JP6111904B2 - Fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、高温型の燃料電池を当該燃料電池に供給される前の反応ガスと熱交換させる燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device that exchanges heat between a high-temperature fuel cell and a reaction gas before being supplied to the fuel cell.
従来、固体酸化物型燃料電池の如く、作動温度が高温（５００℃〜１０００℃）となる高温型の燃料電池を備える燃料電池装置として、燃料電池の発電時に生ずる熱を、改質器における改質反応の促進等に利用するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, as a fuel cell device including a high-temperature fuel cell whose operating temperature is high (500 ° C. to 1000 ° C.) like a solid oxide fuel cell, heat generated during power generation of the fuel cell is improved in the reformer. The thing utilized for promotion of a quality reaction etc. is proposed (for example, refer patent document 1).
この特許文献１では、燃料電池に対して改質器を対面配置すると共に、改質器における燃料電池と対向する対向面の反対側に燃焼器を配設することで、改質器に対して燃料電池の熱および燃焼器の熱を供給して、改質器における改質反応の促進を図っている。なお、特許文献１には、燃料電池および改質器を対面配置してなるモジュールを複数設置する構成も開示されている。 In Patent Document 1, the reformer is disposed facing the fuel cell, and the combustor is disposed on the opposite side of the reformer facing the fuel cell. The heat of the fuel cell and the heat of the combustor are supplied to promote the reforming reaction in the reformer. Patent Document 1 also discloses a configuration in which a plurality of modules each having a fuel cell and a reformer arranged in a face-to-face arrangement are installed.
ところで、特許文献１に記載の燃料電池装置では、その外周部位を改質器と一体に形成した燃焼器により構成している。このような構成では、高温の燃焼器が外部に露出することになり、燃焼器の熱が改質器以外にも外部に放熱されてしまう。なお、特許文献１には、燃料電池および改質器を対面配置してなるモジュールを複数設置する構成も開示されているが、いずれも高温の燃焼器が外部に露出する構成となっている。 By the way, in the fuel cell device described in Patent Document 1, the outer peripheral portion is constituted by a combustor formed integrally with a reformer. In such a configuration, the high-temperature combustor is exposed to the outside, and the heat of the combustor is radiated to the outside other than the reformer. Patent Document 1 also discloses a configuration in which a plurality of modules each having a fuel cell and a reformer arranged in a face-to-face arrangement are disclosed. However, in each case, a high-temperature combustor is exposed to the outside.
従来の燃料電池装置の如く、高温の燃焼器が外部に露出する構成となっていると、燃焼器の熱が外部に無駄に放熱され易く、燃焼器の熱を改質器へ適切に供給することができなくなってしまう。つまり、従来の燃料電池装置では、依然として燃焼器の熱を有効活用できておらず、改善の余地がある。 When the high-temperature combustor is exposed to the outside like a conventional fuel cell device, the heat of the combustor is easily radiated wastefully to the outside, and the heat of the combustor is appropriately supplied to the reformer. It becomes impossible to do. That is, in the conventional fuel cell apparatus, the heat of the combustor cannot be effectively used yet, and there is room for improvement.
本発明は上記点に鑑みて、外部への燃焼器の放熱を抑制しつつ、燃焼器の熱を燃料電池に供給される前の反応ガスの昇温に有効利用することが可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention provides a fuel cell device that can effectively use the heat of the combustor to raise the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell while suppressing heat dissipation of the combustor to the outside. The purpose is to provide.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する発電セル（１００）を複数積層して構成される複数の燃料電池（１０）と、燃料電池から排出された未反応ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼器（７）と、炭化水素系の原料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質器（４４）と、酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス予熱器（３３）と、燃焼器にて生成された燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路（６ｃ）と、を備える。そして、燃焼器は、複数の燃料電池のうち、互いに向き合う燃料電池の間に配置されており、互いに向き合う燃料電池のうち、一方の燃料電池における燃焼器に対向する面を第１対向側面とし、他方の燃料電池における燃焼器に対向する面を第２対向側面としたとき、燃料改質器は、燃焼器における第１対向側面と対向する対向面、および第２対向側面と対向する対向面の双方に隣接するように配置されており、酸化剤ガス予熱器は、燃料電池における第１対向側面および第２対向側面以外の側面と対向するように配置されており、燃焼ガス流路は、酸化剤ガス予熱器における燃料電池と対向する対向面の反対側に配置されており、第１、第２対向側面は、燃料電池の積層方向に延びる積層面であり、燃焼器における第１、第２対向側面と対向する対向面のうち、燃料電池の積層方向における一端部（１０Ａ）側と対向する部位を一端側部位（７Ａ）、燃料電池の積層方向における他端部（１０Ｂ）側と対向する部位を他端側部位（７Ｂ）とし、さらに、燃料電池の積層方向における中段部（１０Ｃ）側と対向する部位を中段側部位（７Ｃ）としたとき、燃料改質器は、少なくとも燃焼器における中段側部位を覆うように燃焼器に隣接して配置されており、燃焼器は、一端側部位および他端側部位の少なくとも一方が燃料電池に対して露出するように配置されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a plurality of fuel cells (100) configured by laminating a plurality of power generation cells (100) that output electric energy by an electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas ( 10), a combustor (7) for combusting unreacted gas discharged from the fuel cell to generate high-temperature combustion gas, and a fuel reformer for reforming