[go: up one dir, main page]

JP7215032B2 - fuel cell device - Google Patents

fuel cell device Download PDF

Info

Publication number
JP7215032B2
JP7215032B2 JP2018173164A JP2018173164A JP7215032B2 JP 7215032 B2 JP7215032 B2 JP 7215032B2 JP 2018173164 A JP2018173164 A JP 2018173164A JP 2018173164 A JP2018173164 A JP 2018173164A JP 7215032 B2 JP7215032 B2 JP 7215032B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel
fuel cell
space
reformer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018173164A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2020047399A (en
Inventor
康弘 長田
厚 早坂
佑輝 向原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Priority to JP2018173164A priority Critical patent/JP7215032B2/en
Publication of JP2020047399A publication Critical patent/JP2020047399A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7215032B2 publication Critical patent/JP7215032B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell device.

特許文献1に、燃料電池スタックと、改質器と、燃焼器とを備える燃料電池装置が開示されている。改質器は、改質原料ガスを改質して燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する。改質器は、その内部に改質触媒を有する。改質反応が生じる温度とされた改質原料ガスが改質触媒に触れることで、改質反応が生じ、燃料ガスが生成される。燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料オフガスと酸化剤オフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。改質原料ガスは、燃焼排ガスによって加熱されることで、改質反応が生じる温度とされる。 Patent Literature 1 discloses a fuel cell device that includes a fuel cell stack, a reformer, and a combustor. The reformer reforms the reformed raw material gas to generate a fuel gas to be supplied to the fuel cell stack. The reformer has a reforming catalyst inside it. When the reforming raw material gas, which has been brought to a temperature at which the reforming reaction occurs, contacts the reforming catalyst, the reforming reaction occurs and the fuel gas is generated. The combustor burns the fuel off-gas and oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack to generate flue gas. The reforming raw material gas is heated by the flue gas to a temperature at which the reforming reaction occurs.

特許文献1の燃料電池装置では、改質器は、燃焼器の周囲に配置されている。燃焼器から流出の燃焼排ガスは、改質器の内周側から外周側へ流れた後、改質器の外周側の流路を流れる。これにより、伝熱壁を介して燃焼排ガスと改質原料ガスとの熱交換によって、改質原料ガスが加熱される。このとき、改質器の外周側の流路を流れる燃焼排ガスの流れは、改質器内を流れる改質原料ガスの流れに対して、並流または向流である。 In the fuel cell device of Patent Document 1, the reformer is arranged around the combustor. The flue gas flowing out from the combustor flows from the inner peripheral side to the outer peripheral side of the reformer, and then flows through the flow path on the outer peripheral side of the reformer. As a result, the reforming raw material gas is heated by heat exchange between the flue gas and the reforming raw material gas via the heat transfer wall. At this time, the flow of the flue gas flowing through the flow path on the outer peripheral side of the reformer is parallel or countercurrent to the flow of the reformed raw material gas flowing through the reformer.

特開2016-1524号公報JP 2016-1524 A

しかしながら、本発明者が検討した結果、燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流の場合、熱交換性能が悪いため、改質器の出口での改質原料ガスの温度は、改質率が高い目標温度よりも低いことがわかった。このため、改質原料ガスの温度を目標温度に近づけられるほどの高い熱交換性能を確保することが求められる。 However, as a result of investigation by the present inventor, when the flow of the combustion exhaust gas is parallel to the flow of the reformed raw material gas, the heat exchange performance is poor, so the temperature of the reformed raw material gas at the outlet of the reformer is , the reforming rate was found to be lower than the high target temperature. Therefore, it is required to ensure high heat exchange performance to bring the temperature of the reforming raw material gas closer to the target temperature.

一方、燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流の場合、熱交換性能に優れるため、改質器の出口での改質原料ガスの温度を目標温度まで昇温させられる。しかしながら、この場合では、改質器内の改質触媒のうち伝熱壁近傍の部分の温度が高くなり、改質触媒の熱劣化が生じることが、本発明者によって見出された。このため、改質触媒の熱劣化を抑制することが求められる。 On the other hand, when the combustion exhaust gas flows countercurrently to the reformed raw material gas flow, the heat exchange performance is excellent, so the reformed raw material gas temperature at the outlet of the reformer can be raised to the target temperature. However, in this case, the present inventor found that the temperature of the portion of the reforming catalyst in the reformer near the heat transfer wall becomes high, causing thermal deterioration of the reforming catalyst. Therefore, it is required to suppress thermal deterioration of the reforming catalyst.

なお、改質触媒の熱劣化を抑制するために、燃焼器に酸化剤ガスを供給する流路を追加し、燃焼器に対して、酸化剤オフガスと、それとは別の酸化剤ガスとを供給することが考えられる。これによれば、燃焼器に供給される酸化剤ガスを増量させて燃焼温度を下げることで、燃焼排ガスの温度を下げることができる。しかしながら、この場合、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差が小さくなり、熱交換性能が悪化してしまうので、好ましくない。 In order to suppress thermal deterioration of the reforming catalyst, a flow path for supplying oxidant gas to the combustor is added, and oxidant off-gas and another oxidant gas are supplied to the combustor. can be considered. According to this, the temperature of the combustion exhaust gas can be lowered by increasing the amount of the oxidant gas supplied to the combustor and lowering the combustion temperature. However, in this case, the temperature difference between the flue gas and the raw material gas for reforming becomes small, and the heat exchange performance deteriorates, which is not preferable.

本発明は上記点に鑑みて、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立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 aims to provide a fuel cell device capable of ensuring high heat exchange performance between the reforming raw material gas and the flue gas and suppressing thermal deterioration of the reforming catalyst. aim.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明によれば、
燃料電池装置は、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池スタック(2)と、
改質原料ガスを改質して燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを燃料電池スタックへ供給する改質器(16)と、
燃料電池スタックから排出される燃料オフガスに含まれる燃料ガスと燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼器(4)と、
燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路(6)と、を備え、
改質器は、改質原料ガスを改質する改質触媒(165)と、改質触媒が配置され、かつ、改質原料ガスが流れる触媒配置部(S22)と、を有し、
燃焼排ガス流路は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁(161、162)を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部(S24、S25)を有し、
触媒配置部は、軸線の周りに筒状に形成された伝熱壁としての第1伝熱壁(161)と、第1伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された伝熱壁としての第2伝熱壁(162)との間に形成されており、
加熱部は、第1加熱部(S24)と、第1加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第2加熱部(S25)とを含み、
第1加熱部は、第1伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されており、
第2加熱部は、第2伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されており、
触媒配置部では、第1伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて改質原料ガスが流れ、
第1加熱部では、軸線方向の一方側から他方側に向かって燃焼排ガスが流れ、
第2加熱部では、軸線方向の他方側から一方側に向かって燃焼排ガスが流れる
た、請求項に記載の発明によれば、
燃焼排ガス流路は、触媒配置部に対して軸線方向の他方側に、第1加熱部と第2加熱部とを連通させる連通部(S26)を有し、
燃料電池装置は、
酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第1オフガス流路(8、S21)と、
酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器、第1加熱部および連通部を迂回させて、第2加熱部に導く第2オフガス流路(10)と、を備える。
In order to achieve the above object, according to the invention of claim 1 ,
The fuel cell device
a fuel cell stack (2) that generates electricity through an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas;
a reformer (16) that reforms the reformed raw material gas to generate a fuel gas and supplies the generated fuel gas to the fuel cell stack;
a combustor (4) that burns the fuel gas contained in the fuel off-gas discharged from the fuel cell stack and the oxidant gas contained in the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack to generate flue gas;
a flue gas flow path (6) through which the flue gas flows,
The reformer has a reforming catalyst (165) for reforming the reforming raw material gas, and a catalyst placement section (S22) in which the reforming catalyst is arranged and through which the reforming raw material gas flows,
The flue gas flow path is a heating portion (S24, S25) in which the flue gas flowing through the flue gas flow path heats the reforming raw material gas flowing through the catalyst arrangement portion by heat exchange via the heat transfer walls (161, 162). has
The catalyst placement portion includes a first heat transfer wall (161) as a heat transfer wall formed in a cylindrical shape around the axis, and a heat transfer wall (161) formed in a cylindrical shape so as to cover the entire circumferential direction of the first heat transfer wall. It is formed between the second heat transfer wall (162) as a heat wall,
The heating unit includes a first heating unit (S24) and a second heating unit (S25) located downstream of the first heating unit in the flow of combustion exhaust gas,
The first heating section is formed on the opposite side of the catalyst placement section across the first heat transfer wall,
The second heating part is formed on the opposite side of the catalyst placement part with the second heat transfer wall interposed therebetween,
In the catalyst placement portion, the reforming raw material gas flows from one side to the other side in the axial direction of the first heat transfer wall,
In the first heating section, combustion exhaust gas flows from one side in the axial direction to the other side,
In the second heating section, the combustion exhaust gas flows from the other side toward the one side in the axial direction .
Further , according to the invention of claim 1 ,
The flue gas flow path has a communicating portion (S26) that communicates the first heating portion and the second heating portion on the other side in the axial direction with respect to the catalyst placement portion,
The fuel cell device
a first offgas flow path (8, S21) that guides a portion of the oxidant offgas to the combustor;
a second off-gas flow path (10) for directing another part of the oxidant off-gas to the second heating part by bypassing the combustor, the first heating part and the communicating part.

請求項1に記載の発明によれば、第1加熱部の燃焼排ガスの流れは、触媒配置部の改質原料ガスの流れに対して並流である。第2加熱部の燃焼排ガスの流れは、触媒配置部の改質原料ガスの流れに対して向流である。これにより、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流である場合と比較して、伝熱壁の温度上昇を抑制できる。このため、改質触媒の熱劣化を抑制することができる。さらに、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合と比較して、改質原料ガスの温度を高くできる。 According to the first aspect of the invention, the flow of the flue gas in the first heating section is parallel to the flow of the reforming raw material gas in the catalyst placement section. The flow of the combustion exhaust gas in the second heating section is countercurrent to the flow of the reforming raw material gas in the catalyst placement section. Thereby, the temperature rise of the heat transfer wall can be suppressed as compared with the case where the flow of the combustion exhaust gas in the entire heating section is countercurrent to the flow of the reforming raw material gas. Therefore, thermal deterioration of the reforming catalyst can be suppressed. Furthermore, the temperature of the reforming raw material gas can be made higher than in the case where the combustion exhaust gas flows in parallel with the reforming raw material gas in the entire heating section.

さらに、請求項1に記載の発明によれば、触媒配置部に対して内側と外側との両側に、燃焼排ガスから改質原料ガスへ伝熱する伝熱壁がある。これにより、触媒配置部の片側のみに伝熱壁がある場合と比較して、改質原料ガスへの伝熱面積を拡大させることができ、改質器の伝熱性能を向上させることができる。 Furthermore, according to the first aspect of the present invention, there are heat transfer walls that transfer heat from the combustion exhaust gas to the reforming raw material gas on both the inner and outer sides of the catalyst placement portion. As a result, compared to the case where the heat transfer wall is provided only on one side of the catalyst placement portion, the heat transfer area to the reforming raw material gas can be increased, and the heat transfer performance of the reformer can be improved. .

よって、請求項に記載の発明によれば、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能である。 Therefore, according to the first aspect of the invention, it is possible to ensure high heat exchange performance between the reforming raw material gas and the flue gas and to suppress thermal deterioration of the reforming catalyst.

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 It should be noted that the reference numerals in parentheses attached to each component etc. indicate an example of the correspondence relationship between the component etc. and specific components etc. described in the embodiments described later.

第1実施形態における燃料電池装置が用いられる燃料電池システムの構成要素を示すブロック図である。1 is a block diagram showing components of a fuel cell system in which the fuel cell device according to the first embodiment is used; FIG. 第1実施形態における燃料電池装置の内部構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the internal structure of the fuel cell apparatus in 1st Embodiment. 第1実施形態の燃料電池装置と比較例1の燃料電池装置とのそれぞれにおいて、燃焼排ガスの図4中の各位置での温度および改質原料ガスの図4中の各位置での温度の測定結果を示す図である。In each of the fuel cell device of the first embodiment and the fuel cell device of Comparative Example 1, the temperature of the combustion exhaust gas at each position in FIG. 4 and the temperature of the reformed raw material gas at each position in FIG. 4 were measured. It is a figure which shows a result. 図2中の燃焼器、改質器およびそれらの周辺部の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a combustor, a reformer, and their surroundings in FIG. 2;

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each of the following embodiments, portions that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.

