JP2004022368A

JP2004022368A - Fuel cell module

Info

Publication number: JP2004022368A
Application number: JP2002176355A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Kosaka; 小阪　健一郎; Yoshiaki Inoue; 井上　好章; Katsuaki Inoue; 井上　克明; Osao Kudome; 久留　長生; Koji Ikeda; 池田　浩二
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-17
Also published as: JP3727906B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To hold (support) the overall structure of a fuel cell module at a low cost without causing increase in equipment volume and installation area. <P>SOLUTION: The fuel cell module is provided with a plurality of fuel cell tubes 3, a first fuel chamber 8, a second fuel chamber 9 and an air chamber 7. The plurality of fuel cell tubes 3 have a fuel cell formed on the surface. The first fuel chamber 8 supplies fuel gas 1 into the plurality of fuel cell tubes 3. The second fuel chamber 9 discharges such part of the fuel gas 1 as is unused in the plurality of fuel cell tubes 3. The air chamber 7 is defined between the first fuel chamber 8 and the second fuel chamber 9 to contain the plurality of fuel cell tubes 3 and supply oxidant gas 2 to the fuel cells. The plurality of fuel cell tubes 3 include a plurality of first fitting portions 8-2 opened to and fitted in one side of the first fuel chamber 8, at one end, and a plurality of second fitting portions 9-2 opened to and fitted in the second fuel chamber 9, at the other end. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、筒型構造を有する燃料電池のモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュール１００の概略構成の一例を図７に示す。図７では、発電された電力の集電に関わる部分は省略している。
【０００３】
図７を参照して、燃料電池モジュール１００は、燃料ガス供給部１１０と、酸化剤ガス供給室１０７と、発電部である燃料電池セル管１０３とを具備する。燃料ガス供給部１１０は、供給室１０８と排出室１０９とを有する。また、燃料電池セル管１０３は、外管１０４、内管１０５を有する。そして、酸化剤ガス供給室１０７は、側板１２１と底面板１２２を有する。
【０００４】
上面板１１２、側板１１３及び管板１１４で構成される供給室１０８は、燃料電池セル管１０３に燃料ガス１を供給する。また、管板１１４、側板１１６及び管板１１７で構成される排出室１０９は、燃料電池セル管１０３で未使用の燃料ガス１を排出する。
燃料電池セル管１０３の外管１０４は、一端部を管板１１７に開放されて接続（連通）され、他端部を酸化剤ガス供給室１０７へ延ばし閉止している。外管１０４は、固定冶具により管板１１７に固定され、支持されている。内管１０５は、一端部を管板１１４に開放されて接続（連通）され、他端部を外管１０４の他端部近傍へ延ばし開放されている。内管１０５は、固定冶具により管板１１４に固定され、支持されている。
管板１１７、側板１２１と底面板１２２で構成される酸化剤ガス供給室１０７は、燃料電池セル管１０３を含み、燃料電池セル管１０３へ酸化剤ガス２を供給する。
【０００５】
上記構造を維持するためには、構造材の導入が重要となる。
例えば、構造材を燃料ガス供給部１１０の外側に溶接などの方法により接合する。そして、その構造材を介して、燃料ガス供給部１１０及び燃料電池セル管１０３を保持（支持）する。あるいは、側板１２１及び底面板１２２に、強度の強い材料を用いる。そうすることにより、それらを構造材として機能させ、燃料ガス供給部１１０及び燃料電池セル管１０３を保持（支持）する。又は、構造材を側板１２１に接合し、その構造材で側板１２１を介して燃料ガス供給部１１０及び燃料電池セル管１０３を保持（支持）する。
【０００６】
これらのような方法は、燃料電池モジュール１００の他に、構造材を追加で使用する必要があり、設備の容積及び設置面積の増加、重量の増加、コストの増加などを招く。
設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく、燃料電池モジュールの構造を保持（支持）することが可能な技術が求められている。用いる部材が少なく、簡潔な方法で燃料電池モジュールの構造を保持（支持）することが可能な技術が望まれている。低コストで燃料電池モジュールの構造を保持（支持）することが可能な技術が望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく構造を保持（支持）することが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、不要な部材を用いず、簡潔な方法で構造を保持（支持）することが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、低コストで構造を保持（支持）することが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セル管（３）と、第１燃料室（８）と、第２燃料室（９）と、空気室（７）とを具備する。複数の燃料電池セル管（３）は、表面に燃料電池セル（２１）を形成される。第１燃料室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）内に燃料ガス（１）を供給する。第２燃料室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）で使用済みの燃料ガス（１）を排出する。空気室（７）は、第１燃料室（８）と第２燃料室（９）との間に設置され、複数の燃料電池セル管（３）を含み、燃料電池セル（２１）に酸化剤ガス（２）を供給する。そして、第１燃料室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）の一端部が第１燃料室（８）の一側面としての第１管板（１４）に開放され、嵌合された複数の第１嵌合部（８−２）を含む。また、第２燃料室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）の他端部が第２燃料室（９）の一側面としての第２管板（１５）に開放され、嵌合された複数の第２嵌合部（９−２）を含む。
【００１２】
また、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第１嵌合部（８−２）が、第１管板（１４）と複数の燃料電池セル管（３）とによる締り嵌めである。
【００１３】
また、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第２嵌合部（９−２）が、第２管板（１５）と複数の燃料電池セル管（３）とによる締り嵌めである。
【００１４】
また、本発明の燃料電池モジュールは、第１管板（１４）と複数の燃料電池セル管（３）との間、及び、第２管板（１５）と複数の燃料電池セル管（３）との間の少なくとも一方にガスシール剤（２４）を含む。
【００１５】
また、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第１嵌合部（８−２）が、第１管板（１４）に嵌合した複数の第１嵌合リング（２６）を備える。そして、複数の燃料電池セル管（３）は、複数の第１嵌合リング（２６）の内側に結合されている。
【００１６】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第１嵌合部（８−２）が、第１管板（１４）と複数の第１嵌合リング（２６）とによる締り嵌めである。
【００１７】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、第１管板（１４）と複数の第１嵌合リング（２６）との間に、ガスシール剤（２４）を含む。
【００１８】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第２嵌合部（９−２）が、第２管板（１５）に嵌合した複数の第２嵌合リング（２６’）を備える。そして、複数の燃料電池セル管（３）は、複数の第２嵌合リング（２６’）の内側に結合されている。
【００１９】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第２嵌合部（９−２）が、第２管板（１５）と複数の第２嵌合リング（２６’）とによる締り嵌めである。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、第２管板（１５）と複数の第２嵌合リング（２６’）との間に、ガスシール剤（２４’）を含む。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セル管（３）と、第１空気室（８）と、第２空気室（９）と、燃料室（７）とを具備する。複数の燃料電池セル管（３）は、表面に燃料電池セル（２１）を形成されている。第１空気室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）内に酸化剤ガス（２）を供給する。第２空気室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）で使用済みの酸化剤ガス（２）を排出する。燃料室（７）は、第１空気室（８）と第２空気室（９）との間に設置され、複数の燃料電池セル管（３）を含み、燃料電池セル（２１）に燃料ガス（１）を供給する。そして、第１空気室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）の一端部が第１空気室（８）の一側面としての第３管板（１４）に開放され、嵌合された複数の第３嵌合部（８−２）を含む。また、第２空気室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）の他端部が第２空気室（９）の一側面としての第４管板（１５）に開放され、嵌合された複数の第４嵌合部（９−２）とを含む。
【００２２】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第３嵌合部（８−２）が、第３管板（１４）と複数の燃料電池セル管（３）とによる締り嵌めであり、複数の第４嵌合部（９−２）は、第４管板（１５）と複数の燃料電池セル管（３）とによる締り嵌めである。
【００２３】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第３嵌合部（８−２）が、第３管板（１４）に嵌合した複数の第３嵌合リング（２６）を備える。そして、複数の第４嵌合部（９−２）は、第４管板（１５）に嵌合した複数の第４嵌合リング（２６’）を備える。また、複数の燃料電池セル管（３）は、複数の第３嵌合リング（２６）の内側、及び、複数の第４嵌合リング（２６’）の内側に結合されている。
【００２４】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第３嵌合部（８−２）が、第３管板（１４）と複数の第３嵌合リング（２６）とによる締り嵌めである。そして、複数の第４嵌合部（９−２）は、第４管板（１５）と複数の第４嵌合リング（２６’）とによる締り嵌めである。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セル管（３）と、第１燃料室（８）と、第２燃料室（９）と、空気室（７）とを具備する。複数の燃料電池セル管（３）は、表面に燃料電池セル（２１）を形成されている。第１燃料室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）内に燃料ガス（１）を供給する。第２燃料室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）で使用済みの燃料ガス（１）を排出する。空気室（７）は、第１燃料室と（８）第２燃料室（９）との間に設置され、複数の燃料電池セル管（３）を含み、燃料電池セル（２１）に酸化剤ガス（２）を供給する。そして、複数の燃料電池セル管（３）は、一端部は第１燃料室（８）の一側面としての第１管板（１４）に開放されて嵌合され、他端部は第２燃料室（９）の一側面としての第２管板に開放されて嵌合され、複数の燃料電池セル管（３）と第１燃料室（８）と第２燃料室（９）との構造を保持する構造材である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、筒型のうち円筒型の燃料電池モジュールについて例を示して説明するが、他の筒型構造を有する燃料電池にも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００２７】
図１は、本発明である燃料電池モジュールの一実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃料電池モジュール３３は、複数の燃料電池セル管３、空気室としての酸化剤ガス供給室７、第１燃料室としての供給室８、第２燃料室としての排出室９、断熱体１０（−１〜２）を備える。
第１燃料室としての供給室８は、側板１２、側板１３、第１燃料室の一側面としての第１管板（又は第３管板）である管板Ａ１４、燃料ガス供給口８−１及び（複数の）第１嵌合部８−２を有する。
第２燃料室としての排出室９は、側板１７、側板１６、第２燃料室の一側面としての第２管板（又は第４管板）である管板Ｂ１５、燃料ガス排出口９−１及び（複数の）第２嵌合部９−２を有する。
酸化剤ガス供給室７は、側板３１と、管板Ａ１４、管板Ｂ１５、酸化剤ガス供給口７−１及び酸化剤ガス排出口７−２を有する。
なお、図１の構成は、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００２８】
本発明では、複数の燃料電池セル管３が、その一端部において供給室８の管板Ａ１４に締り嵌めで接合（第１嵌合部８−２）されている。そして、管板Ａ１４の締め付け力により、供給室８側において、強固に保持されている。同様に、複数の燃料電池セル管３が、その他端部において排出室９の管板Ｂ１５に締り嵌めで接合（第２嵌合部９−２）されている。そして、管板Ｂ１５の締め付け力により、排出室９側において、強固に保持されている。この管板Ａ１４及び管板Ｂ１５による両端保持の力と燃料電池セル管３の強度により、供給室８−燃料電池セル管３−排出室９が一体となる。そして、その構造が強く保持（支持、維持）される。その結果、構造を維持するための構造材を使用することなく、燃料電池モジュール３３の構造の保持が可能となる。
【００２９】
以下に各構成を詳細に説明する。
燃料電池セル管３は、多孔質セラミックスの円筒型の基体管である。外周面上には、発電を行う燃料電池セル２１とリード膜２３（後述）を有する。燃料電池セル管３は、一端部を供給室８の管板Ａ１４に、開放されて嵌合されている。同様に、他端部は排出室９の管板Ｂ１５に、開放されて嵌合されている。材質は、安定化ジルコニアである。
【００３０】
第１燃料室としての供給室８は、側板１２と側板１３と管板Ａ１４とで囲まれた中空の直方体や円柱等の形をしているガス分配室である。各板は、ステンレスや耐熱合金などの金属製である。燃料ガス１の供給を受けるための燃料ガス供給口８−１を有する。管板Ａ１４は、供給室８と酸化剤ガス供給室７とを隔てている。燃料電池セル管３の一端部とは、供給室８に入った燃料ガス１が燃料電池セル管３へ供給されるように、第１嵌合部８−２で連結し、接合している。複数存在する各燃料電池セル管３へ、均等に燃料ガス１を供給する。内部にガスの流れを整え易くするために整流板のような機構を用いても良い。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００３１】
