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JP6450202B2 - Fuel cell module - Google Patents

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JP6450202B2 JP2015010394A JP2015010394A JP6450202B2 JP 6450202 B2 JP6450202 B2 JP 6450202B2 JP 2015010394 A JP2015010394 A JP 2015010394A JP 2015010394 A JP2015010394 A JP 2015010394A JP 6450202 B2 JP6450202 B2 JP 6450202B2
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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。   The present invention relates to a fuel cell module including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked.

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。   Usually, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as a solid electrolyte. An electrolyte / electrode assembly (hereinafter also referred to as MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of a solid electrolyte is sandwiched between separators (bipolar plates). A fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are stacked.

ＳＯＦＣでは、一般的に、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器を備えている。改質器で生成された燃料ガスは、酸化剤ガス（空気）と共に燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックでは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電される。そして、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとは、排ガス燃焼器に供給されて燃焼され、燃焼排ガスが発生されている。この燃焼排ガスは、改質器、水蒸気発生用の蒸発器及び酸化剤ガス予熱用の空気予熱器等に供給されることにより、熱エネルギーの効率的な利用が図られている。   The SOFC generally includes a reformer that reforms a raw fuel mainly composed of hydrocarbons and generates a fuel gas supplied to the fuel cell stack. The fuel gas generated by the reformer is supplied to the fuel cell stack together with the oxidant gas (air), and the fuel cell stack generates power by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas. The fuel exhaust gas that is the fuel gas discharged from the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas that is the oxidant gas are supplied to the exhaust gas combustor and burned to generate combustion exhaust gas. The combustion exhaust gas is supplied to a reformer, an evaporator for generating water vapor, an air preheater for oxidant gas preheating, and the like, so that efficient use of thermal energy is achieved.

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料オフガス給気管と燃料排気管とが、燃料オフガスの流れ方向と酸化剤オフガスの流れ方向とを直交させるように配設されている。このため、燃料オフガスは、その流れ方向が、酸化剤オフガスの流量に対する相対的な流量に応じて変化し、燃焼領域に向かって押し流される流量が、酸化剤オフガスの流量に対する相対的な流量に依存している。従って、燃焼領域に向かって流れる燃料オフガスの流量が所定の値以下となるよう設定することにより、燃焼器で生成される熱エネルギーを所定の値以下にすることができ、耐熱温度を超えないように前記燃焼器を運転することができる、としている。   For example, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, the fuel off-gas supply pipe and the fuel exhaust pipe are arranged so that the flow direction of the fuel off-gas and the flow direction of the oxidant off-gas are orthogonal to each other. For this reason, the flow direction of the fuel off-gas changes according to the flow rate relative to the flow rate of the oxidant off-gas, and the flow rate pushed toward the combustion region depends on the flow rate relative to the flow rate of the oxidant off-gas. doing. Therefore, by setting the flow rate of the fuel off-gas flowing toward the combustion region to be a predetermined value or less, the heat energy generated in the combustor can be made to be a predetermined value or less so that the heat resistant temperature is not exceeded. The combustor can be operated.

特開２０１０−２７７８７６号公報JP 2010-277876 A

上記の特許文献１では、燃焼室内において、単一の燃料オフガス給気管と単一の燃料排気管とが、互いに直交するように配置されている。このため、燃料オフガスと酸化剤オフガスとが混合し難いおそれがあるとともに、流速によっては、特に燃料オフガスが吹き飛ばされ、良好な燃焼排ガスが生成されないという問題がある。   In the above Patent Document 1, a single fuel off-gas supply pipe and a single fuel exhaust pipe are arranged so as to be orthogonal to each other in the combustion chamber. For this reason, there is a possibility that the fuel off-gas and the oxidant off-gas are difficult to mix, and depending on the flow speed, there is a problem that the fuel off-gas is blown off and good combustion exhaust gas is not generated.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを容易且つ確実に混合させることができ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and can easily and reliably mix fuel exhaust gas and oxidant exhaust gas, and can efficiently generate desired combustion exhaust gas. The purpose is to provide.

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと排ガス燃焼器とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層している。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させている。   The fuel cell module according to the present invention includes a fuel cell stack and an exhaust gas combustor. In the fuel cell stack, a plurality of fuel cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked. The exhaust gas combustor burns fuel exhaust gas that is fuel gas discharged from the fuel cell stack and oxidant exhaust gas that is oxidant gas, and generates combustion exhaust gas.