(第1実施形態)
まず、燃料電池装置30が適用される燃料電池システムFCSについて説明する。図1に示すように、燃料電池システムFCSは、燃料電池スタック2と、燃焼器4と、燃焼排ガス流路6と、第1オフガス流路8と、第2オフガス流路10と、燃焼器導入流路12と、燃料リサイクル流路14と、改質器16と、蒸発器18と、脱硫器20と、エジェクタ22と、空気予熱器24と、排熱回収器26とを備える。本実施形態では、燃料電池スタック2、改質器16、燃焼器4、燃焼排ガス流路6等は、後述の通り、モジュール化されており、燃料電池装置30を構成している。
(First embodiment)
First, the fuel cell system FCS to which the fuel cell device 30 is applied will be described. As shown in FIG. 1, the fuel cell system FCS includes a fuel cell stack 2, a combustor 4, a flue gas flow path 6, a first offgas flow path 8, a second offgas flow path 10, a combustor introduction A flow path 12 , a fuel recycle flow path 14 , a reformer 16 , an evaporator 18 , a desulfurizer 20 , an ejector 22 , an air preheater 24 and an exhaust heat recovery device 26 are provided. In this embodiment, the fuel cell stack 2, the reformer 16, the combustor 4, the flue gas flow path 6, and the like are modularized and constitute a fuel cell device 30, as will be described later.

燃料電池スタック2は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する。本実施形態では、燃料ガスとして、改質器16での水蒸気改質反応によって生成した水素ガスと一酸化炭素を含むガスが用いられる。酸化剤ガスとして空気が用いられる。燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により電気エネルギが発生する。 The fuel cell stack 2 generates electricity through an electrochemical reaction using fuel gas and oxidant gas. In this embodiment, a gas containing hydrogen gas and carbon monoxide produced by a steam reforming reaction in the reformer 16 is used as the fuel gas. Air is used as the oxidant gas. Electrical energy is generated by an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas.

燃料電池スタック2は、セルスタックとも呼ばれるものであり、図示しない複数の燃料電池セルの集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極(すなわち、アノード)が形成され、他方側の面に空気極(すなわち、カソード)が形成された構成となっている。燃料極および空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。燃料電池スタック2では、すべての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。 The fuel cell stack 2, also called a cell stack, is an assembly of a plurality of fuel cells (not shown). Each fuel cell is a solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), in which a fuel electrode (that is, an anode) is formed on one side of a flat solid electrolyte, and the other side An air electrode (that is, a cathode) is formed on the surface of the . Both the fuel electrode and the air electrode are porous bodies made of conductive ceramics. In the fuel cell stack 2, all the fuel cells are vertically stacked and electrically connected in series.

燃焼器4は、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。燃料オフガスは、燃料電池スタック2から排出される燃料ガスを含むガスである。酸化剤オフガスは、燃料電池スタック2から排出される酸化剤ガスを含むガスである。本実施形態では、酸化剤ガスとして空気が用いられるため、以下では、酸化剤オフガスを空気オフガスとも呼ぶ。 The combustor 4 burns the fuel gas contained in the fuel off-gas and the oxidant gas contained in the oxidant off-gas to generate flue gas. The fuel off-gas is gas containing fuel gas discharged from the fuel cell stack 2 . The oxidant off-gas is gas containing oxidant gas discharged from the fuel cell stack 2 . In the present embodiment, air is used as the oxidant gas, so hereinafter the oxidant off-gas is also referred to as air off-gas.

燃焼排ガス流路6は、燃焼排ガスが流れる流路である。燃焼排ガス流路は、改質器16、空気予熱器24および蒸発器18のそれぞれに隣接して配置されている。これにより、改質器16、空気予熱器24および蒸発器18のそれぞれは、燃焼排ガスによって加熱される。なお、本実施形態では、改質器16、空気予熱器24および蒸発器18の順に燃焼排ガスが流れるように、燃焼排ガス流路6が配置されている。燃焼排ガス流路6のうち蒸発器18よりも下流側は、排熱回収器26に接続されている。 The flue gas channel 6 is a channel through which the flue gas flows. The flue gas flow path is positioned adjacent to each of the reformer 16 , air preheater 24 and evaporator 18 . Thereby, each of the reformer 16, the air preheater 24 and the evaporator 18 is heated by the flue gas. In this embodiment, the flue gas passage 6 is arranged so that the flue gas flows through the reformer 16, the air preheater 24 and the evaporator 18 in this order. A portion of the flue gas flow path 6 downstream of the evaporator 18 is connected to an exhaust heat recovery device 26 .

第1オフガス流路8は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器4に導く流路である。第2オフガス流路10は、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器4を迂回させて、燃焼排ガス流路6に導く流路である。本実施形態では、後述の通り、第2オフガス流路10は、燃焼排ガス流路6のうち改質器16を加熱する加熱部に、酸化剤オフガスを合流させる。 The first offgas flow path 8 is a flow path that guides part of the oxidant offgas to the combustor 4 . The second offgas flow path 10 is a flow path that guides another part of the oxidant offgas to the flue gas flow path 6 while bypassing the combustor 4 . In the present embodiment, as will be described later, the second off-gas channel 10 joins the oxidant off-gas to a heating portion of the flue gas channel 6 that heats the reformer 16 .

燃焼器導入流路12は、燃料オフガスの一部を燃焼器4に導く流路である。燃料リサイクル流路14は、燃料オフガスの他の一部を燃料電池スタック2に供給するための流路である。本実施形態では、燃料リサイクル流路14の下流側端部は、エジェクタ22の吸引口22bに接続されている。すなわち、燃料リサイクル流路14の下流側端部は、改質器16へ改質原料ガスを供給する流路の途中に接続されている。燃料リサイクル流路14は、改質器16に供給される改質原料ガスに燃料オフガスを合流させる。 The combustor introduction channel 12 is a channel that guides part of the fuel off-gas to the combustor 4 . The fuel recycling channel 14 is a channel for supplying another portion of the fuel off-gas to the fuel cell stack 2 . In this embodiment, the downstream end of the fuel recycle channel 14 is connected to the suction port 22 b of the ejector 22 . That is, the downstream end of the fuel recycle channel 14 is connected in the middle of the channel that supplies the reformed raw material gas to the reformer 16 . The fuel recycle channel 14 joins the fuel off-gas with the reformed raw material gas supplied to the reformer 16 .

改質器16は、改質原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。改質器16は、生成した燃料ガスを燃料電池スタック2の燃料極へ供給する。改質器16には、改質原料ガスとして都市ガスと水蒸気との混合ガスが供給される。都市ガスは、炭化水素(例えば、メタン)を含むガスである。改質器16では、燃焼排ガスとの熱交換によって、都市ガスおよび水蒸気が加熱される。 The reformer 16 reforms the reformed raw material gas to generate a fuel gas. The reformer 16 supplies the produced fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell stack 2 . A mixed gas of city gas and water vapor is supplied to the reformer 16 as a reforming raw material gas. Town gas is gas containing hydrocarbons (eg, methane). In the reformer 16, the town gas and steam are heated by heat exchange with the flue gas.

蒸発器18は、燃焼排ガスとの熱交換によって水を加熱し、水蒸気を生成する。蒸発器18は、生成した水蒸気を改質器16へ供給する。脱硫器20は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去する。脱硫器20は、硫黄成分を除去した後の都市ガスを改質器16へ供給する。 The evaporator 18 heats water by heat exchange with flue gas to produce steam. The evaporator 18 supplies the generated steam to the reformer 16 . The desulfurizer 20 removes sulfur components contained in the city gas. The desulfurizer 20 supplies the city gas from which sulfur components have been removed to the reformer 16 .

エジェクタ22は、改質原料ガスを改質器16へ供給するとともに、燃料オフガスを吸引して吸引した燃料オフガスを改質器16へ供給する。エジェクタ22は、入口22aと、吸引口22bと、吐出口22cとを有する。エジェクタ22の入口22aには、都市ガスと水蒸気とが合流する合流部21が接続されている。吸引口22bには、燃料リサイクル流路14が接続されている。吐出口22cには、改質器16が接続されている。エジェクタ22は、エジェクタ22の内部の図示しないノズルから燃料ガスを噴射することで、燃料リサイクル流路14から燃料オフガスを吸引し、吸引した燃料オフガスを改質原料ガスとともに吐出する。 The ejector 22 supplies the reforming raw material gas to the reformer 16 , sucks the fuel off-gas, and supplies the sucked fuel off-gas to the reformer 16 . The ejector 22 has an inlet 22a, a suction port 22b, and a discharge port 22c. An inlet 22a of the ejector 22 is connected to a confluence section 21 where city gas and steam merge. The fuel recycling channel 14 is connected to the suction port 22b. The reformer 16 is connected to the discharge port 22c. The ejector 22 injects the fuel gas from a nozzle (not shown) inside the ejector 22 to suck the fuel off-gas from the fuel recycling passage 14 and discharge the sucked fuel off-gas together with the reforming raw material gas.

空気予熱器24は、燃焼排ガスとの熱交換によって空気を加熱する。空気予熱器24は、予め加熱した空気を燃料電池スタック2の空気極へ供給する。排熱回収器26は、燃焼排ガスの熱を回収する。排熱回収器26は、燃焼排ガスとの熱交換によって水を加熱して、給湯用の湯を生成する。 The air preheater 24 heats air by heat exchange with combustion exhaust gas. The air preheater 24 supplies preheated air to the air electrode of the fuel cell stack 2 . The exhaust heat recovery device 26 recovers the heat of the combustion exhaust gas. The exhaust heat recovery device 26 heats water by heat exchange with combustion exhaust gas to generate hot water for hot water supply.

次に、燃料電池装置30について説明する。図2に示すように、燃料電池装置30は、ケーシング32、ベースプレート34、燃料電池スタック2、改質器16、燃焼器4、燃焼排ガス流路6等を備えている。 Next, the fuel cell device 30 will be explained. As shown in FIG. 2, the fuel cell device 30 includes a casing 32, a base plate 34, a fuel cell stack 2, a reformer 16, a combustor 4, a flue gas channel 6, and the like.

ケーシング32は、燃料電池スタック2、改質器16、燃焼器4、燃焼排ガス流路6等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング32の側面および上面は、図示しない断熱材により覆われている。 The casing 32 is a substantially cylindrical housing that accommodates the fuel cell stack 2, the reformer 16, the combustor 4, the flue gas flow path 6, and the like. The side and top surfaces of the casing 32 are covered with heat insulating material (not shown).

ケーシング32は、第1筒状壁36、第2筒状壁38、第3筒状壁40、第4筒状壁42、第5筒状壁44および第6筒状壁46を有している。第1~第6筒状壁36~46は、いずれも、金属製であって、軸線の周りに円筒状に形成された壁である。第1~第6筒状壁36~46は、それぞれの軸線が同じ位置にあり、かつ、それぞれの軸線が上下方向に沿うように配置されている。なお、図2は、第1~第6筒状壁36~46の軸線に沿う平面を断面とする燃料電池装置30の断面を示している。 Casing 32 has a first tubular wall 36 , a second tubular wall 38 , a third tubular wall 40 , a fourth tubular wall 42 , a fifth tubular wall 44 and a sixth tubular wall 46 . . Each of the first to sixth cylindrical walls 36 to 46 is a wall made of metal and cylindrically formed around an axis. The first to sixth cylindrical walls 36 to 46 are arranged such that their respective axes are at the same position, and their respective axes extend along the vertical direction. 2 shows a cross section of the fuel cell device 30 taken along a plane along the axes of the first to sixth cylindrical walls 36 to 46. As shown in FIG.

ベースプレート34は、ケーシング32の内部に水平に配置された金属板である。ベースプレート34は、ケーシング32の内部空間を上下方向に並ぶ2つの空間に区画する。 The base plate 34 is a metal plate horizontally arranged inside the casing 32 . The base plate 34 divides the internal space of the casing 32 into two vertically aligned spaces.

第1筒状壁36は、第1~第5筒状壁36~44の中で最も内側に位置している。第1筒状壁36は、ベースプレート34よりも上側に位置する。第1筒状壁36の上端は、円形状の第1天板48につながっている。第1筒状壁36の内部空間S11は、第1天板48、ベースプレート34等によって密閉されている。第1筒状壁36の内部空間S11に、燃料電池スタック2が収容されている。 The first tubular wall 36 is positioned innermost among the first to fifth tubular walls 36-44. The first tubular wall 36 is located above the base plate 34 . The upper end of the first cylindrical wall 36 is connected to a circular first top plate 48 . The internal space S11 of the first cylindrical wall 36 is sealed by the first top plate 48, the base plate 34, and the like. The fuel cell stack 2 is accommodated in the internal space S11 of the first tubular wall 36 .

第1筒状壁36には、空気供給用開口部361が形成されている。空気供給用開口部361には、空気供給用配管50が接続されている。空気供給用配管50は、空気供給用開口部361から燃料電池スタック2の各燃料電池セルへ空気を供給するための配管である。 An air supply opening 361 is formed in the first cylindrical wall 36 . An air supply pipe 50 is connected to the air supply opening 361 . The air supply pipe 50 is a pipe for supplying air from the air supply opening 361 to each fuel cell of the fuel cell stack 2 .

また、燃料電池スタック2からの空気オフガスが第1筒状壁36の内部空間S11に排出されるようになっている。第1筒状壁36の内部空間S11は、燃料電池スタック2から排出された空気オフガスが流れる流路の一部を構成している。 Also, the air off-gas from the fuel cell stack 2 is discharged into the internal space S11 of the first cylindrical wall 36 . The internal space S11 of the first cylindrical wall 36 constitutes part of the flow path through which the air off-gas discharged from the fuel cell stack 2 flows.

