JP6757664B2 - Fuel cell system - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形のセルスタックを備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system with a solid oxide cell stack.

セルスタックとして固体酸化物形のものを用いた燃料電池システムが提案され実用に供されている。この燃料電池システムでは、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質が用いられ、この固体電解質の片側に燃料極が設けられ、その他側に酸素極（空気極）が設けられる。固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられ、この固体電解質の一方側には燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、約７００〜１０００℃の高温状態で、燃料ガス（改質燃料ガス）中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化剤ガス（空気）中の酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。 A fuel cell system using a solid oxide fuel cell as a cell stack has been proposed and put into practical use. In this fuel cell system, a solid electrolyte is used as a film for conducting oxide ions, a fuel electrode is provided on one side of the solid electrolyte, and an oxygen electrode (air electrode) is provided on the other side. Itria-doped zirconia is used as the solid electrolyte, and a fuel electrode for oxidizing the fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte, and the fuel gas (reformed fuel gas) is provided at a high temperature of about 700 to 1000 ° C. ), Carbon monoxide, and hydrocarbons are electrochemically reacted with oxygen in the oxidant gas (air) to generate power.

この固体酸化物形燃料電池システムの適用先として、数十ｋＷ級以上の業務用、産業用の分野と１ｋＷ級の家庭用の分野とがある。この家庭用（小型）の固体酸化物形燃料電池システムでは、接続される電力負荷が時間とともに大きく変動し、この電力負荷の変動に追従して定格出力からその１／１０程度まで発電出力が変動するように制御される。 The application destinations of this solid oxide fuel cell system include fields for commercial and industrial use of several tens of kW class or higher and fields for household use of 1 kW class. In this household (small) solid oxide fuel cell system, the connected power load fluctuates greatly with time, and the power generation output fluctuates from the rated output to about 1/10 of that, following the fluctuation of the power load. It is controlled to do.

このような固体酸化物形燃料電池システムでは、一般的に、燃料ガスとして炭化水素（例えば、都市ガス）が用いられ、この炭化水素が水蒸気改質された後にセルスタックの燃料極側に送給される。燃料ガスを水蒸気改質する場合、改質用水を気化させるための気化器と、気化された水蒸気を用いて燃料ガスを水蒸気改質するための改質器が用いられ、これら気化器及び改質器がセルスタックの上方に設置される（例えば、特許文献１参照）。セルスタックの燃料極側を通して反応燃料ガス（残余燃料ガスを含む）が流れ、その酸素極側を通して反応酸化剤ガス（残余酸化剤ガスを含む）が流れ、セルスタックの上側の燃焼域にて反応燃焼ガスと反応酸化剤ガスとが混合して燃焼し、この燃焼ガスにより気化器及び改質器が加熱され、かかる加熱作用により、気化器での気化反応及び改質器での改質反応が進行する。 In such a solid oxide fuel cell system, a hydrocarbon (for example, city gas) is generally used as a fuel gas, and this hydrocarbon is steam reformed and then supplied to the fuel electrode side of the cell stack. Will be done. When steam reforming a fuel gas, a vaporizer for vaporizing the reforming water and a reformer for steam reforming the fuel gas using the vaporized steam are used, and these vaporizers and reforming The vessel is installed above the cell stack (see, for example, Patent Document 1). Reacted fuel gas (including the residual fuel gas) flows through the fuel electrode side of the cell stack, the oxygen (including the residual oxidant gas) reacting an oxidant gas through the electrode side flows, reaction at the upper combustion zone of the cell stack The combustion gas and the reactive oxidant gas are mixed and burned, and the combustion gas heats the vaporizer and the reformer, and the heating action causes the vaporization reaction in the vaporizer and the reforming reaction in the reformer. proceed.

この固体酸化物形燃料電池システムでは、例えば、気化器及び改質器が気化・改質ユニットとして構成され、この気化・改質ユニットは、例えば図９に示す通りに構成されている。図９において、従来の気化・改質ユニット２０２は、箱状のユニットハウジング２０３を備え、このユニットハウジング２０３の上流側部（図９において右側部）に気化部２０４（気化器として機能する）が設けられ、その下流側部（図９において左側部）に改質部２０５（改質器として機能する）が設けられている。気化部２０４内には、気化混合促進用の充填材２０６が充填され、また改質部２０５内には、改質促進用の改質触媒材２０７（改質触媒を担持した部材）が充填されている。燃料ガス供給管２０８は、ユニットハウジング２０２の上流端壁２０９に接続され、水供給管２１０は、燃料ガス供給管２０８内を通して気化部２０４の流入部（充填材２０６が充填された部位の上流側端部）に延びている。また、改質燃料ガス送給管２１１はユニットハウジング２０２の下流端壁２１２に接続されている。 In this solid oxide fuel cell system, for example, a vaporizer and a reformer are configured as a vaporization / reforming unit, and the vaporization / reforming unit is configured as shown in FIG. 9, for example. In FIG. 9, the conventional vaporization / reforming unit 202 includes a box-shaped unit housing 203, and the vaporization unit 204 (functions as a vaporizer) is located on the upstream side (right side in FIG. 9) of the unit housing 203. A reforming section 205 (functioning as a reformer) is provided on the downstream side (left side in FIG. 9). The vaporization section 204 is filled with a filler 206 for promoting vaporization and mixing, and the reforming section 205 is filled with a reforming catalyst material 207 (a member carrying a reforming catalyst) for promoting reforming. ing. The fuel gas supply pipe 208 is connected to the upstream end wall 209 of the unit housing 202, and the water supply pipe 210 passes through the fuel gas supply pipe 208 and passes through the inflow portion of the vaporization portion 204 (upstream side of the portion filled with the filler 206). Extends to the end). Further, the reformed fuel gas supply pipe 211 is connected to the downstream end wall 212 of the unit housing 202.

この燃料電池システムでは、改質用水を供給するための水供給ポンプは、回転数によって送給流量を制御する形態のものから構成され、その回転数が少ないときには改質用水の供給量が少なく、その回転数が多くなると改質用水の供給量が多くなる。 In this fuel cell system, the water supply pump for supplying reforming water is configured to control the feed flow rate by the rotation speed, and when the rotation speed is low, the amount of reforming water supplied is small. As the number of revolutions increases, the amount of reforming water supplied increases.

このような気化・改質ユニット２０２を備えた燃料電池システムでは、改質用水は水供給管２１０を通して気化部２０４（気化器）内に供給され、この気化部２０４内で気化されて水蒸気となる。また、燃料ガスは燃料ガス供給管２０８を通して気化部２０４内に供給され、この気化部２０４内で加熱されるとともに気化した水蒸気と混合され、この混合燃料ガス（燃料ガスと水蒸気とが混合したもの）が改質部２０５に送給される。改質部２０５では混合燃料ガスが水蒸気改質され、このように水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給管２１１を通してセルスタックの燃料極側に送給される。 In the fuel cell system provided with such a vaporization / reforming unit 202, the reforming water is supplied into the vaporization section 204 (vaporizer) through the water supply pipe 210, and is vaporized in the vaporization section 204 to become steam. .. Further, the fuel gas is supplied into the vaporization section 204 through the fuel gas supply pipe 208, heated in the vaporization section 204 and mixed with the vaporized water vapor, and this mixed fuel gas (a mixture of the fuel gas and the water vapor). ) Is sent to the reforming unit 205. In the reforming section 205, the mixed fuel gas is steam reformed, and the reformed fuel gas thus steam reformed is supplied to the fuel electrode side of the cell stack through the reformed fuel gas supply pipe 211.

