TW202103363A - 燃料電池系統 - Google Patents

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Abstract

本發明的燃料電池系統（1）包括：重整器（22）、多個電池堆（23）及廢氣燃燒器（24）。重整器（22）為沿軸向延伸的筒狀，對原燃料進行重整而生成燃料氣體。多個電池堆（23）使用燃料氣體及氧化劑氣體來進行發電。多個電池堆（23）於重整器（22）的徑向外側沿周向並排配置，且於徑向上與重整器（22）相向。廢氣燃燒器（24）使來自多個電池堆（23）的廢氣中所包含的未利用的燃料氣體燃燒。廢氣燃燒器（24）配置於重整器（22）的徑向內側，且於徑向上與重整器（22）相向。多個電池堆（23）分別包括沿徑向積層的多個平板狀的電池。藉此，可實現燃料電池系統（1）的小型化。

Description

燃料電池系統
本發明是有關於一種燃料電池系統。 [關聯申請案的參照] 本申請案主張源於2019年7月10日提出申請的日本專利申請案JP2019-128235的優先權的利益，該申請案的全部揭示併入本申請案中。
先前，提出了利用燃料電池進行發電的各種燃料電池系統。例如，於日本專利特表平8-506691號公報（文獻1）的固體氧化物型燃料電池系統中，呈環狀配置的多個電池堆收納於容器中，生成燃料氣體的重整器配置於容器的外部。於日本專利第6258037號公報（文獻2）的高溫燃料電池裝置中，多個高溫燃料電池堆配置成圓筒狀，重整器配置於該多個高溫燃料電池堆的徑向內側的空間中。於重整器中生成的燃料氣體中的未於高溫燃料電池堆中消耗的燃料氣體（即，負極廢氣）被排出至高溫燃料電池裝置的外部而燃燒。於日本專利第6138356號公報（文獻3）的固體氧化物型燃料電池發電系統中，多個單堆與多個重整器呈環狀交替地配置。
此外，於文獻1中，重整器中的燃料氣體的生成為吸熱反應，因此於容器的外部需要用於對重整器進行加熱的加熱裝置。於文獻2中，藉由來自多個高溫燃料電池堆的排熱來對重整器進行加熱，但高溫燃料電池裝置中的排熱的利用不充分。對於文獻3亦同樣。另外，於文獻3的固體氧化物型燃料電池發電系統中，重整器的數量變多，連接配管亦增加，因此發電系統的結構複雜化，從而有發電系統大型化之虞。
本發明是鑒於上述課題而成，其目的在於實現燃料電池系統的小型化。
本發明面向燃料電池系統。本發明較佳的一形態的燃料電池系統包括：重整器，為沿軸向延伸的筒狀，對原燃料進行重整而生成燃料氣體；多個電池堆，於所述重整器的徑向外側沿周向並排配置且於徑向上與所述重整器相向，使用所述燃料氣體及氧化劑氣體進行發電；廢氣燃燒器，配置於所述重整器的徑向內側且於徑向上與所述重整器相向，使來自所述多個電池堆的廢氣中所包含的未利用的所述燃料氣體燃燒。所述多個電池堆分別包括沿徑向積層的多個平板狀的電池。
根據所述燃料電池系統，可實現燃料電池系統的小型化。
較佳為：所述廢氣燃燒器於徑向上與所述重整器中進行所述原燃料的供給的供給埠附近的部位相向。
較佳為：所述多個電池堆包括沿所述軸向跨越三段以上排列的多段電池堆群組。所述多段電池堆群組中的除所述軸向上的兩端以外的至少一段電池堆群組於徑向上與所述重整器中進行所述原燃料的供給的供給埠附近的部位相向。
較佳為：所述燃料電池系統更包括燃燒氣體流路，所述燃燒氣體流路使自所述廢氣燃燒器排出的燃燒氣體通過所述重整器的內部。
較佳為：所述燃燒氣體流路為於所述重整器內沿所述軸向延伸的U字狀。
較佳為：所述燃燒氣體流路內的所述燃燒氣體的流動方向與所述重整器內的氣體的流動方向為相反方向。
較佳為：所述燃料電池系統更包括壓力容器，所述壓力容器將所述重整器、所述多個電池堆及所述廢氣燃燒器收納於密閉的內部空間中。所述多個電池堆分別包括將正極廢氣向所述壓力容器的所述內部空間排出的正極排出口。
較佳為：所述燃料電池系統更包括壓力容器，所述壓力容器將所述重整器、所述多個電池堆及所述廢氣燃燒器收納於密閉的內部空間中；以及氧化劑氣體流路，配置於所述壓力容器的周圍且與所述壓力容器相向，並且供向所述多個電池堆供給的所述氧化劑氣體流動。
較佳為：所述燃料電池系統更包括廢氣流路，所述廢氣流路與所述氧化劑氣體流路鄰接而配置，供自所述壓力容器排出的正極廢氣或自所述廢氣燃燒器排出的燃燒氣體流動。
較佳為：所述多個電池堆分別為固體氧化物型的燃料電池。
上述目的及其他目的、特徵、態樣及優點藉由以下參照隨附的圖式而進行的本發明的詳細的說明而明確。
圖1是表示本發明一實施形態的燃料電池系統1的結構的圖。燃料電池系統1是使用燃料電池進行發電的發電系統。燃料電池系統1包括：熱模組2、原燃料供給部4、及鼓風機51。