燃料電池スタック2は、支持部材52によって支持されている。支持部材52は、燃料電池スタック2とベースプレート34との間に空間を形成するとともに、この空間と燃料電池スタック2の側方の空間とを連通させるように、燃料電池スタック2を持ち上げている。 The fuel cell stack 2 is supported by support members 52 . The support member 52 forms a space between the fuel cell stack 2 and the base plate 34 and lifts the fuel cell stack 2 so that this space communicates with a space on the side of the fuel cell stack 2 .

第2筒状壁38は、ベースプレート34よりも上側の位置からベースプレート34よりも下側の位置まで、上下方向に延びている。第2筒状壁38の内径は、ベースプレート34の外径と等しい。第2筒状壁38の内部にベースプレート34が配置された状態で、第2筒状壁38とベースプレート34とが固定されている。 The second cylindrical wall 38 extends vertically from a position above the base plate 34 to a position below the base plate 34 . The inner diameter of the second tubular wall 38 is equal to the outer diameter of the base plate 34 . The second tubular wall 38 and the base plate 34 are fixed with the base plate 34 arranged inside the second tubular wall 38 .

第2筒状壁38のうちベースプレート34よりも上側の上側部分38aは、第1筒状壁36の外側に位置し、第1筒状壁36の周方向全域を覆っている。第1筒状壁36の周方向全域にわたって、第1筒状壁36と第2筒状壁38の上側部分38aとの間に第1空間S12が形成されている。 An upper portion 38 a of the second tubular wall 38 above the base plate 34 is located outside the first tubular wall 36 and covers the entire circumferential direction of the first tubular wall 36 . A first space S<b>12 is formed between the first tubular wall 36 and the upper portion 38 a of the second tubular wall 38 over the entire circumference of the first tubular wall 36 .

第3筒状壁40は、第2筒状壁38の外側に配置され、第2筒状壁38の周方向全域を覆っている。第2筒状壁38の周方向全域にわたって、第2筒状壁38と第3筒状壁40との間に第2空間S13が形成されている。 The third tubular wall 40 is arranged outside the second tubular wall 38 and covers the entire circumferential direction of the second tubular wall 38 . A second space S<b>13 is formed between the second tubular wall 38 and the third tubular wall 40 over the entire circumference of the second tubular wall 38 .

第4筒状壁42は、第3筒状壁40の外側に配置され、第3筒状壁40の周方向全域を覆っている。第3筒状壁40の周方向全域にわたって、第3筒状壁40と第4筒状壁42との間に第3空間S14が形成されている。 The fourth tubular wall 42 is arranged outside the third tubular wall 40 and covers the entire circumference of the third tubular wall 40 . A third space S<b>14 is formed between the third tubular wall 40 and the fourth tubular wall 42 over the entire circumference of the third tubular wall 40 .

第2筒状壁38の上端と第4筒状壁42の上端とは、上下方向で同じ位置にある。第2筒状壁38の上端は、円環状の第2天板54の内周端につながっている。第4筒状壁42の上端は、第2天板54の外周端につながっている。 The upper end of the second tubular wall 38 and the upper end of the fourth tubular wall 42 are at the same position in the vertical direction. The upper end of the second cylindrical wall 38 is connected to the inner peripheral end of the annular second top plate 54 . The upper end of the fourth tubular wall 42 is connected to the outer peripheral end of the second top plate 54 .

第3筒状壁40の上端の位置は、第2筒状壁38の上端および第4筒状壁42の上端よりも低い位置にある。このため、第2空間S13と第3空間S14とは、第3筒状壁40の上端側で連通している。第2空間S13および第3空間S14は、燃焼排ガス流路6の一部を構成している。 The position of the upper end of the third tubular wall 40 is lower than the upper ends of the second tubular wall 38 and the upper ends of the fourth tubular wall 42 . Therefore, the second space S<b>13 and the third space S<b>14 communicate with each other on the upper end side of the third cylindrical wall 40 . The second space S<b>13 and the third space S<b>14 constitute part of the flue gas flow path 6 .

第5筒状壁44は、第4筒状壁42の外側に配置され、第4筒状壁42の周方向全域を覆っている。第4筒状壁42の周方向全域にわたって、第4筒状壁42と第5筒状壁44との間に第4空間S15が形成されている。 The fifth tubular wall 44 is arranged outside the fourth tubular wall 42 and covers the entire circumferential direction of the fourth tubular wall 42 . A fourth space S<b>15 is formed between the fourth tubular wall 42 and the fifth tubular wall 44 over the entire circumference of the fourth tubular wall 42 .

第5筒状壁44の上端は、第1筒状壁36の上端よりも上側に位置する。第5筒状壁44の上端は、円形状の第3天板56につながっている。すなわち、第5筒状壁44の上側は、第3天板56で塞がれている。第3天板56と第2天板54との間に上側空間S16が形成されている。第3天板56と第1天板48との間に上側空間S17が形成されている。これらの上側空間S16、S17を介して、第1空間S12と第4空間S15とが連通している。本実施形態では、少なくとも第1空間S12および第4空間S15が、燃料電池スタック2に向かって空気が加熱されながら流れる空気流路、すなわち、空気予熱器24を構成している。 The upper end of the fifth tubular wall 44 is located above the upper end of the first tubular wall 36 . The upper end of the fifth cylindrical wall 44 is connected to a circular third top plate 56 . That is, the upper side of the fifth cylindrical wall 44 is closed with the third top plate 56 . An upper space S<b>16 is formed between the third top plate 56 and the second top plate 54 . An upper space S<b>17 is formed between the third top plate 56 and the first top plate 48 . The first space S12 and the fourth space S15 communicate with each other through these upper spaces S16 and S17. In this embodiment, at least the first space S<b>12 and the fourth space S<b>15 constitute an air flow path through which heated air flows toward the fuel cell stack 2 , that is, the air preheater 24 .

第4筒状壁42の下端側の内部には、円形状の第1底板58が配置されている。第1底板58は、第4筒状壁42に固定されている。第3筒状壁40の下端は、第1底板58につながっている。このため、第2空間S13と第3空間S14とは、第3筒状壁40の下端側で連通していない。 A circular first bottom plate 58 is arranged inside the fourth tubular wall 42 on the lower end side. The first bottom plate 58 is fixed to the fourth tubular wall 42 . A lower end of the third cylindrical wall 40 is connected to the first bottom plate 58 . Therefore, the second space S<b>13 and the third space S<b>14 are not communicated with each other on the lower end side of the third cylindrical wall 40 .

第4筒状壁42の第1底板58側の部分には、燃焼排ガス流路の一部を構成する燃焼排ガス配管60の一端が接続されている。第3空間S14の下端部は、燃焼排ガス配管60の内部空間に連通している。この燃焼排ガス配管60の他端側は、図1中の排熱回収器26に接続されている。このため、第3空間S14の下端部は、燃焼排ガス配管60を介して、排熱回収器26に連通している。 One end of a flue gas pipe 60 forming part of the flue gas flow path is connected to a portion of the fourth cylindrical wall 42 on the side of the first bottom plate 58 . A lower end portion of the third space S14 communicates with the internal space of the flue gas pipe 60 . The other end of the flue gas pipe 60 is connected to the exhaust heat recovery device 26 shown in FIG. Therefore, the lower end of the third space S14 communicates with the exhaust heat recovery device 26 via the flue gas pipe 60 .

第5筒状壁44の下端は、第1底板58よりも上側に位置する。第5筒状壁44の下端は、円環状の第2底板62につながっている。第2底板62によって、第4空間S15の下端部が塞がれている。第5筒状壁44の下端側には、空気用配管64の一端が接続されている。空気用配管64は、燃料電池スタック2へ供給される空気が流れる空気流路の一部を構成する。第4空間S15の下端部は、空気用配管64の内部空間に連通している。 A lower end of the fifth cylindrical wall 44 is located above the first bottom plate 58 . The lower end of the fifth cylindrical wall 44 is connected to the annular second bottom plate 62 . The second bottom plate 62 closes the lower end of the fourth space S15. One end of an air pipe 64 is connected to the lower end side of the fifth cylindrical wall 44 . The air pipe 64 constitutes part of an air flow path through which air supplied to the fuel cell stack 2 flows. A lower end portion of the fourth space S15 communicates with the internal space of the air pipe 64 .

第2筒状壁38の下端は、第1底板58よりも上側に位置する。このため、第2空間S13と後述する第5空間S18とは、第2筒状壁38の下端側で連通している。 A lower end of the second cylindrical wall 38 is located above the first bottom plate 58 . Therefore, the second space S<b>13 and the fifth space S<b>18 described later communicate with each other on the lower end side of the second cylindrical wall 38 .

第6筒状壁46は、第2筒状壁38のうちベースプレート34よりも下側の下側部分38bの内側に配置されている。第6筒状壁46は、ベースプレート34の下面から下方向に延びている。 The sixth tubular wall 46 is arranged inside the lower portion 38 b of the second tubular wall 38 below the base plate 34 . The sixth tubular wall 46 extends downward from the bottom surface of the base plate 34 .

第6筒状壁46の内部空間S20に、燃焼器4が配置されている。燃焼器4は、円柱形状であり、ベースプレート34の下面から下方向に延びている。燃焼器4の下端は、第6筒状壁46の下端よりも上側に位置する。ベースプレート34には、第1筒状壁36の内部空間S11と燃焼器4とを連通させる第1連通空間S21が形成されている。この第1連通空間S21を介して、燃料電池スタック2から排出された酸化剤オフガスの一部が、燃焼器4に供給される。したがって、本実施形態では、第1連通空間S21が、第1オフガス流路8を構成している。 The combustor 4 is arranged in the internal space S<b>20 of the sixth tubular wall 46 . The combustor 4 has a cylindrical shape and extends downward from the lower surface of the base plate 34 . The lower end of the combustor 4 is located above the lower end of the sixth tubular wall 46 . A first communication space S<b>21 is formed in the base plate 34 to allow communication between the internal space S<b>11 of the first cylindrical wall 36 and the combustor 4 . A portion of the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack 2 is supplied to the combustor 4 via this first communication space S21. Therefore, in this embodiment, the first communication space S21 constitutes the first offgas flow path 8 .

また、図示しないが、燃料電池スタック2には、燃料オフガスが流れる図示しない配管が接続されている。この配管の下流側の一部は、燃焼器4に接続されている。この配管の下流側の他の一部は、エジェクタ22の吸引口22bに接続されている。 Although not shown, the fuel cell stack 2 is connected to a pipe (not shown) through which the fuel off-gas flows. A portion of this pipe on the downstream side is connected to the combustor 4 . Another part of this pipe on the downstream side is connected to the suction port 22 b of the ejector 22 .

燃焼器4では、図示しない着火器によって燃料オフガスと酸化剤オフガスとの混合ガスが着火される。これにより、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとの燃焼が行われる。この燃焼によって高温の燃焼排ガスが生成する。 In the combustor 4, a mixed gas of fuel off-gas and oxidant off-gas is ignited by an igniter (not shown). As a result, the fuel gas contained in the fuel off-gas and the oxidant gas contained in the oxidant off-gas are combusted. This combustion produces hot flue gas.

第2筒状壁38の下側部分38bは、第6筒状壁46の外側に位置し、第6筒状壁46の周方向全域を覆っている。第6筒状壁46の周方向全域にわたって、第6筒状壁46と第2筒状壁38の下側部分38bとの間に第5空間S18が形成されている。第5空間S18は、第6筒状壁46の下端よりも下側の位置で、第6筒状壁46の内部空間S20と連通している。 A lower portion 38b of the second tubular wall 38 is located outside the sixth tubular wall 46 and covers the entire circumferential direction of the sixth tubular wall 46 . A fifth space S<b>18 is formed between the sixth tubular wall 46 and the lower portion 38 b of the second tubular wall 38 over the entire circumference of the sixth tubular wall 46 . The fifth space S18 communicates with the internal space S20 of the sixth tubular wall 46 at a position below the lower end of the sixth tubular wall 46 .

第5空間S18に、改質器16が配置されている。改質器16は、改質器内周壁161と、改質器外周壁162と、改質器天板163と、仕切壁164と、改質触媒165とを有する。 A reformer 16 is arranged in the fifth space S18. The reformer 16 has a reformer inner peripheral wall 161 , a reformer outer peripheral wall 162 , a reformer top plate 163 , a partition wall 164 and a reforming catalyst 165 .

改質器内周壁161は、軸線の周りに円筒状に形成された壁であり、改質器16の内周側に位置する。軸線は、壁が回転体形状である場合の中心線に相当する。改質器外周壁162は、軸線の周りに円筒状に形成された壁であり、改質器16の外周側に位置する。なお、改質器内周壁161および改質器外周壁162は、円筒状ではなく、多角形等の筒状であってもよい。すなわち、改質器内周壁161および改質器外周壁162の軸線方向に垂直な断面での形状は、円形状でなく、多角形等の他の形状であってもよい。 The reformer inner peripheral wall 161 is a wall formed in a cylindrical shape around the axis and is located on the inner peripheral side of the reformer 16 . The axis corresponds to the centerline when the wall is in the shape of a body of revolution. The reformer outer peripheral wall 162 is a wall formed in a cylindrical shape around the axis and is positioned on the outer peripheral side of the reformer 16 . The inner peripheral wall 161 of the reformer and the outer peripheral wall 162 of the reformer may have a cylindrical shape such as a polygonal shape instead of a cylindrical shape. That is, the shape of the reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162 in the cross section perpendicular to the axial direction may be other shapes such as a polygon instead of a circle.