第２燃料室としての排出室９は、側板１７と側板１６と管板Ｂ１５とで囲まれた中空の直方体や円柱等の形をしているガス分配室である。各板は、ステンレスや耐熱合金などの金属製である。使用済みの燃料ガス１の排出を行なうための燃料ガス排出口９−１を有する。一側面である管板Ｂ１５は、排出室９と酸化剤ガス供給室７とを隔てている。燃料電池セル管３の他端部とは、燃料電池セル管３から排出される使用済み燃料ガス１を収集可能なように、第２嵌合部９−２で連結し、接合している。内部にガスの流れを整え易くする整流板のような機構を用いても良い。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００３２】
空気室としての酸化剤ガス供給室７は、供給室８（の管板Ａ１４）と排出室９（の管板Ｂ１５）との間にあり、それらと隔離され、燃料電池セル管３を含んでいる。燃料電池セル管３に酸化剤ガス２を供給する室である。酸化剤ガス２の供給を受けるための酸化剤ガス供給口７−１及び使用済みの酸化剤ガス２の排出を行なうための酸化剤ガス排出口７−２を有する。管板Ａ１４及び管板Ｂ１５の近傍の内部に、断熱体１０（断熱体Ａ１０−１及び断熱体Ｂ１０−２）を固定している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００３３】
供給室８（第１燃料室）の一側面としての第１管板（又は第３管板）である管板Ａ１４は、燃料電池セル管３を接続するための孔が（燃料電池セル管３の数だけ）開口している。そして、燃料電池セル管３の一端部と、ガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。
【００３４】
排出室９（第２燃料室）の一側面としての第２管板（又は第４管板）である管板Ｂ１５は、燃料電池セル管３を接続するための孔が（燃料電池セル管３の数だけ）開口している。燃料電池セル管３の他端部とガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。
【００３５】
断熱体１０は、管板Ａ１４及び管板Ｂ１５の近傍であって、供給室８及び排出室９の外側の酸化剤ガス供給室７内に固定されている。管板Ａ１４側が、断熱体Ａ１０−１であり、管板Ｂ１５側が、断熱体Ｂ１０−２である。そして、燃料電池セル管３上の両端部の近傍において、管板と共に酸化剤ガス２の流路を形成し、その流通を制限している。また、燃料電池セル管３の発電部２１（後述）側の熱を遮断し、管板Ａ１４及び管板Ｂ１５、あるいは、第１嵌合部及び第２嵌合部を、熱的に保護する。材料としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする断熱材などである。
【００３６】
図３（ｂ）に、断熱体１０（断熱体Ａ１０−１及び断熱体Ｂ１０−２）の正面図（図１（断面図）において供給室８側又は排出室９側から見た図）を示す。断熱体１０は、図３に示すように一体の部材である。図３（ｂ）にあるように、断熱体１０は千鳥格子状に燃料電池セル管３用の孔が開口している。その孔の直径は、燃料電池セル管３の直径よりもやや大きい。燃料電池セル管３と断熱体１０の孔との隙間を酸化剤ガス２が通過するためである。
ただし、本発明における燃料電池の燃料電池セル管３の配置及びその本数が、図３（ｂ）に示すような配置に限定されるものではない。
【００３７】
なお、燃料ガス１は、燃料電池セル２１が直接内部改質型の場合には、メタン、プロパン等の炭化水素と水蒸気との混合ガスである。そうでない場合には、水素と水蒸気とを含む混合ガスである。
また、酸化剤ガス２は、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００３８】
次に、図２を参照して、燃料電池セル管３の第１嵌合部８−２及びその周辺について説明する。図２は、図１の燃料電池セル管３の１本分の第１嵌合部８−２及びその周辺について拡大した図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
第１嵌合部８−２は、燃料電池セル２１と発電部２２とリード膜２３とを含む燃料電池セル管３、管板Ａ１４、シール剤２４、第１嵌合リング２６及び充填材２７を備える。その周辺の酸化剤ガス２の流れを断熱体Ａ１０−１が制限している。
【００３９】
燃料電池セル２１は、燃料電池セル管３の外周面上に、燃料極、電解質、空気極を順に少しずつずらして積層（図示せず）した燃料電池のセルである。それぞれの燃料電池セル２１同士は、インターコネクタ膜（図示せず）で直列に接合されている。燃料電池セル管３の内側から拡散してくる燃料ガス１と、燃料電池セル管３の外側から供給される酸化剤ガス２とにより、発電を行う。
発電部２２は、燃料電池セル管３上の燃料電池セル２１が複数ある領域である。ここで、発電がなされ、それと同時に、セルの抵抗損などにより熱が発生し高温になっている。
【００４０】
リード膜２３は、発電部２２で発電された電力を導く一方の極としての導電性の膜である。排出室９側にも同様にあり、両膜から引き出した電極から電力を取り出す。
【００４１】
シール剤２４は、第１嵌合リング２６の外周面側と管板Ａ１４の第１嵌合部８−２の内周面側と間の領域に充填されるガスシール剤である。その隙間を埋め、供給室８の燃料ガス１と、酸化剤ガス供給室７の酸化剤ガス２との間をガスシールする。その周辺の最高使用温度に合わせたシール剤を用いる。
なお、第１嵌合リング２６の表面と管板Ａ１４の第１嵌合部８−２（２５）の内周面とのすり合わせが非常に高精度の場合には、シール剤を用いない場合もある。
【００４２】
第１嵌合リング２６は、その内径が燃料電池セル管３よりもやや大きい円筒状のリングである。その外周面と、管板Ａ１４の第１嵌合部８−２（２５）の内周面とが密接している。燃料電池セル管３の寸法の多少のずれ、表面の凹凸を、この第１嵌合リング２６と充填材２７（後述）とが緩衝材として働き、吸収する。
【００４３】
充填材２７は、第１嵌合リング２６の内周面側と燃料電池セル管３の両端の外周面側と間の領域に充填されるガスシール剤かつ接着材である。その隙間を埋め、供給室８及び排出室９の燃料ガス１と、酸化剤ガス供給室７の酸化剤ガス２との間をガスシールする。また、燃料電池セル管３の寸法の多少のずれを、その変形で吸収する。その周辺の最高使用温度に合わせてハンダを行なう方法、接着剤や樹脂などを埋め込む方法などが使用できる。
【００４４】
断熱体Ａ１０−１については既述の通りなのでその説明を省略する。
【００４５】
管板Ａ１４は、第１嵌合リング２６（及び燃料電池セル管３）を通す孔が、開口している。第１嵌合部８−２の孔の直径は、第１嵌合リング２６の直径より、やや小さい。このようにすることにより、図２で示すように、その孔に第１嵌合リング２６を通した時、管板Ａ１４の孔部の内周部分が、第１嵌合リング２６を通した方向に内側に変形し、第１嵌合リング２６の外周部と管板Ａ１４の孔部の内周部分が密着する。
【００４６】
ここで、管板Ａ１４について更に説明する。
図３に、管板Ａ１４の正面図（図１は、断面図（図３（ａ）のＡＡ’断面）である）を示す。図３（ａ）にあるように、管板Ａ１４は千鳥格子状に第１嵌合リング２６（及び燃料電池セル管３）用の孔３２が開口している。各孔３２の直径は、第１嵌合リング２６の外径よりも小さい。
ただし、本発明における燃料電池の燃料電池セル管３の配置及びその本数が、図３（ａ）に限定されるものではない。その他の配置の例としては、蜂の巣状、正方配列などがある。
【００４７】
管板Ａ１４に第１嵌合リング２６を通して密着させる方法として、深絞り加工や、焼嵌め加工などの締り嵌め加工がある。孔３２は、締り嵌め加工を実施できるように、その直径が第１嵌合リング２６の外径よりも小さい。ただし、第１嵌合リング２６を用いず、直接燃料電池セル管３を通す場合には、燃料電池セル管３の外径よりも小さくする。
【００４８】
管板Ａ１４の孔３２の内周部分は、第１嵌合リング２６と密接する際、締り嵌めによる弾性力により、強く密着し、ガスシール性を発揮する。それと同時に、第１嵌合リング（及びそれに接続している燃料電池セル管３）を強力に保持する。管板Ａ１４およびＡ５は、その間にある燃料電池セル管３によりハニカム構造をとるため、変形することなく複数の燃料電池セル管３を強力に支持することができる。
また、孔３２近傍の管板Ａ１４の弾性変形に伴い、その周辺部に強い反力が発生する。そのため、管板Ａ１４全体として、弾性変形能を有しながらも、管板Ａ１４は燃料電池セル管３に拘束されているので薄板管板の面外変形が抑えられる。すなわち、管板Ａ１４は、セルの拘束力により、大きな荷重（複数の燃料電池セル管３）に対しても、変形することなくその形状を維持することが出来る。そして、複数の第１嵌合リング２６及びそれに接続している複数の燃料電池セル管３を強力に保持することが可能となる。
【００４９】
管板Ａ１４は、第１嵌合部８−２が、燃料電池セル管３を支持する役割があるので、ある程度の強度を有する材料であることが好ましい。また、接合部分（第１嵌合部）８−２が、燃料電池セル管３と管板Ａ１４（のシール剤２４と嵌合リング２６及び充填材２７）との隙間からガスをリークさせないように、且つ、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、金属製の板のような弾性のある部材であることが好ましい。その際、酸化雰囲気で使用することから、耐熱合金などの耐酸化性の部材であることがより好ましい。そのような材料として、鉄系又はインコネル系の金属材料が好ましい。より好ましくは、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６のようなオーステナイト系ステンレス鋼である。
【００５０】
また、その厚みの上限は、締り嵌め加工が可能な厚みであることから、また、下限は、燃料電池セル管３を支持することが可能な厚みであることから、それぞれ実験的に決定される。板の材料の種類により異なる。例えば、オーステナイト系ステンレスでは、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは０．２以上、１ｍｍ以下である。
【００５１】
第１嵌合リング２６の表面を滑らかにする、あるいは、シール剤２４を潤滑性（固体）のあるものにすれば、管板Ａ１４の孔の内周面と第１嵌合リング２６の外周面とを、ある大きさ以上の力で、互いに滑らせるようにすることも可能である。力の大きさ及び滑り具合は、第１嵌合リング２６の表面状態、シール剤２４の種類等に基づいて、実験的に決定する。
可動になると、熱膨張係数の違いにより、熱による伸びの相違が発生した場合でも、滑りで吸収することが可能となる。
【００５２】
次に、図４を参照して、燃料電池セル管３の第２嵌合部９−２及びその周辺について説明する。図４は、図１の燃料電池セル管３の１本分の第２嵌合部９−２及びその周辺について拡大した図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
第１嵌合部９−２は、燃料電池セル２１と発電部２２とリード膜２３とを含む燃料電池セル管３、管板Ｂ１５、シール剤２４’、第２嵌合リング２６’及び充填材２７’を備える。その周辺の酸化剤ガス２の流れを断熱体Ｂ１０−２が制限している。
【００５３】
燃料電池セル２１と発電部２２とリード膜２３とを含む燃料電池セル管３は、既述の通りなのでその説明を省略する。断熱体Ｂ１０−２、シール剤２４’、第２嵌合リング２６’及び充填材２７’は、断熱体Ａ１０−１、シール剤２４、第１嵌合リング２６及び充填材２７と同様であるので、その説明を省略する。
また、管板Ｂ１５の構成及び機能は、管板Ａ１４と同様であるのでその説明を省略する。
【００５４】
本実施例では、上記図２及び図４のように、第１嵌合リング２６と充填材２７及び第２嵌合リング２６’と充填材２７’を用いている。ただし、それらを用いず、直接、管板Ａ１４と燃料電池セル管３とを第１嵌合部８−２で嵌合、及び管板Ｂ１５と燃料電池セル管３とを第２嵌合部９−２で嵌合することも可能である。
図５に、嵌合リングを用いない場合の第１嵌合部及びその周辺の拡大図を示す。各符号の意味は図２と同様であるので、その説明を省略する。燃料電池セル管３の寸法精度及び表面仕上げの状態によって嵌合リングを用いなくても良い。その場合、部材の点数が減称するので部品コストや製造コストを低減できる。
【００５５】
また、本実施例では、図１のように断熱体１０を用いて酸化剤ガス２の流路を限定している。ただし、流路を限定しなくても良い。
図６は、流路を限定しない場合の本発明である燃料電池モジュールの他の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。この燃料電池モジュール３３’の各符号の意味は図１と同様であるので、その説明を省略する。酸化剤ガス２を予め予熱することにより、流路を限定せずに実施できる。なお、断熱体１０を用いても良い。
【００５６】
次に、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態の動作に関して、図１（図２、図４）を参照して説明する。
【００５７】
燃料ガス１について説明する。
図１において、供給室８内に水素と水蒸気とを含むの燃料ガス１が、燃料ガス供給口８−１から供給される。燃料ガス１は、予熱されている（例えば、２５０℃程度）。その後、燃料ガス１は、燃料電池セル管３の一端部から、ばらつきの無い流量で流入する。
発電部２２において、燃料ガス１は、燃料電池セル２１に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル２１は発熱するが、その熱は、燃料電池セル管３の外周部を流れる酸化剤ガス２により持ち去られるので、燃料電池セル２１の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。そして、燃料ガス１も、温度が上昇しない。燃料ガス１のうち、発電に用いられなかった燃料ガス１及び発電により発生した水蒸気は、燃料電池セル管３の排出室９側の他端部（左側）から排出室９へ送出される。
送出された使用済みの燃料ガス１は、排出室９で混合され、燃料ガス排出口９−１から排出される。
【００５８】
次に、酸化剤ガス２について説明する。
図１において、酸素を含む酸化剤ガス２が、酸化剤ガス供給口７−１から酸化剤ガス供給室７に入る。そして、断熱体Ｂ１０−２と管板Ｂ１５とに挟まれ形成される空間を、管板Ｂ１５に沿って移動する。排出室９側の燃料電池セル管３に達した酸化剤ガス２は、断熱体Ｂ１０−２と燃料電池セル管３の外周部との間の空間に入る。そして、概ね燃料電池セル管３の外周部を、その排出室９側の他端部（左側）から供給室８の方向へ進む。
発電部１４において、酸化剤ガス２は、燃料電池セル２１に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル２１は発熱するが、その熱は、酸化剤ガス２により持ち去られるので、燃料電池セル２１の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。また、酸化剤ガス２は、燃料電池セル２１から発電によって生じた熱量を奪いながら温度を上昇させていく。そして、発電に用いられなかった酸化剤ガス２は、燃料電池セル管３の内側を対向して流れる燃料ガス１へ熱量を、燃料電池セル管３の側面（壁面）を介して放出し、温度を下降させていく。そして、燃料電池セル管３の外周部の供給室８側の一端部（右側）へ達する。その後、断熱体Ａ１０−１と管板Ａ１４との空間を進む。
使用済みの酸化剤ガス２は、断熱体Ａ１０−１と管板Ａ１４とに挟まれて形成された空間に沿って移動し、酸化剤ガス供給室７の酸化剤ガス排出口７−２から外部へ排出される。
【００５９】
管板Ａ１４及び管板Ｂ１５と燃料電池セル管３との嵌合（締り嵌め）に伴う各管板の弾性力より、燃料電池セル管３が強固に保持される。そして、管板Ａ１４及び管板Ｂ１５と、それらに強固に保持された複数の燃料電池セル管３とが構成するハニカム構造により、供給室８及び排出室９、供給室８と排出室９との間に配設された酸化剤ガス供給室７を備える燃料電池モジュール３３の構造が保持（維持）される。それにより、構造を維持するための枠あるいは骨組のような構造材を用いる必要が無くなる。すなわち、設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく、構造を保持（支持）することが可能となる。
【００６０】
また、本発明においては、従来の部材の他に特別な部材を用いず、管板と燃料電池セル管との接合による簡潔な方法で構造を保持（支持）することが可能となる。
その際、特別に高価な材料や、多量の材料、手間をかけていないので、低コストで構造を保持（支持）することが可能である。
【００６１】
なお、図１において、供給室８−燃料電池セル管３−排気室９内に燃料ガス１、酸化剤ガス供給室７に酸化剤ガス２を流している。しかし、燃料電池２１の積層方法を逆（図１、図２の場合、燃料電池セル管３の表面に近い側から順にアノード電極／電解質／カソード電極と積層）にした場合には、供給室８−燃料電池セル管３−排気室９内に酸化剤ガス２、酸化剤ガス供給室７に燃料ガス１を流すことにより、上記実施例と同様に発電を行える。そして、本発明の効果を同様に得ることが出来る。
【００６２】
本発明においては、図１に示すような燃料電池セル管３を竪置きした場合だけでなく、横置きした場合（図１の燃料電池モジュール３３を横に９０度倒した形）でも実施可能である。
また、燃料電池セル管３を両端で支持している。そのため、燃料電池セル管３の構造が簡単となりメンテナンスがし易く、コストも低減する。
