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JP5803515B2 - Fuel cell device - Google Patents

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JP5803515B2 JP2011214262A JP2011214262A JP5803515B2 JP 5803515 B2 JP5803515 B2 JP 5803515B2 JP 2011214262 A JP2011214262 A JP 2011214262A JP 2011214262 A JP2011214262 A JP 2011214262A JP 5803515 B2 JP5803515 B2 JP 5803515B2
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Description

本発明は、燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器を備える燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device including a reformer that generates fuel gas to be supplied to a fuel cell.

固体電解質型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)装置には改質器が組み込まれる。改質器は、供給される原料ガスである被改質ガス(例えば都市ガス等)を改質触媒によって改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池セルに供給する。燃料電池セルの発電工程における動作温度は600℃〜800℃と高温であるため、燃料電池セルに供給する燃料ガスは、所定の温度以上に加熱された燃料ガスであることが必要である。このため、改質器は、燃料電池セルから排出された発電に寄与しなかった燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼部の上方に配置され、混合ガスの燃焼熱や、燃料電池セルからの輻射熱などによって加熱される。   A reformer is incorporated in a solid oxide fuel cell (SOFC) apparatus. The reformer reforms a to-be-reformed gas (for example, city gas), which is a supplied raw material gas, with a reforming catalyst to generate a fuel gas, and supplies the fuel gas to a fuel cell. Since the operating temperature of the fuel cell in the power generation process is as high as 600 ° C. to 800 ° C., the fuel gas supplied to the fuel cell needs to be a fuel gas heated to a predetermined temperature or higher. For this reason, the reformer is disposed above the combustion section that burns the mixed gas of the fuel gas and the oxidant gas that has not contributed to the power generation discharged from the fuel battery cell, and the combustion heat of the mixed gas and the fuel It is heated by radiant heat from the battery cell.

特許文献1に記載される改質器では、改質触媒が充填された改質部は、気化部から供給管まで改質器の短手方向に蛇行して延びる流路を備えている。流路に被改質ガスが供給されると、流路の上流側の改質触媒から改質反応に利用されていく。利用された改質触媒では例えば炭素析出によって劣化し、その劣化に伴って劣化した触媒よりもさらに下流側の改質触媒が改質反応に順に利用されていく。こうした改質反応によって生成された燃料ガスが供給管を通じて燃料電池セルに供給される。このとき、燃料室での燃料によって流路内の燃料ガスは加熱される。   In the reformer described in Patent Document 1, the reforming section filled with the reforming catalyst includes a flow path extending meandering in the short direction of the reformer from the vaporization section to the supply pipe. When the gas to be reformed is supplied to the flow path, it is utilized for the reforming reaction from the reforming catalyst on the upstream side of the flow path. The reforming catalyst used deteriorates due to, for example, carbon deposition, and the reforming catalyst further downstream than the catalyst deteriorated along with the deterioration is sequentially used for the reforming reaction. The fuel gas generated by the reforming reaction is supplied to the fuel battery cell through the supply pipe. At this time, the fuel gas in the flow path is heated by the fuel in the fuel chamber.

特開2010−195625号公報JP 2010-195625 A

一般に、改質反応によって改質触媒では吸熱反応が起きるので、吸熱反応が起きた改質触媒の位置では被改質ガスの温度低下が生じる。前述のように、改質触媒の劣化に伴って、改質反応に利用される改質触媒は下流側のものに移動していくので、流路の下流端まで十分な距離がない下流側の改質触媒によって改質された後の燃料ガスは十分に熱せられないまま燃料電池セルに供給されてしまい、燃料電池セルの動作温度を低下させてしまう。従って、動作温度を低下させない程度の余裕を持って改質触媒の取り替えを行う必要があり、下流側の改質触媒を有効に利用することができなかった。   In general, an endothermic reaction occurs in the reforming catalyst due to the reforming reaction, so that the temperature of the reformed gas decreases at the position of the reforming catalyst where the endothermic reaction has occurred. As described above, as the reforming catalyst deteriorates, the reforming catalyst used for the reforming reaction moves to the downstream side, so that there is not enough distance to the downstream end of the flow path. The fuel gas after being reformed by the reforming catalyst is supplied to the fuel cell without being sufficiently heated, and the operating temperature of the fuel cell is lowered. Therefore, it is necessary to replace the reforming catalyst with a margin that does not lower the operating temperature, and the downstream reforming catalyst cannot be used effectively.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、下流側の触媒まで有効に利用することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell device that can be effectively used up to a downstream catalyst.

上記目的を達成するため、本発明によれば、
燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを備えた燃料電池装置において、
前記燃料電池セルの内部に形成されて、前記燃料電池セルの下部から上部に向かって前記燃料ガスを流す燃料ガス流路と、
前記燃料電池セルの外部に形成されて、前記燃料電池セルの下部から上部に向かって前記酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路と、
前記燃料電池セルの上方に配置されて、前記燃料ガス流路から排出された前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路から排出された前記酸化剤ガスとを混合して燃焼させる燃焼部と、
前記燃料電池セルの上方に配置されて、供給される被改質ガスを前記燃料ガスに改質する触媒を充填した改質流路を有する改質器と、を備え、
前記改質流路は、
当該改質流路の上流端から延びる上流側流路と、
前記上流側流路の下流端から分岐して当該改質流路の下流端まで蛇行して延びる下流側流路と、を有しており、
前記下流側流路を流れる前記被改質ガスは、前記上流側流路を流れる被改質ガスに比べてより大きく攪拌される燃料電池装置が提供される。
In order to achieve the above object, according to the present invention,
In a fuel cell device including a fuel cell that generates power with fuel gas and oxidant gas,
A fuel gas flow path formed inside the fuel cell and allowing the fuel gas to flow from the bottom to the top of the fuel cell;
An oxidant gas flow path that is formed outside the fuel battery cell and flows the oxidant gas from the lower part to the upper part of the fuel battery cell;
A combustion section that is disposed above the fuel cell and that mixes and burns the fuel gas discharged from the fuel gas flow path and the oxidant gas discharged from the oxidant gas flow path;
A reformer disposed above the fuel cell and having a reforming channel filled with a catalyst for reforming the supplied reformed gas into the fuel gas; and
The reforming channel is
An upstream channel extending from the upstream end of the reforming channel;
A downstream flow path that branches from the downstream end of the upstream flow path and extends to meander to the downstream end of the reforming flow path,
There is provided a fuel cell device in which the gas to be reformed flowing in the downstream flow path is stirred more greatly than the gas to be reformed flowing in the upstream flow path.