hydrocarbon-based raw material to generate fuel gas (44), an oxidant gas preheater (33) for heating the oxidant gas, and a combustion gas passage (6c) through which the combustion gas generated in the combustor flows. The combustor is disposed between the fuel cells facing each other among the plurality of fuel cells, and among the fuel cells facing each other, a surface facing the combustor in one of the fuel cells is a first facing side surface, When the surface facing the combustor in the other fuel cell is the second facing side surface, the fuel reformer includes a facing surface facing the first facing side surface and a facing surface facing the second facing side surface in the combustor. The oxidant gas preheater is disposed so as to be adjacent to both sides, and is disposed so as to face the side surfaces other than the first opposed side surface and the second opposed side surface in the fuel cell , and the combustion gas flow path It arrange | positions on the opposite side of the opposing surface which opposes the fuel cell in a chemical | medical agent gas preheater, and the 1st, 2nd opposing side surface is a lamination surface extended in the lamination direction of a fuel cell, and the 1st, 2nd in a combustor. Pair with opposite side Of the opposed surfaces, the portion facing the one end (10A) side in the fuel cell stacking direction is the one end side portion (7A), and the portion facing the other end (10B) side in the fuel cell stacking direction is the other end. When the side part (7B) is used and the part facing the middle part (10C) side in the stacking direction of the fuel cell is the middle part (7C), the fuel reformer has at least the middle part part in the combustor. It arrange | positions adjacent to a combustor so that it may cover, and the combustor is arrange | positioned so that at least one of a one end side site | part and an other end side site | part may be exposed with respect to a fuel cell .
これによれば、燃焼器における燃料電池に対向する対向面の両側に燃料改質器を隣接して配置する構成としているので、燃焼器の熱の外部への放熱を抑制できると共に、燃料電池の熱および燃焼器の熱を燃料改質器へ適切に供給することができる。 According to this, since it is set as the structure which arrange | positions a fuel reformer adjacent to the both sides of the opposing surface which opposes the fuel cell in a combustor, while being able to suppress the thermal radiation of the heat of a combustor to the exterior, Heat and combustor heat can be appropriately supplied to the fuel reformer.
加えて、酸化剤ガス予熱器を燃料電池と燃焼ガス流路との間に配置しているので、燃料電池の熱、および燃焼ガスの熱を酸化剤ガスに適切に供給することができる。 In addition, since the oxidant gas preheater is disposed between the fuel cell and the combustion gas flow path, the heat of the fuel cell and the heat of the combustion gas can be appropriately supplied to the oxidant gas.
さらに、燃料電池における第１、第２対向側面に燃料改質器を対向させ、燃料電池における第１、第２対向側面以外の側面に酸化剤ガス予熱器を対向させる構成としているので、燃料電池の熱を燃料改質器および酸化剤ガス予熱器の双方に適切に供給することができる。 Further, since the fuel reformer is opposed to the first and second opposing side surfaces in the fuel cell and the oxidant gas preheater is opposed to the side surfaces other than the first and second opposing side surfaces in the fuel cell, the fuel cell Can be appropriately supplied to both the fuel reformer and the oxidant gas preheater.
このように、本発明の燃料電池装置によれば、外部への燃焼器の放熱を抑制しつつ、燃焼器の熱を燃料電池に供給される前の反応ガスの昇温に有効利用することが可能となる。延いては、燃料改質器における改質反応の促進、および燃料電池の発電効率の向上を図ることも可能となる。 Thus, according to the fuel cell device of the present invention, it is possible to effectively use the heat of the combustor to raise the temperature of the reaction gas before being supplied to the fuel cell, while suppressing the heat dissipation of the combustor to the outside. It becomes possible. As a result, it is possible to promote the reforming reaction in the fuel reformer and improve the power generation efficiency of the fuel cell.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the parenthesis of each means described in this column and the claim shows an example of a correspondence relationship with the specific means described in the embodiment described later.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that, in each of the following embodiments, parts that are the same as or equivalent to the matters described in the preceding embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted. Moreover, in each embodiment, when only a part of the component is described, the component described in the preceding embodiment can be applied to the other part of the component.