【００６３】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池モジュールにおいて、設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく、構造を保持（支持）することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池モジュールの実施の形態の構成を示す図（断面図）である。
【図２】燃料電池セル管の１本分の第１嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【図３】（ａ）本発明である燃料電池モジュールの実施の形態における管板の正面図である。
（ｂ）本発明である燃料電池モジュールの実施の形態における断熱体の正面図である。
【図４】燃料電池セル管の１本分の第２嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【図５】嵌合リングを用いない場合の第１嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【図６】本発明である燃料電池モジュールの他の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。
【図７】従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの概略構成の一例をに示す図である。
【符号の説明】
１　　燃料ガス
２　　酸化剤ガス
３　　燃料電池セル管
７　　酸化剤ガス供給室
７−１　　酸化剤ガス供給口
７−２　　酸化剤ガス排出口
８　　供給室
８−１　　燃料ガス供給口
８−２　　第１嵌合部
９　　排出室
９−１　　燃料ガス排出口
９−２　　第２嵌合部
１０　　断熱体
１０−１　　断熱体Ａ
１０−２　　断熱体Ｂ
１０−３　　孔
１２　　側板
１３　　側板
１４　　管板Ａ
１５　　管板Ｂ
１６　　側板
１７　　側板
２１　　燃料電池セル
２２　　発電部
２３（’）　　リード膜
２４（’）　　シール剤
２６　　第１嵌合リング
２６’　　第２嵌合リング
２７（’）　　充填材
３１　　側板
３２　　孔
３３（’）　　燃料電池モジュール
１００　　燃料電池モジュール
１０３　　燃料電池セル管
１０４　　外管
１０５　　内管
１０７　　酸化剤ガス供給室
１０８　　供給室
１０９　　排出室
１１０　　燃料ガス供給部
１１２　　上面板
１１３　　側板
１１４　　管板
１１６　　側板
１１７　　管板
１２１　　側板
１２２　　底面板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell module having a tubular structure.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 shows an example of a schematic configuration of a conventional cylindrical solid electrolyte fuel cell module 100. In FIG. 7, a portion related to power collection of the generated power is omitted.
[0003]
Referring to FIG. 7, a fuel cell module 100 includes a fuel gas supply unit 110, an oxidizing gas supply chamber 107, and a fuel cell tube 103 serving as a power generation unit. The fuel gas supply unit 110 has a supply chamber 108 and a discharge chamber 109. The fuel cell tube 103 has an outer tube 104 and an inner tube 105. The oxidizing gas supply chamber 107 has a side plate 121 and a bottom plate 122.
[0004]
The supply chamber 108 composed of the upper plate 112, the side plate 113 and the tube plate 114 supplies the fuel gas 1 to the fuel cell tube 103. Further, the exhaust chamber 109 composed of the tube sheet 114, the side plate 116 and the tube sheet 117 discharges unused fuel gas 1 from the fuel cell tube 103.
One end of the outer tube 104 of the fuel cell tube 103 is open (connected) to the tube plate 117, and the other end is extended to the oxidizing gas supply chamber 107 and closed. The outer tube 104 is fixed to and supported by the tube sheet 117 by a fixing jig. One end of the inner tube 105 is opened and connected (communicated) to the tube plate 114, and the other end is opened near the other end of the outer tube 104. The inner tube 105 is fixed to and supported on the tube sheet 114 by a fixing jig.
The oxidizing gas supply chamber 107 including the tube plate 117, the side plate 121, and the bottom plate 122 includes the fuel cell tube 103, and supplies the oxidizing gas 2 to the fuel cell tube 103.
[0005]
In order to maintain the above structure, it is important to introduce a structural material.
For example, the structural material is joined to the outside of the fuel gas supply unit 110 by a method such as welding. Then, the fuel gas supply unit 110 and the fuel cell tube 103 are held (supported) via the structural material. Alternatively, a material having high strength is used for the side plate 121 and the bottom plate 122. By doing so, they function as structural materials, and hold (support) the fuel gas supply unit 110 and the fuel cell tube 103. Alternatively, the structural material is joined to the side plate 121, and the fuel gas supply unit 110 and the fuel cell tube 103 are held (supported) by the structural material via the side plate 121.
[0006]
These methods require the use of additional structural materials in addition to the fuel cell module 100, which leads to an increase in equipment volume and installation area, an increase in weight, an increase in cost, and the like.
There is a need for a technology that can hold (support) the structure of a fuel cell module without increasing the capacity and installation area of the equipment. There is a demand for a technique that uses a small number of members and can hold (support) the structure of the fuel cell module by a simple method. There is a demand for a technology that can hold (support) the structure of a fuel cell module at low cost.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of holding (supporting) the structure without increasing the capacity and installation area of the equipment.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of holding (supporting) a structure in a simple manner without using unnecessary members.
[0009]
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of holding (supporting) the structure at low cost.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The means for solving the problem will be described below using the numbers and symbols used in [Embodiments of the Invention]. These numbers and symbols are added in parentheses to clarify the correspondence between the description in the claims and the embodiment of the invention. However, those numbers and symbols must not be used for interpreting the technical scope of the invention described in [Claims].
[0011]
Therefore, in order to solve the above problem, the fuel cell module of the present invention comprises a plurality of fuel cell pipes (3), a first fuel chamber (8), a second fuel chamber (9), and an air chamber ( 7). The plurality of fuel cell tubes (3) have fuel cells (21) formed on the surface. The first fuel chamber (8) supplies the fuel gas (1) into the plurality of fuel cell pipes (3). The second fuel chamber (9) discharges used fuel gas (1) from the plurality of fuel cell pipes (3). The air chamber (7) is provided between the first fuel chamber (8) and the second fuel chamber (9) and includes a plurality of fuel cell pipes (3). Supply gas (2). The first fuel chamber (8) has one ends of the plurality of fuel cell pipes (3) opened and fitted to a first tube plate (14) as one side surface of the first fuel chamber (8). And a plurality of first fitting portions (8-2). Further, the second fuel chamber (9) has the other ends of the plurality of fuel cell pipes (3) opened and fitted to a second tube plate (15) as one side surface of the second fuel chamber (9). A plurality of second fitting portions (9-2).
[0012]
Further, in the fuel cell module of the present invention, the plurality of first fitting portions (8-2) are interference fits between the first tube sheet (14) and the plurality of fuel cell tubes (3).
[0013]
In the fuel cell module of the present invention, the plurality of second fitting portions (9-2) are interference fits between the second tube sheet (15) and the plurality of fuel cell tubes (3).
[0014]
In addition, the fuel cell module of the present invention is provided between the first tube plate (14) and the plurality of fuel cell tubes (3), and between the second tube plate (15) and the plurality of fuel cell tubes (3). At least one of them includes a gas sealant (24).
[0015]
Further, the fuel cell module of the present invention includes a plurality of first fitting rings (26) in which the plurality of first fitting portions (8-2) are fitted to the first tube sheet (14). The plurality of fuel cell tubes (3) are connected to the inside of the plurality of first fitting rings (26).
[0016]
Further, in the fuel cell module of the present invention, the plurality of first fitting portions (8-2) are interference fits between the first tube sheet (14) and the plurality of first fitting rings (26).
[0017]
Further, the fuel cell module of the present invention includes a gas sealant (24) between the first tube sheet (14) and the plurality of first fitting rings (26).
[0018]