こうした燃料電池装置では、改質器に被改質ガスが供給されると、被改質ガスは、改質器内の改質流路を流れ、改質流路内の触媒との接触によって燃料ガスに改質される。このとき、燃焼部での燃料ガス及び酸化剤ガスの燃焼による燃焼熱や燃料電池セルからの輻射熱によって改質器は加熱される。改質流路では、上流側流路を流れる被改質ガスに比べて、下流側流路を流れる被改質ガスの方が大きく攪拌される。その結果、下流側流路では、上流側流路に比べて、被改質ガスの流れに直交する方向に熱拡散効果をより高めることができるので、下流側流路内では上流側流路内に比べて、改質器の外壁からの熱をより効率的に被改質ガスに伝達することができる。下流側流路内の触媒が被改質ガスの改質に用いられても、下流側流路内で被改質ガスを十分に加熱することができる。すなわち、下流側流路で加熱特性を向上させることができる。こうして下流側の触媒まで有効に利用することができる。   In such a fuel cell device, when the gas to be reformed is supplied to the reformer, the gas to be reformed flows through the reforming channel in the reformer and comes into contact with the catalyst in the reforming channel. It is reformed to gas. At this time, the reformer is heated by the combustion heat from the combustion of the fuel gas and the oxidant gas in the combustion section and the radiant heat from the fuel cell. In the reforming channel, the to-be-reformed gas flowing in the downstream channel is more agitated than the to-be-reformed gas flowing in the upstream channel. As a result, in the downstream flow path, the thermal diffusion effect can be further enhanced in the direction orthogonal to the flow of the reformed gas compared to the upstream flow path. As compared with the above, the heat from the outer wall of the reformer can be more efficiently transferred to the reformed gas. Even if the catalyst in the downstream channel is used for reforming the reformed gas, the reformed gas can be sufficiently heated in the downstream channel. That is, heating characteristics can be improved in the downstream flow path. In this way, even the downstream catalyst can be effectively used.

また、本発明に係る燃料電池装置では、前記被改質ガスの攪拌にあたって、前記下流側流路内の前記被改質ガスの流速が前記上流側流路内の前記被改質ガスの流速よりも大きく設定される。こうして下流側流路内の被改質ガスは上流側流路内の被改質ガスに比べてより大きな流速で触媒に衝突するので、上流側流路内に比べて下流側流路内で被改質ガスをより大きく攪拌することができる。   In the fuel cell device according to the present invention, when the reformed gas is stirred, the flow rate of the reformed gas in the downstream channel is higher than the flow rate of the reformed gas in the upstream channel. Is also set larger. Thus, the gas to be reformed in the downstream channel collides with the catalyst at a higher flow rate than the gas to be reformed in the upstream channel, so that the gas to be reformed in the downstream channel compared to the upstream channel. The reformed gas can be stirred more greatly.

また、本発明に係る燃料電池装置では、前記流速の設定にあたって、前記被改質ガスの流れ方向に直交する前記下流側流路の断面積が、前記被改質ガスの流れ方向に直交する前記上流側流路の断面積よりも小さく設定されることが好ましい。こうした流路の断面積の相違によって、上流側流路内の被改質ガスの流速よりも下流側流路内の被改質ガスの流速を大きく設定することができる。   Further, in the fuel cell device according to the present invention, in setting the flow velocity, a cross-sectional area of the downstream flow path orthogonal to the flow direction of the reformed gas is orthogonal to the flow direction of the reformed gas. It is preferably set smaller than the cross-sectional area of the upstream channel. Due to the difference in the cross-sectional areas of the flow paths, the flow speed of the gas to be reformed in the downstream flow path can be set larger than the flow speed of the gas to be reformed in the upstream flow path.

また、本発明に係る燃料電池装置では、前記改質流路は1対の前記下流側流路を有しており、1対の前記下流側流路の下流端同士は相互に合流する。こうして上流側流路から1対の下流側流路に分岐した流路が再び合流することによって、流路内の合流地点で被改質ガス同士が衝突するので、下流側流路の下流端で被改質ガスをさらに攪拌することができる。その結果、上流側流路よりも下流側流路すなわち改質流路の下流側でさらに触媒を有効に利用することができる。   In the fuel cell device according to the present invention, the reforming channel has a pair of the downstream channels, and the downstream ends of the pair of the downstream channels merge with each other. Since the flow paths branched from the upstream flow path to the pair of downstream flow paths are merged again, the reformed gases collide at the merge point in the flow path. The reformed gas can be further stirred. As a result, the catalyst can be used more effectively in the downstream channel, that is, in the downstream side of the reforming channel than the upstream channel.

以上のように、本発明によれば、下流側の触媒まで有効に利用することができる燃料電池装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell device that can be effectively used up to the downstream catalyst.

本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the fuel cell module of the fuel cell apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 図1の燃料電池モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell module of FIG. 図1の燃料電池モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell module of FIG. 図1のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which removed some outer plates from the casing of FIG. 図2に相当する模式図であって、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram corresponding to FIG. 2, and is a schematic diagram illustrating flows of an oxidant gas and a combustion gas. 図3に相当する模式図であって、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram corresponding to FIG. 3, and is a schematic diagram illustrating flows of an oxidant gas and a combustion gas. 燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a fuel cell unit. 燃料電池セルスタックの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a fuel cell stack. 一実施例に係る改質器の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the reformer which concerns on one Example. 図9の改質器の上壁を取り除いた状態を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a state in which the upper wall of the reformer of FIG. 9 is removed. 一実施例に係る改質器の内部構造を示す平面図である。It is a top view which shows the internal structure of the reformer which concerns on one Example. 図11の12−12線に沿った断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line 12-12 of FIG. 比較例に係る改質器の内部構造を示す平面図である。It is a top view which shows the internal structure of the reformer which concerns on a comparative example. 本発明の効果を検証するグラフである。It is a graph which verifies the effect of this invention. 他の実施例に係る改質器の内部構造を示す平面図である。It is a top view which shows the internal structure of the reformer which concerns on another Example.

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の燃料電池モジュール2の外観を示す斜視図である。燃料電池モジュール2は、固体電解質型燃料電池(SOFC)装置の一部を構成するものである。すなわち、燃料電池装置は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット(図示せず)と、を備える。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted. FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell module 2 of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. The fuel cell module 2 constitutes a part of a solid oxide fuel cell (SOFC) device. That is, the fuel cell device includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit (not shown).

図1においては、燃料電池モジュール2の高さ方向をy軸方向としている。このy軸に直交する平面に沿ってx軸及びz軸を定義し、燃料電池モジュール2の短手方向(幅方向)に沿った方向をx軸方向とし、燃料電池モジュール2の長手方向(長さ方向)に沿った方向をz軸方向としている。図2以降において図中に記載しているx軸、y軸、及びz軸は、図1におけるx軸、y軸、及びz軸を基準としている。また、z軸の負方向に沿った方向をA方向とし、x軸の正方向に沿った方向をB方向としている。   In FIG. 1, the height direction of the fuel cell module 2 is the y-axis direction. The x-axis and z-axis are defined along a plane orthogonal to the y-axis, the direction along the short direction (width direction) of the fuel cell module 2 is defined as the x-axis direction, and the longitudinal direction (long) of the fuel cell module 2 is defined. The direction along the vertical direction is the z-axis direction. The x-axis, y-axis, and z-axis described in FIG. 2 and thereafter are based on the x-axis, y-axis, and z-axis in FIG. Further, the direction along the negative direction of the z axis is the A direction, and the direction along the positive direction of the x axis is the B direction.