特開２００５−２８５３４０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-285340

しかしながら、この気化・改質ユニット２０２を備えた燃料電池システムでは、次の通りの問題がある。気化・改質ユニット２０２のユニットハウジング２０３は箱状に形成され、その底壁２１３の内面は水平に延びており、水供給管２１０を通して供給される改質用水は気化部２０４内のこの底壁２１３に滴下される。一方、燃料電池システムの発電出力は大きく変動する、例えば定格出力からその１／１０程度まで変動するために、この変動に対応して、改質処理すべき燃料ガスのガス量及び気化処理すべき改質用水の水量も例えば１００％から２５％程度まで変動するようになり、このように気化処理すべき水量が変動するということは、気化部２０４においてユニットハウジング２０３の底壁２１３と改質用水との接触面積（「蒸発接触面積」という）が発電出力状態によって大きく変わることになる。 However, the fuel cell system provided with the vaporization / reforming unit 202 has the following problems. The unit housing 203 of the vaporization / reforming unit 202 is formed in a box shape, the inner surface of the bottom wall 213 thereof extends horizontally, and the reforming water supplied through the water supply pipe 210 is the bottom wall in the vaporization section 204. It is dropped on 213. On the other hand, the power generation output of the fuel cell system fluctuates greatly, for example, fluctuates from the rated output to about 1/10 of that, so the amount of fuel gas to be reformed and the vaporization treatment should be performed in response to this fluctuation. The amount of reforming water also fluctuates from, for example, about 100% to about 25%, and the fact that the amount of water to be vaporized fluctuates in this way means that the bottom wall 213 of the unit housing 203 and the reforming water in the vaporization section 204. The contact area with and (referred to as "evaporation contact area") will vary greatly depending on the power generation output state.

この蒸発接触面積の変化度合いは、例えば、発電出力が大きい（例えば、定格出力）ときには、燃料ガス及び改質用水の供給量が１００％となるために、蒸発接触面積が大きくなり（長くなる）、発電出力が低下すると、蒸発接触面積が小さくなる。そして、発電出力が大きくなるときには、この蒸発接触面積が大きくなるが、この蒸発接触面積が大きくなる間において改質用水の一部が蒸発せずに少しずつ拡がるようになるために、改質用水の気化が少し遅れ、この発電出力の増大に対応できず、水蒸気／炭素の比率（Ｓ／Ｃ）が一時的に低下する傾向になる。 The degree of change in the evaporation contact area is, for example, when the power generation output is large (for example, the rated output), the supply amount of the fuel gas and the reforming water is 100%, so that the evaporation contact area becomes large (long). As the power generation output decreases, the evaporation contact area decreases. Then, when the power generation output increases, the evaporation contact area increases, but while the evaporation contact area increases, a part of the reforming water does not evaporate and gradually expands, so that the reforming water gradually expands. The vaporization of the water vapor is delayed a little, and it is not possible to cope with this increase in power generation output, and the steam / carbon ratio (S / C) tends to decrease temporarily.

このようにしてＳ／Ｃの値が低くなり過ぎると、改質部２０５から改質燃料ガス送給管２１１を通して送給される改質燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が高くなり、この改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給されることでその流入部で炭素析出が生じるおそれがある。固体酸化物形のセルスタックでは、例えば、多孔質の燃料極が緻密な電解質膜の基板となっており、それ故に、燃料極で炭素析出が生じると、この燃料極の膨張が起き、更に電解質割れという現象が生じ、セルスタックの破損に至るおそれがある。 If the S / C value becomes too low in this way, the concentration of carbon monoxide in the reformed fuel gas supplied from the reforming section 205 through the reformed fuel gas supply pipe 211 becomes high, and this modification When the quality fuel gas is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, carbon precipitation may occur at the inflow portion. In a solid oxide fuel cell stack, for example, a porous fuel electrode serves as a substrate for a dense electrolyte membrane. Therefore, when carbon precipitation occurs at the fuel electrode, the fuel electrode expands and the electrolyte further expands. The phenomenon of cracking may occur, leading to damage to the cell stack.

本発明の目的は、発電出力が増大した際におけるＳ／Ｃの一時的低下を抑えることができる燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing a temporary decrease in S / C when the power generation output increases.

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、改質用水を気化するための気化器と、前記気化器に改質用水を供給するための水供給手段と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタックと、を備え、前記気化器及び前記改質器が前記セルスタックの上方に配設され、前記セルスタックから排出される反応燃料ガス及び反応酸化剤の燃焼によって前記気化器及び前記改質器が加熱される燃料電池システムであって、
前記気化器は気化空間を規定するための気化ハウジングを備え、前記水供給手段は、改質用水を前記気化ハウジングに供給する水供給管を有しており、
前記気化ハウジングにおける、前記気化空間の底面を規定する底壁部には、気化した水蒸気の流れ方向に見て下流側に向けて下方に傾斜して延びる下傾斜面が設けられ、前記気化ハウジングの前記底壁部には、更に、気化した水蒸気の流れ方向に見て前記下傾斜面の上流側に、上流側に向けて水平に延びる水平面が設けられ、前記水供給管を通して供給される改質用水は、前記気化ハウジングの前記底壁部の前記水平面に滴下されることを特徴とする。 The fuel cell system according to claim 1 of the present invention steam reforms a vaporizer for vaporizing reforming water, a water supply means for supplying reforming water to the vaporizer, and a fuel gas. A reformer for this purpose, a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the reformer, and oxidation and reduction of the reformed fuel gas and the oxidizing agent reformed by the reformer generate power. A solid oxide type cell stack is provided, and the vaporizer and the reformer are arranged above the cell stack, and the vaporization is performed by burning the reactive fuel gas and the reactive oxidizing agent discharged from the cell stack. A fuel cell system in which the vessel and the reformer are heated.
The vaporizer includes a vaporization housing for defining a vaporization space, and the water supply means has a water supply pipe for supplying reforming water to the vaporization housing.
The bottom wall portion of the vaporized housing, which defines the bottom surface of the vaporized space, is provided with a downwardly inclined surface that inclines downward toward the downstream side when viewed in the flow direction of the vaporized water vapor . Further, the bottom wall portion is provided with a horizontal plane extending horizontally toward the upstream side on the upstream side of the downward inclined surface when viewed in the flow direction of vaporized water vapor, and is supplied through the water supply pipe. The irrigation water is characterized in that it is dropped onto the horizontal plane of the bottom wall portion of the vaporization housing .

また、本発明に従う請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記気化ハウジングの底壁内面に傾斜ブロックが設けられ、前記底壁及び前記傾斜ブロックが前記気化ハウジングの前記底壁部を構成し、前記傾斜ブロックの上面が前記下傾斜面を規定することを特徴とする。 Further, in the fuel cell system according to claim 2 , according to the present invention, an inclined block is provided on the inner surface of the bottom wall of the vaporization housing, and the bottom wall and the inclined block constitute the bottom wall portion of the vaporization housing. The upper surface of the inclined block defines the downward inclined surface.

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、気化器における、気化空間の底面を規定する底壁部に下傾斜面が設けられているので、水供給手段から供給される改質用水の供給量が増えると、気化器に供給された改質用水がこの下傾斜面に沿って流下し、これによって、気化ハウジングの底壁部と改質用水との接触面積（即ち、蒸発接触面積）が速く拡がるようになる。従って、セルスタックから排出される反応燃料ガス及び反応酸化材の燃焼による熱によって速やかに気化され、気化された水蒸気が改質器に送給される。特に、発電出力が増大して改質用水の送給流量が急激に増えた場合であてもすぐに気化して水蒸気を送給することが可能となり、その結果、発電出力が急に増大した際にＳ／Ｃが一時的に低下するのを抑えることができる。
また、気化ハウジングの底壁部には、気化した水蒸気の流れ方向に見て下傾斜面の上流側に水平に延びる水平面が設けられ、水供給管を通して供給される改質用水は、気化ハウジングの底壁部のこの水平面に滴下されるので、改質用水の供給量が少ないときには、気化ハウジングの底壁部の水平面に滴下された改質用水が少しずつ拡がりながら気化され、また改質用水の供給量が多くなると、この水平面に滴下された改質用水はこの水平面から下傾斜部まで拡がり、この下傾斜部に沿って流下することにより気化ハウジングの底壁部と改質用水との接触面積の拡がりが速くなり、供給された改質用水が速やかに気化されるようになる。 According to the fuel cell system according to claim 1 of the present invention, since the bottom wall portion of the vaporizer that defines the bottom surface of the vaporization space is provided with a downwardly inclined surface, the reformer is supplied from the water supply means. As the supply of irrigation water increases, the reforming water supplied to the vaporizer flows down along this downward sloping surface, which causes the contact area between the bottom wall of the vaporization housing and the reforming water (ie, evaporation contact). Area) will expand faster. Therefore, it is rapidly vaporized by the heat generated by the combustion of the reactive fuel gas and the reactive oxidizing material discharged from the cell stack, and the vaporized water vapor is sent to the reformer. In particular, even when the power generation output increases and the flow rate of reforming water suddenly increases, it is possible to immediately vaporize and supply steam, and as a result, when the power generation output suddenly increases. It is possible to prevent the S / C from temporarily decreasing.
Further, the bottom wall of the vaporized housing is provided with a horizontal plane extending horizontally on the upstream side of the downwardly inclined surface when viewed in the flow direction of the vaporized steam, and the reforming water supplied through the water supply pipe is the vaporized housing. Since it is dropped on this horizontal plane of the bottom wall, when the supply amount of reforming water is small, the reforming water dropped on the horizontal plane of the bottom wall of the vaporization housing is vaporized while gradually expanding, and the reforming water is also dropped. When the supply amount increases, the reforming water dropped on the horizontal plane spreads from this horizontal plane to the downwardly inclined portion, and flows down along the downwardly inclined portion to form a contact area between the bottom wall of the vaporization housing and the reforming water. Spreads faster and the supplied reforming water is quickly vaporized.

