JP2012014922A - Fuel battery device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery device that is improved in power generation efficiency by uniformly supplying external gas to outside of fuel battery cells.SOLUTION: The fuel battery device 1 includes a reformer 20, a fuel battery cell aggregate 12 which is equipped with a plurality of tubular fuel battery cells 84 and has fuel gas flowing as internal gas from one-end part to the other-end part inside the fuel battery cells, a power generating air supply path 76 having a plurality of air outlets 78 for supplying power generating air as external gas and blowing out the power generating air to one-end part outside the tubular fuel battery cells, a combustion chamber 18 in which the remaining fuel gas not used for the power generation is burnt to generate fuel gas, and a combustion gas intake port 102 which is provided on the other-end part side of the fuel battery cells and exhausts the combustion gas generated at a combustion part to the outside. A bored plate 104 through which the combustion gas and the external gas are harder to pass at a part close to the combustion gas intake port 102 than at a part distant therefrom is arranged between the combustion chamber 18 and combustion gas intake port 102.

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガス(空気)により発電を行う燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas (air).

固体電解質型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, supplies fuel gas on one side, and supplies the other This is a fuel cell device that generates power by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the side and generating a power generation reaction at a relatively high temperature.

この燃料電池装置(SOFC)は、具体的には、燃料ガスと酸化剤ガス(空気、酸素等)とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体を有し、外部から原料ガスである被改質ガス(都市ガス等)が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、燃料電池セル集合体へと供給している。   Specifically, this fuel cell apparatus (SOFC) is a fuel having a plurality of fuel cells that operate when fuel gas and oxidant gas (air, oxygen, etc.) flow from one end side to the other end side. Hydrogen-rich fuel that has a battery cell assembly, is supplied with a reformed gas (city gas, etc.), which is a raw material gas, and is introduced into a reformer containing a reforming catalyst. After reforming into gas, the fuel cell assembly is supplied.

燃料電池装置においては、燃料ガスのうち発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスとして外部に排出し、一方、燃料ガスと酸化剤ガスの何れか一方を外部ガスとして、燃料電池セル集合体の外部に供給するようになっている。   In the fuel cell device, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction in the fuel gas is burned and discharged to the outside as a combustion gas, while either one of the fuel gas and the oxidant gas is used as the external gas, The fuel cell assembly is supplied to the outside.

例えば、特許文献1には、燃料電池セルの内側には燃料ガスを供給し、外側には酸素含有ガス(空気)を供給して発電すると共に、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより、改質器を加熱するようにした燃料電池装置が提案されている。   For example, in Patent Document 1, a fuel gas is supplied to the inside of a fuel cell, an oxygen-containing gas (air) is supplied to the outside to generate power, and the remaining fuel gas that has not been used in the power generation reaction is supplied. A fuel cell apparatus has been proposed in which combustion gas is generated by combustion and a reformer is heated by the combustion gas.

特開2005−19239号公報JP 2005-19239 A

特許文献1に示されたような従来の燃料電池装置の一例を図16により説明する。燃料電池装置120は、収納容器122を備え、その内部には、複数の燃料電池セル124を備えた燃料電池セルスタック126、被改質ガスが供給される改質器128、及び、改質された燃料ガスを収納して燃料電池セル124の内側に供給する燃料ガスタンク130が配置されている。収納容器122の下部には、酸素含有ガス(発電用空気)を燃料電池セル124の外側に供給するための酸素含有ガス配管132が取り付けられ、さらに、上部には、排気ガス配管134が取り付けられ、この排気ガス配管134から、燃焼部134において燃料ガスが燃焼して生成された燃焼ガスが改質器128を予熱した後に、外部に排出されるようになっている。   An example of a conventional fuel cell device as disclosed in Patent Document 1 will be described with reference to FIG. The fuel cell device 120 includes a storage container 122, and a fuel cell stack 126 including a plurality of fuel cells 124, a reformer 128 to which a gas to be reformed is supplied, and a reformer 128 are reformed. A fuel gas tank 130 for storing the supplied fuel gas and supplying it to the inside of the fuel cell 124 is disposed. An oxygen-containing gas pipe 132 for supplying oxygen-containing gas (power generation air) to the outside of the fuel cell 124 is attached to the lower part of the storage container 122, and an exhaust gas pipe 134 is attached to the upper part. From the exhaust gas pipe 134, the combustion gas generated by the combustion of the fuel gas in the combustion section 134 preheats the reformer 128 and is then discharged to the outside.