排ガス燃焼器は、ノズル部材と外管部材とを備えている。ノズル部材は、先端部側面に燃料排ガスを排出させる複数個の燃料排ガス導出口が設けられている。外管部材は、ノズル部材の外方を周回し、該ノズル部材の先端部近傍で終端する端面に、酸化剤排ガスを前記ノズル部材の軸方向に排出させる複数個の酸化剤排ガス導出口が設けられている。   The exhaust gas combustor includes a nozzle member and an outer tube member. The nozzle member is provided with a plurality of fuel exhaust gas outlets for discharging the fuel exhaust gas on the side surface of the tip. The outer tube member circulates outward of the nozzle member, and a plurality of oxidant exhaust gas outlets for discharging the oxidant exhaust gas in the axial direction of the nozzle member are provided on an end surface that terminates near the tip of the nozzle member. It has been.

そして、燃料排ガス導出口から排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口から排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に排出されながら混合されている。   The fuel exhaust gas discharged from the fuel exhaust gas outlet and the oxidant exhaust gas discharged from the oxidant exhaust gas outlet are mixed while being discharged in directions orthogonal to each other.

また、この燃料電池モジュールでは、外管部材の端面側からの平面視で、各燃料排ガス導出口の延長上の間に、酸化剤排ガス導出口が配置されることが好ましい。このため、特に燃料排ガスと酸化剤排ガスとの流速が異なる際に、一方のガスが吹き飛ばされることがなく、混合燃焼ガスが確実に得られ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することができる。   In this fuel cell module, it is preferable that the oxidant exhaust gas outlet is disposed between the extensions of the fuel exhaust outlets in a plan view from the end face side of the outer tube member. For this reason, especially when the flow rates of the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas are different, one gas is not blown away, and the mixed combustion gas can be reliably obtained, and the desired combustion exhaust gas can be efficiently generated. .

さらに、この燃料電池モジュールでは、各燃料排ガス導出口の延長上の間に、２以上の酸化剤排ガス導出口が配置されることが好ましい。従って、混合燃焼ガスが確実に得られるとともに、所望の酸化剤排ガス流量を確保することが可能になる。   Further, in this fuel cell module, it is preferable that two or more oxidant exhaust gas outlets are arranged on the extension of each fuel exhaust gas outlet. Therefore, it is possible to reliably obtain the mixed combustion gas and to secure a desired oxidant exhaust gas flow rate.

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤排ガス導出口は、ノズル部材の周方向に短尺で且つ該ノズル部材の径方向に長尺な非円形形状を有することが好ましい。従って、燃料排ガス導出口の間に、２以上の酸化剤排ガス導出口を確実且つ効率的に配置させることが可能になる。   Furthermore, in this fuel cell module, it is preferable that the oxidant exhaust gas outlet has a non-circular shape that is short in the circumferential direction of the nozzle member and long in the radial direction of the nozzle member. Accordingly, it is possible to reliably and efficiently arrange two or more oxidant exhaust gas outlets between the fuel exhaust gas outlets.

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、酸化剤排ガス導出口の開口面積は、燃料排ガス導出口の開口面積よりも大きいことが好ましい。運転中の空気の流量は、燃料の流量よりも多いため、同一の開口面積では、燃料排ガスの流速が比較的遅くなってしまう。そのため、酸化剤排ガス導出口の開口面積を、燃料排ガス導出口の開口面積よりも大きく設定することによって、酸化剤排ガスの流速と燃料排ガスの流速とを可及的に等速にすることができる。   Furthermore, in this fuel cell module, the opening area of the oxidant exhaust gas outlet is preferably larger than the opening area of the fuel exhaust gas outlet. Since the air flow rate during operation is larger than the fuel flow rate, the flow rate of the fuel exhaust gas becomes relatively slow in the same opening area. Therefore, the flow rate of the oxidant exhaust gas and the flow rate of the fuel exhaust gas can be made as constant as possible by setting the opening area of the oxidant exhaust gas discharge port to be larger than the opening area of the fuel exhaust gas discharge port. .

また、この燃料電池モジュールでは、排ガス燃焼器は、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを着火させる着火部を備えることが好ましい。その際、燃料排ガス導出口は、重力方向に延在するノズル部材の先端部側面に、水平方向に向かって開口するとともに、着火部の先端は、前記燃料排ガス導出口と同一の高さ位置に配置されることが好ましい。このため、着火位置近傍に燃料排ガスが確実に排出され、着火性が良好に向上する。   In this fuel cell module, it is preferable that the exhaust gas combustor includes an ignition unit that ignites the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas. At that time, the fuel exhaust gas outlet opens in the horizontal direction on the side surface of the tip of the nozzle member extending in the direction of gravity, and the tip of the ignition part is at the same height as the fuel exhaust gas outlet. Preferably they are arranged. For this reason, the fuel exhaust gas is reliably discharged in the vicinity of the ignition position, and the ignitability is improved satisfactorily.