また、本発明に従う請求項２に記載の燃料電池システムによれば、気化ハウジングの底壁内面に傾斜ブロックが設けられているので、比較的簡単に下傾斜面を設けることができるとともに、セルスタックの上側の燃焼域における燃焼熱を気化器の気化空間に効率良く伝達することができる。 Further , according to the fuel cell system according to claim 2 according to the present invention, since the inclined block is provided on the inner surface of the bottom wall of the vaporization housing, the downward inclined surface can be provided relatively easily and the cell stack. The heat of combustion in the combustion region above the carburetor can be efficiently transferred to the vaporization space of the carburetor.

本発明に従う燃料電池システムの一実施形態を簡略的に示す全体図。The whole view which shows one Embodiment of the fuel cell system according to this invention simply. 図１の燃料電池システムにおける気化・改質ユニットを上方から見た断面図。A cross-sectional view of the vaporization / reforming unit in the fuel cell system of FIG. 1 as viewed from above. 図２の気化・改質ユニットを正面側から見た断面図。A cross-sectional view of the vaporization / reforming unit of FIG. 2 as viewed from the front side. 変形形態の気化・改質ユニットを正面側から見た断面図。A cross-sectional view of the deformed vaporization / reforming unit as viewed from the front side. 燃料電池システムの他の実施形態の一部を示す簡略図。FIG. 5 is a simplified diagram showing some of the other embodiments of the fuel cell system. 気化器単体評価装置を簡略的に示す断面図。The cross-sectional view which shows the vaporizer simple substance evaluation apparatus simply. 実施例の気化器を用いた性能試験の結果を示す図。The figure which shows the result of the performance test using the vaporizer of an Example. 比較例の気化器を用いた性能試験の結果を示す図。The figure which shows the result of the performance test using the vaporizer of the comparative example. 従来の気化・改質ユニットを正面側から見た断面図。Cross-sectional view of the conventional vaporization / reforming unit as viewed from the front side.

以下、図１〜図３を参照して、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１において、図示の燃料電池システムは、改質用水を気化するための気化器２と、燃料ガスとしての炭化水素ガス（例えば、天然ガス）を改質するための改質器４と、改質器４にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック６と、を備えている。この実施形態では、気化器２と改質器４とが図２及び図３に示すように、気化・改質ユニット８として一体的に構成されているが、図１に示すように、気化器２と改質器４とを別個に独立した形態に構成することもできる。尚、この気化・改質ユニット８については、後述する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. In FIG. 1, the illustrated fuel cell system is modified with a vaporizer 2 for vaporizing water for reforming and a reformer 4 for reforming a hydrocarbon gas (for example, natural gas) as a fuel gas. It includes a reformed fuel gas reformed by steam reforming in the pawn 4 and a solid oxide type cell stack 6 that generates power by oxidizing and reducing air as an oxidizing agent . In this embodiment, the vaporizer 2 and the reformer 4 are integrally configured as the vaporizer / reformer unit 8 as shown in FIGS. 2 and 3, but as shown in FIG. 1, the vaporizer 2 and the reformer 4 can be configured separately and independently. The vaporization / reforming unit 8 will be described later.

固体酸化物形のセルスタック６は、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形のセルを積層状態に配列して構成されている。このセルスタック６は、複数の断熱材１０から構成される電池ハウジング１２を備え、電池ハウジング１２（断熱材１０）により高温空間１４が規定され、この高温空間１４内にセルスタック６が配設されているとともに、気化器２及び改質器４が収容されている。固体酸化物形のセルは、酸素イオンを伝導する固体電解質１８と、固体電解質１８の片側に設けられた燃料極２０と、固体電解質１８の他方側に設けられた酸素極２２とを備えており、固体電解質１８として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。 The solid oxide-type cell stack 6 is configured by arranging a plurality of solid oxide-type cells for generating electricity by an electrochemical reaction in a stacked state. The cell stack 6 includes a battery housing 12 composed of a plurality of heat insulating materials 10, a high temperature space 14 is defined by the battery housing 12 (heat insulating material 10), and the cell stack 6 is arranged in the high temperature space 14. In addition, the vaporizer 2 and the reformer 4 are housed. The solid oxide fuel cell includes a solid electrolyte 18 that conducts oxygen ions, a fuel electrode 20 provided on one side of the solid electrolyte 18, and an oxygen electrode 22 provided on the other side of the solid electrolyte 18. As the solid electrolyte 18, for example, itria-doped zirconia is used.

セルスタック６の燃料極２０の導入側は、改質燃料ガス送給流路２８を介して気化・改質ユニット８（改質器４）に接続され、この気化・改質ユニット８（気化器２）は、燃料ガス供給流路３０を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３２（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続されている。また、燃料ガス供給流路３０には、燃料ガスを供給するための燃料ガスポンプ３４が配設されている。燃料ガスポンプ３４は、その回転数を変えることによって燃料ガスの供給流量を制御し、燃料ガスの供給流量を制御するための流量制御手段としても機能し、燃料ガス供給流路３０及び燃料ガスポンプ３４が、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段として機能する。尚、燃料ガスの供給流量については、燃料ガス流量制御弁（図示せず）を設けて制御するようにしてもよい。 The introduction side of the fuel electrode 20 of the cell stack 6 is connected to the vaporization / reforming unit 8 (modified device 4) via the reformed fuel gas supply flow path 28, and the vaporization / reforming unit 8 (vaporizer). 2) is connected to a fuel gas supply source 32 (for example, a buried pipe, a storage tank, etc.) for supplying fuel gas via the fuel gas supply flow path 30. Further, a fuel gas pump 34 for supplying fuel gas is provided in the fuel gas supply flow path 30. The fuel gas pump 34 controls the supply flow rate of the fuel gas by changing its rotation speed, and also functions as a flow rate control means for controlling the supply flow rate of the fuel gas, and the fuel gas supply flow path 30 and the fuel gas pump 34 , Functions as a fuel gas supply means for supplying fuel gas. The fuel gas supply flow rate may be controlled by providing a fuel gas flow rate control valve (not shown).

また、セルスタック６の酸素極２２の導入側は、空気送給流路３８を介して空気を予熱するための空気予熱器４０に接続され、この空気予熱器４０は、空気供給流路４２を介して送風装置４３に接続され、送風装置４３、空気供給流路４２、空気余熱器４０及び空気送給流路３８が、酸化剤としての空気を供給するための空気供給手段として機能する。 Further, the introduction side of the oxygen electrode 22 of the cell stack 6 is connected to an air preheater 40 for preheating air via the air supply flow path 38, and the air preheater 40 connects the air supply flow path 42. The blower 43, the air supply flow path 42, the air preheater 40, and the air supply flow path 38 are connected to the blower 43 via the air blower 43, and function as an air supply means for supplying air as an oxidant .