圖2是表示熱模組2的縱剖面圖。圖3及圖4分別是於圖2中的III-III及IV-IV的位置將熱模組2切斷而成的橫剖面圖。熱模組2包括：殼體21、重整器22、多個電池堆23、廢氣燃燒器24、及壓力容器25。於圖2中，用側面描繪了結構的一部分。另外，於圖2中，用虛線描繪殼體21，於圖3及圖4中省略殼體21的圖示。
壓力容器25例如是由不鏽鋼等金屬形成的中空的容器。壓力容器25例如是以中心軸J1為中心的有蓋有底的大致圓筒狀容器。於以下的說明中，將中心軸J1延伸的方向稱為「軸向」。於圖2所示的例子中，該軸向與上下方向大致平行。於壓力容器25的密閉的內部空間250中收納有重整器22、多個電池堆23及廢氣燃燒器24。於壓力容器25的內部，可亦收納有燃燒器等熱供給部（圖示省略），所述燃燒器等熱供給部於燃料電池系統1的起動運轉時等對重整器22及多個電池堆23進行加熱。
於燃料電池系統1的輸出約為20 kW的情況下，壓力容器25的直徑及高度分別為例如65 cm～100 cm、及100 cm～200 cm。於燃料電池系統1設置於辦公大樓的樓頂等的情況下，壓力容器25較佳為設為能夠藉由電梯等搬入至樓頂的尺寸。再者，燃料電池系統1的輸出及壓力容器25的大小等能夠進行各種變更。
壓力容器25收納於殼體21的內部空間。殼體21例如為大致長方體狀的框體。殼體21的內表面由隔熱性相對較高的隔熱材料（例如，石棉）形成。作為殼體21，例如利用藉由隔熱材料覆蓋金屬製的容器的整個內表面而成者。
重整器22於壓力容器25內，配置於以中心軸J1為中心的徑向（以下，亦簡稱為「徑向」）的中央部。重整器22對原燃料進行重整而生成包含燃料氣體的重整氣體。原燃料例如是烴系燃料。原燃料亦可為烴系燃料以外的各種燃料。作為原燃料，例如可利用液化石油（Liquified Petroleum，LP）氣體、都市煤氣、天然氣、煤油、生物氣體或生物乙醇等。於重整器22中，例如藉由水蒸氣重整法、部分氧化重整法、或作為它們的組合的自熱重整法等進行原燃料的重整。重整器22中的原燃料的重整整體上是吸熱反應。
重整器22是以中心軸J1為中心沿軸向延伸的大致筒狀的構件。於圖2至圖4所示的例子中，重整器22包括第一重整流路221及第二重整流路222。如標註平行斜線所示般，於第一重整流路221及第二重整流路222的內部收納有原燃料的重整所利用的重整觸媒223。第一重整流路221是以中心軸J1為中心的大致圓筒狀的流路。第二重整流路222於第一重整流路221的徑向內側，於徑向上與第一重整流路221鄰接而配置。第二重整流路222是以中心軸J1為中心的大致圓柱狀的流路。第二重整流路222的軸向上的長度較第一重整流路221的軸向上的長度短，第二重整流路222於徑向上與第一重整流路221的上部相向。因此，重整器22的下部為大致圓筒狀，重整器22的上部為大致圓柱狀。
於第一重整流路221的下端部，設置有以中心軸J1為中心的大致圓環狀的緩衝流路224。於緩衝流路224設置有供給埠225。供給埠225經由圖1所示的原燃料供給管291連接於殼體21的外部所配置的原燃料供給部4。
原燃料供給部4對重整器22（參照圖2）供給原燃料及水蒸氣。原燃料供給部4包括：原燃料供給源41、雜質去除部42及水蒸氣供給部3。雜質去除部42配置於原燃料供給管291上，自原燃料去除雜質（例如，硫系雜質），所述原燃料是自原燃料供給源41供給至重整器22。
水蒸氣供給部3包括：水供給部31、水蒸氣生成部32、及凝結部33。水供給部31對水蒸氣生成部32供給水。具體而言，水供給部31包括：水儲存部311、泵312、及水供給管313。水儲存部311是儲存水（例如，純水）的槽。水儲存部311經由水供給管313連接於水蒸氣生成部32。泵312設置於水供給管313上，將水儲存部311中所儲存的水供給至水蒸氣生成部32。
凝結部33於燃料電池系統1的定常運轉時將廢氣中的水蒸氣凝結而生成水，並將其經由水供給部31供給至水蒸氣生成部32。所謂上述的定常運轉，是指燃料電池系統1以規定的輸出定常地進行發電的運轉狀態。該規定的輸出是燃料電池系統1的額定輸出，或小於額定輸出的一定的輸出。另外，所謂已述的起動運轉，是指自起動時至該定常運轉為止（即，電池堆23的輸出達到定常運轉輸出而穩定為止）的燃料電池系統1的運轉狀態。
水蒸氣生成部32是對自水供給部31供給的水進行加熱而生成水蒸氣的蒸發器。水蒸氣生成部32經由水蒸氣供給管321連接於原燃料供給管291。水蒸氣供給管321於較設置於原燃料供給管291上的熱交換器71更靠上游（具體而言，於熱交換器71與雜質去除部42之間），連接於原燃料供給管291。來自水蒸氣生成部32的水蒸氣與通過了雜質去除部42的原燃料一起通過熱交換器71，而被供給至圖2至圖4所示的重整器22的供給埠225。