改質器外周壁162は、改質器内周壁161の周方向全域を覆うように配置されている。より詳細には、改質器外周壁162の軸線が改質器内周壁161の軸線と同じ位置となり、改質器内周壁161の周方向全域にわたって、改質器内周壁161と改質器外周壁162との間に触媒配置空間S22が形成されるように、改質器外周壁162が改質器内周壁161に対して配置されている。触媒配置空間S22は、改質触媒165が配置され、かつ、改質原料ガスが流れる空間であり、触媒配置部に相当する。 The reformer outer peripheral wall 162 is arranged so as to cover the entire circumferential region of the reformer inner peripheral wall 161 . More specifically, the axis of the reformer outer peripheral wall 162 is at the same position as the axis of the reformer inner peripheral wall 161, and the reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer periphery extend over the entire circumferential direction of the reformer inner peripheral wall 161. The reformer outer peripheral wall 162 is arranged with respect to the reformer inner peripheral wall 161 so that a catalyst arrangement space S22 is formed between the wall 162 and the reformer outer peripheral wall 162 . The catalyst placement space S22 is a space in which the reforming catalyst 165 is placed and the reforming raw material gas flows, and corresponds to a catalyst placement portion.

改質器内周壁161の軸線方向および改質器外周壁162の軸線方向が上下方向に沿うように、改質器内周壁161および改質器外周壁162が配置されている。改質器内周壁161、改質器外周壁162のそれぞれの軸線方向は、改質器内周壁161、改質器外周壁162のそれぞれの高さ方向と同じ意味である。換言すると、改質器内周壁161および改質器外周壁162は、一方向に延伸している。この一方向は、上下方向である。 The reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162 are arranged such that the axial direction of the reformer inner peripheral wall 161 and the axial direction of the reformer outer peripheral wall 162 are along the vertical direction. The axial direction of the reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162 has the same meaning as the height direction of the reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162 . In other words, the reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162 extend in one direction. This one direction is the vertical direction.

改質器内周壁161および改質器外周壁162は、第1底板58からベースプレート34に向かって延びている。改質器内周壁161の下端は、第1底板58よりも上側に位置する。改質器外周壁162の下端は、第1底板58に固定されている。改質器内周壁161の上端および改質器外周壁162の上端は、上下方向で同じ位置にあり、ベースプレート34よりも下側に位置する。 The reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162 extend from the first bottom plate 58 toward the base plate 34 . The lower end of the reformer inner peripheral wall 161 is located above the first bottom plate 58 . A lower end of the reformer outer peripheral wall 162 is fixed to the first bottom plate 58 . The upper end of the inner peripheral wall 161 of the reformer and the upper end of the outer peripheral wall 162 of the reformer are at the same position in the vertical direction and are located below the base plate 34 .

改質器天板163は、円環状であり、水平方向に沿って延びている。改質器天板163は、改質器内周壁161の上端および改質器外周壁162の上端につながっている。改質器天板163は、触媒配置空間S22の上端部を塞いでいる。 The reformer top plate 163 has an annular shape and extends in the horizontal direction. The reformer top plate 163 is connected to the upper end of the reformer inner peripheral wall 161 and the upper end of the reformer outer peripheral wall 162 . The reformer top plate 163 closes the upper end of the catalyst placement space S22.

仕切壁164は、円形状であり、水平方向に沿って延びている。仕切壁164は、改質器内周壁161の下端につながっている。仕切壁164は、第1底板58よりも上側の位置にある。仕切壁164は、第6筒状壁46の内部空間S20と、仕切壁164と第1底板58との間に形成された入口空間S23とを仕切る。入口空間S23は、改質原料ガスが流入する空間である。 The partition wall 164 is circular and extends in the horizontal direction. The partition wall 164 is connected to the lower end of the inner peripheral wall 161 of the reformer. The partition wall 164 is positioned above the first bottom plate 58 . The partition wall 164 partitions the internal space S20 of the sixth tubular wall 46 and the entrance space S23 formed between the partition wall 164 and the first bottom plate 58 . The inlet space S23 is a space into which the reforming raw material gas flows.

入口空間S23は、触媒配置空間S22と連通している。触媒配置空間S22には、第1底板58の上面から改質器天板163の下面にわたって改質触媒165が配置されている。改質触媒165は、改質原料ガスを改質する触媒である。改質触媒165としては、例えば、アルミナの球体の表面に、ニッケル等の触媒金属が担持されたものが用いられる。 The inlet space S23 communicates with the catalyst placement space S22. A reforming catalyst 165 is arranged from the upper surface of the first bottom plate 58 to the lower surface of the reformer top plate 163 in the catalyst arrangement space S22. The reforming catalyst 165 is a catalyst that reforms the reforming raw material gas. As the reforming catalyst 165, for example, a catalyst metal such as nickel supported on the surface of alumina spheres is used.

図示しないが、改質器天板163には、燃料ガス供給用配管の一端が接続されている。燃料ガス供給用配管の他端は、燃料電池スタック2に接続されている。燃料ガス供給用配管は、改質器16で改質された燃料ガスを燃料電池スタック2の各燃料電池セルへ供給するための配管である。 Although not shown, one end of a fuel gas supply pipe is connected to the top plate 163 of the reformer. The other end of the fuel gas supply pipe is connected to the fuel cell stack 2 . The fuel gas supply pipe is a pipe for supplying the fuel gas reformed by the reformer 16 to each fuel cell of the fuel cell stack 2 .

第5空間S18は、改質器16が配置されることによって、内周側空間S24、外周側空間S25および天板側空間S26に区画されている。内周側空間S24は、改質器内周壁161と第6筒状壁46との間に形成されている。すなわち、内周側空間S24は、改質器内周壁161を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。外周側空間S25は、改質器外周壁162と第2筒状壁38の下側部分38bとの間に形成されている。すなわち、外周側空間S25は、改質器外周壁162を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。天板側空間S26は、改質器天板163とベースプレート34との間に形成されている。内周側空間S24と外周側空間S25とは、天板側空間S26とを介して連通している。本実施形態では、第6筒状壁46の内部空間S20、内周側空間S24、外周側空間S25および天板側空間S26が、燃焼排ガス流路6の一部を構成している。 The fifth space S18 is divided into an inner peripheral space S24, an outer peripheral space S25, and a top board space S26 by arranging the reformer 16 therein. The inner peripheral space S24 is formed between the reformer inner peripheral wall 161 and the sixth cylindrical wall 46 . That is, the inner peripheral space S24 is formed on the opposite side of the catalyst placement space S22 with the inner peripheral wall 161 of the reformer interposed therebetween. The outer space S<b>25 is formed between the reformer outer wall 162 and the lower portion 38 b of the second cylindrical wall 38 . That is, the outer space S25 is formed on the opposite side of the catalyst arrangement space S22 with the reformer outer peripheral wall 162 interposed therebetween. The top plate-side space S26 is formed between the reformer top plate 163 and the base plate 34 . The inner peripheral space S24 and the outer peripheral space S25 communicate with each other through a top plate space S26. In this embodiment, the internal space S20, the inner peripheral space S24, the outer peripheral space S25, and the top plate-side space S26 of the sixth cylindrical wall 46 constitute part of the flue gas flow path 6. As shown in FIG.

ベースプレート34には、天板側空間S26と第1筒状壁36の内部空間S11とを連通させる第2連通空間S27が形成されている。この第2連通空間S27を介して、燃料電池スタック2から排出された酸化剤オフガスの他の一部が、天板側空間S26に供給される。したがって、本実施形態では、第2連通空間S27が、第2オフガス流路10を構成している。 The base plate 34 is formed with a second communication space S27 that allows the top plate side space S26 and the internal space S11 of the first cylindrical wall 36 to communicate with each other. Another part of the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack 2 is supplied to the top plate side space S26 via the second communication space S27. Therefore, in this embodiment, the second communication space S27 constitutes the second offgas flow path 10 .

なお、図2に示されていないが、燃料電池装置30は、図1中の蒸発器18およびエジェクタ22を備えている。蒸発器18は、ケーシング32の内部に配置されている。エジェクタ22は、ケーシング32の内部に配置されている。 Although not shown in FIG. 2, the fuel cell device 30 includes the evaporator 18 and the ejector 22 shown in FIG. The evaporator 18 is arranged inside the casing 32 . The ejector 22 is arranged inside the casing 32 .

次に、図1、2を用いて、燃料電池システムFCSの作動中の空気、燃料ガス等のガス流れについて説明する。 Next, gas flows such as air and fuel gas during operation of the fuel cell system FCS will be described with reference to FIGS.

空気は、図1に示すように、空気予熱器24で加熱された後、燃料電池スタック2の空気極に供給される。具体的には、図2に示すように、空気は、空気用配管64からケーシング32の内部に流入する。空気用配管64から流入した空気は、第4空間S15、第1空間S12、空気供給用配管50を順に流れた後、燃料電池スタック2の空気極に供給される。第4空間S15および第1空間S12を流れる空気は、第2空間S13および第3空間S14を流れる燃焼排ガスとの熱交換によって加熱される。 Air is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 2 after being heated by the air preheater 24, as shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 2, air flows into the casing 32 from the air pipe 64 . The air flowing in from the air pipe 64 is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 2 after flowing through the fourth space S15, the first space S12, and the air supply pipe 50 in order. The air flowing through the fourth space S15 and the first space S12 is heated by heat exchange with the flue gas flowing through the second space S13 and the third space S14.

都市ガスは、図1に示すように、脱硫器20で脱硫された後、合流部21に向かって流れる。水は、図1に示すように、蒸発器18で蒸発して水蒸気となる。図2には示されていないが、水は、ケーシング32の内部で、燃焼排ガスとの熱交換によって加熱されることで、水蒸気となる。蒸発器18で生成した水蒸気は、合流部21に向かって流れる。合流部21では、都市ガスと水蒸気とが合流して混合ガスとなる。都市ガスと水蒸気との混合ガスは、入口22aからエジェクタ22に流入し、吐出口22cから吐出される。 The city gas is desulfurized by the desulfurizer 20 and then flows toward the confluence section 21 as shown in FIG. As shown in FIG. 1, the water is evaporated in the evaporator 18 to become steam. Although not shown in FIG. 2, the water is heated inside the casing 32 by heat exchange with the flue gas to become steam. The water vapor generated by the evaporator 18 flows toward the confluence section 21 . In the confluence section 21, the city gas and water vapor merge to form a mixed gas. A mixed gas of city gas and water vapor flows into the ejector 22 from the inlet 22a and is discharged from the discharge port 22c.

吐出口22cから吐出された混合ガスは、改質器16に流入する。改質器16に流入した混合ガスは、改質器16で改質されて燃料ガスとなる。改質器16で改質された燃料ガスは、燃料電池スタック2の燃料極に供給される。 The mixed gas discharged from the discharge port 22 c flows into the reformer 16 . The mixed gas that has flowed into the reformer 16 is reformed in the reformer 16 to become fuel gas. The fuel gas reformed by the reformer 16 is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 2 .

具体的には、吐出口22cから吐出された混合ガス、すなわち、改質原料ガスは、図2に示すように、入口空間S23に対して下方から流入する。入口空間S23に流入した混合ガスは、入口空間S23の中央部から放射状に、水平方向に沿って流れる。そして、混合ガスは、触媒配置空間S22の下部に、水平方向から流入する。触媒配置空間S22では、混合ガスは、上下方向の下側から上側に向かって流れる。このとき、混合ガスは、燃焼排ガスとの熱交換によって加熱される。混合ガスが水素改質反応が生じる温度とされるとともに、混合ガスが改質触媒165に触れることで、水蒸気改質反応が生じ、この水蒸気改質反応によって水素ガスおよび一酸化炭素が生成する。水蒸気改質反応は、吸熱反応である。水蒸気改質反応に必要な熱は、燃焼排ガスから供給される。このようにして、改質された燃料ガスは、触媒配置空間S22の上部に接続された図示しない燃料ガス供給用配管を介して、燃料電池スタック2へ供給される。 Specifically, as shown in FIG. 2, the mixed gas discharged from the discharge port 22c, that is, the reforming raw material gas, flows into the inlet space S23 from below. The mixed gas that has flowed into the inlet space S23 flows radially from the central portion of the inlet space S23 along the horizontal direction. Then, the mixed gas flows horizontally into the lower part of the catalyst placement space S22. In the catalyst placement space S22, the mixed gas flows from the lower side to the upper side in the vertical direction. At this time, the mixed gas is heated by heat exchange with the flue gas. When the mixed gas is brought into contact with the reforming catalyst 165 while the mixed gas is brought to a temperature at which the hydrogen reforming reaction occurs, a steam reforming reaction occurs, and hydrogen gas and carbon monoxide are generated by this steam reforming reaction. The steam reforming reaction is an endothermic reaction. The heat required for the steam reforming reaction is supplied from the flue gas. The fuel gas thus reformed is supplied to the fuel cell stack 2 via a fuel gas supply pipe (not shown) connected to the upper portion of the catalyst placement space S22.