セルスタック６の燃料極２０及び酸素極２２の各排出側には燃焼域４４が設けられ、燃料極２０側から排出された反応燃料ガス（残余燃料ガスを含む）と酸素極２２側から排出された反応空気（酸素を含む）とがこの燃焼域４４に送給されて燃焼される。この燃焼域４４は排気ガス排出流路４６を通して排熱回収用の熱交換器５４に接続され、燃焼域４４からの排気ガスは、熱交換器５４及び排気ガス排出流路４６を通して外部に排出される。 Combustion regions 44 are provided on each discharge side of the fuel pole 20 and the oxygen pole 22 of the cell stack 6, and are discharged from the reaction fuel gas (including the residual fuel gas) discharged from the fuel pole 20 side and the oxygen pole 22 side. The reaction air (including oxygen) is sent to the combustion region 44 and burned. The combustion area 44 is connected to the heat exchanger 54 for exhaust heat recovery through the exhaust gas discharge flow path 46, and the exhaust gas from the combustion area 44 is discharged to the outside through the heat exchanger 54 and the exhaust gas discharge flow path 46. To.

この燃料電池システムでは、燃焼域４４からの排気ガスに含まれる水蒸気を回収するための凝縮回収手段５０が設けられている。この凝縮回収手段５０は、熱交換器５４にて凝縮された水を純水に精製するための純水精製手段５６と、精製された純水を溜めるための水回収タンク５１とを備え、熱交換器５４が水回収流路５８を通して純水精製手段５６に接続されている。この純水精製手段５６は、イオン交換により不純物を除去して純水を精製するイオン交換樹脂を備えている。 In this fuel cell system, a condensing recovery means 50 for recovering water vapor contained in the exhaust gas from the combustion region 44 is provided. The condensation recovery means 50 includes a pure water purification means 56 for purifying the water condensed by the heat exchanger 54 into pure water, and a water recovery tank 51 for storing the purified pure water, and heat is provided. The exchanger 54 is connected to the pure water purification means 56 through the water recovery channel 58. The pure water purification means 56 includes an ion exchange resin that purifies pure water by removing impurities by ion exchange.

この燃料電池システムでは、凝縮回収手段５０により回収された凝縮水が改質用水として利用するように構成されている。凝縮回収手段５０に関連して、水回収タンク５１に回収された凝縮水を改質用水として供給するための水供給手段５２が設けられ、この水供給手段５２は、水回収タンク５１内の水（純水）を気化・改質ユニット８（気化器２）に供給するための水供給流路７８と、水供給流路７８を通して改質用水を供給するための水供給ポンプ８０から構成されている。この水供給ポンプ８０は、水供給流量制御手段としても機能し、その回転数が大きくなると、改質用水の供給流量を多くし、その回転数が低下すると、改質用水の供給流量が少なくなる。 In this fuel cell system, the condensed water recovered by the condensed recovery means 50 is configured to be used as reforming water. In connection with the condensing recovery means 50, a water supply means 52 for supplying the condensed water recovered in the water recovery tank 51 as reforming water is provided, and the water supply means 52 is the water in the water recovery tank 51. It is composed of a water supply flow path 78 for supplying (pure water) to the vaporization / reforming unit 8 (vaporizer 2) and a water supply pump 80 for supplying reforming water through the water supply flow path 78. There is. The water supply pump 80 also functions as a water supply flow rate control means. When the rotation speed increases, the supply flow rate of the reforming water increases, and when the rotation speed decreases, the supply flow rate of the reforming water decreases. ..

また、セルスタック６からの排気ガスの熱を温水として蓄熱するための貯湯システム６０が設けられ、この貯湯システム６０は温水として貯湯するための貯湯タンク６４を備え、この貯湯タンク６４からの循環流路６６が熱交換器５４に接続されている。この循環流路６６には循環ポンプ６８が設けられており、循環ポンプ６８は貯湯タンク６４に貯められた水を循環流路６６を通して循環する。この貯湯タンク６４の底部には水供給流路７２が接続され、この水供給流路７２に水開閉弁７４が配設され、この水開閉弁７４が開状態になると、水（例えば、水道水）が水供給流路７２を通して供給される。また、貯湯タンク６４の上部には温水給湯流路７６が接続され、貯湯タンク６４内の温水が温水給湯流路７６を通して出湯される。 Further, a hot water storage system 60 for storing the heat of the exhaust gas from the cell stack 6 as hot water is provided, and the hot water storage system 60 includes a hot water storage tank 64 for storing hot water as hot water, and a circulating flow from the hot water storage tank 64. The road 66 is connected to the heat exchanger 54. A circulation pump 68 is provided in the circulation flow path 66, and the circulation pump 68 circulates the water stored in the hot water storage tank 64 through the circulation flow path 66. A water supply flow path 72 is connected to the bottom of the hot water storage tank 64, a water on-off valve 74 is arranged in the water supply flow path 72, and when the water on-off valve 74 is opened, water (for example, tap water) ) Is supplied through the water supply flow path 72. A hot water supply flow path 76 is connected to the upper part of the hot water storage tank 64, and hot water in the hot water storage tank 64 is discharged through the hot water supply flow path 76.

次に、主として図２及び図３を参照して、気化・改質ユニット８及びこれに関連する構成について説明する。図示の気化・改質ユニット８はユニットハウジング８２を備え、このユニットハウジング８２がセルスタック６の上方に配設され、燃焼域４４での燃焼（即ち、セルスタック６から排出される反応燃焼ガス及び空気による燃焼）によってユニットハウジング８２の全体が加熱されるように構成されている。 Next, the vaporization / reforming unit 8 and its related configurations will be described mainly with reference to FIGS. 2 and 3. The illustrated vaporization / reforming unit 8 includes a unit housing 82, which is arranged above the cell stack 6 and burns in the combustion region 44 (that is, the reaction combustion gas discharged from the cell stack 6 and the reaction combustion gas. The entire unit housing 82 is heated by combustion with air).

ユニットハウジング８２は細長い箱状であり、このユニットハウジング８２内に長手方向に間隔をおいて三つの仕切りプレート８４，８６，８８が配設され、これら仕切りプレート８４，８６，８８は、多数の孔９０が設けられたプレート、例えばパンチングプレートから構成される。上流側の仕切りプレート８４は、ユニットハウジング８２の上流端壁９２の内側に配設され、改質用水を供給する水供給管９４（水供給流路７８を規定する）の先端部（即ち、先端ノズル部９６）がこの仕切りプレート８４に当接するように配設されている。この水供給管９４の先端ノズル部９６は、仕切りプレート８４を貫通して幾分突出させるようにしてもよい。下流側の仕切りプレート８８は、ユニットハウジング８２の下流端壁９８の内側に配設されている。また。仕切りプレート８４，８８の間に位置する仕切りプレート８６は、ユニットハウジング８２の長手方向中間部に配設されている。 The unit housing 82 has an elongated box shape, and three partition plates 84, 86, 88 are arranged in the unit housing 82 at intervals in the longitudinal direction, and these partition plates 84, 86, 88 have a large number of holes. It is composed of a plate provided with 90, for example, a punching plate. The partition plate 84 on the upstream side is arranged inside the upstream end wall 92 of the unit housing 82, and is the tip end portion (that is, the tip end) of the water supply pipe 94 (which defines the water supply flow path 78) for supplying reforming water. The nozzle portion 96) is arranged so as to come into contact with the partition plate 84. The tip nozzle portion 96 of the water supply pipe 94 may penetrate the partition plate 84 and protrude to some extent. The partition plate 88 on the downstream side is arranged inside the downstream end wall 98 of the unit housing 82. Also. The partition plate 86 located between the partition plates 84 and 88 is arranged in the intermediate portion in the longitudinal direction of the unit housing 82.

この形態では、ユニットハウジング８２の上流側部位（即ち、上流端壁９２と仕切りプレート８６との間の部位が、改質用水を気化させるための気化部１０４（気化器２として作用する）として機能し、この気化部１０４に対応するユニットハウジング８２の部位が気化ハウジング１０５として機能する。気化部１０４の一対の仕切りプレート８４，８６は気化空間１００を規定し、かかる気化空間１００の全域に気化促進のための充填材１０２が充填され、この充填材１０２は、例えばアルミナボールなどから構成される。 In this embodiment, the upstream portion of the unit housing 82 (that is, the portion between the upstream end wall 92 and the partition plate 86 functions as a vaporizer 104 (acting as a vaporizer 2) for vaporizing the reforming water. The portion of the unit housing 82 corresponding to the vaporization unit 104 functions as the vaporization housing 105. The pair of partition plates 84, 86 of the vaporization unit 104 defines the vaporization space 100 and promotes vaporization over the entire area of the vaporization space 100. The filler 102 for the purpose is filled, and the filler 102 is composed of, for example, alumina balls.