多個電池堆23於重整器22的徑向外側，於以中心軸J1為中心的周向（以下，亦簡稱為「周向」）並排配置。多個電池堆23於徑向上與重整器22相向。於圖2至圖4所示的例子中，燃料電池系統1包括24個電池堆23。該24個電池堆23安裝於六片支持板239的外側面，所述六片支持板239包圍重整器22的周圍且配置成大致六角筒狀。於各支持板239安裝有沿軸向以大致等間隔排列的四個電池堆23。
若將軸向上的位置大致相同的六個電池堆23統稱為「電池堆群組231」，則多個電池堆23包括沿軸向排列的四段電池堆群組231。於各電池堆群組231中，六個電池堆23於周向上以大致等角度間隔排列。各電池堆群組231中所包含的電池堆23的數量及配置等亦可進行各種變更。另外，電池堆群組231的段數亦可進行各種變更。再者，電池堆群組231的段數較佳為三段以上。
多個電池堆23分別為多個平板狀的電池（單電池）沿徑向積層而成的固體氧化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。各電池堆23的形狀例如為大致長方體狀。各電池堆23的徑向（即，水平方向）的厚度較縱向及橫向的長度小。換言之，各電池堆23為主面的法線方向與徑向大致平行的大致平板狀。
向各電池堆23的負極（陽極）供給於重整器22中生成的燃料氣體。各電池堆23的正極（陰極）經由圖1所示的氧化劑氣體供給管293連接於殼體21的外部所配置的鼓風機51。藉由鼓風機51向各電池堆23的正極供給包含作為氧化劑氣體的氧氣的空氣。即，鼓風機51為向電池堆23供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給部。
於各電池堆23中，利用來自鼓風機51的氧化劑氣體與來自重整器22的燃料氣體產生電化學反應，進行發電。換言之，各電池堆23使用燃料氣體及氧化劑氣體進行發電。電池堆23中的電化學反應（即，發電）是發熱反應。利用電池堆23進行的發電例如是於600℃～1000℃的高溫下進行。上述燃料氣體例如是氫氣。氧化劑氣體例如是氧氣。燃料氣體亦可為氫氣以外的各種氣體，氧化劑氣體亦可為氧氣以外的各種氣體。各電池堆23中的發電後的廢氣被引導至圖2至圖4所示的廢氣燃燒器24。
廢氣燃燒器24配置於重整器22的徑向內側。具體而言，廢氣燃燒器24位於重整器22的大致圓筒狀的下部的徑向內側，於徑向上與重整器22的該下部相向。廢氣燃燒器24例如為以中心軸J1為中心的大致圓柱狀的部位。廢氣燃燒器24使自多個電池堆23排出的廢氣燃燒。如標註平行斜線所示般，於廢氣燃燒器24的內部收納有廢氣的燃燒所利用的燃燒觸媒241。於廢氣燃燒器24中，自各電池堆23的正極及負極分別排出的正極廢氣及負極廢氣藉由通過燃燒觸媒241而燃燒。藉此，負極廢氣中所包含的未利用的燃料氣體（即，未被電池堆23中的發電消耗的剩餘的燃料氣體，以下，亦稱為「未利用燃料氣體」）燃燒。廢氣燃燒器24中的廢氣的燃燒是發熱反應。
自廢氣燃燒器24排出的燃燒完畢的廢氣（以下，亦稱為「燃燒氣體」）藉由連接於廢氣燃燒器24的上端部的多個（例如，20條）燃燒氣體流路242通過重整器22的內部。具體而言，各燃燒氣體流路242於重整器22內，自廢氣燃燒器24的上端部於第二重整流路222內沿軸向（即，上方）延伸，於第二重整流路222的上方折回大致180°，且於第一重整流路221內沿軸向（即，下方）延伸。換言之，各燃燒氣體流路242是於重整器22內沿軸向延伸的大致U字狀的管路。於第一重整流路221內，多個燃燒氣體流路242例如以大致等角度間隔沿周向排列。燃燒氣體流路242的條數可進行各種變更。燃燒氣體流路242的條數例如可為一條，亦可為兩條以上。
接下來，參照圖1及圖5對利用燃料電池系統1進行的發電的詳細情況進行說明。圖5是用於說明壓力容器25的內部的氣體的流動的圖。於圖5中，為了容易理解圖，用虛線描繪燃料電池系統1的結構的一部分，省略了一部分結構的圖示。另外，於圖5中，用箭頭僅示出了與多個電池堆23中的一個電池堆23相關的氣體的流動。
於燃料電池系統1中，自原燃料供給源41供給的原燃料（例如，都市煤氣）及自水蒸氣生成部32供給的水蒸氣經由原燃料供給管291及供給埠225，被供給至重整器22的緩衝流路224。原燃料及水蒸氣於緩衝流路224中沿周向大致均等地擴展，於第一重整流路221內與重整觸媒223接觸同時向上方流動。於第一重整流路221內，藉由水蒸氣重整法利用水蒸氣於高溫下對原燃料進行重整，生成包含作為燃料氣體的氫氣的重整氣體。