燃料電池モジュール2は、燃料電池セル(詳細は後述する)を収容するケーシング56と、ケーシング56の上部に設けられている熱交換器22と、を備える。ケーシング56は例えば直方体形状に形成されている。熱交換器22はケーシング56の上面上に配置されている。ケーシング56内には後述の燃料電池セル集合体が配置されている。ケーシング56には、被改質ガス供給管60と、水供給管62と、が連結されている。その一方で、熱交換器22には、発電用空気導入管74と、燃焼ガス排出管82と、が連結されている。   The fuel cell module 2 includes a casing 56 that houses fuel cells (details will be described later), and a heat exchanger 22 that is provided on the upper portion of the casing 56. The casing 56 is formed in a rectangular parallelepiped shape, for example. The heat exchanger 22 is disposed on the upper surface of the casing 56. A fuel cell assembly, which will be described later, is disposed in the casing 56. A reformed gas supply pipe 60 and a water supply pipe 62 are connected to the casing 56. On the other hand, a power generation air introduction pipe 74 and a combustion gas discharge pipe 82 are connected to the heat exchanger 22.

被改質ガス供給管60は、ケーシング56の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管62は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水をケーシング56の内部に供給する管路である。発電用空気導入管74は、改質によって生成された燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気(酸化剤ガス)を供給する管路である。燃焼ガス排出管82は、発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させた結果生じる燃焼ガスを外部に排出する管路である。   The to-be-reformed gas supply pipe 60 is a pipe line that supplies a to-be-reformed gas for reforming such as city gas into the casing 56. The water supply pipe 62 is a pipe line that supplies water used when steam reforming the gas to be reformed to the inside of the casing 56. The power generation air introduction pipe 74 is a conduit for supplying power generation air (oxidant gas) for causing a power generation reaction with the fuel gas generated by the reforming. The combustion gas discharge pipe 82 is a pipe that discharges the combustion gas generated as a result of burning the remaining fuel gas and oxidant gas that did not contribute to power generation to the outside.

次に、図2〜図4を参照しながら、本発明に係る燃料電池装置の燃料電池モジュール2の内部構造について説明する。図2は、図1のxy平面に平行な切断面に沿って燃料電池モジュール2を切断した断面図である。図3は、図1のyz平面に平行な切断面に沿って燃料電池モジュール2を切断した断面図である。図4は、図1に示す燃料電池モジュール2からケーシング56の一部を取り外した状態を示す斜視図である。   Next, the internal structure of the fuel cell module 2 of the fuel cell device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 cut along a cutting plane parallel to the xy plane of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 cut along a cutting plane parallel to the yz plane of FIG. 4 is a perspective view showing a state where a part of the casing 56 is removed from the fuel cell module 2 shown in FIG.

図2〜図4に示すように、ケーシング56は燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12の全体を覆っている。燃料電池セル集合体12は、相互に平行に配置される燃料電池セルユニット16の集合体から形成されている。図5に示すように、燃料電池セル集合体12は、全体としてB方向よりA方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器20の下面に沿ってxz平面に平行に広がる上面と、燃料ガスタンク68の上面に沿ってxz平面に平行に広がる下面と、yz平面に平行に広がる1対の長辺側面と、xy平面に平行に広がる1対の短辺側面と、を備えている。   As shown in FIGS. 2 to 4, the casing 56 covers the entire fuel cell assembly 12 of the fuel cell module 2. The fuel cell assembly 12 is formed of an assembly of fuel cell units 16 arranged in parallel to each other. As shown in FIG. 5, the fuel cell assembly 12 has a substantially rectangular parallelepiped shape that is longer in the A direction than in the B direction as a whole, and an upper surface that extends parallel to the xz plane along the lower surface of the reformer 20; A lower surface extending parallel to the xz plane along the upper surface of the fuel gas tank 68, a pair of long side surfaces extending parallel to the yz plane, and a pair of short side surfaces extending parallel to the xy plane are provided.

本実施形態の場合、水供給管62から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器は改質器20の内部に設けられている。蒸発混合器は、後述の燃焼部18で燃焼される燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガス(都市ガス等)と、空気と、を混合するためのものである。被改質ガス供給管60及び水供給管62は、ケーシング56の内部に導かれた後、共に改質器20に繋がる。より具体的には、図3に示すように、被改質ガス供給管60及び水供給管62は、改質器20の上流端である図中右側の端部に繋がれている。   In the case of the present embodiment, an evaporating mixer for evaporating water supplied from the water supply pipe 62 is provided inside the reformer 20. The evaporative mixer is heated by the combustion gas burned in the combustion section 18 to be described later, and converts water into water vapor, and also mixes this water vapor, reformed gas (city gas, etc.), and air. Is. The reformed gas supply pipe 60 and the water supply pipe 62 are both led to the interior of the casing 56 and then connected to the reformer 20. More specifically, as shown in FIG. 3, the to-be-reformed gas supply pipe 60 and the water supply pipe 62 are connected to the right end in the figure, which is the upstream end of the reformer 20.

改質器20は、燃料電池セル集合体12の上方に形成された燃焼部18の更に上方に配置されている。従って、改質器20は、発電反応後の発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスによる燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。改質器20の下流端(図3の左端)には燃料供給管66の上端が接続されている。この燃料供給管66の下端側66a(図2参照)は、燃料ガスタンク68内に入り込むように配置されている。なお、改質器20の詳細は後述する。   The reformer 20 is disposed further above the combustion unit 18 formed above the fuel cell assembly 12. Therefore, the reformer 20 is heated by the combustion heat of the remaining fuel gas and oxidant gas that has not contributed to power generation after the power generation reaction, and serves as an evaporative mixer and as a reformer that causes the reforming reaction. And is configured to play a role. The upper end of the fuel supply pipe 66 is connected to the downstream end (the left end in FIG. 3) of the reformer 20. A lower end side 66 a (see FIG. 2) of the fuel supply pipe 66 is disposed so as to enter the fuel gas tank 68. Details of the reformer 20 will be described later.