また、ユニットハウジング８２の下流側部位（即ち、下流端壁９８と仕切りプレート８６との間の部位が、燃料ガスを水蒸気改質させるための改質部１１２（改質器４として作用する）として機能し、この改質部１１２に対応するユニットハウジング８２の部位が改質ハウジング１１３として機能する。改質部１１２の一対の仕切りプレート８６，８８は改質空間１０８を規定し、かかる改質空間１０８の全域に改質促進のための改質触媒材１１０が充填され、この改質触媒材１１０は、例えばアルミナボールに改質触媒を担持させたものなどから構成される。 Further, a portion on the downstream side of the unit housing 82 (that is, a portion between the downstream end wall 98 and the partition plate 86 serves as a reforming unit 112 (acting as a reformer 4) for steam reforming the fuel gas). The portion of the unit housing 82 corresponding to the reforming portion 112 functions as the reforming housing 113. The pair of partition plates 86, 88 of the reforming portion 112 defines the reforming space 108, and the reforming space is such. The entire area of 108 is filled with a reforming catalyst material 110 for promoting reforming, and the reforming catalyst material 110 is composed of, for example, an alumina ball on which a reforming catalyst is supported.

このユニットハウジング８２の上流端壁９２には、燃料ガス供給管１１４（燃料ガス供給流路３０を規定する）が接続され、またその下流端壁９８には、改質燃料ガス送給管１１６（改質燃料ガス送給流路２８を規定する）が接続される。この形態では、図２及び図３に示すように、水供給管９４は、燃料ガス供給管１１４の内部を通して仕切りプレート８４まで延びているが、燃料ガス供給管１１４の内部を通らず、ユニットハウジング８２の上流端壁９２を貫通して仕切りプレート８４まで延びるように構成することもできる。 A fuel gas supply pipe 114 (defining the fuel gas supply flow path 30) is connected to the upstream end wall 92 of the unit housing 82, and a reformed fuel gas supply pipe 116 (which defines the fuel gas supply flow path 30) is connected to the downstream end wall 98 thereof. The reformed fuel gas supply flow path 28 is defined) is connected. In this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the water supply pipe 94 extends through the inside of the fuel gas supply pipe 114 to the partition plate 84, but does not pass through the inside of the fuel gas supply pipe 114 and is a unit housing. It can also be configured to penetrate the upstream end wall 92 of the 82 and extend to the partition plate 84.

この気化・改質ユニット８においては、図３に示すように、気化部１０４の底壁部の内面の一部が、矢印１１７で示す水蒸気の流れ方向に見て下流側に向けて下方に傾斜して延びている。更に説明すると、この形態では、気化ハウジング１０５の底壁１２２の内面に傾斜ブロック１２４が固定され、この底壁１２２及び傾斜ブロック１２４が気化ハウジング１０５の底壁部１２６を構成している。傾斜ブロック１２４の上面は、一端（図３において右端）から他端（図３において左端）まで下方に直線状に傾斜して延び、かかる上面が改質用水が流下する下傾斜面として作用する。 In the vaporization / reforming unit 8, as shown in FIG. 3, a part of the inner surface of the bottom wall portion of the vaporization portion 104 is inclined downward toward the downstream side when viewed in the direction of water vapor flow indicated by arrow 117. And is extending. More specifically, in this embodiment, the inclined block 124 is fixed to the inner surface of the bottom wall 122 of the vaporization housing 105, and the bottom wall 122 and the inclined block 124 form the bottom wall portion 126 of the vaporization housing 105. The upper surface of the inclined block 124 extends downward linearly from one end (right end in FIG. 3) to the other end (left end in FIG. 3), and the upper surface acts as a downwardly inclined surface into which the reforming water flows down.

この傾斜ブロック１２４は、その一端側がユニットハウジング８２の上流端壁９２の内面に当接するように取り付けられ、その他端は、矢印１１７で示す水蒸気の流れ方向に見て気化ハウジング１０５の中央部を越えて仕切りプレート８６に向けて延びている。この傾斜ブロック１２４の下傾斜角度α（水平に延びる水平面と下傾斜面との間の角度）は、 ３〜４５度程度に設定され、この下傾斜角度αを適宜の角度に設定することによって、後述する如く滴下された改質用水の流下速度を（即ち、拡がり速度）を調整することができる。 The inclined block 124 is attached so that one end side thereof abuts on the inner surface of the upstream end wall 92 of the unit housing 82, and the other end extends beyond the central portion of the vaporization housing 105 when viewed in the direction of water vapor flow indicated by arrow 117. It extends toward the partition plate 86. The downward inclination angle α (angle between the horizontally extending horizontal plane and the downwardly inclined surface) of the inclined block 124 is By setting the downward inclination angle α to an appropriate angle, which is set to about 3 to 45 degrees, the flow speed (that is, the spreading speed) of the dropped reforming water can be adjusted as described later.

尚、この形態では、気化ハウジング１０５の上壁に第１充填口（図示せず）が設けられ、この充填口を通して充填材１０２が充填され、充填後にこの第１充填口が第１蓋部材１４２により密封される。また、改質ハウジング１１３の上壁に第２充填口（図示せず）が設けられ、この充填口を通して改質触媒材１１０が充填され、充填後にこの第２充填口が第２蓋部材１４４により密封される。 In this embodiment, a first filling port (not shown) is provided on the upper wall of the vaporization housing 105, and the filler 102 is filled through the filling port. After filling, the first filling port is the first lid member 142. Is sealed by. Further, a second filling port (not shown) is provided on the upper wall of the reformed housing 113, and the reformed catalyst material 110 is filled through the filling port, and after filling, the second filling port is connected by the second lid member 144. It is sealed.

この気化・改質ユニット８における改質用水の気化は、次のように行われる。水供給ポンプ８０（図１参照）の作用によって水供給管９４を通して供給される改質用水は、仕切りプレート８４に接触し、この仕切りプレート８４の表面に沿って傾斜ブロック１２４の表面（即ち、気化ハウジング１０５の底壁部１２６の下傾斜面）に滴下される。この滴下された改質用水は、傾斜ブロック１２４の下傾斜面に沿って流下し、これにより、改質用水と傾斜ブロック１２４（換言すると、気化ハウジング１０５の底壁部１２６）との接触面積（蒸発接触面積）が大きくなる。特に、発電出力が大きくなって改質用水の供給量が急に増大したときには、滴下される改質用水の量も多くなるために、傾斜ブロック１２４の下傾斜面に沿って流下する速度も速くなり、これによって、気化ハウジング１０５の底壁部１２６と改質用水との接触面積の拡がりもより速くなる。従って、改質用水の供給量が急に増大したときなどにおいても、気化ハウジング１０５内に滴下された改質用水は、セルスタック６（図１参照）から排出される反応燃料ガス及び反応酸化材の燃焼による熱によって速やかに気化される。 The vaporization of the reforming water in the vaporization / reforming unit 8 is performed as follows. The reforming water supplied through the water supply pipe 94 by the action of the water supply pump 80 (see FIG. 1) contacts the partition plate 84 and evaporates the surface of the inclined block 124 along the surface of the partition plate 84 (that is, vaporization). Dropped onto the lower inclined surface of the bottom wall portion 126 of the housing 105). The dropped reforming water flows down along the lower inclined surface of the inclined block 124, whereby the contact area between the reforming water and the inclined block 124 (in other words, the bottom wall portion 126 of the vaporization housing 105) ( Evaporation contact area) becomes large. In particular, when the power generation output increases and the supply amount of reforming water suddenly increases, the amount of dropping reforming water also increases, so that the speed of flow down along the lower inclined surface of the inclined block 124 is high. As a result, the contact area between the bottom wall portion 126 of the vaporization housing 105 and the reforming water also expands faster. Therefore, even when the supply amount of reforming water suddenly increases, the reforming water dropped into the vaporization housing 105 is the reaction fuel gas and the reaction oxidizing material discharged from the cell stack 6 (see FIG. 1). It is quickly vaporized by the heat generated by the combustion of the gas.