通過了第一重整流路221的重整氣體於第一重整流路221的上方向下方折回，於第二重整流路222內與重整觸媒223接觸同時向下方流動。與第一重整流路221內同樣地，於第二重整流路222內，亦利用水蒸氣藉由水蒸氣重整法於高溫下對重整氣體中所包含的原燃料進行重整，生成燃料氣體。重整器22的第一重整流路221及第二重整流路222中的重整氣體的生成如上所述般為吸熱反應。該吸熱反應是於氣體中的原燃料的含有率高的供給埠225附近的部位（例如，第一重整流路221的下半部分的部位）特別強烈地發生。換言之，於重整器22中，供給埠225附近的部位的吸熱量較其他部位的吸熱量大。自第二重整流路222的下端部送出的重整氣體經由配管281被供給至各電池堆23的負極。
另一方面，如上所述，經由氧化劑氣體供給管293向各電池堆23的正極供給來自鼓風機51的氧化劑氣體（準確地說是包含作為氧化劑氣體的氧氣的空氣）。如上所述，於各電池堆23中，利用被供給至負極的燃料氣體及被供給至正極的氧化劑氣體進行發電。電池堆23中的發電如上所述般為發熱反應。於多個電池堆23中產生的熱被賦予至於徑向上與多個電池堆23相向的重整器22，用於作為吸熱反應的原燃料的重整。
如上所述，多個電池堆23包括四段電池堆群組231。於位於軸向上的兩端的電池堆群組231（即，最上段及最下段的電池堆群組231）中，於軸向上的其中一側不存在電池堆群組231，因此與其他電池堆群組231相比，熱容易在某種程度上散發。另一方面，於除軸向上的兩端以外的電池堆群組231中，於軸向的兩個方向與其他電池堆群組231鄰接，因此熱難以散發，從而存在於發電中成為高溫的傾向。
於圖5所示的例子中，於重整器22中吸熱量大的供給埠225附近的部位（例如，第一重整流路221的下半部分的部位）與多段電池堆群組231中的溫度相對較高的軸向中央的兩段電池堆群組231於徑向上相向。藉此，可效率良好地將熱自多個電池堆23賦予至重整器22。其結果，可效率良好地進行重整器22中的原燃料的重整。
另外，於電池堆23中，當發電時的溫度增大時，發電效率增大，另一方面，電池壽命變短。如上所述，藉由使與軸向上的兩端相比成為高溫的中央的電池堆群組231和重整器22的吸熱反應大的部位相向，可降低該中央的電池堆群組231的溫度。藉此，可提高發電時的多個電池堆23的溫度均勻性，從而可提高多個電池堆23的壽命的均勻性。再者，與重整器22的供給埠225附近的部位相向的電池堆群組231未必限定於中央的兩段電池堆群組231，只要為多段電池堆群組231中的除軸向上的兩端以外的至少一段電池堆群組231即可。
於各電池堆23中，朝向壓力容器25的內部空間250開口的正極排出口（圖示省略）設置於正極。自各電池堆23的正極經由正極排出口直接排出至壓力容器25的內部空間250的氣體（即，正極廢氣）遍及內部空間250的大致整體擴散。因此，電池堆23的內部的壓力與壓力容器25的內部空間250的壓力大致相同。藉此，可抑制氣體（例如，向正極供給且到達正極排出口之前的氧化劑氣體）自電池堆23的內部漏出。另外，可抑制氣體亦自電池堆23與配管的連接部、及壓力容器25內的配管彼此的連接部等漏出。擴散至壓力容器25的內部空間250的正極廢氣藉由一端朝向內部空間250開口的配管283被供給至廢氣燃燒器24的下端部。
另外，於各電池堆23中，自負極排出的氣體（即，負極廢氣）經由配管282被供給至廢氣燃燒器24的下端部。負極廢氣中包含藉由將作為燃料氣體的氫氣用於電池堆23中的發電而生成的水蒸氣、及未用於電池堆23中的發電的上述未利用燃料氣體等。
於廢氣燃燒器24中，由配管283、配管282供給的正極廢氣及負極廢氣於廢氣燃燒器24內與燃燒觸媒241接觸同時向上方流動。如上所述，於廢氣燃燒器24內，負極廢氣中所包含的未利用燃料氣體（例如，氫氣）燃燒，生成水蒸氣。於廢氣燃燒器24中燃燒的高溫的氣體（以下，亦稱為「燃燒氣體」）自廢氣燃燒器24的上端部被送出，並被引導至多個燃燒氣體流路242。然而，為了容易理解圖，於圖5中僅描繪了一條燃燒氣體流路242，省略了其他燃燒氣體流路242的圖示。燃燒氣體於通過重整器22的內部的各燃燒氣體流路242內向上方流動後，向下方流動。
於重整器22的內部，將熱自於各燃燒氣體流路242內流動的高溫的燃燒氣體賦予至周圍（即，於重整觸媒223及重整器22內流動的氣體）。藉此，可效率良好地進行重整器22中的原燃料的重整。自燃燒氣體流路242送出的燃燒氣體（即，通過了重整器22後的燃燒氣體）經由配管285被引導至壓力容器25的外部，並被排出至殼體21的外部。
