JP7379861B2 - fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池のオフガスラインに燃焼器が備わる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system equipped with a combustor in the off-gas line of the fuel cell.

特許文献1には、燃料電池のオフガスラインに燃焼器が備わる燃料電池システムに関し、カソード供給ラインとアノード供給ラインとに熱交換器を夫々設置し、燃焼器で生じさせた燃焼ガスをこれらの熱交換器に導入する燃焼ガス通路を、互いに並列に形成することが開示されている。特許文献1において、カソード側の熱交換器は、空気を予熱する手段として構成され、アノード側の熱交換器は、燃料を予熱しおよび改質する手段として構成される。 Patent Document 1 relates to a fuel cell system equipped with a combustor in the off-gas line of the fuel cell, and heat exchangers are installed in the cathode supply line and the anode supply line, respectively, and the combustion gas generated in the combustor is transferred to these heat exchangers. It is disclosed that the combustion gas channels leading into the exchanger are formed parallel to each other. In Patent Document 1, the heat exchanger on the cathode side is configured as a means for preheating the air, and the heat exchanger on the anode side is configured as a means for preheating and reforming the fuel.

特開2008-277280号公報(段落0009および0042、図1)JP2008-277280A (Paragraphs 0009 and 0042, Figure 1)

燃焼器の出口における燃焼ガスは、温度性状が一様でなく、例えば、温度にムラがある。特許文献1に記載の技術によると、燃焼器からカソード側およびアノード側の各熱交換器までの燃焼ガスの経路に構成上の制約があり、例えば、長さが制限されることから、燃焼器を出た燃焼ガスを各熱交換器に向けて分岐させるまでに充分に撹拌し、温度分布を解消することが困難である。これにより、温度分布が残存したままの状態で燃焼ガスを分岐させることとなり、カソード側とアノード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じる。そして、これがシステム全体での動作効率に影響を及ぼすことが懸念される。 The combustion gas at the outlet of the combustor does not have uniform temperature properties, for example, the temperature is uneven. According to the technology described in Patent Document 1, there are structural restrictions on the paths of combustion gas from the combustor to the heat exchangers on the cathode side and the anode side. For example, the length is limited, so the combustor It is difficult to sufficiently agitate the combustion gas exiting the combustion chamber and to eliminate temperature distribution before branching it to each heat exchanger. As a result, the combustion gas is branched while the temperature distribution remains, resulting in unevenness in the amount of heat recovered by heat exchange between the cathode side and the anode side. There is a concern that this will affect the operating efficiency of the entire system.

本発明は、以上の問題を考慮し、熱交換器に供給される燃焼ガスの温度性状の均質化を図り、システム全体としてより高い動作効率を実現可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention takes the above problems into consideration, and aims to provide a fuel cell system that can achieve higher operating efficiency as a whole system by homogenizing the temperature characteristics of combustion gas supplied to a heat exchanger. do.

本発明の一形態では、燃料電池と、燃料電池のオフガスラインに備わる燃焼器と、燃料電池のカソード供給ラインに、燃焼器で生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたカソード側熱交換器と、燃料電池のアノード供給ラインに、燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたアノード側熱交換器と、燃焼器とカソード側およびアノード側の各熱交換器とを接続し、燃焼ガスをカソード側熱交換器とアノード側熱交換器とのそれぞれに案内する燃焼ガス通路であって、燃焼器から延びる集合部と、集合部を流れる燃焼ガスを各熱交換器に向けて分岐させる分岐部と、を有する燃焼ガス通路と、燃焼ガスの流れに関して分岐部よりも上流側に設けられ、分岐部に向かう燃焼ガスの温度性状の均質化を促す、燃焼ガスの均質化装置と、を備える燃料電池システムが提供される。 In one embodiment of the present invention, a fuel cell, a combustor provided in an off-gas line of the fuel cell, and a cathode supply line of the fuel cell are provided with a cathode side configured to be able to operate using combustion gas generated in the combustor as a high-temperature fluid. A heat exchanger, an anode-side heat exchanger configured to be operable using combustion gas as a high-temperature fluid, and a combustor and each of the cathode-side and anode-side heat exchangers are connected to an anode supply line of the fuel cell, A combustion gas passage that guides combustion gas to each of the cathode side heat exchanger and the anode side heat exchanger, including a collecting section extending from the combustor and branching the combustion gas flowing through the collecting section toward each heat exchanger. a combustion gas passage having a branch part, and a combustion gas homogenizer that is provided upstream of the branch part with respect to the flow of the combustion gas and promotes homogenization of the temperature properties of the combustion gas toward the branch part; A fuel cell system is provided.

本発明によれば、分岐部を介してカソード側熱交換器およびアノード側熱交換器のそれぞれに向かう燃焼ガスの温度性状の均質化を促し、構成上の制約によらず、各熱交換器に対する性状分布が抑制された燃焼ガスの供給を可能として、カソード側とアノード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じるのを抑え、システム全体での動作効率の向上を図ることができる。他方で、燃焼ガスの性状分布の均質化を促進可能なことで、燃焼ガス通路の短縮を図ることが可能となり、レイアウトの簡素化を促すことができる。 According to the present invention, the temperature properties of the combustion gas directed to the cathode side heat exchanger and the anode side heat exchanger through the branch portion are promoted to be homogenized, and the temperature characteristics of the combustion gas directed to each of the cathode side heat exchanger and the anode side heat exchanger are promoted to be uniform, and By making it possible to supply combustion gas with a suppressed property distribution, it is possible to suppress unevenness in the amount of heat recovered by heat exchange between the cathode side and the anode side, and to improve the operating efficiency of the entire system. On the other hand, since it is possible to promote homogenization of the property distribution of combustion gas, it is possible to shorten the combustion gas passage, and it is possible to promote simplification of the layout.

図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの基本的な構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図2は、同上実施形態に係る燃料電池システムの均質化装置の一例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the homogenization device of the fuel cell system according to the embodiment. 図3は、同上実施形態に係る燃料電池システムの均質化装置の他の例を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing another example of the homogenizing device for the fuel cell system according to the above embodiment. 図4は、同上実施形態に係る燃料電池システムの均質化装置の更に別の例を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing still another example of the homogenizing device for the fuel cell system according to the above embodiment. 図5は、同上実施形態に係る燃料電池システムの均質化装置の更に別の例を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing still another example of the homogenizing device for the fuel cell system according to the embodiment described above. 図6は、同上実施形態に係る燃料電池システムの均質化装置の更に別の例を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing still another example of the homogenizing device for the fuel cell system according to the embodiment described above. 図7は、同上実施形態に係る燃料電池システムの均質化装置の更に別の例を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing still another example of the homogenizing device for the fuel cell system according to the above embodiment. 図8は、同上実施形態に係る燃料電池システムの均質化装置の更に別の例を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing still another example of the homogenizing device for the fuel cell system according to the embodiment described above. 図9は、同上実施形態に係る燃料電池システムの均質化装置の更に別の例を示す概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing still another example of the homogenizing device for the fuel cell system according to the embodiment. 図10は、燃焼器、カソード側熱交換器およびアノード側熱交換器の位置関係を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing the positional relationship of the combustor, the cathode heat exchanger, and the anode heat exchanger. 図11は、燃焼器、カソード側熱交換器およびアノード側熱交換器の、燃料電池スタックに対する相対位置を示す概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing the relative positions of the combustor, cathode heat exchanger, and anode heat exchanger with respect to the fuel cell stack. 図12は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの基本的な構成を示す概略図である。FIG. 12 is a schematic diagram showing the basic configuration of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(燃料電池システムの全体構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムS1の基本的な構成を示している。
(Overall configuration of fuel cell system)
FIG. 1 shows the basic configuration of a fuel cell system S1 according to an embodiment of the present invention.