この気化ハウジング１０５内には燃料ガス供給管１１４を通して燃料ガスが供給され、この燃料ガスは、充填材１０２間を通して流れる間に加熱されるとともに、気化された水蒸気と混合され、この混合燃料ガスが仕切りプレート８６の多数の孔９０を通して改質部１１２に送給される。そして、この混合燃料ガスは、改質ハウジング１１３の改質触媒材１１０間を流れる間に水蒸気改質され、このように水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給管１１６を通してセルスタック６に送給される。 Fuel gas is supplied into the vaporized housing 105 through a fuel gas supply pipe 114, and the fuel gas is heated while flowing between the fillers 102 and mixed with vaporized water vapor, and the mixed fuel gas is mixed. It is fed to the reforming section 112 through a large number of holes 90 of the partition plate 86. Then, this mixed fuel gas is steam reformed while flowing between the reformed catalyst material 110 of the reformed housing 113, and the reformed fuel gas thus steam reformed passes through the reformed fuel gas supply pipe 116. It is sent to the cell stack 6.

上述した実施形態では、ユニットハウジング８２の上流端壁９２の内側に仕切りプレート８４を、またその下流端壁９８の内側に仕切りプレート８８を配設しているが、これら仕切りプレート８４，８８のいずれか一方又は双方を省略することもできる。 In the above-described embodiment, the partition plate 84 is arranged inside the upstream end wall 92 of the unit housing 82, and the partition plate 88 is arranged inside the downstream end wall 98. Any of these partition plates 84 and 88 One or both may be omitted.

次に、図４を参照して、気化・改質ユニットの変形形態について説明する。この変形形態では、傾斜ブロックに修正が施されている。図示の傾斜ブロック１２４Ａは、上述した実施形態と同様に、ユニットハウジング８２（具体的には、気化ハウジング１０５）の底壁１２２の内面に固定され、その一端側は、ユニットハウジング８２の上流端壁９２の内面に当接するように固定され、気化ハウジング１０５の底壁１２２及び傾斜ブロック１２４Ａは、気化ハウジング１０５の底壁部１２６Ａを構成している。 Next, a modified form of the vaporization / reforming unit will be described with reference to FIG. In this modified form, the tilted block is modified. The illustrated inclined block 124A is fixed to the inner surface of the bottom wall 122 of the unit housing 82 (specifically, the vaporization housing 105), and one end side thereof is the upstream end wall of the unit housing 82, as in the above-described embodiment. Fixed so as to abut against the inner surface of 92, the bottom wall 122 and the inclined block 124A of the vaporization housing 105 constitute the bottom wall portion 126A of the vaporization housing 105.

この変形形態の気化・改質ユニット８Ａの傾斜ブロック１２４Ａの上面には、一端側に水平に延びる水平面１３２が設けられ、その他端側に、矢印１１７で示す水蒸気の流れ方向見て下流側に向けて下方に傾斜する下傾斜面１３４が設けられ、傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２は、この下傾斜面１３４の上流端から上流側に水平に延びている。 A horizontal plane 132 extending horizontally on one end side is provided on the upper surface of the inclined block 124A of the vaporization / reforming unit 8A in this modified form, and on the other end side, the water vapor flows toward the downstream side as indicated by the arrow 117. A downwardly inclined surface 134 is provided, and the horizontal plane 132 of the inclined block 124A extends horizontally from the upstream end of the downwardly inclined surface 134 to the upstream side.

このような傾斜ブロック１２４Ａを用いる場合、この水平面１３２に水供給管１１４から供給される改質用水が滴下されるように構成される。即ち、この水平面１３２は、傾斜ブロック１２４Ａの一端から仕切りプレート８４を越えて延び、この水平面１３２の先端から下傾斜面１３４が仕切りプレート８６に向けて傾斜して延びている。例えば、気化ハウジング１０５の長さをＬとすると、傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２における仕切りプレート８４から突出する長さＬ１は、気化ハウジング１０５の長さＬの１／１０〜１／２程度に設定され（Ｌ／１０≦Ｌ１≦Ｌ／２）、また傾斜ブロック２４Ａの下傾斜面１３４の長さＬ２は、気化ハウジング１０５の長さＬの１／１０〜３／４程度に設定される（Ｌ／１０≦Ｌ２≦３Ｌ／４）。この変形形態の気化・改質ユニット８Ａにおけるその他の構成は、上述した実施形態と実質上同一である。 When such an inclined block 124A is used, it is configured so that the reforming water supplied from the water supply pipe 114 is dropped onto the horizontal plane 132. That is, the horizontal plane 132 extends beyond the partition plate 84 from one end of the inclined block 124A, and the downward inclined surface 134 extends inclined toward the partition plate 86 from the tip of the horizontal plane 132. For example, assuming that the length of the vaporization housing 105 is L, the length L1 protruding from the partition plate 84 on the horizontal plane 132 of the inclined block 124A is set to about 1/10 to 1/2 of the length L of the vaporization housing 105. (L / 10 ≦ L1 ≦ L / 2), and the length L2 of the lower inclined surface 134 of the inclined block 24A is set to about 1/10 to 3/4 of the length L of the vaporization housing 105 (L /). 10 ≦ L2 ≦ 3L / 4). Other configurations in the vaporization / reforming unit 8A of this modified form are substantially the same as those of the above-described embodiment.

この傾斜ブロック１２４Ａを備えた気化・改質ユニット８Ａにおいては、水供給管９４を通して供給される改質用水は、仕切りプレート８４の表面に沿って傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２上に滴下される。そして、供給される改質用水の供給量が少ないときには、この滴下された改質用水は、傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２内において少しずつ拡がり、燃焼域４４（図１参照）からの燃焼熱を受けて気化される。また、供給される改質用水の供給量が多くなる（例えば、発電出力が急激に増大して改質用水の供給量が増大したときなど）と、滴下した改質用水は傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２内を拡がった後に下傾斜面１３４に流れ、この下傾斜面１３４に沿って仕切りプレート８６に向けて流下し、このように流下することによって、改質用水と傾斜ブロック１２４Ａとの接触面積（蒸発接触面積）が急速に拡がるようになる。従って、この気化・改質ユニット８Ａにおいても、滴下される改質用水の供給量が多くなると、改質用水と傾斜ブロック１２４Ａの表面とのの接触面積が急速に拡がり、滴下された改質用水の気化が速やかに行われ、上述したと同様の効果が達成される。 In the vaporization / reforming unit 8A provided with the inclined block 124A, the reforming water supplied through the water supply pipe 94 is dropped onto the horizontal plane 132 of the inclined block 124A along the surface of the partition plate 84. Then, when the supplied amount of the reforming water is small, the dropped reforming water gradually spreads in the horizontal plane 132 of the inclined block 124A and receives the combustion heat from the combustion region 44 (see FIG. 1). Is vaporized. Further, when the supply amount of the reforming water to be supplied increases (for example, when the power generation output suddenly increases and the supply amount of the reforming water increases), the dropped reforming water becomes the horizontal plane of the inclined block 124A. flow down the inclined surface 134 after spread the 132, the contact area by flowing down toward the partition plate 86, flows down in this way along the lower inclined surface 134, the reforming water and the inclined block 124A ( Evaporation contact area) will expand rapidly. Therefore, also in this vaporization / reforming unit 8A, when the supply amount of the dropped reforming water increases, the contact area between the reforming water and the surface of the inclined block 124A rapidly expands, and the dropped reforming water Vaporization is carried out promptly, and the same effect as described above is achieved.

上述した形態では、気化ハウジング１０５の底壁１２２の内面に傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）を設けているが、このような傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）に代えて、傾斜プレートを設けるようにしてもよく、この場合、傾斜プレートは、傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）の上面形状に対応する形状に形成される。また、これら傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）及び傾斜プレート（図示せず）を設けることに代えて、気化ハウジング１０５の底壁１２２に上述した傾斜面（傾斜面及び水平面）を設けるようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the inclined block 124 (124A) is provided on the inner surface of the bottom wall 122 of the vaporization housing 105, but an inclined plate may be provided instead of such an inclined block 124 (124A). In this case, the tilt plate is formed in a shape corresponding to the upper surface shape of the tilt block 124 (124A). Further, instead of providing the inclined block 124 (124A) and the inclined plate (not shown), the inclined surface (inclined surface and horizontal plane) described above may be provided on the bottom wall 122 of the vaporization housing 105.