Further, in the fuel cell module of the present invention, the plurality of second fitting portions (9-2) include the plurality of second fitting rings (26 ') fitted to the second tube sheet (15). The plurality of fuel cell tubes (3) are connected to the inside of the plurality of second fitting rings (26 ').
[0019]
Further, in the fuel cell module of the present invention, the plurality of second fitting portions (9-2) are interference fits between the second tube sheet (15) and the plurality of second fitting rings (26 ').
[0020]
Further, the fuel cell module of the present invention includes a gas sealant (24 ') between the second tube sheet (15) and the plurality of second fitting rings (26').
[0021]
Further, the fuel cell module of the present invention includes a plurality of fuel cell pipes (3), a first air chamber (8), a second air chamber (9), and a fuel chamber (7). The plurality of fuel cell tubes (3) have fuel cells (21) formed on the surface. The first air chamber (8) supplies the oxidant gas (2) into the plurality of fuel cell pipes (3). The second air chamber (9) discharges the used oxidant gas (2) from the plurality of fuel cell pipes (3). The fuel chamber (7) is provided between the first air chamber (8) and the second air chamber (9), includes a plurality of fuel cell tubes (3), and stores fuel gas in the fuel cells (21). Supply (1). The first air chamber (8) has one ends of the plurality of fuel cell pipes (3) opened and fitted to a third tube plate (14) as one side surface of the first air chamber (8). And a plurality of third fitting portions (8-2). Further, the second air chamber (9) has the other ends of the plurality of fuel cell pipes (3) opened to a fourth tube plate (15) as one side surface of the second air chamber (9), and fitted. And a plurality of fourth fitting portions (9-2).
[0022]
Further, in the fuel cell module of the present invention, the plurality of third fitting portions (8-2) are interference fits between the third tube sheet (14) and the plurality of fuel cell tubes (3). The fourth fitting portion (9-2) is an interference fit between the fourth tube sheet (15) and the plurality of fuel cell tubes (3).
[0023]
Furthermore, the fuel cell module of the present invention includes a plurality of third fitting rings (26) in which the plurality of third fitting portions (8-2) are fitted to the third tube sheet (14). The plurality of fourth fitting portions (9-2) include a plurality of fourth fitting rings (26 ') fitted to the fourth tube sheet (15). The plurality of fuel cell tubes (3) are connected to the inside of the plurality of third fitting rings (26) and the inside of the plurality of fourth fitting rings (26 ').
[0024]
Further, in the fuel cell module of the present invention, the plurality of third fitting portions (8-2) are interference fits between the third tube sheet (14) and the plurality of third fitting rings (26). The plurality of fourth fitting portions (9-2) are interference fits between the fourth tube sheet (15) and the plurality of fourth fitting rings (26 ').
[0025]
Further, the fuel cell module of the present invention includes a plurality of fuel cell pipes (3), a first fuel chamber (8), a second fuel chamber (9), and an air chamber (7). The plurality of fuel cell tubes (3) have fuel cells (21) formed on the surface. The first fuel chamber (8) supplies the fuel gas (1) into the plurality of fuel cell pipes (3). The second fuel chamber (9) discharges used fuel gas (1) from the plurality of fuel cell pipes (3). The air chamber (7) is provided between the first fuel chamber (8) and the second fuel chamber (9), includes a plurality of fuel cell pipes (3), and supplies an oxidant to the fuel cell (21). Supply gas (2). One end of the plurality of fuel cell tubes (3) is opened and fitted to a first tube plate (14) as one side surface of the first fuel chamber (8), and the other end is a second fuel plate. Opened and fitted to a second tube sheet as one side surface of the chamber (9), the structure of the plurality of fuel cell pipes (3), the first fuel chamber (8), and the second fuel chamber (9) is formed. It is a structural material to be held.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a fuel cell module according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In the present embodiment, an example of a cylindrical fuel cell module among the cylindrical fuel cells will be described. However, the present invention can be applied to a fuel cell having another cylindrical structure. In each embodiment, the same or corresponding portions will be denoted by the same reference numerals and described.
[0027]
FIG. 1 is a diagram (cross-sectional view) showing a configuration of an embodiment of a fuel cell module according to the present invention. The fuel cell module 33 includes a plurality of fuel cell tubes 3, an oxidizing gas supply chamber 7 as an air chamber, a supply chamber 8 as a first fuel chamber, a discharge chamber 9 as a second fuel chamber, and a heat insulator 10 (−). 1-2).
The supply chamber 8 as a first fuel chamber includes a side plate 12, a side plate 13, a tube sheet A14 as a first tube sheet (or a third tube sheet) as one side surface of the first fuel chamber, and a fuel gas supply port 8-1. And a plurality of first fitting portions 8-2.
The discharge chamber 9 as a second fuel chamber includes a side plate 17, a side plate 16, a tube sheet B15 as a second tube sheet (or a fourth tube sheet) as one side surface of the second fuel chamber, and a fuel gas discharge port 9-1. And a plurality of second fitting portions 9-2.
The oxidizing gas supply chamber 7 has a side plate 31, a tube sheet A14, a tube sheet B15, an oxidizing gas supply port 7-1, and an oxidizing gas discharge port 7-2.
Note that the configuration in FIG. 1 is omitted from the drawing for the configuration related to current collection.
[0028]
In the present invention, the plurality of fuel cell tubes 3 are joined to the tube plate A14 of the supply chamber 8 at one end by interference fitting (first fitting portions 8-2). And it is firmly held in the supply chamber 8 side by the fastening force of the tube sheet A14. Similarly, a plurality of fuel cell tubes 3 are joined to the tube plate B15 of the discharge chamber 9 at the other end by interference fitting (second fitting portion 9-2). And it is firmly held in the discharge chamber 9 side by the clamping force of the tube sheet B15. The supply chamber 8, the fuel cell pipe 3, and the discharge chamber 9 are integrated by the force of holding both ends by the tube sheets A 14 and B 15 and the strength of the fuel cell pipe 3. Then, the structure is strongly held (supported and maintained). As a result, the structure of the fuel cell module 33 can be maintained without using a structural material for maintaining the structure.
[0029]
Hereinafter, each configuration will be described in detail.
The fuel cell tube 3 is a cylindrical base tube made of porous ceramics. A fuel cell 21 for generating power and a lead film 23 (described later) are provided on the outer peripheral surface. One end of the fuel cell tube 3 is opened and fitted to the tube plate A14 of the supply chamber 8. Similarly, the other end is opened and fitted to the tube sheet B15 of the discharge chamber 9. The material is stabilized zirconia.
[0030]
The supply chamber 8 as the first fuel chamber is a gas distribution chamber in the shape of a hollow rectangular parallelepiped or a cylinder surrounded by the side plate 12, the side plate 13, and the tube plate A14. Each plate is made of metal such as stainless steel or heat-resistant alloy. It has a fuel gas supply port 8-1 for receiving the supply of the fuel gas 1. The tube sheet A14 separates the supply chamber 8 from the oxidant gas supply chamber 7. The fuel cell 1 is connected to one end of the fuel cell tube 3 at a first fitting portion 8-2 so that the fuel gas 1 entering the supply chamber 8 is supplied to the fuel cell tube 3. The fuel gas 1 is uniformly supplied to each of the plurality of fuel cell tubes 3. A mechanism such as a rectifying plate may be used to easily regulate the flow of gas inside. In this embodiment, it has a rectangular parallelepiped shape made of stainless steel.