本実施形態に係る燃料電池システム(以下「燃料電池システム」といい、単に「システム」という場合がある)S1は、電動車両に搭載可能であり、当該車両に備わる走行用の電動モータに供給される電力を発生させる。 The fuel cell system (hereinafter referred to as "fuel cell system", sometimes simply referred to as "system") S1 according to the present embodiment can be installed in an electric vehicle, and is supplied to an electric motor for driving provided in the vehicle. generate electricity.

燃料電池システムS1は、本実施形態に関わる主な構成要素として、燃料電池スタック1、アノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および燃焼器4を備える。本実施形態において、「熱交換器」とは、温度の異なる複数の流体を受容し、高温流体が有する熱量を加熱対象の流体に移動可能に構成された熱機器全般をいうものとする。この意味で、「熱交換器」には、加熱対象の流体が単に暖められるだけでその化学的な変化が伴わない、いわゆる熱交換式の加熱器のほか、加熱対象の流体に化学的な変化が生じ、加熱後の流体が流入時とは異なる組成の流体として流出する場合のものが含まれる。 The fuel cell system S1 includes a fuel cell stack 1, an anode heat exchanger 2, a cathode heat exchanger 3, and a combustor 4 as main components related to this embodiment. In this embodiment, the term "heat exchanger" refers to any thermal device that is configured to receive a plurality of fluids having different temperatures and to transfer the amount of heat contained in the high-temperature fluid to the fluid to be heated. In this sense, "heat exchangers" include so-called heat exchange type heaters, in which the fluid to be heated is simply warmed without any chemical changes, as well as heaters that cause chemical changes in the fluid to be heated. This includes cases where the fluid after heating flows out as a fluid with a different composition from that at the time of inflow.

燃料電池スタック(以下、単に「スタック」という場合がある)1は、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。燃料電池システムS1は、アノードガス供給ライン11およびカソードガス供給ライン12を備え、燃料電池スタック1は、アノードガス供給ライン11を介して燃料ガスの供給を受け、カソードガス供給ライン12を介して酸化剤ガスの供給を受ける。本実施形態において、燃料ガスは、水素であり、酸化剤ガスは、酸素である。固体酸化物形燃料電池のアノード極およびカソード極での発電に係る反応は、次式により表すことができる。
アノード極: 2H2+4O2- → 2H2O+4e- …(1.1)
カソード極: O2+4e- → 2O2- …(1.2)
A fuel cell stack (hereinafter sometimes simply referred to as a "stack") 1 is constructed by stacking a plurality of fuel cells or fuel cell unit cells, and each fuel cell, which is a power generation source, is made of, for example, a solid oxide fuel cell. It is a fuel cell (SOFC). The fuel cell system S1 includes an anode gas supply line 11 and a cathode gas supply line 12, and the fuel cell stack 1 receives fuel gas through the anode gas supply line 11 and receives oxidation through the cathode gas supply line 12. Receives supply of agent gas. In this embodiment, the fuel gas is hydrogen and the oxidant gas is oxygen. The reaction related to power generation at the anode and cathode of a solid oxide fuel cell can be expressed by the following equation.
Anode pole: 2H 2 +4O 2- → 2H 2 O+4e - …(1.1)
Cathode electrode: O 2 +4e - → 2O 2- ...(1.2)

発電反応後のオフガスは、燃料電池スタック1からオフガス排出ラインに排出される。図1は、アノード側およびカソード側のオフガス排出ラインのうち、アノード側の排出ライン(アノードオフガス排出ライン)13のみを、燃料電池スタック1から延びる状態で示している。カソードオフガスについても排出ライン(カソードオフガス排出ライン)が設けられ、これが燃料電池スタック1から延びる状態にあることは、言うまでもない。 Off-gas after the power generation reaction is discharged from the fuel cell stack 1 to an off-gas discharge line. FIG. 1 shows only the anode-side exhaust line (anode off-gas exhaust line) 13 extending from the fuel cell stack 1 among the anode-side and cathode-side off-gas exhaust lines. It goes without saying that a discharge line (cathode off-gas discharge line) is also provided for the cathode off-gas, and that this extends from the fuel cell stack 1.

アノード側熱交換器2は、アノードガス供給ライン11に介装され、後に述べる燃焼器4で生じさせた燃焼ガスが導入されて、これを高温流体として動作する。本実施形態において、アノード側熱交換器2は、燃料ガスの供給を受け、燃料ガスを燃焼ガスとの熱交換により燃料電池スタック1への供給前に加熱する。この意味で、本実施形態に係るアノード側熱交換機2は、燃料予熱器と呼ぶこともできる。燃料ガスは、原燃料を燃料ガスに転換する改質器を備える場合に、原燃料の改質により取得することが可能であり、図示しない燃料ガスタンクを備える場合は、このタンクから供給することが可能である。 The anode side heat exchanger 2 is interposed in the anode gas supply line 11, into which combustion gas generated in the combustor 4 described later is introduced, and operates using this as a high-temperature fluid. In this embodiment, the anode side heat exchanger 2 receives the supply of fuel gas and heats the fuel gas by heat exchange with combustion gas before supplying it to the fuel cell stack 1. In this sense, the anode side heat exchanger 2 according to this embodiment can also be called a fuel preheater. Fuel gas can be obtained by reforming raw fuel when equipped with a reformer that converts raw fuel into fuel gas, and when equipped with a fuel gas tank (not shown), it can be supplied from this tank. It is possible.

カソード側熱交換器3は、カソードガス供給ライン12に介装され、燃焼器4で生じさせた燃焼ガスが導入されて、これを高温流体として動作する。カソード側熱交換器3は、酸化剤ガスの供給を受け、酸化剤ガスを燃焼ガスとの熱交換により燃料電池スタック1への供給前に加熱する。大気中の空気を図示しないエアコンプレッサによりカソードガス供給ライン12に取り込み、カソード側熱交換器3を介して燃料電池スタック1に供給することで、発電反応に用いられる酸素をカソード極に供給することが可能である。本実施形態に係るカソード側熱交換器3は、空気予熱器と呼ぶことができる。 The cathode side heat exchanger 3 is interposed in the cathode gas supply line 12, into which the combustion gas generated in the combustor 4 is introduced, and operates using this as a high-temperature fluid. The cathode-side heat exchanger 3 receives the supply of oxidant gas and heats the oxidant gas by heat exchange with combustion gas before supplying it to the fuel cell stack 1 . Air from the atmosphere is taken into the cathode gas supply line 12 by an air compressor (not shown) and supplied to the fuel cell stack 1 via the cathode side heat exchanger 3, thereby supplying oxygen used for the power generation reaction to the cathode electrode. is possible. The cathode heat exchanger 3 according to this embodiment can be called an air preheater.