本発明によれば、ノズル部材の先端部側面に複数個の燃料排ガス導出口が設けられるとともに、外管部材の端面に複数個の酸化剤排ガス導出口が設けられている。従って、燃料排ガス導出口から排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口から排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に導出されながら確実に混合される。このため、例えば、流速の相違に起因して燃料排ガスが吹き飛ばされることを抑制することが可能になる。これにより、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを容易且つ確実に混合させることができ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することが可能になる。   According to the present invention, a plurality of fuel exhaust gas outlets are provided on the side surface of the tip portion of the nozzle member, and a plurality of oxidant exhaust gas outlets are provided on the end surface of the outer tube member. Therefore, the fuel exhaust gas discharged from the fuel exhaust gas outlet and the oxidant exhaust gas discharged from the oxidant exhaust gas outlet are reliably mixed while being led in directions orthogonal to each other. For this reason, for example, it becomes possible to suppress that the fuel exhaust gas is blown off due to the difference in flow velocity. As a result, the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas can be easily and reliably mixed, and the desired combustion exhaust gas can be efficiently generated.

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部説明図である。It is principal part explanatory drawing of the fuel cell module which concerns on embodiment of this invention. 前記燃料電池モジュールの概略構成説明図である。It is a schematic structure explanatory view of the fuel cell module. 前記燃料電池モジュールを構成する排ガス燃焼器の要部斜視説明図である。It is a principal part perspective explanatory drawing of the exhaust gas combustor which comprises the said fuel cell module. 前記排ガス燃焼器の先端端面側からの平面説明図である。It is a plane explanatory view from the tip end face side of the exhaust gas combustor.

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール１０は、燃料電池ユニット１２を備え、前記燃料電池ユニット１２が筐体１４内に収容される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell module 10 according to the embodiment of the present invention is used for various uses such as in-vehicle use as well as stationary use. The fuel cell module 10 includes a fuel cell unit 12, and the fuel cell unit 12 is accommodated in a housing 14.

図１及び図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、燃料電池スタック１６、改質器１８、空気予熱器２０、排ガス燃焼器２２及び蒸発器２４が組み付けられる。排ガス燃焼器２２は、排ガス燃焼室２６に配置されるとともに、前記排ガス燃焼室２６の一面は、予昇温部２８により構成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell unit 12 includes a fuel cell stack 16, a reformer 18, an air preheater 20, an exhaust gas combustor 22, and an evaporator 24. The exhaust gas combustor 22 is disposed in the exhaust gas combustion chamber 26, and one surface of the exhaust gas combustion chamber 26 is constituted by a pre-heating unit 28.

図２に示すように、空気予熱器２０と燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路（図示せず）とは、空気供給通路３０ａを介して接続される。蒸発器２４、予昇温部２８及び改質器１８は、混合ガス供給通路３０ｂを介して接続され、前記改質器１８と燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路（図示せず）とは、燃料供給通路３０ｃを介して接続される。蒸発器２４は、予昇温部２８よりも原燃料流通方向上流に配置される。   As shown in FIG. 2, the air preheater 20 and the oxidant gas system flow path (not shown) of the fuel cell stack 16 are connected via an air supply path 30a. The evaporator 24, the pre-heating unit 28, and the reformer 18 are connected via a mixed gas supply passage 30b, and the reformer 18 and a fuel gas system flow path (not shown) of the fuel cell stack 16 are connected to each other. Are connected via a fuel supply passage 30c. The evaporator 24 is disposed upstream of the pre-heating unit 28 in the raw fuel flow direction.

燃料電池スタック１６の燃料排ガス出口と排ガス燃焼器２２とは、燃料排ガス通路３０ｄにより接続され、前記燃料電池スタック１６の酸化剤排ガス出口と前記排ガス燃焼器２２とは、酸化剤排ガス通路３０ｅにより接続される。排ガス燃焼器２２により生成される燃焼排ガスは、燃焼排ガス通路３０ｆを介して空気予熱器２０及び蒸発器２４の順に供給される。   The fuel exhaust gas outlet of the fuel cell stack 16 and the exhaust gas combustor 22 are connected by a fuel exhaust gas passage 30d, and the oxidant exhaust gas outlet of the fuel cell stack 16 and the exhaust gas combustor 22 are connected by an oxidant exhaust gas passage 30e. Is done. The combustion exhaust gas generated by the exhaust gas combustor 22 is supplied in the order of the air preheater 20 and the evaporator 24 via the combustion exhaust gas passage 30f.