（第１実施形態）
第１実施形態について説明すると、図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、主に、燃料電池装置１、燃料電池装置１へ燃料ガスの原料や酸化剤ガスを供給する供給系、燃料電池装置１から燃焼ガス等を排出する排出系で構成されている。
(First embodiment)
The first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment mainly includes a fuel cell device 1 and a supply system for supplying a raw material of fuel gas and an oxidant gas to the fuel cell device 1. The exhaust system is configured to exhaust combustion gas and the like from the fuel cell device 1.
まず、燃料電池システムにおける供給系、および排出系について説明する。本実施形態の供給系は、燃料電池装置１に接続された空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給経路３、および燃料ガスを供給する燃料供給経路４により構成されている。
First, a supply system and a discharge system in the fuel cell system will be described. The supply system of the present embodiment includes an
空気供給経路３には、空気流れ上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１、燃料電池装置１へ空気を圧送する空気用ブロワ３２が設けられている。
In the
また、燃料供給経路４には、ガス流れ上流側から順に、炭化水素系の原料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、燃料電池装置１へ燃料ガスの原料を圧送する燃料用ブロワ４２、燃料予熱器４３が設けられている。
Further, in the fuel supply path 4, in order from the gas flow upstream side, a
ここで、燃料予熱器４３は、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスの原料を後述する排ガス経路６を流れる高温の燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。この燃料予熱器４３は、水供給経路５にも接続されており、純水器５１を介して水ポンプ５２から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。
Here, the
また、本実施形態の排出系は、後述する燃焼器７で生成された燃焼ガスを排出する排ガス経路６により構成されている。この排ガス経路６は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、燃料予熱器４３が接続されている。
Moreover, the exhaust system of this embodiment is comprised by the
続いて、燃料電池装置１について図２、図３を用いて説明する。なお、図２における上下の各矢印は、燃料電池１０を設置した状態における上下の各方向を示している。このことは、他の図面においても同様である。
Next, the fuel cell device 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. In addition, the up and down arrows in FIG. 2 indicate the up and down directions when the
まず、本実施形態の燃料電池装置１の構成について説明する。図２、図３に示すように、本実施形態の燃料電池装置１は、断熱性を有するハウジング２、ハウジング２の内部に収容された複数の電池モジュール、および燃焼器７にて構成されている。
First, the configuration of the fuel cell device 1 of the present embodiment will be described. As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell device 1 of the present embodiment includes a
本実施形態の燃料電池装置１は、２組の電池モジュールを備えている。この２組の電池モジュールは、それぞれ燃料電池１０、空気予熱器（酸化剤ガス予熱器）３３、燃料改質器４４を備えている。なお、本実施形態では、２組の電池モジュールを備える燃料電池装置１について説明するが、燃料電池装置１は、３組以上の電池モジュールを備えていてもよい。
The fuel cell device 1 of this embodiment includes two sets of battery modules. Each of the two battery modules includes a
以下、各電池モジュールの構成機器１０、３３、４４について説明する。なお、各電池モジュールの構成機器１０、３３、４４は、同様の機器にて構成されているので、各電池モジュールの一方の構成機器だけを説明し、他方の構成機器の説明を省略する。
Hereinafter, the
燃料電池１０は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる高温型燃料電池であり、本実施形態では固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成されている。
