング6の間の空間内に延びているが、これらの通路の何れか一方は燃料電池セルスタック2又はハウジング6の側面から延びていてもよい。また、燃料供給通路12及び燃料排出通路14は、ハウジング6の一側、又は一面から延びていてもよい。
Further, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, the fuel supply passage 12 and the fuel discharge passage 14 extend into the space between the fuel cell stack 2 and the housing 6 (FIG. 1), so the occupied floor space is reduced. The fuel supply passage 12 and the fuel discharge passage 14 can be provided without widening the . Further, even when the positions to which the fuel supply passage 12 and the fuel discharge passage 14 are to be connected are different between the fuel cell stack 2 side and the housing 6 side when viewed from above, the passages are curved in the space between them. Thus, passages can be connected. Therefore, it is possible to connect various fuel cell stacks 2 having different sizes and shapes to the single housing 6 .
Furthermore, in the fuel cell module 1 of this embodiment described above, the fuel supply passage 12 and the fuel discharge passage 14 extend into the space between the fuel cell stack 2 and the housing 6. Either one may extend from the side of the fuel cell stack 2 or the housing 6 . Also, the fuel supply passage 12 and the fuel discharge passage 14 may extend from one side or one surface of the housing 6 .

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、ハウジング6が燃料電池セルスタック2に対し、燃料供給通路12、燃料排出通路14、酸化剤ガス供給通路16、及び酸化剤ガス排出通路18のみによって連結されている(図2)ので、ハウジング6を支持するための専用の支持部材を設ける必要がなく支持部材を介して燃料電池セルスタック2とハウジング6との熱の授受を防止することができる。また、各通路内には流体が流れているため、通路自体の温度は概ね中を流れる流体の温度に支配されるので、熱伝導による通路を介した熱の散逸を抑制することができる。 Furthermore, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, the housing 6 has only the fuel supply passage 12 , the fuel discharge passage 14 , the oxidant gas supply passage 16 and the oxidant gas discharge passage 18 with respect to the fuel cell stack 2 . (FIG. 2), there is no need to provide a dedicated support member for supporting the housing 6, and heat transfer between the fuel cell stack 2 and the housing 6 can be prevented via the support member. can. In addition, since the fluid flows in each passage, the temperature of the passage itself is generally governed by the temperature of the fluid flowing therein, so heat dissipation through the passage due to heat conduction can be suppressed.

また、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料供給通路12、燃料排出通路14、酸化剤ガス供給通路16、及び酸化剤ガス排出通路18が取り外し可能に連結されている(図2)ので、ハウジング6又は燃料電池セルスタック2の何れか一方に不具合が生じた場合、独立してメンテナンスや交換を行うことができる。 Further, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, the fuel supply passage 12, the fuel discharge passage 14, the oxidant gas supply passage 16, and the oxidant gas discharge passage 18 are detachably connected (Fig. 2). Therefore, if either the housing 6 or the fuel cell stack 2 has a problem, maintenance or replacement can be performed independently.

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール1によれば、燃料電池セルスタック2が、複数の平板型の燃料電池セル2aを積層して構成された平板型セルスタックであり、それ自体が密閉構造を有し、燃料ガス及び酸化剤ガスが流れる流路が内部に形成されている。このため、これらの流路と各通路を接続するだけで、ハウジング6との間で簡単に流体を供給したり、排出したりすることができる。これにより、燃料電池モジュール1の構造をシンプルにすることができる。 Furthermore, according to the fuel cell module 1 of the present embodiment, the fuel cell stack 2 is a flat plate cell stack configured by stacking a plurality of flat plate fuel cells 2a, and itself has a sealed structure. A flow path is formed inside for the fuel gas and the oxidant gas to flow. Therefore, the fluid can be easily supplied to or discharged from the housing 6 simply by connecting these flow paths and the respective passages. Thereby, the structure of the fuel cell module 1 can be simplified.

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、ハウジング内に改質器及び燃焼器が収容され、蒸発器はハウジングの外部に配置されていたが、蒸発器をハウジング内に収容するように本発明を構成することもできる。さらに、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫器や、排気ガス中の一酸化炭素等を除去する燃焼触媒器をハウジング内に収容するように本発明を構成することもできる。また、上述した実施形態においては、酸化剤ガス熱交換器がハウジングの外壁面と一体に構成されていたが、酸化剤ガス熱交換器をハウジングの内部に収容するように本発明を構成することもできる。さらに、上述した実施形態においては、燃料電池セルスタックの上方にハウジングが並べて配置されていたが、燃料電池セルスタックの下方にハウジングを並べて配置したり、燃料電池セルスタックの側方にハウジングを並べて配置したりすることもできる。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be made to the above-described embodiments. In particular, in the above-described embodiment, the reformer and the combustor are contained within the housing, and the evaporator is arranged outside the housing. can also Furthermore, the present invention can be constructed such that a desulfurizer for removing sulfur components contained in the raw fuel gas and a combustion catalyst for removing carbon monoxide and the like in the exhaust gas are accommodated in the housing. In the above-described embodiment, the oxygen-containing gas heat exchanger is integrally formed with the outer wall surface of the housing. can also Furthermore, in the above-described embodiments, the housings are arranged side by side above the fuel cell stack. It can also be placed.