廢氣燃燒器24中的未利用燃料氣體等的燃燒如上所述般為發熱反應。於廢氣燃燒器24中產生的熱被賦予至於徑向上與廢氣燃燒器24相向的重整器22，用於作為吸熱反應的原燃料的重整。於圖5所示的例子中，於重整器22中吸熱量大的供給埠225附近的部位（例如，第一重整流路221的下半部分的部位）、與廢氣燃燒器24的設置有燃燒觸媒241的部位於徑向上相向。藉此，可效率良好地將熱自廢氣燃燒器24賦予至重整器22。其結果，可進一步效率良好地進行重整器22中的原燃料的重整。
藉由配管285自壓力容器25排出的燃燒氣體於殼體21外，被燃燒氣體管292引導至圖1所示的熱交換器71。如上所述，熱交換器71配置於原燃料供給管291上。於熱交換器71中，利用於燃燒氣體管292中流動的高溫的燃燒氣體，對自原燃料供給源41及水蒸氣生成部32供給至重整器22的原燃料及水蒸氣進行預加熱。即，熱交換器71是對原燃料進行預加熱的原燃料預熱器。
通過了熱交換器71的燃燒氣體被燃燒氣體管292引導至上述的凝結部33。於凝結部33中，燃燒氣體中的水蒸氣凝結而生成水。由凝結部33生成的水經由水供給管331被輸送至水供給部31的水儲存部311，水儲存部311內的水藉由泵312被供給至水蒸氣生成部32。通過了凝結部33的燃燒氣體經由燃燒氣體管294被排出至系統外（即，燃料電池系統1的外部）。
於燃料電池系統1中，如上所述，將多個電池堆23及廢氣燃燒器24中產生的熱賦予至重整器22，並用於原料的重整。另外，利用燃燒氣體進行向重整器22供給的原燃料及水蒸氣的預加熱。藉由該些熱的利用，於燃料電池系統1中，能夠於系統內生成定常運轉時於系統內所需要的熱，同時進行定常運轉。換言之，於定常運轉時的燃料電池系統1中，能夠進行熱獨立運轉。
於燃料電池系統1中，藉由將燃燒氣體中所包含的水蒸氣用於在重整器22中進行的水蒸氣重整，亦能夠於系統內生成定常運轉時於系統內所需要的水蒸氣，同時進行定常運轉。換言之，於定常運轉時的燃料電池系統1中，亦能夠進行水獨立運轉。
如以上所說明般，燃料電池系統1包括：重整器22、多個電池堆23、及廢氣燃燒器24。重整器22為沿軸向延伸的筒狀，對原燃料進行重整而生成燃料氣體。多個電池堆23使用燃料氣體及氧化劑氣體進行發電。多個電池堆23於重整器22的徑向外側沿周向排列配置，且於徑向上與重整器22相向。廢氣燃燒器24使來自多個電池堆23的廢氣中所包含的未利用的燃料氣體燃燒。廢氣燃燒器24配置於重整器22的徑向內側，且於徑向上與重整器22相向。多個電池堆23分別包括沿徑向積層的多個平板狀的電池。
於燃料電池系統1中，藉由利用產生發熱反應的多個電池堆23及廢氣燃燒器24於徑向上夾著產生吸熱反應的重整器22，可於重整器22與多個電池堆23及廢氣燃燒器24之間效率良好地進行熱交換。其結果，可提高燃料電池系統1的發電效率。另外，藉由將各電池堆23配置成多個電池沿徑向積層，可實現燃料電池系統1於與軸向垂直的方向上的小型化。換言之，可使燃料電池系統1於徑向上小型化，而使燃料電池系統1的佔用空間小型化。進而，藉由燃料電池系統1的小型化，可降低自燃料電池系統1向周圍的散熱，因此亦可進一步提高燃料電池系統1的發電效率。
如上所述，於燃料電池系統1中，可於重整器22與多個電池堆23及廢氣燃燒器24之間效率良好地進行熱交換，因此關於燃料電池系統1的結構，多個電池堆23分別為固體氧化物型的燃料電池，特別適合於在高溫下進行發電的燃料電池系統。
如上所述，廢氣燃燒器24較佳為於徑向上與重整器22中進行原燃料的供給的供給埠225附近的部位相向。如此，藉由使重整器22中的吸熱反應大的部位與廢氣燃燒器24相向，可效率良好地進行重整器22與廢氣燃燒器24之間的熱交換。
如上所述，多個電池堆23較佳為包括沿軸向跨越三段以上配置的多段電池堆群組231。另外，較佳為多段電池堆群組231中的除軸向上的兩端以外的至少一段電池堆群組231於徑向上與重整器22中進行原燃料的供給的供給埠225附近的部位相向。如此，藉由使重整器22中的吸熱反應大的部位與多段電池堆群組231中的溫度相對較高的電池堆群組231相向，可效率良好地進行重整器22與多個電池堆23之間的熱交換。另外，如上所述，可提高多個電池堆群組231的溫度均勻性，因此亦可提高多個電池堆23的壽命的均勻性。
如上所述，燃料電池系統1較佳為更包括燃燒氣體流路242，所述燃燒氣體流路242使自廢氣燃燒器24排出的燃燒氣體通過重整器22的內部。藉此，可效率良好地將於燃燒氣體流路242中流動的燃燒氣體的熱賦予至重整器22。其結果，可提高重整器22中的原燃料的重整效率。