図3及び図4に示すように、燃料ガスタンク68は燃料電池セル集合体12の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク68内に挿入された燃料供給管66の下端側66aの外周には、長手方向(A方向)に沿って複数の小穴(図示せず)が形成されている。改質器20で生成された燃料ガスは、これら複数の小穴(図示せず)によって燃料ガスタンク68内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク68に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体12を構成する各燃料電池セルユニット16の内部にある燃料ガス流路(詳細は後述する)内に供給され、燃料電池セルユニット16内をその下部から上部に向かって上昇して、燃焼部18に至るようになっている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel gas tank 68 is provided directly below the fuel cell assembly 12. A plurality of small holes (not shown) are formed along the longitudinal direction (A direction) on the outer periphery of the lower end side 66 a of the fuel supply pipe 66 inserted into the fuel gas tank 68. The fuel gas generated by the reformer 20 is uniformly supplied in the longitudinal direction into the fuel gas tank 68 through the plurality of small holes (not shown). The fuel gas supplied to the fuel gas tank 68 is supplied into a fuel gas flow path (details will be described later) inside each fuel cell unit 16 constituting the fuel cell assembly 12, and the fuel cell unit 16 The interior of the interior rises from the lower portion toward the upper portion and reaches the combustion section 18.

次に、図2〜図4に加えて図5及び図6を参照しながら、燃料電池モジュール2の内部に発電用空気を供給するための構造を説明する。図5は、図2に対応する模式図であって、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す図である。図6は、図3に対応する模式図であって、同様に酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器20の上方に熱交換器22が配置されている。熱交換器22内には、複数の燃焼ガス配管70と、この燃焼ガス配管70の周囲に形成された発電用空気流路72と、が設けられている。   Next, a structure for supplying power generation air into the fuel cell module 2 will be described with reference to FIGS. 5 and 6 in addition to FIGS. FIG. 5 is a schematic diagram corresponding to FIG. 2 and shows the flow of the oxidant gas and the combustion gas. FIG. 6 is a schematic diagram corresponding to FIG. 3, and similarly shows the flow of the oxidant gas and the combustion gas. As shown in these drawings, a heat exchanger 22 is disposed above the reformer 20. In the heat exchanger 22, a plurality of combustion gas pipes 70 and a power generation air passage 72 formed around the combustion gas pipes 70 are provided.

熱交換器22の上面における一端側(図3における右端)には上述の発電用空気導入管74が取り付けられている。この発電用空気導入管74により、発電用空気流量調整ユニット(図示しない)から熱交換器22内に酸化剤ガスが導入される。熱交換器22の上側の他端側(図3における左端)には、発電用空気流路72の1対の出口ポート76a、76aが形成されている。この出口ポート76aの各々はそれぞれ連絡流路76につながっている。さらに、図2に示すように、ケーシング56の幅方向の両側の外側には発電用空気供給路77が形成されている。   The aforementioned power generation air introduction pipe 74 is attached to one end side (the right end in FIG. 3) of the upper surface of the heat exchanger 22. The oxidant gas is introduced into the heat exchanger 22 from the power generation air flow rate adjustment unit (not shown) by the power generation air introduction pipe 74. A pair of outlet ports 76 a and 76 a for the power generation air flow path 72 are formed on the other end side (the left end in FIG. 3) on the upper side of the heat exchanger 22. Each of the outlet ports 76a is connected to a communication channel 76. Further, as shown in FIG. 2, power generation air supply passages 77 are formed on the outer sides of the casing 56 in the width direction.

従って、発電用空気供給路77には、発電用空気流路72の出口ポート72a及び連絡流路76から酸化剤ガスが供給される。この発電用空気供給路77は、燃料電池セル集合体12の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体12の下方側に対応する位置に、発電室10内の燃料電池セル集合体12の各燃料電池セルユニット16に向けて酸化剤ガスを吹き出すための複数の吹出口78a、78bが形成されている。これらの吹出口78a、78bから吹き出された酸化剤ガスは、各燃料電池セルユニット16の外側に沿って燃料電池セルユニット16の下部から上部に向かって流れる。すなわち、燃料電池セルユニット16、16同士の間に酸化剤ガス流路79が形成される。   Therefore, the oxidant gas is supplied to the power generation air supply path 77 from the outlet port 72 a of the power generation air flow path 72 and the communication flow path 76. The power generation air supply path 77 is formed along the longitudinal direction of the fuel cell assembly 12. Further, in order to blow out the oxidant gas toward each fuel cell unit 16 of the fuel cell assembly 12 in the power generation chamber 10 at a position corresponding to the lower side and the lower side of the fuel cell assembly 12. A plurality of outlets 78a and 78b are formed. The oxidant gas blown out from these air outlets 78 a and 78 b flows from the lower part to the upper part of the fuel cell unit 16 along the outside of each fuel cell unit 16. That is, the oxidant gas flow path 79 is formed between the fuel cell units 16 and 16.

次に、燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット16の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼部18内を上昇し、整流板21に至る。整流板21には開口21aが設けられており、開口21a内に燃焼ガスが導かれる。この開口21aを通った燃焼ガスは熱交換器22の他端側に至る。熱交換器22内には、燃焼部18で燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管70が設けられている。これらの燃焼ガス配管70の下流端側には、燃焼ガス排出管82が接続され、排出管82によって燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。   Next, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and oxidant gas will be described. The combustion gas generated above the fuel cell unit 16 rises in the combustion section 18 and reaches the rectifying plate 21. The rectifying plate 21 is provided with an opening 21a, and combustion gas is guided into the opening 21a. The combustion gas that has passed through the opening 21 a reaches the other end side of the heat exchanger 22. In the heat exchanger 22, a plurality of combustion gas pipes 70 are provided for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and oxidant gas in the combustion unit 18. A combustion gas discharge pipe 82 is connected to the downstream end side of these combustion gas pipes 70, and the combustion gas is discharged to the outside through the discharge pipe 82.

次に、図7を参照しながら燃料電池セルユニット16について説明する。図7は、燃料電池セルユニット16を示す部分断面図である。図7に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86と、を備えている。燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、内側電極層90と同心円状に広がる円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間に配置された電解質層94と、を備えている。内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。   Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing the fuel cell unit 16. As shown in FIG. 7, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84. The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, and a cylindrical outer electrode layer that extends concentrically with the inner electrode layer 90. 92, and an electrolyte layer 94 disposed between the inner electrode layer 90 and the outer electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

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

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

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

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

次に、図8を参照しながら燃料電池セルスタック14について説明する。図8は、燃料電池セルスタック14を示す斜視図である。図8に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、各燃料電池セルユニット16の下端及び上端が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。   Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a perspective view showing the fuel cell stack 14. As shown in FIG. 8, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and the lower end and the upper end of each fuel cell unit 16 have a ceramic fuel gas tank upper plate 68a and an upper support, respectively. It is supported by the plate 100. The fuel gas tank upper plate 68a and the upper support plate 100 are formed with through holes through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と、隣接する燃料電池セルユニット16の空気極である外側電極層92の外周面と、を電気的に接続する。さらに、燃料電池セルスタック14の端に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86にはそれぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104に接続され、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続される。   Further, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 electrically connects the inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode and the outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is the air electrode of the adjacent fuel cell unit 16. Connecting. Further, external terminals 104 are connected to the inner electrode terminals 86 at the upper and lower ends of the two fuel cell units 16 located at the ends of the fuel cell stack 14. These external terminals 104 are connected to the external terminals 104 of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and all 160 fuel cell units 16 are connected in series.