燃焼器4は、アノードオフガス排出ライン13に接続され、暖機後の通常システム運転時において、燃料電池スタック1から排出されるアノードオフガスを受容し、このオフガス中の残燃料(つまり、残水素)を燃焼させ、燃焼ガスを生成する(以下、燃焼器4を特に「排気燃焼器」と呼ぶ)。本実施形態において、排気燃焼器4は、燃焼促進用の触媒が担持された燃焼部を有する触媒型の燃焼器である。排気燃焼器4には、これに限らず、拡散燃焼器を採用することも可能である。さらに、本実施形態では、排気燃焼器4に燃料供給管14が接続され、排気燃焼器4に対し、燃料供給管14を介して燃焼に必要な燃料を供給する。しかし、これに限らず、このシステムS1のカソードオフガス排出ラインを排気燃焼器4に接続し、排気燃焼器4に対し、カソードオフガスを導入して、このオフガスに残る酸化剤ガス(つまり、残酸素)を供給してもよい。 The combustor 4 is connected to an anode off-gas discharge line 13, receives anode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 during normal system operation after warming up, and removes residual fuel (that is, residual hydrogen) in this off-gas. is combusted to generate combustion gas (hereinafter, the combustor 4 is particularly referred to as an "exhaust combustor"). In this embodiment, the exhaust combustor 4 is a catalytic type combustor that has a combustion section in which a catalyst for promoting combustion is supported. The exhaust combustor 4 is not limited to this, and a diffusion combustor may also be used. Furthermore, in this embodiment, a fuel supply pipe 14 is connected to the exhaust combustor 4, and fuel necessary for combustion is supplied to the exhaust combustor 4 via the fuel supply pipe 14. However, the present invention is not limited to this, and the cathode off-gas discharge line of this system S1 is connected to the exhaust combustor 4, and the cathode off-gas is introduced into the exhaust combustor 4. ) may be supplied.

排気燃焼器4は、燃焼ガス通路15を介してアノード側熱交換器2およびカソード側熱交換器3に接続されている。排気燃焼器4で生じさせた燃焼ガスは、燃焼ガス通路15を通じてアノード側熱交換器2およびカソード側熱交換器3に夫々供給される。 The exhaust combustor 4 is connected to the anode heat exchanger 2 and the cathode heat exchanger 3 via a combustion gas passage 15. Combustion gas generated in the exhaust combustor 4 is supplied to the anode heat exchanger 2 and the cathode heat exchanger 3 through the combustion gas passage 15, respectively.

本実施形態では、排気燃焼器4からアノード側およびカソード側の各熱交換器2、3への燃焼ガスの供給は、燃焼ガス通路15を介して並列的になされる。具体的には、燃焼ガス通路15は、排気燃焼器4から延びる集合部151と、集合部151の下流側に接続し、集合部151を流れる燃焼ガスを各熱交換器2、3に向けて分岐させる分岐部152、153と、を有する。分岐部152、153は、分岐点Pdで集合部151から二股に分かれ、分岐点Pdとアノード側熱交換器2とをつなぐ第1分岐部152と、分岐点Pdとカソード側熱交換器3とをつなぐ第2分岐部153と、を有する。このような構成に基づき、燃焼ガスは、排気燃焼器4を出た後、集合部151を流れ、分岐点Pdで第1分岐部152および第2分岐部153に分かれ、第1分岐部152を介してアノード側熱交換器2に、第2分岐部153を介してカソード側熱交換器3に、夫々供給される。 In this embodiment, the combustion gas is supplied from the exhaust combustor 4 to the anode side and cathode side heat exchangers 2 and 3 in parallel via the combustion gas passage 15. Specifically, the combustion gas passage 15 connects to a collecting section 151 extending from the exhaust combustor 4 to the downstream side of the collecting section 151, and directs the combustion gas flowing through the collecting section 151 toward each of the heat exchangers 2 and 3. It has branching parts 152 and 153 for branching. The branching parts 152 and 153 are bifurcated from the gathering part 151 at the branching point Pd, and include a first branching part 152 that connects the branching point Pd and the anode heat exchanger 2, and a first branching part 152 that connects the branching point Pd and the cathode heat exchanger 3. It has a second branch part 153 that connects. Based on such a configuration, after exiting the exhaust combustor 4, the combustion gas flows through the collecting section 151, and is divided into the first branch section 152 and the second branch section 153 at the branch point Pd, and the combustion gas flows through the first branch section 152. The heat exchanger 2 is supplied to the anode heat exchanger 2 through the heat exchanger 2, and the heat exchanger 3 is supplied to the cathode heat exchanger 3 through the second branch 153.

ここで、排気燃焼器4の出口における燃焼ガスは、温度性状が一様でなく、例えば、温度にムラがある。アノード側およびカソード側の各熱交換器2、3が排気燃焼器4に対して単に並列に接続されただけの比較例による燃料電池システムでは、排気燃焼器4から各熱交換器2、3までの燃焼ガスの経路に構成上の制約(例えば、設置空間が限られ、長さが制限されること)があることから、燃焼ガスを分岐点Pdに達するまでに充分に撹拌し、温度分布を解消することが困難である。これにより、温度分布が残存したままの状態で燃焼ガスを分岐させることとなり、アノード側とカソード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じ、システムS1全体での動作効率に影響を及ぼす懸念がある。 Here, the temperature of the combustion gas at the outlet of the exhaust combustor 4 is not uniform, for example, the temperature is uneven. In a fuel cell system according to a comparative example in which the heat exchangers 2 and 3 on the anode side and the cathode side are simply connected in parallel to the exhaust combustor 4, from the exhaust combustor 4 to each heat exchanger 2 and 3. Since there are structural constraints on the path of the combustion gas (for example, limited installation space and length), it is necessary to sufficiently stir the combustion gas until it reaches the branch point Pd to control the temperature distribution. It is difficult to resolve. As a result, the combustion gas is branched while the temperature distribution remains, and the amount of heat recovered by heat exchange between the anode side and the cathode side is uneven, which affects the operating efficiency of the entire system S1. There are concerns.

そこで、本実施形態では、アノード側熱交換器2およびカソード側熱交換器3のそれぞれに供給される燃焼ガスについて、その温度性状の積極的な均質化を図り、システムS1全体としてより高い動作効率を実現可能とする。 Therefore, in this embodiment, the temperature characteristics of the combustion gases supplied to each of the anode heat exchanger 2 and the cathode heat exchanger 3 are positively homogenized, thereby increasing the operating efficiency of the system S1 as a whole. is made possible.

具体的には、燃焼ガス通路15の集合部151に、燃焼ガスの温度性状の均質化を促す手段(均質化装置)5を設置し、燃焼ガスの性状分布、特に温度のムラを、分岐点Pdに達するまでに解消しまたは少なくとも部分的に解消する。 Specifically, a means (homogenizer) 5 for promoting homogenization of the temperature properties of the combustion gas is installed in the gathering part 151 of the combustion gas passage 15, and the property distribution of the combustion gas, especially the unevenness in temperature, is corrected at the branch point. resolved or at least partially resolved by the time Pd is reached.

図2は、本実施形態に係る均質化装置5の概略的な構成を示している。図2(a)は、燃焼ガス通路15を鉛直方向上方からみた平面視の状態を示し、同図(b)は、燃焼ガス通路15を図1および2(a)に矢印Aで示す方向からみた側面視の状態を示している(後に述べる図3、6~9についても同様である)。 FIG. 2 shows a schematic configuration of the homogenization device 5 according to this embodiment. FIG. 2(a) shows a plan view of the combustion gas passage 15 seen from above in the vertical direction, and FIG. 2(b) shows the combustion gas passage 15 viewed from the direction indicated by arrow A in FIGS. The figure shows a side view (the same applies to FIGS. 3 and 6 to 9, which will be described later).

均質化装置5は、温度性状の均質化を、燃焼ガスの生成後、物理的な作用により、具体的には、流体力学的な作用により促す手段として構成される。本実施形態では、特に燃焼ガスの流れの乱れを増長させる手段として構成され、具体的には、燃焼ガス通路15を形成する導管の曲げ部51により具現される。排気燃焼器4を流出した燃焼ガス(図2~9において、その流れの方向を矢印Gcにより示す)は、曲げ部51を通過する際に乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。曲げ部51における導管の曲率および偏向の角度は、性状分布の解消という目的から、適宜に設定することが可能である。 The homogenizer 5 is configured as a means for promoting homogenization of temperature properties by physical action, specifically, by hydrodynamic action, after combustion gas is generated. In this embodiment, it is particularly configured as a means for increasing the turbulence in the flow of combustion gas, and is specifically realized by the bent portion 51 of the conduit forming the combustion gas passage 15. The combustion gas that has flowed out of the exhaust combustor 4 (in FIGS. 2 to 9, the flow direction is indicated by an arrow Gc) is turbulent when passing through the bending portion 51, and the property distribution is resolved. The curvature of the conduit and the angle of deflection at the bent portion 51 can be appropriately set for the purpose of eliminating property distribution.