The
本実施形態の燃料電池１０には、後述する空気予熱器３３にて加熱された空気が導入されるように空気予熱器３３の空気出口側に接続され、燃料改質器４４にて生成された燃料ガス（改質ガス）が導入されるように燃料改質器４４の燃料出口側に接続されている。また、燃料電池１０には、未反応空気（酸化剤ガスのオフガス）を排出する空気排出経路６ａ、および未反応燃料（燃料ガスのオフガス）を排出する燃料排出経路６ｂが接続されている。
The
燃料電池１０は、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する平板状の発電セル１００を複数積層した積層体として構成されている（平板型燃料電池）。
The
本実施形態の燃料電池１０には、その積層方向の両端部に一対の端板１１、１２が配設されている。一対の端板１１、１２は、燃料電池１０からの出力を外部回路へ取り出すための集電板として機能する。
In the
本実施形態では、燃料電池１０の積層方向における端板１１側の端部を一端部１０Ａ、端板１２側の端部を他端部１０Ｂ、燃料電池１０の積層方向における端部を除いた部位を中段部１０Ｃとする。なお、燃料電池１０の両端部１０Ａ、１０Ｂは、端板１１、１２および端板１１、１２に隣接する１ないし少数の発電セル１００を含む部位である。
In the present embodiment, the end portion on the
各発電セル１００は、図示しない固体電解質体、空気極（カソード）、燃料極（アノード）、燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスが形成されたセパレータで構成されている。なお、本実施形態の発電セル１００は、炭化水素系の原料であるメタンガス（ＣＨ４）を改質した改質ガス（Ｈ２、ＣＯ）を燃料ガスとしている。
Each
各発電セル１００では、以下の反応式［化１］、［化２］に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−・・・［化１］
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・［化２］
また、各発電セル１００では、以下の反応式［化３］、［化４］に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ−・・・［化３］
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・［化４］
空気予熱器３３は、空気供給経路３から供給された空気を、燃料電池１０、および後述する燃焼ガス流路６ｃを流通する高温の燃焼ガスと熱交換させて加熱する熱交換器である。なお、本実施形態の空気予熱器３３は、燃料電池１０の運転時（発電時）に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する空気を加熱可能な放射熱型の熱交換器として構成されている。
In each
(Fuel electrode) 2H 2 + 2O 2- → 2H 2 O + 4e - ··· [ Formula 1]
(Air electrode) O 2 + 4e − → 2O 2− ..
In each
(Fuel electrode) 2CO + 2O 2- → 2CO 2 + 4e - ··· [ of 3]
(Air electrode) O 2 + 4e − → 2O 2− .
The
空気予熱器３３の空気出口側には、燃料電池１０の空気入口側が接続されており、空気予熱器３３にて加熱された空気が燃料電池１０へ導入されるようになっている。なお、空気予熱器３３は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、各発電セル１００における発電効率の向上を図るために設けられている。
The air inlet side of the
燃料改質器４４は、燃料供給経路４における燃料予熱器４３の下流側のガス経路４ａから供給された燃料および水を燃料電池１０および燃焼器７と熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。なお、本実施形態の燃料改質器４４は、燃料電池１０の運転時（発電時）に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する燃料ガスを加熱可能な放射熱型の熱交換器として構成されている。
The
ここで、燃料改質器４４における水蒸気改質は、吸熱反応であり、本実施形態の如く燃焼器７の熱に加えて燃料電池１０の運転時に生ずる放射熱を吸熱可能な高温の条件下で行うことで、より高転化率の改質反応を実現することができる。
Here, the steam reforming in the
燃料改質器４４の燃料ガス出口側には、燃料電池１０の燃料ガス入口側が接続されており、燃料改質器４４にて生成された燃料ガスが燃料電池１０へ導入されるようになっている。
The fuel gas inlet side of the
また、燃焼器７は、空気排出経路６ａを流れる未反応空気、燃料排出経路６ｂを流れる未反応燃料を燃焼させることで、高温（例えば、９００℃〜１０００℃）の燃焼ガスを生成するものである。
The
燃焼器７の燃焼ガス出口側には、燃焼ガス流路６ｃが接続されている。この燃焼ガス流路６ｃは、燃焼器７にて生成された燃焼ガスをハウジング２外部の排ガス経路６へ導くガス流路である。
A combustion
続いて、本実施形態の燃料電池装置１内部の具体的な配置形態について説明する。本実施形態の各電池モジュールの燃料電池１０は、発電セル１００の積層方向に延びる積層面同士が互いに向かい合うように配置されている。
Then, the specific arrangement | positioning form inside the fuel cell apparatus 1 of this embodiment is demonstrated. The