次に、図9〜図12を参照しながら改質器20について説明する。図9は、改質器20の外観を示す斜視図である。図10は、図9に示す改質器20から上壁を取り去った斜視図である。図11は、図10に示す改質器20の内部構造を示す平面図である。図12は、図11の12−12線に沿った断面図である。なお、図10では触媒の図示を省略した。   Next, the reformer 20 will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a perspective view showing the appearance of the reformer 20. FIG. 10 is a perspective view with the upper wall removed from the reformer 20 shown in FIG. FIG. 11 is a plan view showing the internal structure of the reformer 20 shown in FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line 12-12 of FIG. In FIG. 10, the illustration of the catalyst is omitted.

図9及び図10に示すように、改質器20は平たい直方体形状の筐体25を備えている。筐体25は、その短手方向に相互に平行に広がる1対の側壁25a、25bを有している。改質器20の上流端の側壁25aには前述の被改質ガス供給管60及び水供給管62が連結され、改質器20の下流端の側壁25bには前述の燃料供給管66が連結されている。筐体25は、その長手方向に相互に平行に広がる1対の側壁25c、25dと、側壁25a〜25dに連続して相互に平行に広がる上壁25e及び底壁25fと、をさらに備えている。   As shown in FIGS. 9 and 10, the reformer 20 includes a flat rectangular parallelepiped casing 25. The housing 25 has a pair of side walls 25a and 25b extending in parallel to each other in the short direction. The reformed gas supply pipe 60 and the water supply pipe 62 are connected to the side wall 25a at the upstream end of the reformer 20, and the fuel supply pipe 66 is connected to the side wall 25b at the downstream end of the reformer 20. Has been. The housing 25 further includes a pair of side walls 25c and 25d extending in parallel with each other in the longitudinal direction, and an upper wall 25e and a bottom wall 25f extending in parallel with each other continuously from the side walls 25a to 25d. .

図10及び図11から明らかなように、改質器20は、側壁25a側すなわち上流側に形成される蒸発混合部26と、側壁25b側すなわち下流側に形成される改質部27と、を備えている。蒸発混合部26と改質部27とは、側壁25c、25dの間に延びる1枚の仕切り壁28で相互に仕切られており、仕切り壁28には複数の通気孔29が形成されている。蒸発混合部26では、水供給管62から供給された水が水蒸気に気化される。この水蒸気が、被改質ガス供給管60から供給された被改質ガスと混合される。蒸発混合部26には複数のリブによって様々に蛇行する流路が形成される。   As is clear from FIGS. 10 and 11, the reformer 20 includes an evaporative mixing unit 26 formed on the side wall 25a side, that is, the upstream side, and a reforming unit 27 formed on the side wall 25b side, that is, the downstream side. I have. The evaporating and mixing unit 26 and the reforming unit 27 are partitioned from each other by a single partition wall 28 extending between the side walls 25c and 25d, and a plurality of vent holes 29 are formed in the partition wall 28. In the evaporative mixing unit 26, the water supplied from the water supply pipe 62 is vaporized into water vapor. This water vapor is mixed with the reformed gas supplied from the reformed gas supply pipe 60. In the evaporating and mixing unit 26, various meandering channels are formed by a plurality of ribs.

改質部27は、仕切り壁28に上流端で接続されて側壁25c、25dに沿って相互に平行に直線的に延びる1対のリブ30、30と、リブ30、30を外側から取り囲む1枚のリブ31と、によって形成される改質流路32を備える。リブ31は、リブ30の外側に配置されてそれぞれリブ30に平行に延びる1対の直線リブ33と、直線リブ33、33を連結してリブ30、30の下流端に内向き面で対向する湾曲リブ34と、から形成される。湾曲リブ34の外向き面は燃料供給管66の上流端に対向する。   The reforming portion 27 is connected to the partition wall 28 at the upstream end, and extends in parallel and linearly along the side walls 25c and 25d. The reforming portion 27 surrounds the ribs 30 and 30 from the outside. And a reforming flow path 32 formed by the rib 31. The rib 31 is disposed outside the rib 30 and is connected to a pair of linear ribs 33 extending in parallel with the rib 30 and the linear ribs 33, 33 so as to face the downstream ends of the ribs 30, 30 on the inward surface. And a curved rib 34. The outward surface of the curved rib 34 faces the upstream end of the fuel supply pipe 66.

改質流路32は、リブ30、30によって形成されて通気孔29に上流端で接続される上流側流路35と、上流側流路35の下流端に上流端で接続されて上流側流路35の下流端から相互に反対向きに分岐する1対の下流側流路36、36と、を備える。下流側流路36は改質流路32の下流端まで蛇行しつつ延びる。各下流側流路36は、リブ30と直線リブ33との間に形成される内側流路37と、直線リブ33と改質器20の側壁25c又は側壁25dとの間に形成される外側流路38と、から形成される。外側流路38、38の下流端同士は改質器20の側壁25bと湾曲リブ34との間で合流する。なお、本実施形態では、下流側流路36は、1つの内側流路37と1つの外側流路38とから構成されているが、複数の内側流路37を備えてもよい。すなわち、下流側流路36は2回以上にわたって蛇行してもよい。   The reforming channel 32 is formed by the ribs 30, 30 and connected to the vent hole 29 at the upstream end, and the upstream channel 35 is connected to the downstream end of the upstream channel 35 at the upstream end. And a pair of downstream flow paths 36 and 36 that branch in opposite directions from the downstream end of the path 35. The downstream channel 36 extends while meandering to the downstream end of the reforming channel 32. Each downstream flow path 36 includes an inner flow path 37 formed between the rib 30 and the straight rib 33, and an outer flow path formed between the linear rib 33 and the side wall 25 c or the side wall 25 d of the reformer 20. And a path 38. The downstream ends of the outer channels 38, 38 join between the side wall 25 b of the reformer 20 and the curved rib 34. In the present embodiment, the downstream flow path 36 includes one inner flow path 37 and one outer flow path 38, but may include a plurality of inner flow paths 37. That is, the downstream flow path 36 may meander twice or more times.

図11から明らかなように、改質流路32にはその上流端から下流端まで触媒39が充填される。触媒39としては、Al23(アルミナ)の球体表面にNi(ニッケル)を担持させたものや、アルミナの球体表面にRu(ルテニウム)を担持させたものが適宜用いられる。その上流端から下流端に向かって改質流路32を流れる被改質ガスは、改質用空気や水と混合された後に触媒39との接触によって改質される。改質によって生成された燃料ガスは燃料供給管66に流入する。その後、前述したように、燃料ガスは各燃料電池セルユニット16に供給される。 As is apparent from FIG. 11, the reforming flow path 32 is filled with the catalyst 39 from the upstream end to the downstream end. As the catalyst 39, an Al 2 O 3 (alumina) sphere surface supporting Ni (nickel) or an alumina sphere surface supporting Ru (ruthenium) is appropriately used. The reformed gas flowing through the reforming flow path 32 from the upstream end toward the downstream end is reformed by contact with the catalyst 39 after being mixed with reforming air or water. The fuel gas generated by the reforming flows into the fuel supply pipe 66. Thereafter, as described above, the fuel gas is supplied to each fuel cell unit 16.