燃料電池スタック１６は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１６は、図１に示すように、平板状の固体酸化物形燃料電池３１を備え、複数の前記燃料電池３１は、鉛直方向（矢印Ａ方向）（又は水平方向）に積層される。   The fuel cell stack 16 generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas (a gas obtained by mixing methane and carbon monoxide with hydrogen gas) and an oxidant gas (air). As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 16 includes a flat solid oxide fuel cell 31, and the plurality of fuel cells 31 are stacked in the vertical direction (arrow A direction) (or horizontal direction). .

燃料電池スタック１６と予昇温部２８とは、排ガス燃焼室２６を挟んで互いに対向して配置されるとともに、改質器１８は、前記排ガス燃焼室２６の側面に沿って略コ字状に配置される。改質器１８の内部には、図示しないが、改質触媒が充填される。改質触媒としては、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）又はＦｅ（鉄）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。改質器１８は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質し、燃料電池スタック１６に供給される燃料ガスを生成する。   The fuel cell stack 16 and the pre-heating unit 28 are disposed to face each other with the exhaust gas combustion chamber 26 interposed therebetween, and the reformer 18 is substantially U-shaped along the side surface of the exhaust gas combustion chamber 26. Be placed. Although not shown, the reformer 18 is filled with a reforming catalyst. As the reforming catalyst, at least one kind of catalytic metal of Ru (ruthenium), Ni (nickel), Pt (platinum), Rh (rhodium), Pd (palladium), Ir (iridium) or Fe (iron) is used. . The reformer 18 steam reforms a mixed gas of raw fuel (for example, city gas) mainly composed of hydrocarbons and steam to generate fuel gas to be supplied to the fuel cell stack 16.

図１及び図３に示すように、排ガス燃焼器２２は、燃料電池スタック１６の下部に接続され、排ガス燃焼室２６の上部に配置される。排ガス燃焼器２２は、ノズル部材３２と、前記ノズル部材３２の外方を周回する外管部材３４とを有し、これらが二重管を構成する。ノズル部材３２は、有底の円筒形状を有し、先端部周面（側面）３２ａに燃料排ガスを排出させる複数個の燃料排ガス導出口３６が水平方向に向かって設けられる。燃料排ガス導出口３６は、円形形状を有し、先端部周面３２ａに等角度間隔ずつ離間して形成される。   As shown in FIGS. 1 and 3, the exhaust gas combustor 22 is connected to the lower part of the fuel cell stack 16 and is arranged at the upper part of the exhaust gas combustion chamber 26. The exhaust gas combustor 22 includes a nozzle member 32 and an outer tube member 34 that goes around the outside of the nozzle member 32, and these constitute a double tube. The nozzle member 32 has a bottomed cylindrical shape, and a plurality of fuel exhaust gas outlets 36 for discharging the fuel exhaust gas are provided in the horizontal direction on the tip peripheral surface (side surface) 32a. The fuel exhaust gas outlet 36 has a circular shape, and is formed at regular angular intervals on the tip peripheral surface 32a.

外管部材３４は、角筒形状を有するとともに、重力方向に延在するノズル部材３２の先端（下端）近傍に、具体的には、前記ノズル部材３２の先端位置から上方に距離ｔだけ離間する位置に、先端（下端）端面３４ａが配置される。先端端面３４ａには、酸化剤排ガスをノズル部材３２の軸方向に排出させる複数個の酸化剤排ガス導出口３８が下方に向かって設けられる。酸化剤排ガス導出口３８は、長円形状、楕円形状又は長方形状等の非円形形状を有する。なお、外管部材３４は、円筒形状を有してもよい。   The outer tube member 34 has a rectangular tube shape, and is spaced apart by a distance t in the vicinity of the tip (lower end) of the nozzle member 32 extending in the direction of gravity, specifically, from the tip position of the nozzle member 32. The tip (lower end) end face 34a is disposed at the position. A plurality of oxidant exhaust gas outlets 38 for discharging the oxidant exhaust gas in the axial direction of the nozzle member 32 are provided on the tip end surface 34a downward. The oxidant exhaust gas outlet 38 has a non-circular shape such as an elliptical shape, an elliptical shape, or a rectangular shape. The outer tube member 34 may have a cylindrical shape.