このように、空気と燃料ガスとが燃料電池スタック2へ供給されることで、燃料電池スタック2は発電する。このとき、発電に使用されなかった燃料ガスを含む燃料オフガスが燃料電池スタック2から排出され、発電に使用されなかった空気を含む空気オフガスが燃料電池スタック2から排出される。 By supplying air and fuel gas to the fuel cell stack 2 in this way, the fuel cell stack 2 generates electricity. At this time, fuel off-gas containing fuel gas not used for power generation is discharged from the fuel cell stack 2 , and air off-gas containing air not used for power generation is discharged from the fuel cell stack 2 .

図1に示すように、燃料電池スタック2の空気極から排出された空気オフガスの一部は、第1オフガス流路8を介して、燃焼器4に供給される。具体的には、図2に示すように、燃料電池スタック2の空気極から第1筒状壁36の内部空間S11に、空気オフガスが排出される。内部空間S11に配出された空気オフガスの一部は、第1オフガス流路8としての第1連通空間S21を介して、燃焼器4に供給される。 As shown in FIG. 1 , part of the air off-gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack 2 is supplied to the combustor 4 via the first off-gas flow path 8 . Specifically, as shown in FIG. 2, the air off-gas is discharged from the air electrode of the fuel cell stack 2 into the internal space S11 of the first cylindrical wall 36 . A part of the air off-gas delivered to the internal space S11 is supplied to the combustor 4 via the first communication space S21 as the first off-gas flow path 8 .

また、図1に示すように、燃料電池スタック2の空気極から排出された空気オフガスの他の一部は、第2オフガス流路10を介して、燃焼排ガス流路6に供給される。具体的には、図2に示すように、内部空間S11に配出された空気オフガスの他の一部は、第2オフガス流路10としての第2連通空間S27を介して、天板側空間S26に供給される。 Further, as shown in FIG. 1 , another part of the air off-gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack 2 is supplied to the flue gas flow path 6 via the second off-gas flow path 10 . Specifically, as shown in FIG. 2, another part of the air off-gas delivered to the internal space S11 passes through the second communicating space S27 as the second off-gas flow path 10 to the top plate side space. It is supplied to S26.

図1に示すように、燃料電池スタック2の燃料極から排出された燃料オフガスの一部は、燃焼器導入流路12を介して、燃焼器4に供給される。具体的には、図2中の矢印のように、燃料極の燃料出口側と燃焼器4とを接続する図示しない配管を介して、燃料オフガスの一部は、燃焼器4に供給される。 As shown in FIG. 1 , part of the fuel off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 2 is supplied to the combustor 4 via the combustor introduction channel 12 . Specifically, part of the fuel off-gas is supplied to the combustor 4 via a pipe (not shown) that connects the fuel outlet side of the fuel electrode and the combustor 4 as indicated by arrows in FIG.

また、図1に示すように、燃料電池スタック2の燃料極から排出された燃料ガスの他の一部は、燃料リサイクル流路14を介して、エジェクタ22に吸引される。具体的には、図2中の矢印のように、燃料極の燃料出口側とエジェクタ22の吸引口22b側とを接続する図示しない配管を介して、燃料オフガスの他の一部は、エジェクタ22に吸引される。エジェクタ22に吸引された燃料オフガスは、入口空間S23に向かって流れる混合ガスに合流する。これにより、燃料オフガスの他の一部が燃料極へ供給される。 Further, as shown in FIG. 1 , another part of the fuel gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 2 is sucked into the ejector 22 through the fuel recycling channel 14 . Specifically, as indicated by arrows in FIG. is attracted to The fuel off-gas sucked into the ejector 22 joins the mixed gas flowing toward the inlet space S23. As a result, another part of the fuel off-gas is supplied to the fuel electrode.

燃焼器4では、燃料オフガスに含まれる燃料ガスと酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスとの燃焼によって燃焼排ガスが生成する。生成した燃焼排ガスは、図1に示すように、改質器16、空気予熱器24、蒸発器18の順に、燃焼排ガス流路6を流れる。 In the combustor 4, combustion exhaust gas is generated by combustion of the fuel gas contained in the fuel off-gas and the oxidant gas contained in the oxidant off-gas. The generated flue gas flows through the flue gas passage 6 in the order of the reformer 16, the air preheater 24, and the evaporator 18, as shown in FIG.

具体的には、図2に示すように、燃料電池装置30の内部では、燃焼排ガスは、第6筒状壁46の内部空間S20から内周側空間S24、天板側空間S26、外周側空間S25の順に流れる。内周側空間S24では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。天板側空間S26では、内側から外側に向かって燃焼排ガスが流れる。外周側空間S25では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。本実施形態では、上下方向の下側が改質器内周壁161の軸線方向の一方側に相当し、上下方向の上側が改質器内周壁161の軸線方向の他方側に相当する。 Specifically, as shown in FIG. 2, inside the fuel cell device 30, the combustion exhaust gas flows from the internal space S20 of the sixth cylindrical wall 46 to the inner peripheral space S24, the top plate space S26, and the outer peripheral space. It flows in order of S25. In the inner peripheral space S24, combustion exhaust gas flows from the lower side to the upper side in the vertical direction. In the top plate side space S26, combustion exhaust gas flows from the inside toward the outside. In the outer peripheral space S25, combustion exhaust gas flows from the upper side to the lower side in the vertical direction. In this embodiment, the lower side in the vertical direction corresponds to one side of the reformer inner peripheral wall 161 in the axial direction, and the upper side in the vertical direction corresponds to the other side in the axial direction of the inner peripheral wall 161 of the reformer.

このとき、内周側空間S24を流れる燃焼排ガスは、改質器内周壁161を介した熱交換によって、触媒配置空間S22を流れる改質原料ガスを加熱する。外周側空間S25を流れる燃焼排ガスは、改質器外周壁162を介した熱交換によって、触媒配置空間S22を流れる改質原料ガスを加熱する。 At this time, the flue gas flowing through the inner peripheral space S24 heats the reforming raw material gas flowing through the catalyst placement space S22 by heat exchange via the reformer inner peripheral wall 161 . The flue gas flowing through the outer space S25 heats the reforming raw material gas flowing through the catalyst arrangement space S22 by heat exchange via the reformer outer peripheral wall 162 .

本実施形態では、改質器内周壁161および改質器外周壁162は、燃焼排ガスから改質原料ガスへ熱伝導によって熱を移動させる伝熱壁として機能する。改質器内周壁161は、第1伝熱壁に相当する。改質器外周壁162は、第2伝熱壁に相当する。内周側空間S24および外周側空間S25は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部に相当する。外周側空間S25は、内周側空間S24に対して燃焼排ガス流れの下流側に位置する。したがって、内周側空間S24は第1加熱部に相当し、外周側空間S25は第1加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第2加熱部に相当する。 In the present embodiment, the reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162 function as heat transfer walls that transfer heat from the flue gas to the reforming raw material gas by thermal conduction. The reformer inner peripheral wall 161 corresponds to a first heat transfer wall. The reformer outer peripheral wall 162 corresponds to a second heat transfer wall. The inner peripheral space S24 and the outer peripheral space S25 correspond to a heating section in which the flue gas flowing through the flue gas flow path heats the reforming raw material gas flowing through the catalyst placement section by heat exchange via the heat transfer wall. The outer space S25 is located downstream of the inner space S24 in the flow of the combustion exhaust gas. Therefore, the inner peripheral space S24 corresponds to the first heating section, and the outer peripheral space S25 corresponds to the second heating section located downstream of the first heating section in the flow of the combustion exhaust gas.

外周側空間S25から流出した燃焼排ガスは、第2空間S13、第3空間S14の順に流れる。第2空間S13では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。第3空間S14では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。このとき、第2空間S13を流れる燃焼排ガスは、第1筒状壁36を介した熱交換によって、第1空間S12を流れる空気を加熱する。第3空間S14を流れる燃焼排ガスは、第4筒状壁42を介した熱交換によって、第4空間S15を流れる空気を加熱する。その後、燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管60を介して、排熱回収器26に供給される。 The flue gas that has flowed out from the outer peripheral space S25 flows through the second space S13 and the third space S14 in this order. In the second space S13, combustion exhaust gas flows from the lower side to the upper side in the vertical direction. In the third space S14, combustion exhaust gas flows from the upper side to the lower side in the vertical direction. At this time, the flue gas flowing through the second space S13 heats the air flowing through the first space S12 by heat exchange via the first cylindrical wall 36 . The flue gas flowing through the third space S14 heats the air flowing through the fourth space S15 by heat exchange via the fourth cylindrical wall 42 . After that, the flue gas is supplied to the exhaust heat recovery device 26 via the flue gas pipe 60 .

以上の説明の通り、本実施形態の燃料電池装置30は、燃料電池スタック2と、改質器16と、燃焼器4と、燃焼排ガス流路6とを備えている。改質器16は、改質触媒165と、触媒配置空間S22とを有する。触媒配置空間S22は、改質器内周壁161と改質器外周壁162との間に形成された環状の空間である。燃焼排ガス流路6は、燃焼排ガスが流れる内周側空間S24および外周側空間S25を含む。外周側空間S25は、内周側空間S24よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する。内周側空間S24は、改質器内周壁161を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。外周側空間S25は、改質器外周壁162を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。触媒配置空間S22では、上下方向の下側から上側に向かって改質原料ガスが流れる。内周側空間S24では、上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れる。外周側空間S25では、上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。 As described above, the fuel cell device 30 of this embodiment includes the fuel cell stack 2 , the reformer 16 , the combustor 4 , and the flue gas flow path 6 . The reformer 16 has a reforming catalyst 165 and a catalyst placement space S22. The catalyst placement space S22 is an annular space formed between the reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162 . The flue gas flow path 6 includes an inner space S24 and an outer space S25 through which the flue gas flows. The outer peripheral space S25 is located downstream of the inner peripheral space S24 in the flow of the combustion exhaust gas. The inner peripheral space S24 is formed on the opposite side of the catalyst placement space S22 with the reformer inner peripheral wall 161 interposed therebetween. The outer peripheral space S25 is formed on the opposite side of the catalyst arrangement space S22 with the reformer outer peripheral wall 162 interposed therebetween. In the catalyst placement space S22, the reforming raw material gas flows from the lower side to the upper side in the vertical direction. In the inner peripheral space S24, combustion exhaust gas flows from the lower side to the upper side in the vertical direction. In the outer peripheral space S25, combustion exhaust gas flows from the upper side to the lower side in the vertical direction.

これによれば、内周側空間S24の燃焼排ガスの流れは、触媒配置空間S22の改質原料ガスの流れに対して並流である。外周側空間S25の燃焼排ガスの流れは、触媒配置空間S22の改質原料ガスの流れに対して向流である。これにより、本実施形態と異なり、燃焼排ガス流路のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して向流である場合と比較して、伝熱壁である改質器内周壁161および改質器外周壁162の温度上昇を抑制できる。このため、改質触媒165の熱劣化を抑制することができる。さらに、加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合と比較して、改質原料ガスの温度を高くできる。 According to this, the flow of the combustion exhaust gas in the inner peripheral space S24 is parallel to the flow of the reforming raw material gas in the catalyst placement space S22. The flow of combustion exhaust gas in the outer space S25 is countercurrent to the flow of the reforming material gas in the catalyst placement space S22. As a result, unlike the present embodiment, the flow of the flue gas in the entire heating portion for heating the reforming raw material gas in the flue gas channel is in a countercurrent direction to the flow of the reforming raw material gas. , the temperature rise of the reformer inner peripheral wall 161 and the reformer outer peripheral wall 162, which are heat transfer walls, can be suppressed. Therefore, thermal deterioration of the reforming catalyst 165 can be suppressed. Furthermore, the temperature of the reforming raw material gas can be made higher than in the case where the combustion exhaust gas flows in parallel with the reforming raw material gas in the entire heating section.

さらに、これによれば、内周側空間S24は、改質器内周壁161を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。外周側空間S25は、改質器外周壁162を挟んだ触媒配置空間S22の向かい側に形成されている。このため、触媒配置空間S22に対して内側と外側との両側に、燃焼排ガスから改質原料ガスへ伝熱する伝熱壁がある。これにより、触媒配置空間S22の片側のみに伝熱壁がある場合と比較して、改質原料ガスへの伝熱面積を拡大させることができ、伝熱性能を向上させることができる。 Furthermore, according to this, the inner peripheral space S24 is formed on the opposite side of the catalyst placement space S22 with the inner peripheral wall 161 of the reformer interposed therebetween. The outer peripheral space S25 is formed on the opposite side of the catalyst arrangement space S22 with the reformer outer peripheral wall 162 interposed therebetween. For this reason, there are heat transfer walls that transfer heat from the flue gas to the reforming raw material gas on both the inner and outer sides of the catalyst placement space S22. As a result, compared to the case where the heat transfer wall is provided only on one side of the catalyst placement space S22, the heat transfer area to the reforming raw material gas can be increased, and the heat transfer performance can be improved.

よって、本実施形態によれば、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能の確保と、改質触媒の熱劣化の抑制との両立が可能である。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to ensure high heat exchange performance between the reforming raw material gas and the flue gas and to suppress thermal deterioration of the reforming catalyst.