そして、互いに向かい合う燃料電池１０の間には、各燃料電池１０から離間した状態で燃焼器７および燃料改質器４４が配置されている。なお、本実施形態では、互いに向かい合う燃料電池１０のうち、一方の燃料電池１０における燃焼器７に対向する面が第１対向側面を構成し、他方の燃料電池１０における燃焼器７に対向する面が第２対向側面を構成している。また、本実施形態では、燃焼器７における各対向側面における燃料電池１０の一端部１０Ａ側と対向する部位が一端側部位７Ａを構成し、燃料電池１０の他端部１０Ｂ側と対向する部位が他端側部位７Ｂを構成している。さらに、燃焼器７における燃料電池１０の中段部１０Ｃ側と対向する部位が中段側部位７Ｃを構成している。
Between the
本実施形態の各電池モジュールの燃料改質器４４は、その一方が燃焼器７における第１対向側面と対向する対向面に隣接するように配置され、他方が燃焼器７における第２対向側面と対向する対向面に隣接するように配置されている。
The
本実施形態の各燃料改質器４４は、燃焼器７における第１対向側面と対向する対向面、および第２対向側面と対向する対向面の双方を覆うように、燃焼器７に隣接して配置されている。
Each
具体的には、本実施形態の各燃料改質器４４は、燃焼器７からの吸熱効率を高めるために、燃焼器７における各対向側面に対向する部位の全域（一端側部位７Ａ、他端側部位７Ｂ、および中段側部位７Ｃ）を覆うように、燃焼器７に密着して状態で配置されている。
Specifically, each
また、各電池モジュールを構成する空気予熱器３３それぞれは、各燃料電池１０から離間した状態で、互いに向かい合う燃料電池１０それぞれにおける第１、第２対向側面以外の側面に対向するように配置されている。具体的には、本実施形態の各空気予熱器３３それぞれは、互いに向かい合う燃料電池１０それぞれにおける第１、第２対向側面の反対側の側面に対向するように配置されている。
In addition, each
本実施形態の各空気予熱器３３における燃料電池１０と対向する対向面の反対側には、燃焼器７にて生成された高温の燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路６ｃが配置されている。この燃焼ガス流路６ｃは、各空気予熱器３３における燃料電池１０と対向する対向面の反対側に隣接配置されている。なお、本実施形態の燃焼ガス流路６ｃは、燃焼器７から空気予熱器３３に密着するまでのガス流路が、各燃料電池１０から離間した状態で、各燃料電池１０の端板１１と対向するように形成されている。
In each
次に、本実施形態の上記構成に係る燃料電池装置１の作動について図４を用いて説明する。なお、図４に示す白抜き矢印は、熱の移動方向を示している。このことは、以降の図６においても同様である。 Next, the operation of the fuel cell device 1 according to the above configuration of the present embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the white arrow shown in FIG. 4 has shown the moving direction of heat. The same applies to FIG. 6 below.
図示しないコントローラからの制御指令により、各制御機器が作動して燃料電池システムの運転が開始される。これにより、燃料電池装置１には、空気用ブロワ３２にて圧送された空気が空気供給経路３を介して供給されると共に、燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された燃料および水（水蒸気）が燃料供給経路４のガス経路４ａを介して供給される。
In response to a control command from a controller (not shown), each control device operates to start operation of the fuel cell system. As a result, the fuel cell device 1 is supplied with the air fed by the
燃料電池装置１に供給された空気は、図４に示すように、空気予熱器３３にて燃料電池１０の輻射熱、燃焼ガス流路６ｃを流通する高温の燃焼ガスから吸熱して昇温し、昇温した空気が燃料電池１０に導入される。
As shown in FIG. 4, the air supplied to the fuel cell apparatus 1 absorbs heat from the radiant heat of the
また、燃料電池装置１に供給された燃料および水は、燃料改質器４４にて燃料電池１０の輻射熱、燃焼ガス流路６ｃを流通する高温の燃焼ガスから吸熱して昇温すると共に、水蒸気改質により燃料ガスに改質される。そして、燃料改質器４４で生成された燃料ガスが、燃料電池１０に導入される。
In addition, the fuel and water supplied to the fuel cell apparatus 1 absorbs heat from the radiant heat of the
燃料電池１０は、燃料ガスおよび空気が導入されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式［化１］〜［化４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。この際、燃料電池１０で発生した熱は、燃料改質器４４および空気予熱器３３に放熱される。
When fuel gas and air are introduced, the
燃料電池１０から排出された各オフガスは、各排出経路６ａ、６ｂを介して燃焼器７に供給される。燃焼器７に供給された各オフガスは、燃焼器７で燃焼される。この際、燃焼器７の熱が、燃料改質器４４に放熱される。
Each off-gas discharged from the