また、上述した実施形態では、傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）の下傾斜面（１３４）が傾斜角度が一定の傾斜面から構成されているが、このような構成に限定されず、傾斜角度が複数の複数の傾斜面（所謂、複数段の傾斜面）から構成するようにしてもよく、この場合、水蒸気の流れ方向に見て下流側に位置する傾斜面ほど傾斜角度を大きくするのが望ましい。 Further, in the above-described embodiment, the lower inclined surface (134) of the inclined block 124 (124A) is composed of an inclined surface having a constant inclination angle, but the present invention is not limited to such a configuration, and the inclination angle is a plurality. It may be composed of a plurality of inclined surfaces (so-called plurality of inclined surfaces), and in this case, it is desirable that the inclined surface located on the downstream side in the flow direction of water vapor has a larger inclination angle.

次に、図５を参照して、燃料電池システムの他の実施形態について説明する。この他の実施形態では、気化器及び改質器が別個に構成され、これら気化器と改質器との間に混合器が配設される。図５において、この燃料電池システムでは、水供給管９４（水供給流路７８）は気化器２に接続され、水供給ポンプ（図示せず）からの改質用水は、水供給管９４を通して気化器２に供給される。また、燃料ガス供給管１１４（燃料ガス供給流路３０）は混合器１５２に接続され、燃料ガスポンプからの燃料ガスは、燃料ガス供給管１１４を通して混合器１５２に供給される。 Next, another embodiment of the fuel cell system will be described with reference to FIG. In another embodiment, the vaporizer and the reformer are configured separately, and a mixer is disposed between the vaporizer and the reformer. In FIG. 5, in this fuel cell system, the water supply pipe 94 (water supply flow path 78) is connected to the vaporizer 2, and the reforming water from the water supply pump (not shown) is vaporized through the water supply pipe 94. It is supplied to the vessel 2. Further, the fuel gas supply pipe 114 (fuel gas supply flow path 30) is connected to the mixer 152, and the fuel gas from the fuel gas pump is supplied to the mixer 152 through the fuel gas supply pipe 114.

この場合、気化器２、混合器１５２及び改質器４は、セルスタック６の上方に配設される。また、気化器２には伝熱促進用の充填材（図示せず）が充填され、また混合器１５２には混合促進用及び伝熱促進用の充填材（図示せず）が充填され、これら充填材は、上述した実施形態と同様のものでよい。尚、改質器４には、改質促進用の改質触媒材（図示せず）が充填される。 In this case, the vaporizer 2, the mixer 152 and the reformer 4 are arranged above the cell stack 6. Further, the vaporizer 2 is filled with a filler for promoting heat transfer (not shown), and the mixer 152 is filled with a filler for promoting mixing and promoting heat transfer (not shown). The filler may be the same as that of the above-described embodiment. The reformer 4 is filled with a reforming catalyst material (not shown) for promoting reforming.

このような燃料電池システムでは、改質用水は気化器２にて上述したようにして気化されて水蒸気となり、この水蒸気が水蒸気送給流路１５４を通して混合器１５２に送給される。また、混合器１５２では、燃料ガス供給流路３０を通して供給される燃料ガスが充填材間を流れる間に加熱されるとともに、この加熱された燃料ガスに水蒸気が混合され、混合燃料ガスが混合ガス送給流路１５６を通して改質器４に送給される。改質器４では、改質触媒材（図示せず）によって混合燃料ガスが水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路２８を通してセルスタック６に送給され、このような構成の燃料電池システムでも上述したと同様の作用効果を達成することができる。 In such a fuel cell system, the reforming water is vaporized by the vaporizer 2 as described above to become steam, and this steam is supplied to the mixer 152 through the steam supply flow path 154. Further, in the mixer 152, the fuel gas supplied through the fuel gas supply flow path 30 is heated while flowing between the fillers, and water vapor is mixed with the heated fuel gas, and the mixed fuel gas is mixed gas. It is fed to the reformer 4 through the feed flow path 156. In the reformer 4, the mixed fuel gas is steam reformed by the reforming catalyst material (not shown), and the steam reformed reformed fuel gas is sent to the cell stack 6 through the reformed fuel gas supply flow path 28. A fuel cell system having such a configuration can also achieve the same effects as described above.

この実施形態では、気化器２、混合器１５２及び改質器４が別個独立したものとして構成されているが、このような構成に代えて、気化器２と混合器１５２とを一つのユニット、即ち気化・混合ユニットとして構成するようにしてもよく、混合器１５２と改質器４とを一つのユニット、即ち混合・改質ユニットとして構成してもよく、或いは気化器２、混合器１５２及び改質器４を一つのユニット、即ち気化・混合・改質ユニットとして構成するようにしてもよい。 In this embodiment, the vaporizer 2, the mixer 152, and the reformer 4 are configured as separate and independent units, but instead of such a configuration, the vaporizer 2 and the mixer 152 are combined into one unit. That is, it may be configured as a vaporizer / mixing unit, the mixer 152 and the reformer 4 may be configured as one unit, that is, a mixing / reforming unit, or the vaporizer 2, the mixer 152 and The reformer 4 may be configured as one unit, that is, a vaporization / mixing / reforming unit.

［実施例及び比較例］
この燃料電池システムにおける気化器の単体評価を行うために、図６に示す気化器単体評価装置を製作して性能評価を行った。固体酸化物形のセルスタック１６１をスタック台１６２に設置し、これらセルスタック１６１及びスタック台１６２を断熱材１６３で覆うとともに、セルスタック１６１の上方に気化器１６４（気化改質ユニット）を設置し、セルスタック１６１と気化器１６４については、実際の燃料電池システムにおける位置関係を保って再現した。気化器単体評価装置では、気化器１６４のみを交換することができるように構成した。 [Examples and Comparative Examples]
In order to evaluate the carburetor alone in this fuel cell system, the carburetor unit evaluation device shown in FIG. 6 was manufactured and its performance was evaluated. The solid oxide fuel cell stack 161 is installed on the stack base 162, the cell stack 161 and the stack base 162 are covered with the heat insulating material 163, and the vaporizer 164 (steam reforming unit) is installed above the cell stack 161. , The cell stack 161 and the vaporizer 164 were reproduced while maintaining the positional relationship in the actual fuel cell system. The vaporizer unit evaluation device is configured so that only the vaporizer 164 can be replaced.

そして、セルスタック１６１に空気を供給することができるように空気流路１６５を設け、この空気流路１６５に空気ブロア１６６及び空気流量計１６７を設置した。空気ブロア１６７からの空気は、空気流路１６５内を矢印で示すように流れ、セルスタック１６１の酸素極側を下から上に流れるようにした。また、セルスタック１６１の燃料極側には別途水素を供給するようにした。実際の燃料電池システムでは、セルスタックで発電させた後の反応燃料ガスをセルスタックの上方で燃焼させているが、この評価装置では、燃焼させずに、空気と水素の混合ガスを矢印で示すようにセルスタック１６１の上端から気化器１６４に流し、この混合ガスの熱を気化器１６４が受熱するようにした。この評価装置を電気炉（図示せず）内に設置して評価試験を行い、この気化器１６４の周囲を流れた混合ガスは、矢印で示すように流れて電気炉内に排出されるようにした。 Then, an air flow path 165 was provided so that air could be supplied to the cell stack 161, and an air blower 166 and an air flow meter 167 were installed in the air flow path 165. The air from the air blower 167 flowed in the air flow path 165 as indicated by an arrow, and flowed from the bottom to the top on the oxygen pole side of the cell stack 161. Further, hydrogen is separately supplied to the fuel electrode side of the cell stack 161. In an actual fuel cell system, the reaction fuel gas after generating power in the cell stack is burned above the cell stack, but in this evaluation device, the mixed gas of air and hydrogen is indicated by an arrow without burning. As described above, the fuel was flowed from the upper end of the cell stack 161 to the vaporizer 164 so that the heat of the mixed gas was received by the vaporizer 164. This evaluation device is installed in an electric furnace (not shown) to perform an evaluation test, and the mixed gas flowing around the vaporizer 164 flows as shown by the arrow and is discharged into the electric furnace. did.