図3~8は、本実施形態の変形例に係る均質化装置5を示している。図3~8に示す均質化装置5は、図2に示すのと同様に、いずれも燃焼ガスの流れの乱れを増長させる手段として構成される。 3 to 8 show a homogenizing device 5 according to a modification of this embodiment. The homogenizers 5 shown in FIGS. 3 to 8 are all configured as means for increasing turbulence in the flow of combustion gas, similar to that shown in FIG. 2.

図3は、第1変形例に係る均質化装置5の概略的な構成を示している。 FIG. 3 shows a schematic configuration of a homogenizing device 5 according to a first modification.

第1変形例では、均質化装置5は、燃焼ガス通路15を形成する導管に形成された、複数の曲げ部52a~52cにより具現される。第1変形例では、均質化装置5が3つの曲げ部52a~52cにより具現される場合について示すが、均質化装置5が有することのできる曲げ部の数は、3つに限らず、適宜に設定することが可能である。排気燃焼器4を流出した燃焼ガスGcは、曲げ部52a~52cを通過する際に乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。 In a first variant, the homogenizer 5 is realized by a plurality of bends 52a to 52c formed in the conduit forming the combustion gas passage 15. In the first modified example, a case is shown in which the homogenizing device 5 is realized by three bent portions 52a to 52c, but the number of bent portions that the homogenizing device 5 can have is not limited to three, and may be changed as appropriate. It is possible to set. The turbulence of the combustion gas Gc flowing out of the exhaust combustor 4 increases when it passes through the bending portions 52a to 52c, and the property distribution is resolved.

図4は、第2変形例に係る均質化装置5の概略的な構成を、燃焼ガス通路15を鉛直方向上方からみた平面視の状態で示している。 FIG. 4 shows a schematic configuration of a homogenizing device 5 according to a second modification in a plan view of the combustion gas passage 15 viewed from above in the vertical direction.

第2変形例では、均質化装置5は、燃焼ガスの流れの流路断面積を拡大または縮小させる、燃焼ガス通路15の断面変化部(拡大部53aまたは縮小部53b)により具現される。図4(a)は、燃焼ガス通路15を形成する導管に拡大部53aを設けた場合の例を示し、同図(b)は、この導管に縮小部53bを設けた場合の例を示している。排気燃焼器4を流出した燃焼ガスGcは、拡大部53aまたは縮小部53bを通過する際に乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。 In the second modification, the homogenizing device 5 is realized by a cross-sectional change part (the enlarged part 53a or the reduced part 53b) of the combustion gas passage 15 that expands or reduces the flow path cross-sectional area of the combustion gas flow. FIG. 4(a) shows an example in which the conduit forming the combustion gas passage 15 is provided with an enlarged portion 53a, and FIG. 4(b) shows an example in which the conduit is provided with a reduced portion 53b. There is. When the combustion gas Gc that has flown out of the exhaust combustor 4 passes through the enlarged portion 53a or the reduced portion 53b, turbulence is increased and the property distribution is resolved.

図5は、第3変形例に係る均質化装置5の概略的な構成を、燃焼ガス通路15を鉛直方向上方からみた平面視の状態で示している。 FIG. 5 shows a schematic configuration of a homogenizing device 5 according to a third modification in a plan view of the combustion gas passage 15 viewed from above in the vertical direction.

第3変形例では、均質化装置5は、第2変形例におけると同様に、燃焼ガス通路15の断面変化部(拡大部54aおよび縮小部54b)により具現されるが、これらの断面変化部54a、54bが対で設けられている。図5(a)は、燃焼ガスの流れに関して上流側に縮小部54bを、下流側に拡大部54aを設けた場合の例を示し、同図(b)は、燃焼ガスの流れに関して上流側に拡大部54aを、下流側に縮小部54bを設けた場合の例を示している。排気燃焼器4を流出した燃焼ガスGcは、拡大部54aおよび縮小部54bを通過する際に乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。 In the third modification, the homogenizing device 5 is realized by the cross-sectional changed portions (the enlarged portion 54a and the contracted portion 54b) of the combustion gas passage 15, as in the second modified example, but these cross-sectional changed portions 54a , 54b are provided in pairs. FIG. 5(a) shows an example in which a reduced portion 54b is provided on the upstream side with respect to the flow of combustion gas, and an enlarged portion 54a is provided on the downstream side with respect to the flow of combustion gas. An example is shown in which the enlarged part 54a is provided with a reduced part 54b on the downstream side. When the combustion gas Gc that has flown out of the exhaust combustor 4 passes through the enlarged portion 54a and the reduced portion 54b, turbulence is increased and the property distribution is resolved.

ここで、図5(a)に示す例では、拡大部54aに対し、縮小部54bを介して増速した流れが流入するので、拡大部54aの下流側で乱れがより増長される。図5(b)に示す例では、縮小部54bに対し、拡大部54aを介して乱れが促されることにより撹拌の進んだ流れが調量的に流入するので、分岐点Pdに向けて性状分布が抑えられた燃焼ガスが安定的に供給される。 Here, in the example shown in FIG. 5A, since the flow at increased speed flows into the enlarged part 54a via the reduced part 54b, the turbulence is further increased on the downstream side of the enlarged part 54a. In the example shown in FIG. 5(b), a highly agitated flow flows meteredly into the contracted part 54b due to turbulence promoted through the enlarged part 54a, so that the property distribution is directed toward the branch point Pd. Combustion gas with suppressed combustion gas is stably supplied.

図6は、第4変形例に係る均質化装置5の概略的な構成を示している。 FIG. 6 shows a schematic configuration of a homogenizing device 5 according to a fourth modification.

図4に示す第2実施例および図5に示す第3変形例では、流れの方向が一定であるなかで流路断面積を変化させたが、第4変形例では、流れの方向を変化させる前後で流路断面積を変化させる。具体的には、均質化装置5は、燃焼ガス通路15を形成する導管に形成された曲げ部55により具現され、この曲げ部55の前後で導管の断面積が拡大されている。第4変形例では、流路断面積を拡大させる場合について示すが、これに限らず、流路断面積を縮小させてもよい。排気燃焼器4を流出した燃焼ガスGcは、曲げ部55を通過する際に、流れの方向が変わることと流路断面積が変わることとの双方による作用を受けて乱れが増長され、性状分布の解消が図られる。そして、流路断面積を拡大させた場合は、曲り部55の上流側で、曲り部55に向けて比較的速い流れが形成される。そして、この流れは、相応の勢いを伴って曲り部55に進入し、対向する内壁に衝突することから、燃焼ガスの撹拌がより促進される。 In the second embodiment shown in FIG. 4 and the third modification shown in FIG. Change the cross-sectional area of the flow path before and after. Specifically, the homogenizing device 5 is realized by a bent portion 55 formed in a conduit forming the combustion gas passage 15, and the cross-sectional area of the conduit is enlarged before and after this bent portion 55. In the fourth modification, a case is shown in which the cross-sectional area of the flow path is expanded, but the present invention is not limited to this, and the cross-sectional area of the flow path may be reduced. When the combustion gas Gc that has flowed out of the exhaust combustor 4 passes through the bending portion 55, the turbulence increases due to both the change in flow direction and the change in the cross-sectional area of the flow path, resulting in a change in property distribution. will be resolved. When the cross-sectional area of the flow path is expanded, a relatively fast flow is formed toward the bend 55 on the upstream side of the bend 55. Then, this flow enters the bending portion 55 with appropriate force and collides with the opposing inner wall, thereby further promoting agitation of the combustion gas.