燃料排ガス導出口３６から水平方向に排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口３８から下方に排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に導出されながら混合される。図４に示すように、外管部材３４の先端端面３４ａ側からの平面視で、各燃料排ガス導出口３６の延長線Ｌの間に、２つの酸化剤排ガス導出口３８が配置される。なお、各燃料排ガス導出口３６の延長線Ｌの間には、１つの又は３つ以上の酸化剤排ガス導出口３８が配置されてもよい。   The fuel exhaust gas discharged in the horizontal direction from the fuel exhaust gas outlet 36 and the oxidant exhaust gas discharged downward from the oxidant exhaust gas outlet 38 are mixed while being led in directions orthogonal to each other. As shown in FIG. 4, two oxidant exhaust gas outlets 38 are arranged between the extended lines L of the fuel exhaust gas outlets 36 in a plan view from the distal end surface 34 a side of the outer pipe member 34. One or three or more oxidant exhaust gas outlets 38 may be arranged between the extended lines L of the fuel exhaust gas outlets 36.

酸化剤排ガス導出口３８は、ノズル部材３２の周方向に短尺な幅寸法Ｈを有し、且つ該ノズル部材３２の径方向に長尺な長さＬ（Ｌ＞Ｈ）を有する非円形形状である。酸化剤排ガス導出口３８の開口面積は、燃料排ガス導出口３６の開口面積よりも大きく、前記酸化剤排ガス導出口３８の総開口面積は、前記燃料排ガス導出口３６の総開口面積よりも大きい。   The oxidant exhaust gas outlet 38 has a non-circular shape having a short width H in the circumferential direction of the nozzle member 32 and a long length L (L> H) in the radial direction of the nozzle member 32. is there. The opening area of the oxidant exhaust gas outlet 38 is larger than the opening area of the fuel exhaust gas outlet 36, and the total opening area of the oxidant exhaust gas outlet 38 is larger than the total opening area of the fuel exhaust gas outlet 36.

図１に示すように、改質器１８には、着火部であるグロープラグ４０が装着される。グロープラグ４０は、水平方向に延在しており、先端は、排ガス燃焼器２２に近接して配置される。グロープラグ４０の先端は、燃料排ガス導出口３６と同一の高さ位置に配置される。   As shown in FIG. 1, the reformer 18 is equipped with a glow plug 40 as an ignition part. The glow plug 40 extends in the horizontal direction, and the tip thereof is disposed close to the exhaust gas combustor 22. The tip of the glow plug 40 is disposed at the same height as the fuel exhaust gas outlet 36.

空気予熱器２０は、燃焼排ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック１６に前記酸化剤ガスを供給する。蒸発器２４は、水と原燃料とが供給され、燃焼排ガスにより水が蒸発して生成された水蒸気と原燃料との混合ガスは、混合ガス供給通路３０ｂを介して予昇温部２８に供給される。予昇温部２８は、混合ガスを燃焼排ガスの燃焼熱により昇温させ、改質器１８に供給する。   The air preheater 20 raises the temperature of the oxidant gas by heat exchange with the combustion exhaust gas, and supplies the oxidant gas to the fuel cell stack 16. The evaporator 24 is supplied with water and raw fuel, and a mixed gas of water vapor and raw fuel generated by evaporating water from the combustion exhaust gas is supplied to the pre-heating unit 28 through the mixed gas supply passage 30b. Is done. The pre-heating unit 28 raises the temperature of the mixed gas by the combustion heat of the combustion exhaust gas, and supplies it to the reformer 18.

このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell module 10 configured as described above will be described below.

図２に示すように、燃料電池モジュール１０の運転時には、空気予熱器２０に空気が供給されるとともに、蒸発器２４には、原燃料及び水が供給される。空気予熱器２０では、空気が後述する燃焼排ガスにより加熱（熱交換）され、高温になった前記空気は、燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路に供給される。   As shown in FIG. 2, during operation of the fuel cell module 10, air is supplied to the air preheater 20, and raw fuel and water are supplied to the evaporator 24. In the air preheater 20, air is heated (heat exchanged) by combustion exhaust gas described later, and the heated air is supplied to the oxidant gas system flow path of the fuel cell stack 16.