ここで、本実施形態の燃料電池装置30は、燃焼器導入流路12に加えて、燃料リサイクル流路14を備える。本実施形態の燃料電池装置30では、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていない場合と比較して、燃焼器4へ供給される燃料オフガスが減少する。例えば、燃料電池スタック2から排出された燃料オフガスの半分が燃料リサイクル流路14を流れる場合、燃焼器4へ供給される燃料オフガスが半減する。このため、本実施形態の燃料電池装置30では、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていない場合と比較して、燃焼器4で生成される燃焼排ガスの熱量が少ない。 Here, the fuel cell device 30 of this embodiment includes a fuel recycling channel 14 in addition to the combustor introduction channel 12 . In the fuel cell device 30 of this embodiment, the fuel off-gas supplied to the combustor 4 is reduced as compared with the case where the fuel cell device 30 does not include the fuel recycling channel 14 . For example, if half of the fuel off-gas discharged from the fuel cell stack 2 flows through the fuel recycling channel 14, the amount of fuel off-gas supplied to the combustor 4 is halved. Therefore, in the fuel cell device 30 of the present embodiment, the amount of heat generated by the combustion exhaust gas generated by the combustor 4 is smaller than when the fuel cell device 30 does not include the fuel recycling channel 14 .

したがって、本実施形態の燃料電池装置30と異なり、燃焼排ガス流路6のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域の燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合では、熱交換性能が悪く、改質原料ガスの温度が目標温度よりも低いという問題が顕著となる。これに対して、本実施形態によれば、燃料リサイクル流路14を備えていても、改質原料ガスと燃焼排ガスとの間の高い熱交換性能を確保でき、改質原料ガスの温度を目標温度に近づけることができる。 Therefore, unlike the fuel cell device 30 of the present embodiment, the flow of the flue gas in the entire heating portion for heating the reformed gas in the flue gas passage 6 is parallel to the flow of the reformed raw gas. In this case, the problem that the heat exchange performance is poor and the temperature of the raw material gas to be reformed is lower than the target temperature becomes conspicuous. On the other hand, according to the present embodiment, even if the fuel recycling passage 14 is provided, high heat exchange performance between the reforming raw material gas and the combustion exhaust gas can be ensured, and the temperature of the reforming raw material gas can be achieved as a target. temperature can be approached.

また、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていない状態で、燃焼器4へ供給される空気に対する燃料ガスの混合比が、燃料ガスと空気(より詳細には、空気中の酸素)とが過不足なく反応するように設定されているときに対して、燃料リサイクル流路14を追加する場合を想定する。この混合比は質量比である。この場合、燃焼器4に供給される燃料ガスの量が、燃料電池スタック2から排出される空気オフガスに含まれる空気の全部と過不足なく反応するのに必要な燃料ガスの量よりも少ない状態となり、燃焼器4での燃焼が不安定となる。換言すると、燃焼器4に供給される空気と燃料ガスとの混合ガスに含まれる燃料ガスが希薄となり、炎が吹き消えてしまうという問題が生じる。 Further, when the fuel cell device 30 does not have the fuel recycle channel 14, the mixture ratio of the fuel gas to the air supplied to the combustor 4 is the fuel gas and air (more specifically, oxygen in the air). A case is assumed in which the fuel recycle channel 14 is added to the case where the reaction is set to be just right. This mixing ratio is a mass ratio. In this case, the amount of fuel gas supplied to the combustor 4 is less than the amount of fuel gas required to react with all of the air contained in the air off-gas discharged from the fuel cell stack 2 without excess or deficiency. As a result, combustion in the combustor 4 becomes unstable. In other words, the fuel gas contained in the mixed gas of the air and the fuel gas supplied to the combustor 4 becomes lean, causing the problem that the flame blows out.

そこで、本実施形態の燃料電池装置30は、空気オフガスの一部を燃焼器4に導く第1オフガス流路8に加えて、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4を迂回させて、燃焼排ガス流路6に導く第2オフガス流路10を備える。これによれば、第2オフガス流路10を備えていない場合と比較して、燃焼器4へ供給される空気オフガスを減らすことができる。このため、燃焼器4での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器4での燃焼を安定させることができる。 Therefore, in the fuel cell device 30 of the present embodiment, in addition to the first offgas flow path 8 that guides part of the air offgas to the combustor 4, another part of the air offgas bypasses the combustor 4, A second offgas channel 10 leading to the flue gas channel 6 is provided. According to this, the air off-gas supplied to the combustor 4 can be reduced compared to the case where the second off-gas flow path 10 is not provided. Therefore, by increasing the mixture ratio of fuel gas to air in the combustor 4, combustion in the combustor 4 can be stabilized.

さらに、これによれば、燃焼器4での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器4での燃焼温度を高くすることができる。このため、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差を大きくでき、改質器16の伝熱性能を向上させることができる。 Furthermore, according to this, the combustion temperature in the combustor 4 can be increased by increasing the mixture ratio of the fuel gas to the air in the combustor 4 . Therefore, the temperature difference between the combustion exhaust gas and the reforming raw material gas can be increased, and the heat transfer performance of the reformer 16 can be improved.

また、本実施形態の燃料電池装置30では、燃焼排ガス流路6は、内周側空間S24と外周側空間S25とを連通させる天板側空間S26を有する。第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4および内周側空間S24を迂回させて、天板側空間S26に導く。 In addition, in the fuel cell device 30 of the present embodiment, the flue gas flow path 6 has the top plate side space S26 that allows the inner peripheral side space S24 and the outer peripheral side space S25 to communicate with each other. The second offgas flow path 10 guides another part of the air offgas to the top plate side space S26 by bypassing the combustor 4 and the inner peripheral side space S24.

これによれば、内周側空間S24で放熱された燃焼排ガスに空気オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、図3に示すように、第2オフガス流路10を備えていない場合と比較して、外周側空間S25での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、触媒配置空間S22の出口付近での改質原料ガスの温度を高くすることができる。これらの結果、本実施形態によれば、改質原料ガスの温度を改質率が高い目標温度に近づけることが可能となる。 According to this, by joining the air off-gas with the flue gas radiated in the inner peripheral space S24, the heat capacity of the flue gas after joining can be increased. Therefore, as shown in FIG. 3, compared to the case where the second off-gas flow path 10 is not provided, it is possible to suppress the decrease in the temperature of the combustion exhaust gas in the outer space S25. can raise the temperature of the reforming raw material gas. As a result, according to the present embodiment, it is possible to bring the temperature of the reforming source gas close to the target temperature at which the reforming rate is high.

図3は、本実施形態の燃料電池装置30と比較例1の燃料電池装置とのそれぞれにおいて、燃焼排ガスの図4中の各位置での温度および改質原料ガスの図4中の各位置での温度の測定結果を示す図である。比較例1の燃料電池装置は、第2オフガス流路10を備えていない点で、本実施形態の燃料電池装置30と異なる。比較例1の燃料電池装置の他の構成は、本実施形態の燃料電池装置30と同じである。 FIG. 3 shows the temperature of the flue gas at each position in FIG. 4 and the temperature of the reformed raw material gas at each position in FIG. is a diagram showing the measurement results of the temperature of . The fuel cell device of Comparative Example 1 is different from the fuel cell device 30 of the present embodiment in that the second offgas channel 10 is not provided. Other configurations of the fuel cell device of Comparative Example 1 are the same as those of the fuel cell device 30 of the present embodiment.

図4に示すように、位置H1での燃焼排ガスの温度は、燃焼器4で生成した燃焼排ガスの温度である。位置H2での燃焼排ガスの温度は、内周側空間S24の出口付近での燃焼排ガスの温度である。位置H3での燃焼排ガスの温度は、外周側空間S25の入口付近での燃焼ガスの温度である。位置H4での燃焼排ガスの温度は、外周側空間S25の出口付近での燃焼ガスの温度である。位置L1での改質原料ガスの温度は、触媒配置空間S22に流入する前の改質原料ガスの温度である。位置L2での改質原料ガスの温度は、触媒配置空間S22の出口付近での改質原料ガスの温度である。 As shown in FIG. 4 , the temperature of flue gas at position H1 is the temperature of the flue gas generated in combustor 4 . The temperature of the flue gas at the position H2 is the temperature of the flue gas near the outlet of the inner space S24. The temperature of the combustion exhaust gas at the position H3 is the temperature of the combustion gas near the entrance of the outer space S25. The temperature of the combustion exhaust gas at the position H4 is the temperature of the combustion gas near the exit of the outer space S25. The temperature of the reforming raw material gas at the position L1 is the temperature of the reforming raw material gas before flowing into the catalyst placement space S22. The temperature of the reforming raw material gas at the position L2 is the temperature of the reforming raw material gas near the exit of the catalyst placement space S22.

比較例1の燃料電池装置では、燃焼排ガスの温度および改質原料ガスの温度は、図3中の破線のように変化する。位置H1での燃焼排ガスの温度が900℃のとき、位置H2、H3での燃焼排ガスの温度は750℃であり、位置H4での燃焼排ガスの温度は600℃であった。この場合、外周側空間S25を流れる燃焼排ガスの出口付近の温度と入口付近の温度の差である温度低下幅は、150℃であった。また、位置L1での改質原料ガスの温度が500℃のとき、位置L2での改質原料ガスの温度は575℃であった。 In the fuel cell device of Comparative Example 1, the temperature of the flue gas and the temperature of the reforming raw material gas change as indicated by the dashed lines in FIG. When the temperature of the flue gas at the position H1 was 900°C, the temperature of the flue gas at the positions H2 and H3 was 750°C, and the temperature of the flue gas at the position H4 was 600°C. In this case, the temperature drop width, which is the difference between the temperature near the outlet and the temperature near the inlet of the combustion exhaust gas flowing through the outer space S25, was 150°C. Also, when the temperature of the reforming raw material gas at the position L1 was 500.degree. C., the temperature of the reforming raw material gas at the position L2 was 575.degree.

これに対して、本実施形態の燃料電池装置30では、燃焼排ガスの温度および改質原料ガスの温度は、図3中の実線のように変化する。位置H1での燃焼排ガスの温度が900℃のとき、位置H2での燃焼排ガスの温度は750℃であった。第2オフガス流路10から天板側空間S26に流入する空気オフガスの温度が700℃のとき、位置H3での燃焼排ガスの温度は725℃であり、位置H4での燃焼排ガスの温度は650℃であった。この場合、外周側空間S25を流れる燃焼排ガスの温度低下幅は、75℃であった。また、位置L1での改質原料ガスの温度が500℃のとき、位置L2での改質原料ガスの温度は、比較例1よりも高い600℃であった。 On the other hand, in the fuel cell device 30 of the present embodiment, the temperature of the flue gas and the temperature of the reforming raw material gas change as indicated by the solid line in FIG. When the temperature of the flue gas at the position H1 was 900°C, the temperature of the flue gas at the position H2 was 750°C. When the temperature of the air off-gas flowing into the top plate-side space S26 from the second off-gas channel 10 is 700°C, the temperature of the flue gas at the position H3 is 725°C, and the temperature of the flue gas at the position H4 is 650°C. Met. In this case, the temperature drop width of the combustion exhaust gas flowing through the outer peripheral space S25 was 75°C. Further, when the temperature of the reforming raw material gas at the position L1 was 500° C., the temperature of the reforming raw material gas at the position L2 was 600° C., which is higher than that in Comparative Example 1.

(第2実施形態)
第1実施形態では、第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4および内周側空間S24を迂回させて、天板側空間S26に導くものであった。これに対して、本実施形態では、図示しないが、第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4、内周側空間S24および天板側空間S26を迂回させて、外周側空間S25に導く。これによっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(Second embodiment)
In the first embodiment, the second offgas flow path 10 guides another portion of the air offgas to the top plate side space S26 by bypassing the combustor 4 and the inner peripheral space S24. On the other hand, in the present embodiment, although not shown, the second offgas flow path 10 causes another part of the air offgas to bypass the combustor 4, the inner peripheral space S24, and the top plate side space S26. , to the outer space S25. This also provides the same effects as in the first embodiment.

(他の実施形態)
(1)第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4を迂回させて、内周側空間S24に導くものであってもよい。これによっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。第1、第2実施形態およびこの実施形態のように、第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4を迂回させて、燃焼排ガス流路6のうち改質原料ガスを加熱する加熱部に導くものであればよい。この場合、空気オフガスの熱を改質原料ガスの加熱に利用できる。
(Other embodiments)
(1) The second offgas flow path 10 may lead another portion of the air offgas to the inner peripheral space S24 by bypassing the combustor 4 . This also provides the same effects as in the first embodiment. As in the first, second and this embodiment, the second offgas flow path 10 bypasses the combustor 4 for another portion of the air offgas to the reforming feedstock in the flue gas flow path 6 . Any device may be used as long as it leads to a heating unit that heats the gas. In this case, the heat of the air off-gas can be used to heat the reformed feed gas.