図7は、第5変形例に係る均質化装置5の概略的な構成を示している。 FIG. 7 shows a schematic configuration of a homogenizing device 5 according to a fifth modification.

第5変形例では、均質化装置5は、第4変形例におけると同様に、燃焼ガス通路15を形成する導管に形成された曲げ部56bを有し、この曲げ部56bの前後で流路断面積を変化(具体的には、縮小)させているが、断面変化部が、曲げ部56b以外にも設けられている。つまり、第5変形例に係る均質化装置5は、断面変化部を兼ねる曲げ部56b以外に、複数の(本実施形態では、2つの)断面変化部をも有して具現されたものである。図8は、曲げ部56bで流路断面積を縮小させるとともに、燃焼ガスの流れに関してその上流側および下流側の双方に拡大部56a、56cを設けた場合の例を示している。曲げ部56bで流路断面積を拡げるか狭めるか、曲げ部56b以外の断面変化部56a、56cで流路断面積を拡げるか狭めるかは、適宜に設定することが可能である。排気燃焼器4を流出した燃焼ガスGcは、断面変化部56a~56cの作用を受けて乱れが増長されるとともに、曲げ部56bを通過する際に乱れがさらに増長され、性状分布の一層の解消が図られる。 In the fifth modification, the homogenizer 5 has a bent portion 56b formed in the conduit that forms the combustion gas passage 15, and the flow path is interrupted before and after this bent portion 56b, as in the fourth modification. Although the area is changed (specifically, reduced), cross-sectional change portions are provided other than the bent portion 56b. In other words, the homogenizing device 5 according to the fifth modification is realized by having a plurality of (in this embodiment, two) cross-sectional changing portions in addition to the bent portion 56b that also serves as the cross-sectional changing portion. . FIG. 8 shows an example in which the cross-sectional area of the flow path is reduced by the bent portion 56b, and enlarged portions 56a and 56c are provided on both the upstream and downstream sides of the flow of combustion gas. It is possible to set as appropriate whether the cross-sectional area of the flow path is expanded or narrowed by the bent portion 56b, or whether the cross-sectional area of the flow path is expanded or narrowed by the cross-sectional change portions 56a and 56c other than the bent portion 56b. The combustion gas Gc that has flowed out of the exhaust combustor 4 is affected by the cross-sectional changes 56a to 56c, and its turbulence is increased, and when it passes through the bent portion 56b, the turbulence is further increased, and the property distribution is further eliminated. is planned.

図8は、第6変形例に係る均質化装置5の概略的な構成を示している。 FIG. 8 shows a schematic configuration of a homogenizing device 5 according to a sixth modification.

第6実施例では、均質化装置5は、その上流側と下流側とのそれぞれについて定められる流れの流路中心線Cu、Cdを互いに交差せずかつ非平行な状態にずらす、燃焼ガス通路15のオフセット部57aにより具現される。ここで、「非平行な状態」とは、平行な状態以外のあらゆる状態をいい、垂直な状態を包含する(図8(a))。さらに、「交差せず」とは、互いに非平行な状態にある流路中心線Cu、Cd同士が同一の平面内にないことをいう(図8(b))。本実施形態では、オフセット部57aは、燃焼ガス通路15を形成する導管に形成された曲げ部57aにより形成される。具体的には、比較的内径が小さい上流側の導管と、これによりも内径が大きい下流側の導管と、が曲げ部57bで接続される。そして、上流側の導管が、下流側の導管に対して側方から、下流側の導管の径方向を定める直線上からずらして接続されることで、オフセット部が形成される。排気燃焼器4を流出した燃焼ガスGcは、上流側の導管を出て、曲げ部57aに進入する際に、周方向の速度成分が助長されることにより乱れが増長され、性状分布の更なる解消が図られる。 In the sixth embodiment, the homogenizer 5 includes a combustion gas passage 15 in which the flow path center lines Cu and Cd defined for the upstream and downstream sides of the homogenizer 5 are shifted so that they do not intersect with each other and are non-parallel. This is realized by the offset portion 57a. Here, the "non-parallel state" refers to any state other than the parallel state, and includes the perpendicular state (FIG. 8(a)). Furthermore, "not intersecting" means that the channel center lines Cu and Cd, which are non-parallel to each other, are not in the same plane (FIG. 8(b)). In this embodiment, the offset portion 57a is formed by a bent portion 57a formed in a conduit forming the combustion gas passage 15. Specifically, the upstream conduit having a relatively small inner diameter and the downstream conduit having a larger inner diameter are connected at the bent portion 57b. An offset portion is formed by connecting the upstream conduit to the downstream conduit from the side so as to be offset from the straight line that defines the radial direction of the downstream conduit. When the combustion gas Gc that has flown out of the exhaust combustor 4 exits the upstream conduit and enters the bent portion 57a, the velocity component in the circumferential direction is promoted, thereby increasing the turbulence and further improving the property distribution. This will be resolved.

図8は、上流側の導管と下流側の導管との接続点(以下、単に「導管の接続点」という)Pcを、下流側の導管に対して鉛直方向上側にオフセットさせ、燃焼ガスを下流側の導管に対してその上半分の領域から導入する場合の例を示すが、これに限らず、導管の接続点Pcを下側にオフセットさせ、燃焼ガスを下流側の導管の下半分の領域から導入することも可能である。 In FIG. 8, the connection point Pc between the upstream conduit and the downstream conduit (hereinafter simply referred to as the "conduit connection point") is offset vertically upward with respect to the downstream conduit, and the combustion gas is transferred downstream. An example is shown in which the combustion gas is introduced from the upper half area of the downstream side conduit, but the present invention is not limited to this. It is also possible to introduce from

図10は、本実施形態に係るアノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および燃焼器4の位置関係を、図1に示す矢印Aの方向からみた側方視により概略的に示し、これらの熱機器2~4に対する均質化装置5の相対的な位置を併せて示している。 FIG. 10 schematically shows the positional relationship of the anode heat exchanger 2, cathode heat exchanger 3, and combustor 4 according to the present embodiment in a side view from the direction of arrow A shown in FIG. The relative position of the homogenizer 5 with respect to these thermal devices 2 to 4 is also shown.

本実施形態では、アノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および燃焼器4が互いに水平方向Hに並べて配置され、これらの熱機器2~4に対し、均質化装置5も、総体的に等しい高さに配置されている。図10(a)は、アノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および燃焼器4が互いに等しい高さにあり、換言すれば、これらの熱機器2~4の鉛直方向の中心が互いに等しい高さにある場合の例を示すが、車上における実際の設置空間との関係で、中心の位置に鉛直方向のずれがあってもよい。均質化装置5は、水平方向Hにおいて、燃焼器4に対してその少なくとも一部(好ましくは、全体)が重なり合っている。 In this embodiment, the anode heat exchanger 2, the cathode heat exchanger 3, and the combustor 4 are arranged side by side in the horizontal direction H, and the homogenization device 5 is also provided as a whole for these thermal devices 2 to 4. is placed at a height equal to In FIG. 10(a), the anode heat exchanger 2, the cathode heat exchanger 3, and the combustor 4 are at the same height. In other words, the vertical centers of these thermal devices 2 to 4 are at the same height as each other. Although an example is shown where the heights are the same, there may be a vertical shift in the center position in relation to the actual installation space on the vehicle. At least a portion (preferably, the entirety) of the homogenizer 5 overlaps the combustor 4 in the horizontal direction H.