その後、燃焼器７にて生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス流路６ｃを介して排ガス経路６へ排出される。この際、燃焼ガス流路６ｃを流通する燃焼ガスの熱が、空気予熱器３３に放熱される。そして、排ガス経路６へ排出された燃焼ガスは、燃料予熱器４３における熱源として利用された後にシステム外部へ排出される。
Thereafter, the high-temperature combustion gas generated in the
以上説明した本実施形態の燃料電池装置１は、燃焼器７における燃料電池１０に対向する対向面の両側に燃料改質器４４を隣接配置する構成としている。これによれば、従来に比べて、燃焼器７における外部へ露出する部位を小さくすること、すなわち、外部への放熱面積を小さくすることができるので、燃焼器７の熱の外部への放熱を抑制できる。これにより、燃焼器７における放熱ロスを低減して、燃料電池１０の熱および燃焼器７の熱を燃料改質器４４（燃料電池１０へ供給される前の燃料ガス）へ適切に供給することができる。
The fuel cell device 1 of the present embodiment described above is configured such that the
加えて、空気予熱器３３を燃料電池１０と燃焼ガス流路６ｃとの間に配置しているので、燃料電池１０の熱、および燃焼ガスの熱を燃料電池１０へ供給される前の空気に適切に供給することができる。
In addition, since the
さらに、本実施形態では、燃料電池１０における第１、第２対向側面に燃料改質器４４を対向させ、燃料電池１０における第１、第２対向側面以外の側面に空気予熱器３３を対向させる構成としている。これにより、燃料電池１０の熱を燃料改質器４４および空気予熱器３３の双方に適切に供給することができる。
Further, in the present embodiment, the
このように、本実施形態の燃料電池装置１によれば、外部への燃焼器７の放熱を抑制しつつ、燃焼器７の熱を燃料電池１０に供給される前の反応ガスの昇温に有効利用することが可能となる。この結果、燃料改質器４４における改質反応の促進、および燃料電池１０の発電効率の向上を図ることも可能となる。
Thus, according to the fuel cell device 1 of the present embodiment, the heat of the
また、本実施形態の燃料電池装置１では、燃料改質器４４を、燃焼器７における燃料電池１０の第１、第２対向側面と対向する一対の対向面の双方を覆うように、燃焼器７に対して隣接配置している。これによれば、燃焼器７の熱の外部への放熱を抑制して、燃焼器７の熱を燃料改質器４４へ一層適切に供給することが可能となる。
Further, in the fuel cell device 1 of the present embodiment, the
なお、従来の如く、燃焼器７を外部に露出させる構成では、燃焼器７における外部へ露出する部位と、燃料改質器４４側の部位との温度差が拡大した際に、熱歪みによる燃焼器７の耐性が低下してしまう虞がある。
In the conventional configuration in which the
これに対して、本実施形態では、同等の温度帯となる燃料改質器４４を燃焼器７に隣接配置しているので、燃焼器７における熱歪みの発生を抑制することができる。
On the other hand, in this embodiment, since the
また、本実施形態では、燃料電池装置１における加熱要素を構成する燃料電池１０、燃焼器７、および燃焼ガス流路６ｃと、吸熱要素を構成する燃料改質器４４および空気予熱器３３とを、断熱性を有するハウジング２内に収容する構成としている。さらに、燃料電池１０の周囲に、互いに密着する燃料改質器４４および燃焼器７と、互いに密着する空気予熱器３３および燃焼ガス流路６ｃとを配置する配置形態を採用している。
Further, in the present embodiment, the
これによれば、燃料電池装置１における吸熱要素を構成する各機器３３、４４と、加熱要素を構成する各機器７、７ｃ、１０との間の熱交換効率を向上させることができ、吸熱要素を構成する各機器３３、４４における単位面積当りの吸熱量を充分に確保可能となる。この結果、吸熱要素を構成する各機器３３、４４の小型化が可能となる。
According to this, it is possible to improve the heat exchange efficiency between the
さらに、本実施形態の燃料電池装置１では、空気予熱器３３を、燃料電池１０における第１、第２対向側面の反対側の側面と対向するように配置している。これによれば、燃料電池１０が燃料改質器４４と空気予熱器３３により挟まれる配置形態となるので、燃料電池１０の熱を燃料改質器４４および空気予熱器３３の双方に一層適切に供給することが可能となる。
Further, in the fuel cell device 1 of the present embodiment, the
ここで、燃料改質器４４、燃焼器７、および空気予熱器３３を燃料電池１０に接触させる配置形態とすると、加熱要素となる燃焼器７や吸熱要素となる燃料改質器４４および空気予熱器３３の温度変動が、燃料電池１０の温度に直接的に影響してしまう。この場合、燃料電池１０に温度分布が生じてしまう虞がある。
Here, when the
これに対して、本実施形態では、燃料改質器４４、燃焼器７、および空気予熱器３３それぞれを燃料電池１０から離間させる配置形態としている。これによれば、燃料改質器４４、燃焼器７、および空気予熱器３３の温度変動が、燃料電池１０に間接的に作用することから、燃料電池１０の温度分布の均一化を図ることが可能となる。
On the other hand, in the present embodiment, the
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first embodiment will be omitted or simplified.