図12に示すように、被改質ガスの流れ方向に直交する上流側流路35の断面積は、同様に被改質ガスの流れ方向に直交する内側流路37の断面積よりも大きく設定される。また、内側流路37の断面積は、同様に被改質ガスの流れ方向に直交する外側流路38の断面積よりも大きく設定される。すなわち、改質流路32の上流端から下流端に向かって断面積は段階的に減少していく。その結果、改質流路32では、内側流路37内の被改質ガスの流速が、上流側流路35内の被改質ガスの流速よりも大きく設定される。また、外側流路38内の被改質ガスの流速が内側流路37内の被改質ガスの流速よりも大きく設定される。   As shown in FIG. 12, the cross-sectional area of the upstream flow path 35 perpendicular to the flow direction of the reformed gas is set larger than the cross-sectional area of the inner flow path 37 perpendicular to the flow direction of the reformed gas. Is done. Similarly, the cross-sectional area of the inner flow path 37 is set larger than the cross-sectional area of the outer flow path 38 orthogonal to the flow direction of the reformed gas. That is, the cross-sectional area gradually decreases from the upstream end to the downstream end of the reforming channel 32. As a result, in the reforming flow channel 32, the flow rate of the gas to be reformed in the inner flow channel 37 is set larger than the flow rate of the gas to be reformed in the upstream flow channel 35. Further, the flow rate of the gas to be reformed in the outer flow path 38 is set larger than the flow rate of the gas to be reformed in the inner flow path 37.

次に、燃料電池モジュール2の動作について説明する。燃料電池モジュール2の起動時、燃焼部18には、被改質ガス及び改質用空気が混合された混合ガスが改質器20を経由して供給されるとともに、酸化剤ガスが発電用空気導入管74を介して供給される。燃焼部18では、図示しない点火プラグによって着火された混合ガスと酸化剤ガスとが燃焼し、燃焼による燃焼熱は改質器20の筐体25の底壁28fや側壁25a〜25dを通じて蒸発混合部26及び改質部27を加熱する。同時に、燃焼によって生成された燃焼ガスは、熱交換器22内の燃焼ガス配管70を通過することによって、熱交換器22の発電用空気流路72内の酸化剤ガスを暖める。   Next, the operation of the fuel cell module 2 will be described. When the fuel cell module 2 is started, a mixed gas in which the gas to be reformed and the reforming air is mixed is supplied to the combustion unit 18 via the reformer 20, and the oxidant gas is supplied to the power generation air. It is supplied via the introduction pipe 74. In the combustion unit 18, the mixed gas and the oxidant gas ignited by a spark plug (not shown) are combusted, and the combustion heat due to the combustion is evaporated through the bottom wall 28f of the casing 25 of the reformer 20 and the side walls 25a-25d. 26 and the reforming unit 27 are heated. At the same time, the combustion gas generated by the combustion passes through the combustion gas pipe 70 in the heat exchanger 22 to warm the oxidant gas in the power generation air flow path 72 of the heat exchanger 22.

このとき、改質器20では改質部27において前述の混合ガスが触媒39と接触することによって、以下の式(1)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。
mn+xO2 → bCO+cH2 (1)
この部分酸化改質反応POXによって燃料ガスが生成される。部分酸化改質反応POXは発熱反応であるので、生成された燃料ガスは発熱反応によって加熱されてその温度が上昇する。この燃料ガスは、燃料ガスタンク68から燃料電池セル集合体12を経由して燃料室18に供給される。その結果、燃料電池セル集合体12は燃焼部18及び燃料ガスタンク68によって上下方向から加熱される。
At this time, in the reformer 20, the above-mentioned mixed gas comes into contact with the catalyst 39 in the reforming unit 27, whereby the partial oxidation reforming reaction POX shown in the following formula (1) proceeds.
C m H n + xO 2 → bCO + cH 2 (1)
Fuel gas is generated by this partial oxidation reforming reaction POX. Since the partial oxidation reforming reaction POX is an exothermic reaction, the generated fuel gas is heated by the exothermic reaction and its temperature rises. This fuel gas is supplied from the fuel gas tank 68 to the fuel chamber 18 via the fuel cell assembly 12. As a result, the fuel cell assembly 12 is heated from above and below by the combustion unit 18 and the fuel gas tank 68.

その後、例えば燃料電池セル集合体12の温度に応じて、改質器20には、被改質ガス及び空気が混合された混合ガスに加えて水が供給される。改質器20はすでに高温に加熱されていることから、水は上記混合室で水蒸気の状態で混合ガスに混合される。このとき、改質器20では改質部27において混合ガスが触媒39と接触することによって、上述の部分酸化改質反応POXと後述の水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。
mn+xO2+yH2O → bCO+cH2 (2)
Thereafter, for example, depending on the temperature of the fuel cell assembly 12, water is supplied to the reformer 20 in addition to the mixed gas in which the gas to be reformed and air are mixed. Since the reformer 20 has already been heated to a high temperature, water is mixed with the mixed gas in the state of water vapor in the mixing chamber. At this time, in the reformer 20, the mixed gas comes into contact with the catalyst 39 in the reforming unit 27, whereby the above-mentioned partial oxidation reforming reaction POX and the steam reforming reaction SR described later are used in combination. ATR progresses.
C m H n + xO 2 + yH 2 O → bCO + cH 2 (2)

その後、空気の供給を停止して水の供給を増加させることによって、改質器20では混合ガスが触媒39と接触することによって水蒸気改質反応SRが進行する。
mn+xH2O → bCO+cH2 (3)
この水蒸気改質反応SRでは、高温の被改質ガスと水蒸気とが触媒39の表面に接触することによって吸熱反応が発生する。この段階では、燃料電池セル集合体12は十分に高温に加熱されているので、吸熱反応が進行しても燃料電池セル集合体12で大幅な温度低下を招くことはない。燃焼部18では継続して燃焼が進行する。
Thereafter, by stopping the supply of air and increasing the supply of water, the steam reforming reaction SR proceeds in the reformer 20 by bringing the mixed gas into contact with the catalyst 39.
C m H n + xH 2 O → bCO + cH 2 (3)
In the steam reforming reaction SR, an endothermic reaction occurs when the high-temperature reformed gas and steam come into contact with the surface of the catalyst 39. At this stage, since the fuel cell assembly 12 is heated to a sufficiently high temperature, even if an endothermic reaction proceeds, the fuel cell assembly 12 does not cause a significant temperature drop. Combustion continues in the combustion section 18.