1 燃料電池モジュール
2 燃料電池セルスタック
2a 燃料電池セル
2b バスバー
4 流体供給装置
4a 蒸発器
4b 改質・加熱器
6 ハウジング
6a 内壁板
6b 外壁板
8 断熱材
10a トップエンドプレート
10b ボトムエンドプレート
12 燃料供給通路
14 燃料排出通路
16 酸化剤ガス供給通路
18 酸化剤ガス排出通路
20 水供給用配管
22 原燃料ガス供給配管
24 排気ガス排出管
26 排気ガス配管
28 混合ガス導管
29 電気ヒータ
30a 蒸発室
30b 混合室
30c 排気ガス室
30d 通路
30e フィン
32 空気供給パイプ
34 セラミックヒータ
36 改質器
36a 改質触媒
38 燃焼器
38a 残余燃料ガスマニホルド
38b 残余燃料ガス分配管
38c 残余空気分散板
40 フィン
REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel cell module 2 fuel cell stack 2a fuel cell 2b bus bar 4 fluid supply device 4a evaporator 4b reformer/heater 6 housing 6a inner wall plate 6b outer wall plate 8 heat insulating material 10a top end plate 10b bottom end plate 12 fuel supply Passage 14 Fuel discharge passage 16 Oxidant gas supply passage 18 Oxidant gas discharge passage 20 Water supply pipe 22 Raw fuel gas supply pipe 24 Exhaust gas discharge pipe 26 Exhaust gas pipe 28 Mixed gas pipe 29 Electric heater 30a Evaporation chamber 30b Mixing chamber 30c exhaust gas chamber 30d passage 30e fins 32 air supply pipe 34 ceramic heater 36 reformer 36a reforming catalyst 38 combustor 38a residual fuel gas manifold 38b residual fuel gas distribution pipe 38c residual air distribution plate 40 fins

Claims (5)

供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、
複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、
原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、上記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、
上記燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させ、上記改質器を加熱する燃焼器と、
上記燃焼器を収容する空間が内部に形成されたハウジングと、
を有し、
上記ハウジングの下面には、発電に使用する酸化剤ガスを加熱するための熱交換器が設けられており、
上記ハウジングは上記燃料電池セルスタックの上方に配置され、上記ハウジングと上記燃料電池セルスタックは離間して配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
A fuel cell module that generates power by reacting supplied fuel gas and oxidant gas,
a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells; and
a reformer that reforms the raw fuel gas to generate a fuel gas containing hydrogen and supplies the hydrogen-containing fuel gas to the fuel cell stack;
a combustor that burns residual fuel gas remaining in the fuel cell stack without being used for power generation to heat the reformer;
a housing in which a space for accommodating the combustor is formed;
has
A heat exchanger for heating the oxidant gas used for power generation is provided on the lower surface of the housing,
A fuel cell module, wherein the housing is arranged above the fuel cell stack, and the housing and the fuel cell stack are arranged apart from each other.
さらに、上記改質器における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成するための蒸発器を有し、上記改質器及び上記蒸発器は、上記燃料電池セルスタック又は上記燃焼器の上方に配置されている請求項1記載の燃料電池モジュール。 Further, an evaporator for generating steam used for steam reforming in the reformer is provided, and the reformer and the evaporator are arranged above the fuel cell stack or the combustor. 2. The fuel cell module of claim 1. さらに、上記改質器における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成するための蒸発器を有し、上記蒸発器は、上記ハウジングの上方に配置されている請求項1又は2に記載の燃料電池モジュール。 3. The fuel cell module according to claim 1, further comprising an evaporator for generating steam used for steam reforming in said reformer, said evaporator being arranged above said housing. . さらに、上記熱交換器に酸化剤ガスを供給するパイプは、上記ハウジングの上面に接続されている請求項1記載の燃料電池モジュール。 2. The fuel cell module according to claim 1, further comprising a pipe for supplying oxidizing gas to said heat exchanger connected to the upper surface of said housing. さらに、上記ハウジングから上記燃料電池セルスタックに、燃料ガス及び酸化剤ガスを夫々供給する通路、及び、上記燃料電池セルスタックから上記ハウジングに、残余燃料ガス及び発電に使用されずに残った残余酸化剤ガスを夫々戻す通路は、上記ハウジング及び上記燃料電池セルスタックの、互いに対向する面に接続されている請求項1乃至の何れか1項に記載の燃料電池モジュール。 Furthermore, passages for supplying fuel gas and oxidant gas from the housing to the fuel cell stack, respectively; 5. The fuel cell module according to any one of claims 1 to 4 , wherein passages for returning chemical gases are connected to surfaces of said housing and said fuel cell stack facing each other.
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