一方、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料は、水と共に蒸発器２４に供給される。蒸発器２４には、燃焼排ガスが供給されるため、水が蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気と原燃料との混合ガスは、予昇温部２８に導入される。予昇温部２８では、混合ガスが燃焼排ガスの燃焼熱により昇温される。 On the other hand, raw fuel such as city gas (including CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , and C 4 H 10 ) is supplied to the evaporator 24 together with water. Since the combustion exhaust gas is supplied to the evaporator 24, the water evaporates to generate water vapor, and the mixed gas of the water vapor and the raw fuel is introduced into the pre-heating unit 28. In the pre-heating unit 28, the mixed gas is heated by the combustion heat of the combustion exhaust gas.

昇温された混合ガスは、改質器１８に供給される。改質器１８では、混合ガスが水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。改質ガスは、燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路に供給される。 The heated mixed gas is supplied to the reformer 18. In the reformer 18, the mixed gas is steam-reformed, and C 2+ hydrocarbons are removed (reformed) to obtain a reformed gas mainly composed of methane. The reformed gas is supplied to the fuel gas system flow path of the fuel cell stack 16.

従って、各燃料電池３１では、酸素と空気との化学反応により発電が行われる。発電反応により燃料電池スタック１６から排出される燃料ガスである燃料排ガスは、燃料排ガス通路３０ｄに導出される。同様に、発電反応により燃料電池スタック１６から排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス通路３０ｅに導出される。   Accordingly, each fuel cell 31 generates power by a chemical reaction between oxygen and air. The fuel exhaust gas that is the fuel gas discharged from the fuel cell stack 16 by the power generation reaction is led to the fuel exhaust gas passage 30d. Similarly, the oxidant exhaust gas that is the oxidant gas discharged from the fuel cell stack 16 by the power generation reaction is led to the oxidant exhaust gas passage 30e.

図１及び図３に示すように、燃料排ガスは、ノズル部材３２の燃料排ガス通路３０ｄに沿って下方に流通した後、先端部周面３２ａに形成された複数個の燃料排ガス導出口３６ら水平方向に向かって排ガス燃焼室２６に導入される。一方、酸化剤排ガスは、外管部材３４の酸化剤排ガス通路３０ｅに沿って下方に流通した後、先端端面３４ａに形成された複数個の酸化剤排ガス導出口３８から下方に向かって排ガス燃焼室２６に導入される。   As shown in FIGS. 1 and 3, after the fuel exhaust gas flows downward along the fuel exhaust gas passage 30d of the nozzle member 32, the fuel exhaust gas flows horizontally from the plurality of fuel exhaust gas outlets 36 formed in the tip peripheral surface 32a. It is introduced into the exhaust gas combustion chamber 26 in the direction. On the other hand, the oxidant exhaust gas flows downward along the oxidant exhaust gas passage 30e of the outer pipe member 34, and then exhausts downward from the plurality of oxidant exhaust gas outlets 38 formed on the tip end surface 34a. 26.

これにより、排ガス燃焼室２６には、水平方向に排出される燃料排ガスと重力下方向に排出される酸化剤排ガスとが混合されて燃焼され、燃焼排ガスが発生する。なお、排ガス燃焼室２６では、グロープラグ４０が必要に応じて駆動され、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合燃焼ガスが着火される。   Thereby, in the exhaust gas combustion chamber 26, the fuel exhaust gas discharged in the horizontal direction and the oxidant exhaust gas discharged in the downward direction of gravity are mixed and burned to generate combustion exhaust gas. In the exhaust gas combustion chamber 26, the glow plug 40 is driven as necessary, and a mixed combustion gas of fuel exhaust gas and oxidant exhaust gas is ignited.

図２に示すように、燃焼排ガスは、改質器１８を昇温させるとともに、予昇温部２８に燃焼熱を伝達する。さらに、燃焼排ガスは、空気予熱器２０及び蒸発器２４の順に供給される。このため、空気予熱器２０及び蒸発器２４に燃焼熱が伝達される。   As shown in FIG. 2, the combustion exhaust gas raises the temperature of the reformer 18 and transmits the combustion heat to the pre-heating part 28. Further, the combustion exhaust gas is supplied in the order of the air preheater 20 and the evaporator 24. For this reason, combustion heat is transmitted to the air preheater 20 and the evaporator 24.