以上のように、燃料電池モジュール2の起動時、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR及び水蒸気改質反応SRが順次進行することにより、燃料電池セル集合体12の温度が高温まで上昇した後、燃料電池セル集合体12では発電処理が開始される。発電処理中、改質器20内では改質効率の高い水蒸気改質反応SRが継続される。このとき、改質反応によって触媒39の表面には炭素が析出していくので、この炭素析出によって触媒39の表面積が減少する。また、被改質ガスに含まれる不純物等が触媒39の表面に付着することによって、触媒の活性点が失われていく。こうして触媒39は劣化していく。触媒39の劣化に応じて、改質反応を生じさせる触媒39の位置は下流側に移動していく。   As described above, when the fuel cell module 2 is started, the partial oxidation reforming reaction POX, the autothermal reforming reaction ATR, and the steam reforming reaction SR proceed in sequence, so that the temperature of the fuel cell assembly 12 reaches a high temperature. After rising, power generation processing is started in the fuel cell assembly 12. During the power generation process, the steam reforming reaction SR with high reforming efficiency is continued in the reformer 20. At this time, carbon is deposited on the surface of the catalyst 39 by the reforming reaction, and the surface area of the catalyst 39 is reduced by the carbon deposition. Further, the active points of the catalyst are lost as impurities and the like contained in the reformed gas adhere to the surface of the catalyst 39. Thus, the catalyst 39 is deteriorated. As the catalyst 39 deteriorates, the position of the catalyst 39 that causes the reforming reaction moves downstream.

改質器20では、上流側流路35から内側流路37、外側流路38に向かうにつれて、その断面積の段階的な減少によって被改質ガスの流速が増大していく。その結果、下流に向かうにつれて被改質ガスはより大きな流速で触媒39に接触するので、被改質ガスは、上流側流路35に比べて内側流路37で、同様に、内側流路37に比べて外側流路38で、より大きく攪拌される。こうして上流側流路35や内側流路37に比べると、外側流路38では被改質ガスの流れ方向に直交する方向により熱拡散効果を高めることができる。その結果、改質流路32の上流側に比べて下流側でより加熱特性を向上させることができる。しかも、外側流路38、38同士は下流端で合流することから、合流地点で被改質ガスをさらに大きく攪拌することができる。   In the reformer 20, the flow velocity of the reformed gas increases as the cross-sectional area decreases stepwise from the upstream channel 35 toward the inner channel 37 and the outer channel 38. As a result, the gas to be reformed comes into contact with the catalyst 39 at a higher flow rate as it goes downstream, so that the gas to be reformed is in the inner flow path 37 compared to the upstream flow path 35 and similarly in the inner flow path 37. Compared to the above, the outer channel 38 is more greatly stirred. Thus, compared with the upstream flow path 35 and the inner flow path 37, the outer flow path 38 can enhance the thermal diffusion effect in the direction orthogonal to the flow direction of the reformed gas. As a result, the heating characteristics can be further improved on the downstream side compared to the upstream side of the reforming channel 32. Moreover, since the outer flow paths 38 and 38 join together at the downstream end, the reformed gas can be further stirred at the joining point.

上述したように、触媒39は改質反応を重ねることによって劣化していく。その結果、改質反応を生じさせる触媒39の位置が下流側に移動していく。しかしながら、本発明によれば、上流側に比べて下流側でより加熱特性を向上させることができるので、たとえ改質反応を生じさせる触媒39の位置が下流側に移動しても、下流側流路36では上流側流路35に比べて燃料室18からの燃焼熱が筐体25を通じて被改質ガスにより効率的に伝達される。従って、本発明では、改質流路32の下流側にある触媒39まで有効に利用することができる。その結果、触媒39を取り替える回数を減らすことができる。   As described above, the catalyst 39 deteriorates as the reforming reaction is repeated. As a result, the position of the catalyst 39 that causes the reforming reaction moves downstream. However, according to the present invention, since the heating characteristics can be further improved on the downstream side compared to the upstream side, even if the position of the catalyst 39 causing the reforming reaction moves to the downstream side, the downstream side flow is improved. Compared with the upstream flow path 35, the combustion heat from the fuel chamber 18 is more efficiently transmitted to the reformed gas through the housing 25 in the path 36. Therefore, in the present invention, even the catalyst 39 on the downstream side of the reforming channel 32 can be used effectively. As a result, the number of times of replacing the catalyst 39 can be reduced.

次に、本発明の効果を検証した。検証にあたって、本発明の実施例として上述の改質器20を用いる一方で、比較例としてすべての流路が等しい断面積を有する改質器を想定した。すなわち、比較例に係る改質器では、図13に示すように、改質器20の上流側流路35、内側流路37及び外側流路38において、被改質ガスの流れ方向に直交する断面の断面積をすべて等しく設定した。ここでは、実施例に係る改質器20の上流側流路35を同一の断面積を有する2つの流路に分割した。比較例では、断面積を同一に設定した以外の構成は実施例と同一の条件に設定した。このとき、実施例及び比較例において、改質流路32の上流端から下流端までの流路内の温度Tを計測した。   Next, the effect of the present invention was verified. In the verification, while the above reformer 20 was used as an example of the present invention, a reformer having all the flow paths having the same cross-sectional area was assumed as a comparative example. That is, in the reformer according to the comparative example, as shown in FIG. 13, the upstream channel 35, the inner channel 37, and the outer channel 38 of the reformer 20 are orthogonal to the flow direction of the reformed gas. All cross-sectional areas of the cross section were set equal. Here, the upstream flow path 35 of the reformer 20 according to the example is divided into two flow paths having the same cross-sectional area. In the comparative example, the configuration other than the same cross-sectional area was set to the same conditions as in the example. At this time, in the example and the comparative example, the temperature T in the flow path from the upstream end to the downstream end of the reforming flow path 32 was measured.

図14は、改質流路32の上流端から改質流路32に沿って規定される距離dとその各距離dでの温度Tとの関係を示すグラフである。図14に示すように、上流側流路35では、比較例に比べて実施例では断面積が大きいので流速が小さく、比較例よりも実施例で温度上昇の傾きが小さい。すなわち、上流側流路35では比較例に比べて実施例の加熱特性は小さいことが分かる。しかしながら、実施例では、上流側流路35から外側流路38に向かうにつれて加熱特性(温度上昇の傾き)が大きく向上している一方で、比較例では加熱特性にあまり変化が見られない。従って、比較例に比べて実施例では、下流にいくにつれてより効率的に被改質ガスに熱を伝達することができることが分かる。   FIG. 14 is a graph showing the relationship between the distance d defined along the reforming channel 32 from the upstream end of the reforming channel 32 and the temperature T at each distance d. As shown in FIG. 14, in the upstream flow path 35, the cross-sectional area is larger in the embodiment than in the comparative example, so that the flow velocity is small, and the inclination of the temperature rise is smaller in the embodiment than in the comparative example. That is, it can be seen that the heating characteristics of the example are smaller in the upstream flow path 35 than in the comparative example. However, in the example, the heating characteristic (gradient of temperature rise) is greatly improved as it goes from the upstream flow path 35 to the outer flow path 38, whereas in the comparative example, there is not much change in the heating characteristic. Therefore, it can be seen that heat can be more efficiently transferred to the reformed gas in the embodiment as compared with the comparative example as it goes downstream.