第１実施形態の如く、燃料電池１０と燃料改質器４４とを対向配置して、燃料電池１０からの放射熱を燃料改質器４４にて吸熱する構成とすることで、燃料改質器４４における改質反応を促進させることが可能となる。
As in the first embodiment, the
ところが、燃料電池１０は、その一端部１０Ａおよび他端部１０Ｂが、中段部１０Ｃに比べて低温となり易い傾向がある。このような温度分布は、燃料電池１０における発電効率が悪化する要因となり、好ましくない。
However, the
そこで、本実施形態の燃料電池装置１は、図５に示すように、燃焼器７における他端側部位７Ｂが、燃料電池１０の他端部１０Ｂ側に対して露出するように配置している。具体的には、本実施形態では、燃料改質器４４を、燃料電池１０における一端部１０Ａ、中段部１０Ｃを覆うように燃焼器７に隣接配置することで、燃焼器７の他端側部位７Ｂを燃料電池１０の他端部１０Ｂに対して露出させている。
Therefore, the fuel cell device 1 according to the present embodiment is arranged so that the
これにより、図６の矢印で示すように、燃料電池１０において低温となり易い他端部１０Ｂを燃焼器７からの輻射熱により加熱することができると共に、燃料電池１０にて高温となり易い中段部１０Ｃの熱を燃料改質器４４へ放熱することができる。
Thereby, as shown by the arrow in FIG. 6, the
ここで、通常、燃料電池１０における一端部１０Ａも他端部１０Ｂと同様に、低温となり易い部位となる。しかし、本実施形態の燃料電池１０における一端部１０Ａは、燃焼ガス流路６ｃから熱により加熱されることから、他端部１０Ｂだけを燃焼器７からの輻射熱により加熱する構成としている。
Here, normally, the one
その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、燃料電池１０における高温となり易い中段部１０Ｃの熱を燃料改質器４４にて吸熱すると共に、燃焼器７の熱により低温となり易い燃料電池１０の他端部１０Ｂを加熱することができる。これにより、燃料電池１０の温度分布の均一化を図ることが可能となる。
Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. According to the configuration of the present embodiment, the
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range described in the claim, it can change suitably. For example, various modifications are possible as follows.
（１）上述の第１実施形態では、各電池モジュールの燃料電池１０が、発電セル１００の積層方向に延びる積層面同士が向かい合うように配置された例について説明したが、これに限定されない。例えば、各電池モジュールの燃料電池１０が発電セル１００の積層方向に延びる積層面以外が向かい合うように配置されていてもよい。
(1) In the first embodiment described above, the
（２）上述の各実施形態では、各電池モジュールの燃料改質器４４を別個に構成した例を説明したが、これに限定されない。燃料改質器４４が燃焼器７における第１、第２対向側面と対向する対向面それぞれに隣接する構成であれば、各電池モジュールの燃料改質器４４が共通化されてもよい。
(2) In each of the above-described embodiments, the example in which the
（３）上述の各実施形態では、空気予熱器３３を、燃料電池１０における第１、第２対向側面の反対側の側面と対向するように配置した例を説明したが、これに限定されない。空気予熱器３３は、燃料電池１０における第１、第２対向側面以外の側面と対向していれば、例えば、燃料電池１０における第１、第２対向側面とその反対側とを接続する側面と対向するように配置してもよい。
(3) In each of the above-described embodiments, the example in which the
（４）上述の各実施形態では、空気予熱器３３および燃料改質器４４それぞれを、燃料電池１０から離間させる配置形態としているが、これに限らず、空気予熱器３３および燃料改質器４４のうち、少なくとも一方を燃料電池１０に密着させる配置形態としてもよい。
(4) In each of the above-described embodiments, the
（５）上述の第２実施形態では、燃焼器７の他端側部位７Ｂを燃料電池１０の他端部１０Ｂに対して露出させる例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料改質器４４を、燃料電池１０における中段部１０Ｃを覆うように燃焼器７に隣接配置して、燃焼器７の一端側部位７Ａおよび他端側部位７Ｂそれぞれを燃料電池１０の両端部１０Ａ、１０Ｂに対して露出させるようにしてもよい。
(5) In the second embodiment described above, the example in which the
（６）上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 (6) In each of the above-described embodiments, the elements constituting the embodiment are not necessarily essential unless explicitly stated as essential and clearly considered essential in principle. Needless to say.