如上所述，燃燒氣體流路242較佳為於重整器22內沿軸向延伸的U字狀。藉此，可增大重整器22內的燃燒氣體流路242的長度，從而可進一步效率良好地將燃燒氣體的熱賦予至重整器22。進而，藉由使用U字狀的管路，亦可緩和於燃燒氣體流路242的兩端部產生的熱應力。其結果，可藉由簡單的結構進一步提高重整器22中的原燃料的重整效率。
如上所述，燃燒氣體流路242內的燃燒氣體的流動方向較佳為與重整器22內的氣體的流動方向為相反方向。換言之，較佳為藉由燃燒氣體流路242內的燃燒氣體的流動及重整器22內的氣體的流動來形成逆流。於燃料電池系統1中，重整器22內的上游側的氣體的溫度較下游側的氣體的溫度低。另一方面，燃燒氣體流路242的上游側（即，重整器22的下游側）的燃燒氣體的溫度較燃燒氣體流路242的下游側（即，重整器22的上游側）的燃燒氣體的溫度高。因此，藉由使燃燒氣體與重整器22內的氣體的流動方向為相反方向，可使重整器22的上游側的重整器22與燃燒氣體的溫度差接近重整器22的下游側的重整器22與燃燒氣體的溫度差。換言之，可遍及重整器22的大致全長使重整器22與燃燒氣體的溫度差為大致一定。藉此，可進一步效率良好地將燃燒氣體的熱賦予至重整器22。其結果，可進一步提高重整器22中的原燃料的重整效率。
如上所述，燃料電池系統1較佳為更包括壓力容器25，所述壓力容器25將重整器22、多個電池堆23及廢氣燃燒器24收納於密閉的內部空間250中。另外，多個電池堆23較佳為分別包括將正極廢氣排出至壓力容器25的內部空間250的正極排出口。藉此，可減小電池堆23的內部壓力與壓力容器25內的電池堆23周圍的壓力之差。其結果，可抑制氣體自電池堆23漏出。另外，可抑制氣體亦自電池堆23與配管的連接部、及壓力容器25內的配管彼此的連接部等漏出。
如圖6及圖7所示，於燃料電池系統1中，可設置有配置於壓力容器25的周圍的氧化劑氣體預熱器73。氧化劑氣體預熱器73例如為以中心軸J1為中心的大致圓筒狀的中空構件，與壓力容器25的外側面接觸（或接近）地安裝，且於徑向上與壓力容器25相向。於圖7中，為了圖示方便，省略了壓力容器25內的一部分結構的圖示。
氧化劑氣體預熱器73包括：預熱器本體731、氧化劑氣體流路732、及廢氣流路733。於圖7中，為了容易理解圖，對氧化劑氣體流路732標註平行斜線。預熱器本體731是氧化劑氣體預熱器73的框體，且如上所述，為以中心軸J1為中心的大致圓筒狀。預熱器本體731的內部被大致圓弧狀的隔離壁734劃分成內周部及外周部。於預熱器本體731中，內周部與外周部於周向的一部分上連通。另外，預熱器本體731的內部於周向上被隔離壁分割成約一半。
氧化劑氣體流路732為配置於預熱器本體731的內部的配管。氧化劑氣體流路732跨及預熱器本體731的周向上的約一半的區域設置。具體而言，氧化劑氣體流路732於預熱器本體731的外周部跨及約180°延伸，向預熱器本體731的內周部折回，於該內周部跨及約180°延伸。氧化劑氣體流路732的其中一個端部於預熱器本體731的外側面連接於氧化劑氣體供給管293。另外，氧化劑氣體流路732的另一個端部貫穿預熱器本體731的內側面且連接於電池堆23的正極。
於氧化劑氣體流路732，流動有自鼓風機51（參照圖1）供給至多個電池堆23的途中的氧化劑氣體（即，向多個電池堆23供給之前的氧化劑氣體）。氧化劑氣體自氧化劑氣體流路732的外周部流向內周部，並自氧化劑氣體預熱器73引導至壓力容器25。氧化劑氣體流路732配置於壓力容器25的周圍且與壓力容器25相向，因此藉由自壓力容器25向外部放出的熱，對於氧化劑氣體流路732內流動的氧化劑氣體進行預加熱。
再者，於燃料電池系統1中，與多個電池堆23分別對應的多個氧化劑氣體流路732配置於預熱器本體731的內部。於圖6中，用實線描繪一個氧化劑氣體流路732，用虛線描繪另一個氧化劑氣體流路732。
廢氣流路733是預熱器本體731的內部空間中的除多個氧化劑氣體流路732以外的區域。換言之，廢氣流路733於預熱器本體731內與氧化劑氣體流路732鄰接而配置。與氧化劑氣體流路732同樣地，廢氣流路733亦於預熱器本體731的外周部跨及約180°延伸，向預熱器本體731的內周部折回，於該內周部跨及約180°延伸。廢氣流路733於預熱器本體731的內側面連接於配管285，並經由燃燒氣體流路242連接於廢氣燃燒器24。於廢氣流路733流動有自廢氣燃燒器24經由燃燒氣體流路242排出至壓力容器25外的高溫的燃燒氣體。燃燒氣體自廢氣流路733的內周部流向外周部，自氧化劑氣體預熱器73排出至外部，於燃燒氣體管292中流動。燃燒氣體的熱被賦予至通過廢氣流路733的氧化劑氣體流路732內的氧化劑氣體。藉此，對自鼓風機51供給至電池堆23的氧化劑氣體進行預加熱。