気化器１６４には燃料ガス（都市ガス１３Ａ）と改質用水を供給するようにした。気化器１６４に入る前に燃料ガス及び改質用水が電気炉内で過熱されるのを防ぐために、気化器単体評価装置を電気炉の端壁部に設置するとともに、電気炉の端壁部に設けた燃料ガス用のガス供給孔と改質用水用の水供給孔との距離を短くするとともに、改質用水及び燃料ガスが電気炉に導入される部分を空気により冷却した。気化器単体評価装置をこのように構成するとともに、その電気炉内の設置を上述したようにすることにより、現実の燃料電池システムにおける気化器の挙動をほぼ模擬することができた。 Fuel gas (city gas 13A) and reforming water were supplied to the vaporizer 164. In order to prevent the fuel gas and reforming water from being overheated in the electric furnace before entering the vaporizer 164, a vaporizer unit evaluation device is installed on the end wall of the electric furnace and on the end wall of the electric furnace. The distance between the provided gas supply hole for fuel gas and the water supply hole for reforming water was shortened, and the portion where the reforming water and fuel gas were introduced into the electric furnace was cooled by air. By configuring the carburetor unit evaluation device in this way and installing it in the electric furnace as described above, it was possible to almost simulate the behavior of the carburetor in an actual fuel cell system.

この気化器単体評価装置を用いた評価実験において、燃料電池システムの定格出力における燃料ガスの供給流量を１．９０ＮＬ／ｍｉｎと、改質用水の供給流量を４．３５ｃｃ／ｍｉｎとし、またこの燃料電池システムの最小出力における燃料ガスの供給流量を０．６６ＮＬ／ｍｉｎと、改質用水の供給流量を１．５１ｃｃ／ｍｉｎとして設定した。そして、最小出力の状態から定格出力の状態に変化させたときの気化器１６４を出たガスの水蒸気分圧を連続的に測定して調べた。 In the evaluation experiment using this vaporizer unit evaluation device, the supply flow rate of fuel gas at the rated output of the fuel cell system was 1.90 NL / min, the supply flow rate of reforming water was 4.35 cc / min, and this fuel. The fuel gas supply flow rate at the minimum output of the battery system was set to 0.66 NL / min, and the reforming water supply flow rate was set to 1.51 cc / min. Then, the partial pressure of water vapor of the gas emitted from the carburetor 164 when the state of the minimum output was changed to the state of the rated output was continuously measured and examined.

実施例においては、図２及び図３に示す実施形態の気化・改質ユニット（傾斜ブロックが設けられたもの）を用いてＳ／Ｃの連続的変化を測定し、その測定結果は、図７に示す通りであった。また、比較例として、図９に示す従来形態の気化・改質ユニット（傾斜ブロックがないもの）を用いてＳ／Ｃの連続的変化を測定し、その測定結果は、図８に示す通りであった。 In the embodiment, the continuous change of S / C is measured by using the vaporization / reforming unit (with the inclined block) of the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, and the measurement result is shown in FIG. 7. It was as shown in. Further, as a comparative example, the continuous change of S / C was measured using the conventional vaporization / reforming unit (without the inclined block) shown in FIG. 9, and the measurement result is as shown in FIG. there were.

これらの測定結果から、気化ハウジングの底壁部に下傾斜面を設けた実施例の場合、発電出力が急激に上昇して改質用水の供給量が増大しても改質水の気化遅れが少なく、Ｓ／Ｃが一時的に急激に低下することが抑えられ、実施例ではこのＳ／Ｃが１．５程度まで低下したがそれより大きく下がることはなかった。これに対して、比較例では、このＳ／Ｃが０．７程度まで大きく下がり、このようにＳ／Ｃが大きく下がった場合、炭素析出が生じるリスクが大きくなる。 From these measurement results, in the case of the embodiment in which the bottom wall of the vaporization housing is provided with a downwardly inclined surface, the vaporization delay of the reforming water is delayed even if the power generation output suddenly increases and the supply amount of the reforming water increases. The amount was small, and the temporary rapid decrease in S / C was suppressed. In the examples, this S / C decreased to about 1.5, but did not decrease significantly. On the other hand, in the comparative example, this S / C drops significantly to about 0.7, and when the S / C drops significantly in this way, the risk of carbon precipitation increases.

２ 気化器
４ 改質器
６ セルスタック
８，８Ａ 気化・改質ユニット
８２ ユニットハウジング
９４水供給管
９６ 先端ノズル部
１００ 気化空間
１０４ 気化部
１０５ 気化ハウジング
１０６ 改質部
１０８ 改質空間
１１２ 改質部
１２４，１２４Ａ 傾斜ブロック
１２６，１２６Ａ 底壁部
１３２ 水平面
１３４ 下傾斜面 2 Vaporizer 4 Vaporizer 6 Cell stack 8,8A Vaporization / modification unit 82 Unit housing 94 Water supply pipe 96 Tip nozzle 100 Vaporization space 104 Vaporization section 105 Vaporization housing 106 Modification section 108 Modification section 112 Modification section 124,124A Inclined block 126,126A Bottom wall 132 Horizontal plane 134 Downward inclined surface

Claims (2)

改質用水を気化するための気化器と、前記気化器に改質用水を供給するための水供給手段と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタックと、を備え、前記気化器及び前記改質器が前記セルスタックの上方に配設され、前記セルスタックから排出される反応燃料ガス及び反応酸化剤の燃焼によって前記気化器及び前記改質器が加熱される燃料電池システムであって、
前記気化器は気化空間を規定するための気化ハウジングを備え、前記水供給手段は、改質用水を前記気化ハウジングに供給する水供給管を有しており、
前記気化ハウジングにおける、前記気化空間の底面を規定する底壁部には、気化した水蒸気の流れ方向に見て下流側に向けて下方に傾斜して延びる下傾斜面が設けられ、前記気化ハウジングの前記底壁部には、更に、気化した水蒸気の流れ方向に見て前記下傾斜面の上流側に、上流側に向けて水平に延びる水平面が設けられ、前記水供給管を通して供給される改質用水は、前記気化ハウジングの前記底壁部の前記水平面に滴下されることを特徴とする燃料電池システム。 A vaporizer for vaporizing the reforming water, a water supply means for supplying the reforming water to the vaporizer, a reformer for steam reforming the fuel gas, and a fuel gas to the reformer. A solid oxide type cell stack that generates electricity by oxidizing and reducing the reformed fuel gas and the oxidizing agent reformed by the reformer, and the vaporization In a fuel cell system in which the vessel and the reformer are arranged above the cell stack, and the vaporizer and the reformer are heated by combustion of the reactive fuel gas and the reactive oxidizing agent discharged from the cell stack. There,
The vaporizer includes a vaporization housing for defining a vaporization space, and the water supply means has a water supply pipe for supplying reforming water to the vaporization housing.
The bottom wall portion of the vaporized housing, which defines the bottom surface of the vaporized space, is provided with a downwardly inclined surface that inclines downward toward the downstream side when viewed in the flow direction of the vaporized water vapor . Further, the bottom wall portion is provided with a horizontal plane extending horizontally toward the upstream side on the upstream side of the downward inclined surface when viewed in the flow direction of vaporized water vapor, and is supplied through the water supply pipe. A fuel cell system characterized in that water is dropped onto the horizontal plane of the bottom wall portion of the vaporization housing . 前記気化ハウジングの底壁内面に傾斜ブロックが設けられ、前記底壁及び前記傾斜ブロックが前記気化ハウジングの前記底壁部を構成し、前記傾斜ブロックの上面が前記下傾斜面を規定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 An inclined block is provided on the inner surface of the bottom wall of the vaporizing housing, the bottom wall and the inclined block constitute the bottom wall portion of the vaporization housing, and the upper surface of the inclined block defines the downward inclined surface. The fuel cell system according to claim 1 .

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