図10(a)は、カソード側熱交換器3を中心として、その水平方向Hの各側にアノード側熱交換器2および燃焼器4が備わり、燃焼器4に対し、均質化装置5の全体が水平方向Hに重なる場合の例を示している。しかし、熱機器2~4および均質化装置5の位置関係は、これに限らず、図10(b)に示すように、燃焼器4を中心に置き、アノード側熱交換器2およびカソード側熱交換器3をその両側に配置したり、同図(c)に示すように、燃焼器4を中心とするだけでなく、燃焼器4を両側の熱交換器2、3に対して相対的に上方または下方にオフセットさせて配置したりすることも可能である。均質化装置5は、そのような場合であっても燃焼器4に対して少なくとも一部で重なり合うとよく、図10(b)に示す例では全体が、同図(c)に示す例ではその一部が、燃焼器4に対して水平方向Hに重なり合っている。均質化装置5の一部が重なる例は、例えば、図3に示す実施形態により具現可能である。 FIG. 10A shows an anode heat exchanger 2 and a combustor 4 provided on each side of the cathode heat exchanger 3 in the horizontal direction H. An example is shown in which the two overlap in the horizontal direction H. However, the positional relationship of the thermal devices 2 to 4 and the homogenizer 5 is not limited to this. As shown in FIG. The exchanger 3 may be placed on both sides, or the combustor 4 may be placed relative to the heat exchangers 2 and 3 on both sides, rather than just centered on the combustor 4, as shown in FIG. It is also possible to arrange it offset upward or downward. Even in such a case, it is preferable that the homogenizer 5 overlaps the combustor 4 at least partially, and in the example shown in FIG. A portion thereof overlaps the combustor 4 in the horizontal direction H. An example in which parts of the homogenizing devices 5 overlap can be realized, for example, by the embodiment shown in FIG. 3.

図11は、本実施形態に係るアノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および燃焼器4の、燃料電池スタック1に対する相対位置を、図1に示す矢印Bの方向からみた側方視により概略的に示している。 FIG. 11 shows the relative positions of the anode heat exchanger 2, cathode heat exchanger 3, and combustor 4 according to the present embodiment with respect to the fuel cell stack 1, as viewed from the side in the direction of arrow B shown in FIG. This is shown schematically by

本実施形態では、アノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および燃焼器4が、燃料電池スタック1に対して水平方向Hに並べられ、総体的に等しい高さに配置されている。図11は、アノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および燃焼器4が燃料電池スタック1に対して等しい高さにあり、換言すれば、これらの熱機器2~4の鉛直方向の中心と燃料電池スタック1の鉛直方向の中心とが等しい高さにある場合の例を示すが、車上における実際の設置空間との関係で、中心の位置に鉛直方向のずれがあってもよい。 In this embodiment, the anode heat exchanger 2, the cathode heat exchanger 3, and the combustor 4 are arranged in the horizontal direction H with respect to the fuel cell stack 1, and are generally arranged at the same height. In FIG. 11, the anode heat exchanger 2, cathode heat exchanger 3, and combustor 4 are located at the same height relative to the fuel cell stack 1. In other words, the vertical direction of these thermal devices 2 to 4 is An example is shown in which the center and the vertical center of the fuel cell stack 1 are at the same height, but there may be a vertical deviation in the center position in relation to the actual installation space on the vehicle. .

均質化装置5と燃料電池スタック1との位置関係は、図10に関する説明から理解することが可能である。 The positional relationship between the homogenizer 5 and the fuel cell stack 1 can be understood from the explanation regarding FIG.

(作用効果の説明)
本実施形態に係る燃料電池システムS1は、以上のように構成され、本実施形態により得られる作用および効果について、以下に説明する。
(Explanation of effects)
The fuel cell system S1 according to this embodiment is configured as described above, and the actions and effects obtained by this embodiment will be described below.

第1に、均質化装置5により、燃焼ガス通路15の分岐部152、153を介してアノード側熱交換器2およびカソード側熱交換器3に向かう燃焼ガスの温度性状の均質化を促し、各熱交換器2、3に対し、レイアウト等、構成上の制約によらず、性状分布が抑制された燃焼ガスの供給を可能として、カソード側とアノード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じるのを抑え、システムS1全体での動作効率の向上を図ることができる。 First, the homogenization device 5 promotes homogenization of the temperature properties of the combustion gas flowing toward the anode heat exchanger 2 and the cathode heat exchanger 3 via the branch portions 152 and 153 of the combustion gas passage 15. It is possible to supply combustion gas with suppressed property distribution to the heat exchangers 2 and 3 regardless of configuration constraints such as layout, and the amount of heat recovered by heat exchange between the cathode side and the anode side is biased. This makes it possible to suppress the occurrence of problems and improve the operating efficiency of the entire system S1.

他方で、温度性状の均質化を積極的に促進可能なことで、燃焼ガス通路15の短縮を図り、レイアウトの簡素化を促すことができる。 On the other hand, since homogenization of temperature properties can be actively promoted, the combustion gas passage 15 can be shortened and the layout can be simplified.

第2に、均質化装置5を、燃焼ガスの流れの乱れを増長させる手段として構成したことで、温度性状の均質化を確実に促し、動作効率のより確実な向上を図ることができる。 Second, by configuring the homogenizer 5 as a means for increasing the turbulence in the flow of combustion gas, it is possible to reliably promote homogenization of temperature properties and more reliably improve operating efficiency.

第3に、均質化装置5として、燃料ガス通路15の曲げ部51、52a~52cを設けたことで、均質化の促進を容易に実現することが可能である。 Thirdly, by providing the bent portions 51, 52a to 52c of the fuel gas passage 15 as the homogenizing device 5, it is possible to easily promote homogenization.

第4に、均質化装置5として、燃焼ガス通路15の拡大部53a、54aまたは縮小部53b、54bを設けたことで、燃焼ガス通路15の直線部で均質化の促進を行うことが可能である。 Fourthly, by providing the enlarged portions 53a, 54a or the reduced portions 53b, 54b of the combustion gas passage 15 as the homogenizer 5, it is possible to promote homogenization in the straight portion of the combustion gas passage 15. be.

第5に、均質化装置5として、燃焼ガス通路15のオフセット部57aを設けたことで、流路の断面全体に亘って撹拌を生じさせ、均質化をより適切に促すことが可能である。 Fifth, by providing the offset portion 57a of the combustion gas passage 15 as the homogenization device 5, it is possible to generate stirring over the entire cross section of the flow passage and promote homogenization more appropriately.

第6に、アノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および排気燃焼器4を互いに水平方向Hに並べて配置したことで、高さに制約がある設置空間を有効に利用して、これらの熱機器2~4を効率的に設置することが可能である。 Sixth, by arranging the anode heat exchanger 2, the cathode heat exchanger 3, and the exhaust combustor 4 side by side in the horizontal direction H, the installation space with limited height can be used effectively. It is possible to efficiently install the thermal devices 2 to 4.

さらに、アノード側熱交換器2、カソード側熱交換器3および燃焼器4を、燃料電池スタック1に対して水平方向Hに並べて配置したことで、高さに制約がある設置空間において、燃料電池システムS1を構成する各要素を効率的に設置することが可能である。 Furthermore, by arranging the anode side heat exchanger 2, cathode side heat exchanger 3, and combustor 4 side by side in the horizontal direction H with respect to the fuel cell stack 1, the fuel cell It is possible to efficiently install each element constituting the system S1.