(2)第2オフガス流路10は、空気オフガスの他の一部を、燃焼器4、内周側空間S24、天板側空間S26、外周側空間S25を迂回させて、燃焼排ガス流路6のうち外周側空間S25よりも下流側の部分に導くものであってもよい。これによっても、第1実施形態の効果のうち、燃焼器4での空気に対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器4での燃焼を安定させることができるという効果が得られる。 (2) The second off-gas flow path 10 allows another part of the air off-gas to bypass the combustor 4, the inner peripheral space S24, the top plate-side space S26, and the outer peripheral space S25, and It may lead to a portion downstream of the outer peripheral space S25. As a result, among the effects of the first embodiment, the effect of stabilizing the combustion in the combustor 4 by increasing the mixture ratio of the fuel gas to the air in the combustor 4 can be obtained.

(3)上記各実施形態では、燃料リサイクル流路14の燃料オフガスの流れを形成するために、エジェクタ22を備えていたが、これに限定されない。エジェクタ22に替えて、燃料リサイクル流路14にポンプを設けてもよい。 (3) In each of the above-described embodiments, the ejector 22 is provided in order to form the flow of the fuel off-gas in the fuel recycle channel 14, but the present invention is not limited to this. A pump may be provided in the fuel recycle channel 14 instead of the ejector 22 .

(4)上記各実施形態では、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていた。しかしながら、燃料電池装置30が燃料リサイクル流路14を備えていなくてもよい。燃料電池装置30において、燃焼器4に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタック2から排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっていればよい。この場合としては、燃料電池スタック2での燃料ガスの利用率が向上した場合などが挙げられる。この場合に、燃料電池スタック2から排出される酸化剤オフガスの全部が燃焼器4に供給されると、燃料ガスが希薄な状態となり、燃焼器4での燃焼が不安定となる。よって、このような場合に、上記各実施形態の構成(ただし、燃料リサイクル流路14を除く)を採用することで、上記各実施形態と同様の効果が得られる。 (4) In each of the embodiments described above, the fuel cell device 30 includes the fuel recycling channel 14 . However, the fuel cell device 30 may not have the fuel recycling channel 14 . In the fuel cell device 30, the amount of fuel gas contained in the fuel off-gas supplied to the combustor 4 should be reacted with all of the oxidant gas contained in the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack 2 in just the right amount. is less than the amount of fuel gas required for In this case, for example, the utilization rate of the fuel gas in the fuel cell stack 2 is improved. In this case, if all of the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack 2 is supplied to the combustor 4, the fuel gas becomes lean and combustion in the combustor 4 becomes unstable. Therefore, in such a case, by adopting the configuration of each of the above embodiments (excluding the fuel recycling channel 14), the same effects as those of each of the above embodiments can be obtained.

(5)また、本発明は、燃焼器4に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタック2から排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっている場合に限定されない。この場合でなくても、燃焼器での燃焼の安定化という効果を除き、第1実施形態と同様の効果が得られる。 (5) In addition, according to the present invention, the amount of fuel gas contained in the fuel off-gas supplied to the combustor 4 is equal to the total amount of oxidant gas contained in the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack 2. It is not limited to the case where the amount is less than the amount of fuel gas required for reaction. Even without this case, effects similar to those of the first embodiment can be obtained, except for the effect of stabilizing combustion in the combustor.

(6)上記各実施形態では、触媒配置空間S22を上下方向の下側から上側に向かって改質原料ガスが流れ、内周側空間S24を上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れ、外周側空間S25を上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れる。しかしながら、燃料電池装置30が上下反対に配置される等によって、触媒配置空間S22を上下方向の上側から下側に向かって改質原料ガスが流れ、内周側空間S24を上下方向の上側から下側に向かって燃焼排ガスが流れ、外周側空間S25を上下方向の下側から上側に向かって燃焼排ガスが流れてもよい。この場合、上下方向の上側が改質器内周壁161の軸線方向の一方側に相当し、上下方向の下側が改質器内周壁161の軸線方向の他方側に相当する。 (6) In each of the above embodiments, the reforming raw material gas flows from the bottom to the top in the vertical direction through the catalyst placement space S22, and the combustion exhaust gas flows from the bottom to the top in the vertical direction through the inner circumferential space S24. The combustion exhaust gas flows from the upper side to the lower side in the vertical direction in the outer peripheral space S25. However, because the fuel cell device 30 is arranged upside down or the like, the reforming raw material gas flows from the upper side to the lower side in the catalyst arrangement space S22, and the inner peripheral side space S24 flows from the upper side to the lower side in the vertical direction. The combustion exhaust gas may flow toward the side, and the combustion exhaust gas may flow in the outer peripheral space S25 from the bottom to the top in the vertical direction. In this case, the upper side in the vertical direction corresponds to one side of the reformer inner peripheral wall 161 in the axial direction, and the lower side in the vertical direction corresponds to the other side in the axial direction of the inner peripheral wall 161 of the reformer.

(7)上記各実施形態では、燃料電池スタック2は、平板状の固定電解質を用いた燃料電池セルが複数積層された構造であったが、他の構造であってもよい。また、上記各実施形態では、燃料電池セルとして、固体酸化物形燃料電池セルを用いたが、上記各実施形態と同様の改質原料ガスを用いるものであれば、他の燃料電池セルを用いてもよい。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)セルを用いてもよい。 (7) In each of the above-described embodiments, the fuel cell stack 2 has a structure in which a plurality of fuel cells using a flat plate-shaped fixed electrolyte are stacked, but other structures may be used. Further, in each of the above embodiments, solid oxide fuel cells were used as the fuel cells, but other fuel cells may be used as long as they use the same reformed raw material gas as in each of the above embodiments. may For example, a molten carbonate fuel cell (MCFC) cell may be used.

(8)本発明は上記した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り、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記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。また、上記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るものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、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材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。 (8) The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be modified as appropriate within the scope of the claims, including various modifications and modifications within the equivalent range. Moreover, the above-described embodiments are not unrelated to each other, and can be appropriately combined unless the combination is clearly impossible. Further, in each of the above-described embodiments, it goes without saying that the elements constituting the embodiment are not necessarily essential, unless it is explicitly stated that they are essential, or they are clearly considered essential in principle. stomach. In addition, in each of the above-described embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, amount, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, when it is explicitly stated that they are particularly essential, and when they are clearly limited to a specific number in principle It is not limited to that specific number, except when In addition, in each of the above-described embodiments, when referring to the material, shape, positional relationship, etc. of the constituent elements, unless otherwise specified or in principle limited to a specific material, shape, positional relationship, etc. , its material, shape, positional relationship, and the like.

(まとめ)
上記各実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、燃料電池装置は、燃料電池スタック(2)と、改質器(16)と、燃焼器(4)と、燃焼排ガス流路(6)と、を備える。改質器は、改質触媒(165)と、触媒配置部(S22)と、を有する。燃焼排ガス流路は、燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスが、伝熱壁(161、162)を介した熱交換によって、触媒配置部を流れる改質原料ガスを加熱する加熱部(S24、S25)を有する。触媒配置部は、軸線の周りに筒状に形成された伝熱壁としての第1伝熱壁(161)と、第1伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された伝熱壁としての第2伝熱壁(162)との間に形成されている。加熱部は、第1加熱部(S24)と、第1加熱部よりも燃焼排ガス流れの下流側に位置する第2加熱部(S25)とを含む。第1加熱部は、第1伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されている。第2加熱部は、第2伝熱壁を挟んだ触媒配置部の向かい側に形成されている。触媒配置部では、第1伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて改質原料ガスが流れる。第1加熱部では、軸線方向の一方側から他方側に向かって燃焼排ガスが流れる。第2加熱部では、軸線方向の他方側から一方側に向かって燃焼排ガスが流れる。
(summary)
According to a first aspect shown in part or all of the above embodiments, the fuel cell device includes a fuel cell stack (2), a reformer (16), a combustor (4), a combustion and an exhaust gas flow path (6). The reformer has a reforming catalyst (165) and a catalyst placement section (S22). The flue gas flow path is a heating portion (S24, S25) in which the flue gas flowing through the flue gas flow path heats the reforming raw material gas flowing through the catalyst arrangement portion by heat exchange via the heat transfer walls (161, 162). have The catalyst placement portion includes a first heat transfer wall (161) as a heat transfer wall formed in a cylindrical shape around the axis, and a heat transfer wall (161) formed in a cylindrical shape so as to cover the entire circumferential direction of the first heat transfer wall. It is formed between the second heat transfer wall (162) as a heat wall. The heating section includes a first heating section (S24) and a second heating section (S25) located downstream of the first heating section in the flow of combustion exhaust gas. The first heating section is formed on the opposite side of the catalyst placement section with the first heat transfer wall interposed therebetween. The second heating section is formed on the opposite side of the catalyst placement section with the second heat transfer wall interposed therebetween. In the catalyst placement portion, the reforming raw material gas flows from one side of the first heat transfer wall to the other side in the axial direction. In the first heating section, combustion exhaust gas flows from one side to the other side in the axial direction. In the second heating section, the combustion exhaust gas flows from the other side toward the one side in the axial direction.

また、第2の観点によれば、第1の観点において、燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第1オフガス流路(8)と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器を迂回させて、燃焼排ガス流路に導く第2オフガス流路(10)と、をさらに備える。これによれば、第2オフガス流路を備えていない場合と比較して、燃焼器へ供給される酸化剤オフガスを減らすことができる。これにより、燃焼器での酸化剤ガスに対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器での燃焼温度を高くすることができる。このため、燃焼排ガスと改質原料ガスとの温度差を大きくでき、改質器の伝熱性能を向上させることができる。 Further, according to the second aspect, in the first aspect, the fuel cell device comprises a first offgas flow path (8) that guides part of the oxidant offgas to the combustor and another part of the oxidant offgas. and a second offgas flow path (10) bypassing the combustor and leading to the flue gas flow path. According to this, it is possible to reduce the amount of oxidant off-gas supplied to the combustor compared to the case where the second off-gas flow path is not provided. As a result, the mixture ratio of the fuel gas to the oxidant gas in the combustor is increased, so that the combustion temperature in the combustor can be increased. Therefore, the temperature difference between the combustion exhaust gas and the reforming raw material gas can be increased, and the heat transfer performance of the reformer can be improved.

また、第3の観点によれば、第1の観点において、燃焼排ガス流路は、触媒配置部に対して軸線方向の他方側に、第1加熱部と第2加熱部とを連通させる連通部(S26)を有する。燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第1オフガス流路(8、S21)と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器および第1加熱部を迂回させて、連通部に導く第2オフガス流路(10、S27)と、を備える。 According to a third aspect, in the first aspect, the combustion exhaust gas flow path is a communicating portion that communicates the first heating portion and the second heating portion on the other side in the axial direction with respect to the catalyst placement portion. (S26). The fuel cell device includes a first offgas flow path (8, S21) that guides part of the oxidant offgas to the combustor, and another part of the oxidant offgas that bypasses the combustor and the first heating unit, and a second offgas flow path (10, S27) leading to the communication portion.

これによれば、第2の観点と同じ効果を奏する。さらに、これによれば、第1加熱部で放熱された燃焼排ガスに酸化剤オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、第2オフガス流路を備えていない場合と比較して、第2加熱部での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、熱交換後の改質原料ガスの温度を高くすることができる。 According to this, the same effect as the second aspect can be obtained. Furthermore, according to this, the heat capacity of the combined combustion exhaust gas can be increased by joining the oxidant off-gas with the combustion exhaust gas radiated by the first heating section. Therefore, compared to the case where the second offgas flow path is not provided, it is possible to suppress the extent of the temperature decrease of the combustion exhaust gas in the second heating section, and it is possible to increase the temperature of the reforming raw material gas after heat exchange. .

また、第4の観点によれば、第1の観点において、燃焼排ガス流路は、触媒配置部に対して軸線方向の他方側に、第1加熱部と第2加熱部とを連通させる連通部(S26)を有する。燃料電池装置は、酸化剤オフガスの一部を燃焼器に導く第1オフガス流路(8、S21)と、酸化剤オフガスの他の一部を、燃焼器、第1加熱部および連通部を迂回させて、第2加熱部に導く第2オフガス流路(10)と、を備える。 According to a fourth aspect, in the first aspect, the flue gas flow path is a communicating portion that communicates the first heating portion and the second heating portion on the other side in the axial direction with respect to the catalyst placement portion. (S26). The fuel cell device includes a first offgas flow path (8, S21) that guides part of the oxidant offgas to the combustor, and another part of the oxidant offgas bypassing the combustor, the first heating section and the communicating section. and a second off-gas flow path (10) leading to a second heating unit.

これによれば、第2の観点と同じ効果を奏する。さらに、これによれば、第1加熱部で放熱された燃焼排ガスに酸化剤オフガスを合流させることで、合流後の燃焼排ガスの熱容量を増大させることができる。このため、第2オフガス流路を備えていない場合と比較して、第2加熱部での燃焼排ガスの温度低下幅を抑制でき、熱交換後の改質原料ガスの温度を高くすることができる。 According to this, the same effect as the second aspect can be obtained. Furthermore, according to this, the heat capacity of the combined combustion exhaust gas can be increased by joining the oxidant off-gas with the combustion exhaust gas radiated by the first heating section. Therefore, compared to the case where the second offgas flow path is not provided, it is possible to suppress the extent of the temperature decrease of the combustion exhaust gas in the second heating section, and it is possible to increase the temperature of the reforming raw material gas after heat exchange. .