（７）上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。 (7) In each of the above-described embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, quantity, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, the specific number is clearly specified when clearly indicated as essential. It is not limited to the specific number except when limited to.
（８）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。 (8) In each of the above-described embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the component, etc., unless specifically stated or limited in principle to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to shape, positional relationship, and the like.
１ 燃料電池装置
１０ 燃料電池
１００ 発電セル
３３ 空気予熱器（酸化剤ガス予熱器）
４４ 燃料改質器
６ｃ 燃焼ガス流路
７ 燃焼器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
44
Claims (4)
前記燃料電池から排出された未反応ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼器（７）と、
炭化水素系の原料を改質して前記燃料ガスを生成する燃料改質器（４４）と、
前記酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス予熱器（３３）と、
前記燃焼器にて生成された前記燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路（６ｃ）と、を備え、
前記燃焼器は、前記複数の燃料電池のうち、互いに向き合う前記燃料電池の間に配置されており、
前記互いに向き合う前記燃料電池のうち、一方の前記燃料電池における前記燃焼器に対向する面を第１対向側面とし、他方の前記燃料電池における前記燃焼器に対向する面を第２対向側面としたとき、
前記燃料改質器は、前記燃焼器における前記第１対向側面と対向する対向面、および前記第２対向側面と対向する対向面の双方に隣接するように配置されており、
前記酸化剤ガス予熱器は、前記燃料電池における前記第１対向側面および前記第２対向側面以外の側面と対向するように配置されており、
前記燃焼ガス流路は、前記酸化剤ガス予熱器における前記燃料電池と対向する対向面の反対側に配置されており、
前記第１、第２対向側面は、前記燃料電池の積層方向に延びる積層面であり、
前記燃焼器における前記第１、第２対向側面と対向する対向面のうち、前記燃料電池の積層方向における一端部（１０Ａ）側と対向する部位を一端側部位（７Ａ）、前記燃料電池の積層方向における他端部（１０Ｂ）側と対向する部位を他端側部位（７Ｂ）とし、さらに、前記燃料電池の積層方向における中段部（１０Ｃ）側と対向する部位を中段側部位（７Ｃ）としたとき、
前記燃料改質器は、少なくとも前記燃焼器における前記中段側部位を覆うように前記燃焼器に隣接して配置されており、
前記燃焼器は、前記一端側部位および前記他端側部位の少なくとも一方が前記燃料電池に対して露出するように配置されていることを特徴とする燃料電池装置。 A plurality of fuel cells (10) configured by laminating a plurality of power generation cells (100) that output electric energy by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas;
A combustor (7) for burning unreacted gas discharged from the fuel cell to generate high-temperature combustion gas;
A fuel reformer (44) for reforming a hydrocarbon-based raw material to generate the fuel gas;
An oxidant gas preheater (33) for heating the oxidant gas;
A combustion gas flow path (6c) through which the combustion gas generated in the combustor flows,
The combustor is disposed between the fuel cells facing each other among the plurality of fuel cells,
Of the fuel cells facing each other, when the surface facing the combustor in one of the fuel cells is a first facing side surface, and the surface facing the combustor in the other fuel cell is a second facing side surface ,
The fuel reformer is disposed so as to be adjacent to both a facing surface facing the first facing side surface and a facing surface facing the second facing side surface in the combustor,
The oxidant gas preheater is disposed to face a side surface other than the first opposed side surface and the second opposed side surface of the fuel cell ,
The combustion gas flow path is disposed on the opposite side of the facing surface facing the fuel cell in the oxidant gas preheater ,
The first and second opposing side surfaces are stacked surfaces extending in the stacking direction of the fuel cells,
Of the facing surfaces facing the first and second facing side surfaces in the combustor, a portion facing the one end (10A) side in the stacking direction of the fuel cells is defined as one end portion (7A), and the stacking of the fuel cells. A portion facing the other end portion (10B) side in the direction is defined as the other end side portion (7B), and a portion facing the middle step portion (10C) side in the fuel cell stacking direction is defined as the middle step side portion (7C). When
The fuel reformer is disposed adjacent to the combustor so as to cover at least the middle stage portion of the combustor,
The combustor is disposed so that at least one of the one end side portion and the other end side portion is exposed to the fuel cell.
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