そして、本実施形態によれば、設置空間の制約から燃焼ガス通路15の長さを均質性確保の観点から充分に確保することが困難な場合であっても均質化装置5により燃焼ガスを撹拌させ、温度性状の均質化を促すことができるので、設置空間の制約を克服しながら、動作効率の向上を図ることが可能である。 According to the present embodiment, even when it is difficult to ensure a sufficient length of the combustion gas passage 15 from the viewpoint of ensuring homogeneity due to the restriction of the installation space, the combustion gas is stirred by the homogenizer 5. This makes it possible to promote homogenization of temperature properties, thereby making it possible to improve operating efficiency while overcoming constraints on installation space.

以上の説明では、流路の形状(具体的には、流れの方向および流路断面積)を変更することにより「流れの乱れを増長させる」場合について説明した。流れの乱れは、これに限らず、流路の形状が一定であっても渦流発生器を設置することなどにより増長させることが可能である。この意味で、「流れの乱れを増長させる」ことには、既に存在する乱れを大きくする場合に限らず、新たな乱れを生じさせる場合が含まれる。 In the above description, a case has been described in which the flow turbulence is increased by changing the shape of the flow path (specifically, the direction of the flow and the cross-sectional area of the flow path). The flow turbulence is not limited to this, and even if the shape of the flow path is constant, it can be increased by installing a vortex generator or the like. In this sense, "increasing flow turbulence" includes not only increasing the already existing turbulence but also creating new turbulence.

さらに、以上の説明では、燃焼ガスの流れの乱れを増長させることで、温度性状の均質化を促す場合について説明した。温度性状の均質化は、これに限らず、燃焼ガスの流れに旋回を生じさせることによっても促すことが可能である。図9は、燃焼ガス通路15にスワラまたは静的ミキサ58a、58bを設置する場合の例を示している。均質化装置5は、スワラまたは静的ミキサ58a、58bにより具現される。スワラまたは静的ミキサ58a、58bにより、流路の断面全体に亘って燃焼ガスの流れに周方向の速度成分が付与される。このように、旋回を生じさせる手段によっても性状分布の解消を通じて熱回収量に偏りが生じるのを抑え、動作効率の向上を図ることが可能である。 Further, in the above description, a case has been described in which homogenization of temperature properties is promoted by increasing turbulence in the flow of combustion gas. Homogenization of temperature properties is not limited to this, but can also be promoted by swirling the flow of combustion gas. FIG. 9 shows an example in which swirlers or static mixers 58a and 58b are installed in the combustion gas passage 15. The homogenizer 5 is realized by a swirler or static mixer 58a, 58b. Swirlers or static mixers 58a, 58b impart a circumferential velocity component to the flow of combustion gases over the entire cross-section of the flow path. In this way, even by means of generating swirl, it is possible to suppress unevenness in the amount of heat recovery by eliminating property distribution, and to improve operating efficiency.

図9に示す例では、流れの方向に2段のスワラ58a、58bが設けられているが、スワラまたは静的ミキサ58a、58bの段数は、これに限らず、求められる燃焼ガスの均質性に応じて適宜に設定することが可能である。 In the example shown in FIG. 9, two stages of swirlers 58a and 58b are provided in the direction of flow, but the number of stages of swirlers or static mixers 58a and 58b is not limited to this, and the number of stages may vary depending on the required homogeneity of the combustion gas. It is possible to set it as appropriate.

図12は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムS2の基本的な構成を示している。 FIG. 12 shows the basic configuration of a fuel cell system S2 according to another embodiment of the present invention.

本実施形態に係る燃料電池システムS2も、電動車両に搭載して、当該車両に備わる走行用の電動モータに供給される電力を発生可能であることは、先に述べた実施形態におけると同様である。 Similar to the embodiment described above, the fuel cell system S2 according to the present embodiment can also be installed in an electric vehicle and generate electric power to be supplied to the electric motor for driving provided in the vehicle. be.

本実施形態では、アノードガス供給ライン11に、燃料蒸発器21および燃料改質器22が介装される。燃料蒸発器21および燃料改質器22により、本実施形態に係るアノード側熱交換器2が構成される。アノード側熱交換器2以外にシステムS2に備わる熱機器およびその周辺構造は、先に述べた実施形態におけると同様である。先に述べた実施形態のものと同一の構成要素には、図1に示したのと同一の符号を付し、その再度の説明を省略する。 In this embodiment, the anode gas supply line 11 is provided with a fuel evaporator 21 and a fuel reformer 22 . The fuel evaporator 21 and the fuel reformer 22 constitute the anode side heat exchanger 2 according to this embodiment. Thermal equipment provided in the system S2 other than the anode side heat exchanger 2 and its peripheral structure are the same as in the embodiment described above. Components that are the same as those in the previously described embodiment are given the same reference numerals as shown in FIG. 1, and their repeated explanation will be omitted.

本実施形態において、アノード側熱交換器2は、一次燃料である原燃料の供給を受け、これを処理して、燃料電池での発電反応に用いられる燃料ガスに変換する。この意味で、本実施形態に係るアノード側熱交換器2は、燃料処理器と呼ぶこともできる。原燃料は、含酸素燃料と水との混合物であってよく、アノードガス供給ライン11に接続された、図示しない燃料タンクに貯蔵される。本実施形態に適用可能な原燃料として、エタノールと水との混合物(つまり、エタノール水溶液)を例示することができる。 In this embodiment, the anode side heat exchanger 2 receives a supply of raw fuel, which is a primary fuel, processes it, and converts it into a fuel gas used for a power generation reaction in a fuel cell. In this sense, the anode side heat exchanger 2 according to this embodiment can also be called a fuel processor. The raw fuel may be a mixture of oxygen-containing fuel and water, and is stored in a fuel tank (not shown) connected to the anode gas supply line 11. As the raw fuel applicable to this embodiment, a mixture of ethanol and water (that is, an aqueous ethanol solution) can be exemplified.

燃料蒸発器21は、燃料タンクから原燃料であるエタノール水溶液の供給を受け、高温流体である燃焼ガスによりこれを加熱して蒸発させ、エタノールガスおよび水蒸気を生成する。 The fuel evaporator 21 receives an aqueous solution of ethanol, which is a raw fuel, from a fuel tank, and heats and evaporates it using combustion gas, which is a high-temperature fluid, to generate ethanol gas and water vapor.

燃料改質器22は、原燃料の流れに関して燃料蒸発器21の下流側に配置され、気体の状態にあるエタノールから、水蒸気改質により水素を生成する。水蒸気改質は、次式により表すことができる。生成された水素は、燃料改質器22を出た後、燃料ガスとして燃料電池スタック1に供給される。
25OH+3H2O → 6H2+2CO2 …(2)
The fuel reformer 22 is arranged downstream of the fuel evaporator 21 with respect to the flow of raw fuel, and generates hydrogen from ethanol in a gaseous state by steam reforming. Steam reforming can be expressed by the following equation. After the generated hydrogen exits the fuel reformer 22, it is supplied to the fuel cell stack 1 as fuel gas.
C2H5OH + 3H2O6H2 + 2CO2 ...( 2 )

このように、燃料蒸発器21および燃料改質器22によりアノード側熱交換器2を構成した場合にあっても先に述べたのと同様の効果を得ることが可能である。具体的には、均質化装置5により、燃焼ガス通路15の集合部151を流れる燃焼ガスの性状分布を解消し、カソード側とアノード側とで熱交換により回収される熱量に偏りが生じるのを抑えて、システムS2全体での動作効率の向上を図ることができる。 In this way, even when the anode side heat exchanger 2 is configured by the fuel evaporator 21 and the fuel reformer 22, it is possible to obtain the same effects as described above. Specifically, the homogenizer 5 eliminates the property distribution of the combustion gas flowing through the gathering portion 151 of the combustion gas passage 15, thereby preventing unevenness in the amount of heat recovered by heat exchange between the cathode side and the anode side. This makes it possible to improve the operating efficiency of the entire system S2.