この場合、本実施形態では、図１及び図３に示すように、ノズル部材３２の先端部周面３２ａに複数個の燃料排ガス導出口３６が設けられるとともに、外管部材３４の先端端面３４ａに複数個の酸化剤排ガス導出口３８が設けられている。従って、燃料排ガス導出口３６から排出される燃料排ガスと、酸化剤排ガス導出口３８から排出される酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に導出されながら確実に混合される。これにより、例えば、流速の相違に起因して燃料排ガスが吹き飛ばされることを抑制することが可能になり、前記燃料排ガスと酸化剤排ガスとを容易且つ確実に混合させることができ、所望の燃焼排ガスを効率的に生成することが可能になるという効果が得られる。   In this case, in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, a plurality of fuel exhaust gas outlets 36 are provided on the tip peripheral surface 32 a of the nozzle member 32, and the tip end surface 34 a of the outer tube member 34 is provided. A plurality of oxidant exhaust gas outlets 38 are provided. Therefore, the fuel exhaust gas discharged from the fuel exhaust gas outlet 36 and the oxidant exhaust gas discharged from the oxidant exhaust gas outlet 38 are reliably mixed while being led in directions orthogonal to each other. As a result, for example, it becomes possible to prevent the fuel exhaust gas from being blown off due to the difference in flow velocity, and the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas can be easily and reliably mixed, and the desired combustion exhaust gas can be mixed. The effect that it becomes possible to produce | generate efficiently is acquired.

また、燃料電池モジュール１０では、図４に示すように、外管部材３４の先端端面３４ａ側からの平面視で、各燃料排ガス導出口３６の延長上の間に、酸化剤排ガス導出口３８が配置されている。このため、特に燃料排ガスと酸化剤排ガスとの流速が異なる際に、例えば、前記酸化剤排ガスの流速が速い場合に、前記燃料排ガス（一方のガス）が吹き飛ばされることがない。従って、混合燃焼ガスが確実に得られ、所望の燃焼排ガスを生成することができる。   Further, in the fuel cell module 10, as shown in FIG. 4, the oxidant exhaust gas outlet 38 is provided between the extension of each fuel exhaust outlet 36 in a plan view from the distal end surface 34 a side of the outer tube member 34. Has been placed. For this reason, especially when the flow rates of the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas are different, for example, when the flow rate of the oxidant exhaust gas is high, the fuel exhaust gas (one gas) is not blown off. Therefore, mixed combustion gas can be obtained reliably and desired combustion exhaust gas can be generated.

さらに、酸化剤排ガス導出口３８は、ノズル部材３２の周方向に短尺な幅寸法Ｈを有し、且つ該ノズル部材３２の径方向に長尺な長さＬ（Ｌ＞Ｈ）を有する非円形形状である。これにより、燃料排ガス導出口３６の間に、２以上の酸化剤排ガス導出口３８を確実且つ効率的に配置させることが可能になる。   Further, the oxidant exhaust gas outlet 38 has a non-circular shape having a short width dimension H in the circumferential direction of the nozzle member 32 and a long length L (L> H) in the radial direction of the nozzle member 32. Shape. This makes it possible to reliably and efficiently arrange two or more oxidant exhaust gas outlets 38 between the fuel exhaust gas outlets 36.

さらにまた、酸化剤排ガス導出口３８の全体の開口面積は、燃料排ガス導出口３６の全体の開口面積よりも大きい。燃料電池スタック１６では、運転中の空気の流量は、燃料の流量よりも多いため、同一の開口面積では、燃料排ガスの流速が比較的遅くなってしまう。このため、酸化剤排ガス導出口３８の総開口面積を、燃料排ガス導出口３６の総開口面積よりも大きく設定することにより、酸化剤排ガスの流速と燃料排ガスの流速とを可及的に等速にすることができる。   Furthermore, the entire opening area of the oxidant exhaust gas outlet port 38 is larger than the entire opening area of the fuel exhaust gas outlet port 36. In the fuel cell stack 16, since the air flow rate during operation is larger than the fuel flow rate, the flow rate of the fuel exhaust gas becomes relatively slow in the same opening area. For this reason, the flow rate of the oxidant exhaust gas and the flow rate of the fuel exhaust gas are made as constant as possible by setting the total opening area of the oxidant exhaust gas discharge port 38 to be larger than the total opening area of the fuel exhaust gas discharge port 36. Can be.

また、図１に示すように、排ガス燃焼器２２は、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを着火させるグロープラグ４０を備えている。その際、燃料排ガス導出口３６は、重力方向に延在するノズル部材３２の先端部周面３２ａに水平方向に向かって開口するとともに、グロープラグ４０の先端は、前記燃料排ガス導出口３６と同一の高さ位置に配置されている。従って、グロープラグ４０の着火位置近傍に燃料排ガスが確実に排出され、着火性が良好に向上する。   As shown in FIG. 1, the exhaust gas combustor 22 includes a glow plug 40 that ignites fuel exhaust gas and oxidant exhaust gas. At that time, the fuel exhaust gas outlet 36 opens in the horizontal direction at the tip peripheral surface 32a of the nozzle member 32 extending in the direction of gravity, and the tip of the glow plug 40 is the same as the fuel exhaust gas outlet 36. It is arranged at the height position. Therefore, the fuel exhaust gas is reliably discharged in the vicinity of the ignition position of the glow plug 40, and the ignitability is improved satisfactorily.