また、第5の観点によれば、第1~第4の観点において、燃焼器に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量は、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量よりも少なくなっている。 Further, according to the fifth aspect, in the first to fourth aspects, the amount of fuel gas contained in the fuel off-gas supplied to the combustor is the amount of oxidant contained in the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack. It is less than the amount of fuel gas required to react with all of the agent gas in just the right amount.

第5の観点の構成の場合に、第1~4の観点の構成を採用することが、特に有効である。すなわち、第5の観点の構成の場合、燃焼器に供給される燃料オフガスに含まれる燃料ガスの量が、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な燃料ガスの量と同じ場合と比較して、燃焼器で生成される燃焼排ガスの熱量が少ない。このため、燃焼排ガス流路のうち改質原料ガスを加熱する加熱部の全域での燃焼排ガスの流れが改質原料ガスの流れに対して並流である場合に、熱交換性能が低くなるという問題が顕著となる。そこで、第5の観点の構成の場合に、第1の観点の構成を採用することで、第1の観点によって得らえる効果が顕著となる。 In the case of the configuration of the fifth aspect, it is particularly effective to employ the configurations of the first to fourth aspects. That is, in the case of the configuration of the fifth aspect, the amount of fuel gas contained in the fuel off-gas supplied to the combustor is equal to all of the oxidant gas contained in the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack. The amount of heat in the flue gas produced in the combustor is less than the same amount of fuel gas required for reaction. For this reason, if the flow of the flue gas is parallel to the flow of the reforming raw material gas in the entire heating section that heats the reforming raw material gas in the flue gas passage, the heat exchange performance is said to be low. problem becomes noticeable. Therefore, by adopting the configuration of the first aspect in the case of the configuration of the fifth aspect, the effect obtained by the first aspect becomes remarkable.

また、第5の観点の構成の場合に、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスの全部が燃焼器に供給されると、燃料ガスが希薄な状態となり、燃焼器での燃焼が不安定となる。そこで、第5の観点の構成の場合に第2~4の観点の構成を採用することで、第2オフガス流路を備えていない場合と比較して、燃焼器へ供給される酸化剤オフガスを減らすことができる。このため、燃焼器での酸化剤ガスに対する燃料ガスの混合比が増大することで、燃焼器での燃焼を安定させることができる。 Further, in the case of the configuration of the fifth aspect, if all of the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack is supplied to the combustor, the fuel gas becomes lean and combustion in the combustor becomes unstable. Become. Therefore, by adopting the configurations of the second to fourth aspects in the case of the configuration of the fifth aspect, the oxidizer off-gas supplied to the combustor is reduced compared to the case where the second off-gas flow path is not provided. can be reduced. Therefore, by increasing the mixture ratio of the fuel gas to the oxidant gas in the combustor, combustion in the combustor can be stabilized.

また、第6の観点によれば、燃料電池装置は、燃料オフガスの一部を燃焼器に導く燃焼器導入流路(12)と、燃料電池スタックから排出される燃料オフガスの他の一部を、燃料電池スタックに供給するための燃料リサイクル流路(14)と、をさらに備える。第5の観点の構成となる場合としては、第6の観点の構成を採用する場合が挙げられる。 Further, according to the sixth aspect, the fuel cell device includes a combustor introduction passage (12) that guides part of the fuel off-gas to the combustor and another part of the fuel off-gas discharged from the fuel cell stack. , and a fuel recycling channel (14) for feeding the fuel cell stack. A case of adopting the configuration of the sixth aspect can be cited as a case of adopting the configuration of the fifth aspect.

2 燃料電池スタック
4 燃焼器
6 燃焼排ガス流路
16 改質器
165 改質触媒
S22 触媒配置空間
161 改質器内壁
162 改質器外壁
S24 内周側空間
S25 外周側空間
2 fuel cell stack 4 combustor 6 flue gas flow path 16 reformer 165 reforming catalyst S22 catalyst placement space 161 reformer inner wall 162 reformer outer wall S24 inner peripheral space S25 outer peripheral space

Claims (3)

燃料電池装置であって、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する燃料電池スタック(2)と、
改質原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成し、生成した前記燃料ガスを前記燃料電池スタックへ供給する改質器(16)と、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスと前記燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスに含まれる前記酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼器(4)と、
前記燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路(6)と、を備え、
前記改質器は、前記改質原料ガスを改質する改質触媒(165)と、前記改質触媒が配置され、かつ、前記改質原料ガスが流れる触媒配置部(S22)と、を有し、
前記燃焼排ガス流路は、前記燃焼排ガス流路を流れる前記燃焼排ガスが、伝熱壁(161、162)を介した熱交換によって、前記触媒配置部を流れる前記改質原料ガスを加熱する加熱部(S24、S25)を有し、
前記触媒配置部は、軸線の周りに筒状に形成された前記伝熱壁としての第1伝熱壁(161)と、前記第1伝熱壁の周方向全域を覆うように筒状に形成された前記伝熱壁としての第2伝熱壁(162)との間に形成されており、
前記加熱部は、第1加熱部(S24)と、前記第1加熱部よりも前記燃焼排ガス流れの下流側に位置する第2加熱部(S25)とを含み、
前記第1加熱部は、前記第1伝熱壁を挟んだ前記触媒配置部の向かい側に形成されており、
前記第2加熱部は、前記第2伝熱壁を挟んだ前記触媒配置部の向かい側に形成されており、
前記触媒配置部では、前記第1伝熱壁の軸線方向の一方側から他方側に向けて前記改質原料ガスが流れ、
前記第1加熱部では、前記軸線方向の前記一方側から前記他方側に向かって前記燃焼排ガスが流れ、
前記第2加熱部では、前記軸線方向の前記他方側から前記一方側に向かって前記燃焼排ガスが流れ、
前記燃焼排ガス流路は、前記触媒配置部に対して前記軸線方向の前記他方側に、前記第1加熱部と前記第2加熱部とを連通させる連通部(S26)を有し、
前記燃料電池装置は、
前記酸化剤オフガスの一部を前記燃焼器に導く第1オフガス流路(8、S21)と、
前記酸化剤オフガスの他の一部を、前記燃焼器、前記第1加熱部および前記連通部を迂回させて、前記第2加熱部に導く第2オフガス流路(10)と、を備える、燃料電池装置。
A fuel cell device,
a fuel cell stack (2) that generates electricity through an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas;
a reformer (16) that reforms a reformed raw material gas to generate the fuel gas and supplies the generated fuel gas to the fuel cell stack;
A combustor (4) for burning the fuel gas contained in the fuel off-gas discharged from the fuel cell stack and the oxidant gas contained in the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack to generate flue gas. and,
and a flue gas flow path (6) through which the flue gas flows,
The reformer has a reforming catalyst (165) for reforming the reforming raw material gas, and a catalyst arrangement part (S22) in which the reforming catalyst is arranged and through which the reforming raw material gas flows. death,
The flue gas flow path is a heating section in which the flue gas flowing through the flue gas flow path heats the reforming raw material gas flowing through the catalyst placement section by heat exchange via heat transfer walls (161, 162). (S24, S25),
The catalyst placement portion includes a first heat transfer wall (161) as the heat transfer wall, which is cylindrically formed around the axis, and a cylindrical shape covering the entire circumferential direction of the first heat transfer wall. is formed between the second heat transfer wall (162) as the heat transfer wall,
The heating unit includes a first heating unit (S24) and a second heating unit (S25) located downstream of the first heating unit in the flow of the combustion exhaust gas,
The first heating part is formed on the opposite side of the catalyst placement part across the first heat transfer wall,
The second heating part is formed on the opposite side of the catalyst placement part across the second heat transfer wall,
In the catalyst placement portion, the reforming raw material gas flows from one side to the other side in the axial direction of the first heat transfer wall,
in the first heating unit, the combustion exhaust gas flows from the one side toward the other side in the axial direction;
in the second heating unit, the combustion exhaust gas flows from the other side in the axial direction toward the one side;
The combustion exhaust gas flow path has a communicating portion (S26) that communicates the first heating portion and the second heating portion on the other side in the axial direction with respect to the catalyst placement portion,
The fuel cell device
a first offgas flow path (8, S21) that guides part of the oxidant offgas to the combustor;
a second off-gas flow path (10) for guiding another part of the oxidant off-gas to the second heating part by bypassing the combustor, the first heating part and the communication part. battery device.
前記燃焼器に供給される前記燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスの量は、前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤オフガスに含まれる前記酸化剤ガスの全部と過不足なく反応させるのに必要な前記燃料ガスの量よりも少なくなっている、請求項1に記載の燃料電池装置。 The amount of the fuel gas contained in the fuel off-gas supplied to the combustor is necessary to react with all of the oxidant gas contained in the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack. 2. The fuel cell apparatus according to claim 1 , wherein the amount of said fuel gas is less than the amount of said fuel gas. 前記燃料電池装置は、
前記燃料オフガスの一部を前記燃焼器に導く燃焼器導入流路(12)と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料オフガスの他の一部を、前記燃料電池スタックに供給するための燃料リサイクル流路(14)と、をさらに備える、請求項1に記載の燃料電池装置。
The fuel cell device
a combustor introduction passageway (12) for guiding part of the fuel off-gas to the combustor;
2. The fuel cell device according to claim 1 , further comprising a fuel recycling channel (14) for supplying another part of said fuel off-gas discharged from said fuel cell stack to said fuel cell stack.
JP2018173164A 2018-09-17 2018-09-17 fuel cell device Active JP7215032B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018173164A JP7215032B2 (en) 2018-09-17 2018-09-17 fuel cell device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018173164A JP7215032B2 (en) 2018-09-17 2018-09-17 fuel cell device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020047399A JP2020047399A (en) 2020-03-26
JP7215032B2 true JP7215032B2 (en) 2023-01-31

Family

ID=69901576

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018173164A Active JP7215032B2 (en) 2018-09-17 2018-09-17 fuel cell device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7215032B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7468450B2 (en) 2021-05-11 2024-04-16 株式会社デンソー Fuel Cell Systems
WO2023175672A1 (en) * 2022-03-14 2023-09-21 三菱電機株式会社 Fuel treatment device

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002175821A (en) 2000-12-05 2002-06-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Fuel cell system
JP2009076275A (en) 2007-09-19 2009-04-09 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Fuel cell module
JP2012081153A (en) 2010-10-14 2012-04-26 Kokuyo Co Ltd Feeder device
JP2013089498A (en) 2011-10-19 2013-05-13 Honda Motor Co Ltd Fuel cell module
JP2017105695A (en) 2015-08-28 2017-06-15 パナソニックIpマネジメント株式会社 Hydrogen generator and fuel cell system
JP2017195084A (en) 2016-04-20 2017-10-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel cell system
JP2017212204A (en) 2016-05-19 2017-11-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 High-temperature operation fuel cell system

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09213354A (en) * 1996-02-01 1997-08-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Fuel cell power generation equipment
US20120308851A1 (en) * 2010-12-17 2012-12-06 Takashi Akiyama Fuel cell system and method for controlling the same

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002175821A (en) 2000-12-05 2002-06-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Fuel cell system
JP2009076275A (en) 2007-09-19 2009-04-09 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Fuel cell module
JP2012081153A (en) 2010-10-14 2012-04-26 Kokuyo Co Ltd Feeder device
JP2013089498A (en) 2011-10-19 2013-05-13 Honda Motor Co Ltd Fuel cell module
JP2017105695A (en) 2015-08-28 2017-06-15 パナソニックIpマネジメント株式会社 Hydrogen generator and fuel cell system
JP2017195084A (en) 2016-04-20 2017-10-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel cell system
JP2017212204A (en) 2016-05-19 2017-11-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 High-temperature operation fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020047399A (en) 2020-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7263212B2 (en) Fuel cell module and fluid supply device used therefor
JP6814970B2 (en) High temperature operation type fuel cell system
JP4751580B2 (en) Power generator
JP7215032B2 (en) fuel cell device
JP4778198B2 (en) Power generator
US7524572B2 (en) Fuel cell system with thermally integrated combustor and corrugated foil reformer
JP6528934B2 (en) Solid oxide fuel cell device
US11923572B2 (en) Fuel cell module
JP5803515B2 (en) Fuel cell device
JP5803516B2 (en) Fuel cell device
JP2011210631A (en) Fuel cell module
JP6528935B2 (en) Solid oxide fuel cell device
JP7186147B2 (en) fuel cell module
JP7186146B2 (en) fuel cell module
CN109478662A (en) fuel cell system
JP4688470B2 (en) Power generator
JP7175871B2 (en) fuel cell module
JP2020098742A (en) Fuel battery module
JP5990960B2 (en) Fuel cell unit
JP7397631B2 (en) fuel cell module
JP6175010B2 (en) Fuel cell module
JP2021036487A (en) Fuel battery module
JP6331965B2 (en) Fuel cell device
JP5811399B2 (en) Fuel cell device
JP6512847B2 (en) Fuel cell module

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210520

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220524

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220525

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220718

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220913

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221028

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20221220

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230102

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7215032

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151