そして、温度性状の均質化を積極的に促進可能なことで、燃焼ガス通路15の短縮を図り、レイアウトの簡素化を促すことができる。 Furthermore, since it is possible to actively promote homogenization of temperature properties, it is possible to shorten the combustion gas passage 15 and promote simplification of the layout.

以上の説明では、燃焼ガスの均質化装置5を燃焼ガス通路15の集合部151に設置する場合について説明した。しかし、均質化装置5を設置する位置についてはこれに限定されるものではなく、排気燃焼器4の燃焼部(換言すれば、燃焼促進触媒が担持された触媒ベッド部)よりも下流側であり、燃焼ガス通路15の分岐点Pdよりも下流側である範囲において、適宜に選択することが可能である。集合部151に限らず、例えば、排気燃焼器4のケーシングの内部にスワラないし静的ミキサを設置するなどして、排気燃焼器4に内蔵させることも可能である。 In the above description, a case has been described in which the combustion gas homogenization device 5 is installed in the gathering portion 151 of the combustion gas passage 15. However, the location where the homogenizer 5 is installed is not limited to this, and may be located downstream of the combustion section of the exhaust combustor 4 (in other words, the catalyst bed section on which the combustion promoting catalyst is supported). , can be appropriately selected within a range downstream of the branch point Pd of the combustion gas passage 15. It is not limited to the gathering part 151, but it is also possible to incorporate a swirler or a static mixer inside the casing of the exhaust combustor 4, for example.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the above embodiments merely show a part of the application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiments. That's not the purpose. Various changes and modifications can be made to the above embodiments within the scope of the claims.

S1、S2…燃料電池システム
1…燃料電池スタック
2…アノード側熱交換器
3…カソード側熱交換器
4…排気燃焼器
5…均質化装置
11…アノードガス供給ライン
12…カソードガス供給ライン
13…オフガス排出ライン(アノードオフガス排出ライン)
14…燃料供給管
15…燃焼ガス通路
151…集合部
152、153…分岐部
21…燃料蒸発器
22…燃料改質器
Pd…分岐部
S1, S2... Fuel cell system 1... Fuel cell stack 2... Anode side heat exchanger 3... Cathode side heat exchanger 4... Exhaust combustor 5... Homogenizer 11... Anode gas supply line 12... Cathode gas supply line 13... Off-gas discharge line (anode off-gas discharge line)
14... Fuel supply pipe 15... Combustion gas passage 151... Collection part 152, 153... Branch part 21... Fuel evaporator 22... Fuel reformer Pd... Branch part

Claims (5)

燃料電池と、
前記燃料電池のオフガスラインに備わる燃焼器と、
前記燃料電池のカソード供給ラインに、前記燃焼器で生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたカソード側熱交換器と、
前記燃料電池のアノード供給ラインに、前記燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたアノード側熱交換器と、
前記燃焼器と前記カソード側およびアノード側の各熱交換器とを接続し、前記燃焼ガスを前記カソード側熱交換器と前記アノード側熱交換器とのそれぞれに案内する燃焼ガス通路であって、前記燃焼器から延びる集合部と、前記集合部を流れる前記燃焼ガスを各熱交換器に向けて分岐させる分岐部と、を有する燃焼ガス通路と、
前記燃焼ガスの流れに関して前記分岐部よりも上流側に設けられ、前記分岐部に向かう前記燃焼ガスの温度性状の均質化を促す、前記燃焼ガスの均質化装置と、
を備え
前記均質化装置が、前記燃焼ガスの流れの乱れを増長させる装置として構成され、
前記均質化装置が、その上流側および下流側について夫々定められる前記流れの流路中心線を互いに交差せずかつ非平行な状態にずらす、前記燃焼ガス通路のオフセット部を有する、
燃料電池システム。
fuel cell and
a combustor provided in the off-gas line of the fuel cell;
a cathode-side heat exchanger configured to be able to operate using combustion gas generated in the combustor as a high-temperature fluid in the cathode supply line of the fuel cell;
an anode-side heat exchanger configured to be operable using the combustion gas as a high-temperature fluid in the anode supply line of the fuel cell;
A combustion gas passage connecting the combustor and each of the cathode side and anode side heat exchangers, and guiding the combustion gas to each of the cathode side heat exchanger and the anode side heat exchanger, a combustion gas passage having a collecting part extending from the combustor, and a branching part that branches the combustion gas flowing through the collecting part toward each heat exchanger;
the combustion gas homogenizing device, which is provided upstream of the branch part with respect to the flow of the combustion gas and promotes homogenization of temperature properties of the combustion gas toward the branch part;
Equipped with
The homogenizing device is configured as a device that increases turbulence in the flow of the combustion gas,
The homogenizer has an offset portion of the combustion gas passage that shifts the flow path center lines of the flow defined on the upstream side and the downstream side thereof so that they do not intersect with each other and are non-parallel to each other.
fuel cell system.
燃料電池と、
前記燃料電池のオフガスラインに備わる燃焼器と、
前記燃料電池のカソード供給ラインに、前記燃焼器で生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたカソード側熱交換器と、
前記燃料電池のアノード供給ラインに、前記燃焼ガスを高温流体として動作可能に構成されたアノード側熱交換器と、
前記燃焼器と前記カソード側およびアノード側の各熱交換器とを接続し、前記燃焼ガスを前記カソード側熱交換器と前記アノード側熱交換器とのそれぞれに案内する燃焼ガス通路であって、前記燃焼器から延びる集合部と、前記集合部を流れる前記燃焼ガスを各熱交換器に向けて分岐させる分岐部と、を有する燃焼ガス通路と、
前記燃焼ガスの流れに関して前記分岐部よりも上流側に設けられ、前記分岐部に向かう前記燃焼ガスの温度性状の均質化を促す、前記燃焼ガスの均質化装置と、
を備え、
前記均質化装置が、前記燃焼ガスの流れに旋回を生じさせる装置として構成される、
料電池システム。
fuel cell and
a combustor provided in the off-gas line of the fuel cell;
a cathode-side heat exchanger configured to be able to operate using combustion gas generated in the combustor as a high-temperature fluid in the cathode supply line of the fuel cell;
an anode-side heat exchanger configured to be operable using the combustion gas as a high-temperature fluid in the anode supply line of the fuel cell;
A combustion gas passage connecting the combustor and each of the cathode side and anode side heat exchangers, and guiding the combustion gas to each of the cathode side heat exchanger and the anode side heat exchanger, a combustion gas passage having a collecting part extending from the combustor, and a branching part that branches the combustion gas flowing through the collecting part toward each heat exchanger;
the combustion gas homogenizing device, which is provided upstream of the branch part with respect to the flow of the combustion gas and promotes homogenization of temperature properties of the combustion gas toward the branch part;
Equipped with
The homogenizing device is configured as a device that generates swirl in the flow of the combustion gas,
fuel cell system.
前記カソード側熱交換器と前記アノード側熱交換器とが、前記燃焼器に対して水平方向に配置された、
請求項1~のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
The cathode side heat exchanger and the anode side heat exchanger are arranged horizontally with respect to the combustor.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 2 .
前記燃焼器、前記カソード側熱交換器および前記アノード側熱交換器が、前記燃料電池に対して水平方向に配置された、
請求項に記載の燃料電池システム。
the combustor, the cathode heat exchanger, and the anode heat exchanger are arranged horizontally with respect to the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 3 .
前記燃焼器が、燃焼促進触媒が担持された燃焼部を有し、
前記均質化装置が、前記燃焼ガスの流れに関して前記燃焼部よりも下流側に設けられた、
請求項1~のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
The combustor has a combustion part on which a combustion promoting catalyst is supported,
The homogenizing device is provided downstream of the combustion section with respect to the flow of the combustion gas,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 .
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