図15は、一変形例に係る改質器20aの内部構造を示す平面図である。この改質器20aでは、上流側流路35の下流端及び内側流路37の上流端が筐体25の側壁25bに面している。その一方で、外側流路38、38の下流端同士は、筐体25の側壁25bの外側まで延びた後で合流するように形成されている。なお、外側流路38、38の下流端同士の合流位置は燃焼部18からの燃焼熱に曝される位置である。外側流路38、38の合流した位置に燃料ガス供給管66が連結されている。こうして改質器20aでは、側壁25bから上流側流路35及び内側流路37内の被改質ガスに燃焼熱を伝達するようにしてもよい。その他は改質器20と同様の構成であるので、改質器20と同様の作用効果を実現することができる。   FIG. 15 is a plan view showing the internal structure of the reformer 20a according to one modification. In the reformer 20 a, the downstream end of the upstream flow path 35 and the upstream end of the inner flow path 37 face the side wall 25 b of the housing 25. On the other hand, the downstream ends of the outer flow paths 38, 38 are formed so as to merge after extending to the outside of the side wall 25b of the housing 25. The joining position between the downstream ends of the outer flow paths 38 and 38 is a position exposed to the combustion heat from the combustion unit 18. A fuel gas supply pipe 66 is connected to a position where the outer flow paths 38 and 38 merge. Thus, in the reformer 20a, the combustion heat may be transmitted from the side wall 25b to the reformed gas in the upstream flow path 35 and the inner flow path 37. The rest of the configuration is the same as that of the reformer 20, so that the same effects as the reformer 20 can be realized.

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

20 改質器
32 改質流路
35 上流側流路
36 下流側流路
39 触媒
79 酸化剤ガス流路
84 燃料電池セル
88 燃料ガス流路
20 reformer 32 reforming channel 35 upstream channel 36 downstream channel 39 catalyst 79 oxidant gas channel 84 fuel cell 88 fuel gas channel

Claims (3)

燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを備えた燃料電池装置において、
前記燃料電池セルの内部に形成されて、前記燃料電池セルの下部から上部に向かって前記燃料ガスを流す燃料ガス流路と、
前記燃料電池セルの外部に形成されて、前記燃料電池セルの下部から上部に向かって前記酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路と、
前記燃料電池セルの上方に配置されて、前記燃料ガス流路から排出された前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路から排出された前記酸化剤ガスとを混合して燃焼させる燃焼部と、
前記燃料電池セルの上方に配置される直方体形状の筐体と、該筐体の内部に形成され供給される被改質ガスを前記燃焼部からの熱によって前記燃料ガスに改質する触媒を充填した改質流路を有する改質器と、を備え、
前記改質流路は、
当該改質流路の上流端から前記筐体の長手方向に沿って延びる上流側流路と、
前記上流側流路の下流端から分岐して当該改質流路の下流端まで蛇行して前記長手方向に沿って延びる下流側流路と、を有しており、
前記下流側流路内の前記被改質ガスの流速が前記上流側流路内の前記被改質ガスの流速よりも大きくなるように、前記被改質ガスの流れ方向に直交する前記下流側流路の断面積が、前記被改質ガスの流れ方向に直交する前記上流側流路の断面積よりも小さく設定されることで、前記下流側流路を流れる前記被改質ガスは、前記上流側流路を流れる被改質ガスに比べてより大きく攪拌されることを特徴とする燃料電池装置。
In a fuel cell device including a fuel cell that generates power with fuel gas and oxidant gas,
A fuel gas flow path formed inside the fuel cell and allowing the fuel gas to flow from the bottom to the top of the fuel cell;
An oxidant gas flow path that is formed outside the fuel battery cell and flows the oxidant gas from the lower part to the upper part of the fuel battery cell;
A combustion section that is disposed above the fuel cell and that mixes and burns the fuel gas discharged from the fuel gas flow path and the oxidant gas discharged from the oxidant gas flow path;
Filling a housing of rectangular parallelepiped shape that will be disposed above the fuel cells, a catalyst used for reforming the fuel gas to be reformed gas supplied is formed inside the casing by the heat from the combustion unit It provided with a reformer having a reforming passage has a,
The reforming channel is
An upstream flow path extending along the longitudinal direction of the housing from the upstream end of the reforming flow path;
A downstream flow path that branches off from the downstream end of the upstream flow path and extends along the longitudinal direction by meandering to the downstream end of the reforming flow path.
The downstream side orthogonal to the flow direction of the reformed gas so that the flow rate of the reformed gas in the downstream channel is larger than the flow rate of the reformed gas in the upstream channel. By setting the cross-sectional area of the flow path to be smaller than the cross-sectional area of the upstream flow path orthogonal to the flow direction of the reformed gas, the reformed gas flowing through the downstream flow path is A fuel cell device characterized in that the fuel cell device is more agitated than the gas to be reformed flowing in the upstream channel.
前記下流側流路は、前記上流側流路に接して前記長手方向に延びる内側流路と、前記内側流路に接して前記長手方向に延びる外側流路とを有し、The downstream channel has an inner channel extending in the longitudinal direction in contact with the upstream channel, and an outer channel extending in the longitudinal direction in contact with the inner channel,
前記改質流路内の前記被改質ガスの流速が、前記上流側流路内、前記内側流路内、前記外側流路内の順に大きくなるように、前記被改質ガスの流れ方向に直交する前記改質流路の断面積が、前記上流側流路、前記内側流路、前記外側流路の順に小さく設定されていることで、前記被改質ガスは前記外側流路、前記内側流路、前記上流側流路の順に大きく攪拌されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。In the flow direction of the gas to be reformed, the flow rate of the gas to be reformed in the reforming channel increases in the order of the upstream channel, the inner channel, and the outer channel. The cross-sectional area of the orthogonal reforming channel is set to be smaller in the order of the upstream channel, the inner channel, and the outer channel, so that the gas to be reformed is the outer channel and the inner channel. 2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell device is agitated in the order of the flow path and the upstream flow path.
前記改質流路は1対の前記下流側流路を有しており、1対の前記下流側流路の下流端同士は相互に合流することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池装置。 The reforming passage has the downstream-passage of the pair 1 is a downstream end between the downstream flow path of the pair according to claim 1 or 2, characterized in that mutually merged Fuel cell device.
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