如以上所說明般，於圖6及圖7所示的例子中，燃料電池系統1除包括上述重整器22、多個電池堆23及廢氣燃燒器24以外，更包括壓力容器25及氧化劑氣體流路732。壓力容器25將重整器22、多個電池堆23及廢氣燃燒器24收納於密閉的內部空間250中。氧化劑氣體流路732配置於壓力容器25的周圍且與壓力容器25相向。於氧化劑氣體流路732流動有向多個電池堆23供給的氧化劑氣體。藉此，可將自壓力容器25放出至外部的熱賦予至氧化劑氣體而對氧化劑氣體進行預加熱。其結果，可提高燃料電池系統1的發電效率。
如上所述，燃料電池系統1較佳為更包括與氧化劑氣體流路732鄰接而配置的廢氣流路733，於廢氣流路733流動有自廢氣燃燒器24排出的燃燒氣體。藉此，可將燃燒氣體的熱亦賦予至氧化劑氣體而對氧化劑氣體進行預加熱。其結果，可進一步提高燃料電池系統1的發電效率。
如上所述，氧化劑氣體流路732內的氧化劑氣體的流動方向較佳為與廢氣流路733內的氣體的流動方向為相反方向。換言之，較佳為藉由氧化劑氣體流路732內的氧化劑氣體的流動及廢氣流路733內的燃燒氣體的流動來形成逆流。於燃料電池系統1中，氧化劑氣體流路732內的上游側的氧化劑氣體的溫度較下游側的氧化劑氣體的溫度低。另一方面，廢氣流路733的上游側（即，氧化劑氣體流路732的下游側）的燃燒氣體的溫度較廢氣流路733的下游側（即，氧化劑氣體流路732的上游側）的燃燒氣體的溫度高。因此，藉由使氧化劑氣體與燃燒氣體的流動方向為相反方向，可使氧化劑氣體流路732的上游側的氧化劑氣體與燃燒氣體的溫度差接近氧化劑氣體流路732的下游側的氧化劑氣體與燃燒氣體的溫度差。換言之，可遍及氧化劑氣體流路732的大致全長使氧化劑氣體與燃燒氣體的溫度差為大致一定。藉此，可進一步效率良好地將燃燒氣體的熱賦予至氧化劑氣體，而進一步效率良好地對氧化劑氣體進行預加熱。
於氧化劑氣體預熱器73中，於廢氣流路733中流動的氣體未必需要為來自廢氣燃燒器24的燃燒氣體，亦可為自壓力容器25排出至外部的正極廢氣。即便於此情況下，亦可與上述大致同樣地，將正極廢氣的熱賦予至氧化劑氣體，來對氧化劑氣體進行預加熱。其結果，可進一步提高燃料電池系統1的發電效率。通過了廢氣流路733的正極廢氣返回至壓力容器25內並被供給至廢氣燃燒器24。如上所述，正極廢氣藉由與氧化劑氣體預熱器73中的氧化劑氣體的熱交換而降溫，因此於廢氣燃燒器24存在上限溫度的情況下，可適宜地防止或抑制正極廢氣的溫度超過該上限溫度。
上述燃料電池系統1能夠進行各種變更。
例如，於氧化劑氣體預熱器73中，氧化劑氣體流路732內的氧化劑氣體的流動方向與廢氣流路733內的氣體的流動方向未必需要為相反方向，例如亦可為相同方向。另外，廢氣流路733亦可為與氧化劑氣體流路732鄰接而配置的配管。再者，於氧化劑氣體預熱器73中，亦可省略預熱器本體731及廢氣流路733。
來自電池堆23的正極廢氣未必需要排出至壓力容器25的內部空間250，亦可經由連接於電池堆23的配管等而排出至壓力容器25及殼體21的外部。於燃料電池系統1中，可省略壓力容器25。
燃燒氣體流路242內的燃燒氣體的流動方向與重整器22內的氣體的流動方向未必需要為相反方向，例如亦可為相同方向。燃燒氣體流路242的形狀未必需要為沿軸向延伸的U字狀，亦可變更為各種形狀（例如，直線狀或螺旋狀）。燃燒氣體流路242未必需要通過重整器22的內部，亦可通過重整器22附近。於此情況下，亦自於燃燒氣體流路242中流動的燃燒氣體向重整器22賦予熱。再者，亦可省略燃燒氣體流路242。
重整器22中的供給埠225附近的部位未必需要與多段電池堆群組231中的除軸向上的兩端以外的電池堆群組231相向，亦可於徑向上與軸向端部的電池堆群組231相向。
廢氣燃燒器24未必需要為觸媒燃燒器，亦可為各種種類的燃燒器（例如，燃燒器等）。廢氣燃燒器24未必需要與重整器22中的供給埠225附近的部位相向，亦可於徑向上與重整器22的其他部位相向。
於燃料電池系統1中，利用凝結部33以水的形式將燃燒氣體中所包含的水蒸氣取出，然後經由水供給部31供給至水蒸氣生成部32，但包含水蒸氣的該燃燒氣體的一部分亦可保持氣體狀被供給至重整器22。或者，自電池堆23排出的負極廢氣亦可於被引導至廢氣燃燒器24之前暫時被導出至壓力容器25外，於經由熱交換器71及凝結部33等之後，被引導至廢氣燃燒器24。