[0031]
The discharge chamber 9 as a second fuel chamber is a gas distribution chamber in the shape of a hollow rectangular parallelepiped or a cylinder surrounded by the side plate 17, the side plate 16, and the tube plate B15. Each plate is made of metal such as stainless steel or heat-resistant alloy. It has a fuel gas discharge port 9-1 for discharging used fuel gas 1. The tube sheet B15, which is one side surface, separates the discharge chamber 9 and the oxidizing gas supply chamber 7. The other end of the fuel cell tube 3 is connected to and joined to the second fitting portion 9-2 so that the spent fuel gas 1 discharged from the fuel cell tube 3 can be collected. A mechanism such as a rectifying plate for facilitating the adjustment of the gas flow may be used inside. In this embodiment, it has a rectangular parallelepiped shape made of stainless steel.
[0032]
The oxidizing gas supply chamber 7 serving as an air chamber is provided between the supply chamber 8 (the tube sheet A14) and the discharge chamber 9 (the tube sheet B15), is isolated therefrom, and includes the fuel cell tube 3. I have. A chamber for supplying the oxidant gas 2 to the fuel cell tube 3. An oxidizing gas supply port 7-1 for receiving the supply of the oxidizing gas 2 and an oxidizing gas discharge port 7-2 for discharging the used oxidizing gas 2 are provided. The heat insulator 10 (heat insulator A10-1 and heat insulator B10-2) is fixed inside the vicinity of the tube sheet A14 and the tube sheet B15. The room is made of metal such as stainless steel or heat-resistant alloy.
[0033]
A tube plate A14, which is a first tube plate (or a third tube plate) as one side surface of the supply chamber 8 (first fuel chamber), has a hole for connecting the fuel cell tube 3 (the fuel cell tube 3). The number is open). It is connected to one end of the fuel cell tube 3 so that gas can enter and exit, and is opened and joined.
[0034]
The tube plate B15, which is the second tube plate (or the fourth tube plate) as one side surface of the discharge chamber 9 (the second fuel chamber), has a hole for connecting the fuel cell tube 3 (the fuel cell tube 3). The number is open). The other end of the fuel cell tube 3 is connected so that gas can enter and exit, and is opened and joined.
[0035]
The heat insulator 10 is fixed in the oxidizing gas supply chamber 7 near the tube sheet A14 and the tube sheet B15 and outside the supply chamber 8 and the discharge chamber 9. The tube sheet A14 side is the heat insulator A10-1, and the tube sheet B15 side is the heat insulator B10-2. In the vicinity of both ends on the fuel cell tube 3, a flow path for the oxidizing gas 2 is formed together with the tube sheet to restrict the flow of the oxidant gas 2. Further, the heat on the power generation unit 21 (described later) side of the fuel cell tube 3 is shut off, and the tube sheets A14 and B15, or the first fitting portion and the second fitting portion are thermally protected. Examples of the material include porous silica, porous alumina, a heat insulating material mainly containing silica, alumina, magnesia, and the like.
[0036]
FIG. 3B shows a front view of the heat insulator 10 (the heat insulator A10-1 and the heat insulator B10-2) (a view seen from the supply chamber 8 side or the discharge chamber 9 side in FIG. 1 (cross-sectional view)). . The heat insulator 10 is an integral member as shown in FIG. As shown in FIG. 3 (b), the heat insulator 10 has holes for the fuel cell tube 3 opened in a staggered lattice pattern. The diameter of the hole is slightly larger than the diameter of the fuel cell tube 3. This is because the oxidizing gas 2 passes through the gap between the fuel cell tube 3 and the hole of the heat insulator 10.
However, the arrangement and the number of the fuel cell tubes 3 of the fuel cell according to the present invention are not limited to the arrangement shown in FIG.
[0037]
When the fuel cell 21 is of the direct internal reforming type, the fuel gas 1 is a mixed gas of a hydrocarbon such as methane and propane and steam. Otherwise, it is a mixed gas containing hydrogen and water vapor.
The oxidizing gas 2 is oxygen, air, or a mixed gas containing them.
[0038]
Next, the first fitting portion 8-2 of the fuel cell tube 3 and its periphery will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an enlarged view of one first fitting portion 8-2 of the fuel cell tube 3 of FIG. 1 and its periphery. In this drawing, the configuration related to current collection is omitted.
The first fitting portion 8-2 includes the fuel cell tube 3, the tube plate A14, the sealant 24, the first fitting ring 26, and the filler 27 including the fuel cell 21, the power generation portion 22, and the lead film 23. Prepare. The heat insulator A10-1 restricts the flow of the oxidant gas 2 therearound.
[0039]
The fuel cell 21 is a fuel cell in which a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are laminated (not shown) on the outer peripheral surface of the fuel cell tube 3 with a slight shift in order. The fuel cells 21 are connected in series by an interconnector film (not shown). Electric power is generated by the fuel gas 1 diffused from the inside of the fuel cell tube 3 and the oxidizing gas 2 supplied from the outside of the fuel cell tube 3.
The power generation unit 22 is an area on the fuel cell tube 3 where there are a plurality of fuel cells 21. Here, power is generated, and at the same time, heat is generated due to the resistance loss of the cell and the temperature is high.
[0040]
The lead film 23 is a conductive film as one pole for guiding the power generated by the power generation unit 22. The same applies to the discharge chamber 9 side, in which electric power is taken out from the electrodes drawn from both films.
[0041]
The sealant 24 is a gas sealant filled in a region between the outer peripheral surface side of the first fitting ring 26 and the inner peripheral surface side of the first fitting portion 8-2 of the tube sheet A14. The gap is filled, and a gas seal is formed between the fuel gas 1 in the supply chamber 8 and the oxidant gas 2 in the oxidant gas supply chamber 7. Use a sealant suitable for the maximum operating temperature around it.
When the surface of the first fitting ring 26 and the inner peripheral surface of the first fitting portion 8-2 (25) of the tube sheet A14 are extremely high in accuracy, the sealing agent may not be used. is there.
[0042]
The first fitting ring 26 is a cylindrical ring whose inner diameter is slightly larger than the fuel cell tube 3. The outer peripheral surface is in close contact with the inner peripheral surface of the first fitting portion 8-2 (25) of the tube sheet A14. The first fitting ring 26 and the filler 27 (described later) act as a cushioning material to absorb a slight deviation in the dimensions of the fuel cell tube 3 and irregularities on the surface.
[0043]
The filler 27 is a gas sealant and an adhesive filled in a region between the inner peripheral surface of the first fitting ring 26 and the outer peripheral surfaces of both ends of the fuel cell tube 3. The gap is filled, and the space between the fuel gas 1 in the supply chamber 8 and the discharge chamber 9 and the oxidant gas 2 in the oxidant gas supply chamber 7 is sealed. Further, a slight deviation in the dimensions of the fuel cell tube 3 is absorbed by its deformation. A method of performing soldering according to the maximum use temperature around the area, a method of embedding an adhesive or a resin, and the like can be used.