１０…燃料電池モジュール １２…燃料電池ユニット
１４…筐体 １６…燃料電池スタック
１８…改質器 ２０…空気予熱器
２２…排ガス燃焼器 ２４…蒸発器
２８…予昇温部 ３１…燃料電池
３２…ノズル部材 ３２ａ…先端部周面
３４…外管部材 ３４ａ…先端端面
３６…燃料排ガス導出口 ３８…酸化剤排ガス導出口
４０…グロープラグ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell module 12 ... Fuel cell unit 14 ... Housing 16 ... Fuel cell stack 18 ... Reformer 20 ... Air preheater 22 ... Exhaust gas combustor 24 ... Evaporator 28 ... Pre-heating part 31 ... Fuel cell 32 ... Nozzle member 32a ... tip end peripheral surface 34 ... outer tube member 34a ... tip end face 36 ... fuel exhaust gas outlet 38 ... oxidant exhaust gas outlet 40 ... glow plug

Claims (3)

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記排ガス燃焼器は、先端部側面に前記燃料排ガスを排出させる複数個の燃料排ガス導出口が設けられるノズル部材と、
前記ノズル部材の外方を周回し、該ノズル部材の先端部近傍で終端する端面に、前記酸化剤排ガスを前記ノズル部材の軸方向に排出させる複数個の酸化剤排ガス導出口が設けられる外管部材と、
を備えるとともに、
前記燃料排ガス導出口から排出される前記燃料排ガスと、前記酸化剤排ガス導出口から排出される前記酸化剤排ガスとは、互いに直交する方向に排出されながら混合され、
前記外管部材の前記端面側からの平面視で、各燃料排ガス導出口の延長上の間に、２以上の前記酸化剤排ガス導出口が配置され、
前記酸化剤排ガス導出口は、前記ノズル部材の周方向に短尺で且つ該ノズル部材の径方向に長尺な非円形形状を有する、燃料電池モジュール。 A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked;
An exhaust gas combustor that generates a combustion exhaust gas by burning a fuel exhaust gas that is the fuel gas discharged from the fuel cell stack and an oxidant exhaust gas that is the oxidant gas;
A fuel cell module comprising:
The exhaust gas combustor includes a nozzle member provided with a plurality of fuel exhaust gas outlets for discharging the fuel exhaust gas on a side surface of a tip portion;
An outer pipe that circulates outward of the nozzle member and has a plurality of oxidant exhaust gas outlets for discharging the oxidant exhaust gas in the axial direction of the nozzle member on an end surface that terminates in the vicinity of the tip of the nozzle member A member,
With
The fuel exhaust gas discharged from the fuel exhaust gas outlet and the oxidant exhaust gas discharged from the oxidant exhaust gas outlet are mixed while being discharged in directions orthogonal to each other ,
Two or more oxidant exhaust gas outlets are arranged between the extension of each fuel exhaust gas outlet in a plan view from the end face side of the outer pipe member,
The oxidant exhaust gas outlet has a noncircular shape that is short in the circumferential direction of the nozzle member and long in the radial direction of the nozzle member . 請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤排ガス導出口の開口面積は、前記燃料排ガス導出口の開口面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池モジュール。 2. The fuel cell module according to claim 1 , wherein an opening area of the oxidant exhaust gas outlet port is larger than an opening area of the fuel exhaust gas outlet port. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排ガス燃焼器は、前記燃料排ガスと前記酸化剤排ガスとを着火させる着火部を備え、
前記燃料排ガス導出口は、重力方向に延在する前記ノズル部材の前記先端部側面に、水平方向に向かって開口するとともに、
前記着火部の先端は、前記燃料排ガス導出口と同一の高さ位置に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 1 or 2 , wherein the exhaust gas combustor includes an ignition unit that ignites the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas,
The fuel exhaust gas outlet is open in the horizontal direction on the side surface of the tip of the nozzle member extending in the direction of gravity,
The fuel cell module according to claim 1, wherein a tip of the ignition portion is disposed at the same height as the fuel exhaust gas outlet.
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