於燃料電池系統1中，於定常運轉時，未必需要進行熱獨立運轉，亦可藉由燃燒器等持續進行殼體21內的加熱。另外，於燃料電池系統1中，於定常運轉時，未必需要進行水獨立運轉，例如，可除供給自凝結部33輸送至水儲存部311的水以外，亦向水蒸氣生成部32持續供給自裝置外部向水儲存部311供給的水。
上述電池堆23未必需要為固體氧化物型的燃料電池，亦可為其他種類的燃料電池。
上述實施形態及各變形例的結構只要不相互矛盾，就可適當組合。
對發明詳細地描述並進行了說明，但已述的說明為例示而非限制者。因此，可謂只要不脫離本發明的範圍，就能夠進行多種變形或態樣。
1:燃料電池系統 2:熱模組 3:水蒸氣供給部 4:原燃料供給部 21:殼體 22:重整器 23:電池堆 24:廢氣燃燒器 25:壓力容器 31:水供給部 32:水蒸氣生成部 33:凝結部 41:原燃料供給源 42:雜質去除部 51:鼓風機 71:熱交換器 73:氧化劑氣體預熱器 221:第一重整流路 222:第二重整流路 223:重整觸媒 224:緩衝流路 225:供給埠 231:電池堆群組 239:支持板 241:燃燒觸媒 242:燃燒氣體流路 250:內部空間 281、282、283、285:配管 291:原燃料供給管 292、294:燃燒氣體管 293:氧化劑氣體供給管 311:水儲存部 312:泵 313:水供給管 321:水蒸氣供給管 331:水供給管 731:預熱器本體 732:氧化劑氣體流路 733:廢氣流路 734:隔離壁 III-III、IV-IV:位置 J1:中心軸
圖1是表示一實施形態的燃料電池系統的結構的圖。 圖2是熱模組的縱剖面圖。 圖3是熱模組的橫剖面圖。 圖4是熱模組的橫剖面圖。 圖5是熱模組的縱剖面圖。 圖6是熱模組的縱剖面圖。 圖7是熱模組的橫剖面圖。
2:熱模組
21:殼體
22:重整器
23:電池堆
24:廢氣燃燒器
25:壓力容器
221:第一重整流路
222:第二重整流路
223:重整觸媒
224:緩衝流路
225:供給埠
231:電池堆群組
239:支持板
241:燃燒觸媒
242:燃燒氣體流路
250:內部空間
III-III、IV-IV:位置
J1:中心軸

Claims (10)

  1. 一種燃料電池系統，包括： 重整器，為沿軸向延伸的筒狀，對原燃料進行重整而生成燃料氣體； 多個電池堆，於所述重整器的徑向外側沿周向並排配置且於徑向上與所述重整器相向，使用所述燃料氣體及氧化劑氣體進行發電； 廢氣燃燒器，配置於所述重整器的徑向內側且於徑向上與所述重整器相向，使來自所述多個電池堆的廢氣中所包含的未利用的所述燃料氣體燃燒，且 所述多個電池堆分別包括沿徑向積層的多個平板狀的電池。
  2. 如請求項1所述的燃料電池系統，其中 所述廢氣燃燒器於徑向上與所述重整器中進行所述原燃料的供給的供給埠附近的部位相向。
  3. 如請求項1或請求項2所述的燃料電池系統，其中 所述多個電池堆包括沿所述軸向跨越三段以上排列的多段電池堆群組， 所述多段電池堆群組中的除所述軸向上的兩端以外的至少一段電池堆群組於徑向上與所述重整器中進行所述原燃料的供給的供給埠附近的部位相向。
  4. 如請求項1至請求項3中任一項所述的燃料電池系統，更包括： 燃燒氣體流路，使自所述廢氣燃燒器排出的燃燒氣體通過所述重整器的內部。
  5. 如請求項4所述的燃料電池系統，其中 所述燃燒氣體流路為於所述重整器內沿所述軸向延伸的U字狀。
  6. 如請求項4或請求項5所述的燃料電池系統，其中 所述燃燒氣體流路內的所述燃燒氣體的流動方向與所述重整器內的氣體的流動方向為相反方向。
  7. 如請求項1至請求項6中任一項所述的燃料電池系統，更包括： 壓力容器，將所述重整器、所述多個電池堆及所述廢氣燃燒器收納於密閉的內部空間中， 所述多個電池堆分別包括將正極廢氣排出至所述壓力容器的所述內部空間的正極排出口。
  8. 如請求項1至請求項7中任一項所述的燃料電池系統，更包括： 壓力容器，將所述重整器、所述多個電池堆及所述廢氣燃燒器收納於密閉的內部空間中；以及 氧化劑氣體流路，配置於所述壓力容器的周圍且與所述壓力容器相向，並且供向所述多個電池堆供給的所述氧化劑氣體流動。
  9. 如請求項8所述的燃料電池系統，更包括： 廢氣流路，與所述氧化劑氣體流路鄰接而配置，供自所述壓力容器排出的正極廢氣或自所述廢氣燃燒器排出的燃燒氣體流動。
  10. 如請求項1至請求項9中任一項所述的燃料電池系統，其中 所述多個電池堆分別為固體氧化物型的燃料電池。
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