[0044]
Since the heat insulator A10-1 is as described above, the description thereof will be omitted.
[0045]
The tube plate A14 has a hole through which the first fitting ring 26 (and the fuel cell tube 3) passes. The diameter of the hole of the first fitting portion 8-2 is slightly smaller than the diameter of the first fitting ring 26. By doing so, as shown in FIG. 2, when the first fitting ring 26 is passed through the hole, the inner peripheral portion of the hole of the tube sheet A14 moves in the direction in which the first fitting ring 26 passes. Then, the outer peripheral portion of the first fitting ring 26 and the inner peripheral portion of the hole of the tube sheet A14 come into close contact with each other.
[0046]
Here, the tube sheet A14 will be further described.
FIG. 3 shows a front view of the tube sheet A14 (FIG. 1 is a sectional view (AA ′ section in FIG. 3A)). As shown in FIG. 3A, the tube plate A14 has holes 32 for the first fitting ring 26 (and the fuel cell tube 3) opened in a staggered lattice pattern. The diameter of each hole 32 is smaller than the outer diameter of the first fitting ring 26.
However, the arrangement and the number of the fuel cell tubes 3 of the fuel cell according to the present invention are not limited to those shown in FIG. Examples of other arrangements include a honeycomb shape and a square arrangement.
[0047]
As a method of bringing the first fitting ring 26 into close contact with the tube sheet A14, there is a close fitting process such as a deep drawing process or a shrink fitting process. The diameter of the hole 32 is smaller than the outer diameter of the first fitting ring 26 so that the interference fitting can be performed. However, when the fuel cell tube 3 is passed directly without using the first fitting ring 26, the outer diameter of the fuel cell tube 3 is made smaller.
[0048]
When the inner peripheral portion of the hole 32 of the tube sheet A14 is in close contact with the first fitting ring 26, the inner peripheral portion strongly adheres to the first fitting ring 26 by the elastic force of the interference fit, and exhibits gas sealing properties. At the same time, the first fitting ring (and the fuel cell tube 3 connected thereto) is strongly held. Since the tube sheets A14 and A5 have a honeycomb structure with the fuel cell tubes 3 therebetween, the tube plates A14 and A5 can strongly support the plurality of fuel cell tubes 3 without deformation.
Further, along with the elastic deformation of the tube sheet A14 in the vicinity of the hole 32, a strong reaction force is generated in a peripheral portion thereof. Therefore, although the tube sheet A14 has elastic deformation capability as a whole, the tube sheet A14 is restricted by the fuel cell tube 3, so that the out-of-plane deformation of the thin tube sheet is suppressed. That is, the shape of the tube sheet A14 can be maintained without deformation even under a large load (a plurality of fuel cell cell tubes 3) due to the cell binding force. Then, it is possible to strongly hold the plurality of first fitting rings 26 and the plurality of fuel cell tubes 3 connected thereto.
[0049]
Since the first fitting portion 8-2 has a role of supporting the fuel cell tube 3, the tube sheet A14 is preferably made of a material having a certain strength. In addition, the joint portion (first fitting portion) 8-2 does not allow gas to leak from the gap between the fuel cell tube 3 and the tube sheet A14 (the sealant 24 and the fitting ring 26 and the filler 27). Further, it is preferable that the member be an elastic member such as a metal plate so as to be able to absorb displacement or vibration or impact due to stress or the like. In this case, since the member is used in an oxidizing atmosphere, it is more preferable that the member is an oxidation-resistant member such as a heat-resistant alloy. As such a material, an iron-based or inconel-based metal material is preferable. More preferably, it is an austenitic stainless steel such as SUS304 or SUS316.
[0050]
In addition, the upper limit of the thickness is determined experimentally because the upper limit is a thickness that can be subjected to interference fit processing, and the lower limit is the thickness that can support the fuel cell tube 3. . Depends on the type of plate material. For example, in the case of austenitic stainless steel, the thickness is preferably 0.1 mm or more and 2 mm or less. More preferably, it is 0.2 or more and 1 mm or less.
[0051]
If the surface of the first fitting ring 26 is made smooth or the sealant 24 is made to have lubricity (solid), the inner peripheral surface of the hole of the tube sheet A14 and the outer peripheral surface of the first fitting ring 26 Can be made to slide on each other with a force greater than a certain level. The magnitude of the force and the degree of sliding are experimentally determined based on the surface condition of the first fitting ring 26, the type of the sealant 24, and the like.
When it becomes movable, even if a difference in elongation due to heat occurs due to a difference in thermal expansion coefficient, it becomes possible to absorb the difference by sliding.
[0052]
Next, the second fitting portion 9-2 of the fuel cell tube 3 and its periphery will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an enlarged view of the second fitting portion 9-2 for one fuel cell tube 3 of FIG. 1 and its periphery. In this drawing, the configuration related to current collection is omitted.
The first fitting portion 9-2 includes a fuel cell tube 3, a tube plate B15, a sealant 24 ', a second fitting ring 26', and a filler including the fuel cell 21, the power generation portion 22, and the lead film 23. 27 '. The heat insulator B10-2 restricts the flow of the oxidant gas 2 in the vicinity thereof.
[0053]
The fuel cell tube 3 including the fuel cell 21, the power generation unit 22, and the lead film 23 is as described above, and the description thereof is omitted. The heat insulator B10-2, the sealant 24 ', the second fitting ring 26', and the filler 27 'are the same as the heat insulator A10-1, the sealant 24, the first fitting ring 26, and the filler 27. , The description of which will be omitted.
Further, the configuration and function of the tube sheet B15 are the same as those of the tube sheet A14, and the description thereof is omitted.
[0054]
In this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 4, the first fitting ring 26 and the filler 27 and the second fitting ring 26 'and the filler 27' are used. However, without using them, the tube plate A14 and the fuel cell unit tube 3 are directly fitted by the first fitting unit 8-2, and the tube plate B15 and the fuel cell unit tube 3 are directly connected by the second fitting unit 9 It is also possible to fit at -2.
FIG. 5 shows an enlarged view of the first fitting portion and its surroundings when no fitting ring is used. The meaning of each code is the same as in FIG. 2, and the description thereof will be omitted. The fitting ring may not be used depending on the dimensional accuracy of the fuel cell tube 3 and the state of the surface finish. In this case, since the number of members is reduced, the cost of parts and the cost of manufacturing can be reduced.
[0055]
In this embodiment, the flow path of the oxidizing gas 2 is limited by using the heat insulator 10 as shown in FIG. However, the flow path need not be limited.
FIG. 6 is a diagram (cross-sectional view) illustrating a configuration of another embodiment of the fuel cell module according to the present invention when the flow path is not limited. The meaning of each reference numeral of the fuel cell module 33 'is the same as that of FIG. 1, and the description thereof will be omitted. By preheating the oxidizing gas 2 in advance, it can be performed without limiting the flow path. Note that the heat insulator 10 may be used.
[0056]
Next, the operation of the embodiment of the fuel cell module according to the present invention will be described with reference to FIG. 1 (FIGS. 2 and 4).
[0057]
The fuel gas 1 will be described.
In FIG. 1, a fuel gas 1 containing hydrogen and water vapor in a supply chamber 8 is supplied from a fuel gas supply port 8-1. The fuel gas 1 is preheated (for example, about 250 ° C.). Thereafter, the fuel gas 1 flows from one end of the fuel cell tube 3 at a uniform flow rate.
In the power generation unit 22, the fuel gas 1 is supplied to the fuel cell 21 and contributes to power generation. At this time, the fuel cell 21 generates heat, but the heat is carried away by the oxidizing gas 2 flowing around the outer periphery of the fuel cell tube 3, so that the temperature of the fuel cell 21 is maintained at 900 ° C. to 1000 ° C. You. The temperature of the fuel gas 1 does not rise. Of the fuel gas 1, the fuel gas 1 not used for power generation and the water vapor generated by the power generation are sent to the discharge chamber 9 from the other end (left side) of the fuel cell tube 3 on the discharge chamber 9 side.
The discharged used fuel gas 1 is mixed in the discharge chamber 9 and discharged from the fuel gas discharge port 9-1.
[0058]
Next, the oxidizing gas 2 will be described.
In FIG. 1, the oxidizing gas 2 containing oxygen enters the oxidizing gas supply chamber 7 from the oxidizing gas supply port 7-1. And it moves along the tube sheet B15 in the space formed between the heat insulator B10-2 and the tube sheet B15. The oxidant gas 2 that has reached the fuel cell tube 3 on the discharge chamber 9 side enters a space between the heat insulator B10-2 and the outer peripheral portion of the fuel cell tube 3. Then, generally, the outer peripheral portion of the fuel cell tube 3 proceeds in the direction of the supply chamber 8 from the other end (left side) on the discharge chamber 9 side.
In the power generation unit 14, the oxidizing gas 2 is supplied to the fuel cell 21 and contributes to power generation. At this time, the fuel cell 21 generates heat, but the heat is carried away by the oxidizing gas 2, so that the temperature of the fuel cell 21 is maintained at 900 ° C to 1000 ° C. Further, the oxidizing gas 2 raises the temperature while depriving the fuel cell 21 of the heat generated by the power generation. The oxidizing gas 2 that has not been used for power generation releases heat to the fuel gas 1 that flows inside the fuel cell tube 3 in opposition to the fuel gas 1 via the side surface (wall surface) of the fuel cell tube 3. Is lowered. Then, it reaches one end (right side) of the outer peripheral portion of the fuel cell tube 3 on the supply chamber 8 side. After that, it proceeds in the space between the heat insulator A10-1 and the tube sheet A14.
The used oxidizing gas 2 moves along the space formed between the heat insulator A10-1 and the tube sheet A14, and is discharged from the oxidizing gas discharge port 7-2 of the oxidizing gas supply chamber 7 to the outside. Is discharged to
[0059]
The fuel cell tube 3 is firmly held by the elastic force of each tube plate accompanying the fitting (tight fit) between the tube plates A14 and B15 and the fuel cell tube 3. The supply chamber 8 and the discharge chamber 9 and the supply chamber 8 and the discharge chamber 9 are formed by a honeycomb structure including the tube sheets A14 and B15 and the plurality of fuel cell tubes 3 firmly held by the tube sheets A14 and B15. The structure of the fuel cell module 33 including the oxidizing gas supply chamber 7 disposed therebetween is maintained (maintained). Thereby, it is not necessary to use a structural material such as a frame or a frame for maintaining the structure. That is, it is possible to hold (support) the structure without increasing the capacity and installation area of the equipment.
[0060]
Further, in the present invention, the structure can be held (supported) by a simple method by joining the tube sheet and the fuel cell tube without using any special member other than the conventional member.
At that time, the structure can be held (supported) at a low cost because a special expensive material, a large amount of material, and no labor are required.
[0061]
In FIG. 1, the fuel gas 1 flows through the supply chamber 8, the fuel cell tube 3, and the exhaust chamber 9, and the oxidant gas 2 flows through the oxidant gas supply chamber 7. However, when the stacking method of the fuel cell 21 is reversed (in FIGS. 1 and 2, the anode electrode / electrolyte / cathode electrode is stacked in order from the side closer to the surface of the fuel cell tube 3), the supply chamber 8 By flowing the oxidizing gas 2 into the fuel cell tube 3 and the fuel gas 1 into the oxidizing gas supply chamber 7 in the exhaust chamber 9, power can be generated in the same manner as in the above embodiment. And the effect of the present invention can be obtained similarly.
[0062]
In the present invention, not only the case where the fuel cell tube 3 is placed vertically as shown in FIG. 1 but also the case where the fuel cell tube 3 is placed horizontally (the fuel cell module 33 shown in FIG. 1 is turned 90 degrees horizontally) can be implemented. is there.
Further, the fuel cell tube 3 is supported at both ends. Therefore, the structure of the fuel cell tube 3 is simplified, maintenance is easy, and the cost is reduced.
[0063]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a fuel cell module, it becomes possible to hold | maintain (support) the structure, without causing the increase of the capacity and installation area of installation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram (cross-sectional view) showing a configuration of an embodiment of a fuel cell module according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a first fitting portion of one fuel cell tube and its periphery.
FIG. 3 (a) is a front view of a tube sheet in the embodiment of the fuel cell module according to the present invention.
(B) It is a front view of the heat insulator in the embodiment of the fuel cell module of the present invention.
FIG. 4 is an enlarged view of a second fitting portion for one fuel cell tube and its periphery.
FIG. 5 is an enlarged view of a first fitting portion and its periphery when a fitting ring is not used.
FIG. 6 is a diagram (cross-sectional view) showing a configuration of another embodiment of the fuel cell module according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a conventional cylindrical solid electrolyte fuel cell module.
[Explanation of symbols]
1 fuel gas
2 Oxidizing gas
3 Fuel cell tube
7 Oxidant gas supply chamber
7-1 Oxidant gas supply port
7-2 Oxidizer gas outlet
8 Supply room
8-1 Fuel gas supply port
8-2 First fitting part
9 discharge room
9-1 Fuel gas outlet
9-2 Second fitting part
10 Insulation
10-1 Thermal insulation A
10-2 Thermal insulation B
10-3 hole
12 Side plate
13 Side plate
14 Tube sheet A
15 Tube sheet B
16 Side plate
17 Side plate
21 Fuel cell
22 Power generation unit
23 (') Lead film
24 (') sealant
26 First fitting ring
26 'second fitting ring
27 (') filler
31 Side plate
32 holes
33 (') Fuel cell module
100 Fuel cell module
103 Fuel cell tube
104 outer tube
105 inner tube
107 Oxidant gas supply chamber
108 supply room
109 discharge chamber
110 Fuel gas supply unit
112 Top plate
113 Side plate
114 tube sheet
116 Side plate
117 tube sheet
121 side plate
122 bottom plate

Claims

A plurality of fuel cell tubes with fuel cells formed on the surface,
A first fuel chamber for supplying a fuel gas into the plurality of fuel cell tubes;
A second fuel chamber for discharging the used fuel gas in the plurality of fuel cell tubes;
An air chamber installed between the first fuel chamber and the second fuel chamber, the air chamber including the plurality of fuel cell tubes, and supplying an oxidizing gas to the fuel cells;
With
The first fuel chamber includes a plurality of first fitting portions in which one end portions of the plurality of fuel cell tubes are opened to a first tube plate as one side surface of the first fuel chamber and fitted.
The second fuel chamber includes a plurality of second fitting portions in which the other end portions of the plurality of fuel cell tubes are opened to a second tube plate as one side surface of the second fuel chamber and are fitted. ,
Fuel cell module.

The plurality of first fitting portions are interference fits between the first tube sheet and the plurality of fuel cell tubes.
The fuel cell module according to claim 1.

The plurality of second fitting portions are interference fits between the second tube sheet and the plurality of fuel cell tubes.
The fuel cell module according to claim 1.

A gas sealant is included between the first tube sheet and the plurality of fuel cell tubes, and at least one between the second tube sheet and the plurality of fuel cell tubes.
The fuel cell module according to claim 1.

The plurality of first fitting portions include a plurality of first fitting rings fitted to the first tube sheet,
The plurality of fuel cell tubes are coupled to the inside of the plurality of first fitting rings.
The fuel cell module according to claim 1.

The plurality of first fitting portions are interference fits between the first tube sheet and the plurality of first fitting rings.
The fuel cell module according to claim 5.

Including a gas sealant between the first tube sheet and the plurality of first fitting rings;
The fuel cell module according to claim 5.

The plurality of second fitting portions include a plurality of second fitting rings fitted to the second tube sheet,
The plurality of fuel cell tubes are coupled to the inside of the plurality of second fitting rings.
The fuel cell module according to claim 1.

The plurality of second fitting portions are interference fits between the second tube sheet and the plurality of second fitting rings.
A fuel cell module according to claim 8.

Including a gas sealant between the second tube sheet and the plurality of second fitting rings;
The fuel cell module according to claim 8.

A plurality of fuel cell tubes with fuel cells formed on the surface,
A first air chamber for supplying an oxidizing gas into the plurality of fuel cell tubes;
A second air chamber for discharging the oxidant gas used in the plurality of fuel cell tubes;
A fuel chamber installed between the first air chamber and the second air chamber, the fuel chamber including the plurality of fuel cell tubes, and supplying fuel gas to the fuel cells;
With
The first air chamber includes a plurality of third fitting portions in which one end portions of the plurality of fuel cell tubes are opened to a third tube plate as one side surface of the first air chamber and are fitted.
The second air chamber includes a plurality of fourth fitting portions in which the other end portions of the plurality of fuel cell tubes are opened to a fourth tube plate as one side surface of the second air chamber. ,
Fuel cell module.

The plurality of third fitting portions are interference fits between the third tube sheet and the plurality of fuel cell tubes,
The plurality of fourth fitting portions are interference fits between the fourth tube sheet and the plurality of fuel cell tubes.
The fuel cell module according to claim 11.

The plurality of third fitting portions include a plurality of third fitting rings fitted to the third tube sheet,
The plurality of fourth fitting portions include a plurality of fourth fitting rings fitted to the fourth tube sheet,
The plurality of fuel cell tubes are connected to the inside of the plurality of third fitting rings and to the inside of the plurality of fourth fitting rings.
The fuel cell module according to claim 11.

The plurality of third fitting portions are interference fits between the third tube sheet and the plurality of third fitting rings,
The plurality of fourth fitting portions are interference fits between the fourth tube sheet and the plurality of fourth fitting rings.
The fuel cell module according to claim 13.

A plurality of fuel cell tubes with fuel cells formed on the surface,
A first fuel chamber for supplying a fuel gas into the plurality of fuel cell tubes;
A second fuel chamber for discharging the used fuel gas in the plurality of fuel cell tubes;
An air chamber installed between the first fuel chamber and the second fuel chamber, the air chamber including the plurality of fuel cell tubes, and supplying an oxidizing gas to the fuel cells;
With
One end of each of the plurality of fuel cell tubes is opened and fitted to a first tube plate as one side surface of the first fuel chamber, and the other end thereof is connected to a second tube as one side surface of the second fuel chamber. A structural material that is opened and fitted to a tube sheet to hold a structure of the plurality of fuel cell tubes, the first fuel chamber, and the second fuel chamber;
Fuel cell module.