この図16に示された従来の燃料電池装置120においては、燃焼部136で生成された燃焼ガスA及び発電反応に使用されなかった残余の酸素含有ガス(発電用空気)Bは、低圧である排気ガス配管134の排出口に向けた偏った流れとなり、そのため、図16の左側中央部(C部)、及び、右側下部(D部)に位置する燃料電池セル124には、酸素含有ガス(発電用空気)Bが流れ難くなり、その結果、これらの場所(C部及びD部)において、燃料電池セルユニット126による発電反応の効率が低下することになる。このように、従来構造の燃料電池装置においては、燃料電池セルの外側に供給される酸素含有ガス(発電用空気)Bの流れが不均一となり、燃料電池装置の発電効率が低下するといった問題があった。さらに、燃料電池セルスッタックにおいて、燃料電池セルの温度が不均一となり、それにより、局所的な劣化に発展する恐れがあり、問題となっていた。   In the conventional fuel cell device 120 shown in FIG. 16, the combustion gas A generated in the combustion section 136 and the remaining oxygen-containing gas (power generation air) B that has not been used in the power generation reaction are at low pressure. Therefore, the fuel cell 124 positioned at the left center (C portion) and the lower right portion (D portion) in FIG. As a result, the efficiency of the power generation reaction by the fuel cell unit 126 decreases at these locations (C and D). As described above, in the fuel cell device having the conventional structure, the flow of the oxygen-containing gas (power generation air) B supplied to the outside of the fuel cell becomes uneven, and the power generation efficiency of the fuel cell device is reduced. there were. Further, in the fuel cell stack, the temperature of the fuel cell becomes non-uniform, which may lead to local deterioration, which is a problem.

そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池セルの外側に発電用空気等の外部ガスを均一に供給して、発電効率を向上させることができる燃料電池装置を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, and it is possible to improve the power generation efficiency by uniformly supplying external gas such as power generation air to the outside of the fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell device.

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、電気的に接続された複数の管状の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池セル集合体であって、管状の燃料電池セルの内側の一端部から他端部へ燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方が内部ガスとして流れる燃料電池セル集合体と、燃料ガス又は酸化剤ガスの他方を外部ガスとして供給し且つ管状の燃料電池セルの外側の一端部側にこの外部ガスを吹出すための複数の吹出口を備えたガス供給路と、燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃料ガスを生成する燃焼部と、管状の燃料電池セルの他端部側に設けられ、燃焼部で生成された燃焼ガスを外部に排出するための排出口と、を有し、燃焼部と排出口との間に、この排出口から近い部分では排出口から遠い部分に比べて、燃焼ガス及び外部ガスが通過し難くなるようにした流路抵抗付与部材が配置されていることを特徴としている。
このように構成された本発明においては、燃焼部と排出口との間に、この排出口から近い部分では排出口から遠い部分に比べて、燃焼ガス及び外部ガスが通過し難くなるようにした流路抵抗付与部材が配置されているので、流路抵抗付与部材が無い場合に生じる、燃焼ガス及び外部ガスの流れが排出口の方向へ指向する指向性が弱められる。その結果、本発明によれば、燃焼ガス及び外部ガスが排気口へ向けて偏って流れる(偏流が生じる)ことを防止し、それにより、複数の燃料電池セルへ外部ガスを均一に供給して、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。さらに、燃料電池セルの外側に供給される外部ガスの流れが不均一となることに起因する燃料電池セルの局所的な劣化も防止することができる。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is electrically connected to a reformer that generates a fuel gas by reforming a raw material gas in a fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas. A fuel cell assembly in which a fuel gas and an oxidant gas react with each other to generate electric power, from one end inside the tubular fuel cell. A fuel cell assembly in which either one of the fuel gas or the oxidant gas flows as an internal gas to the other end, and the other end of the tubular fuel cell that supplies the other of the fuel gas or the oxidant gas as an external gas A gas supply path provided with a plurality of outlets for blowing out the external gas on the part side, a combustion part for burning the remaining fuel gas that has not been used for power generation out of the fuel gas, and generating a fuel gas; Tubular fuel cell An exhaust port for exhausting the combustion gas generated in the combustion unit to the outside, and between the combustion unit and the exhaust port, from the exhaust port at a portion near the exhaust port Compared with a distant part, the flow-path resistance provision member which made it difficult for a combustion gas and external gas to pass through is arrange | positioned.
In the present invention configured as described above, the combustion gas and the external gas are less likely to pass between the combustion portion and the discharge port in the portion near the discharge port than in the portion far from the discharge port. Since the flow path resistance imparting member is disposed, the directivity in which the flow of the combustion gas and the external gas is directed toward the discharge port, which occurs when there is no flow path resistance imparted member, is weakened. As a result, according to the present invention, it is possible to prevent the combustion gas and the external gas from flowing unevenly toward the exhaust port (the occurrence of uneven flow), and thereby to supply the external gas uniformly to the plurality of fuel cells. The power generation efficiency of the fuel cell device can be improved. Furthermore, local deterioration of the fuel cell caused by non-uniform flow of the external gas supplied to the outside of the fuel cell can be prevented.

本発明において、好ましくは、流路抵抗付与部材は、複数の貫通孔が設けられた有孔板であり、排出口から近い部分の貫通孔の開口面積が、排出口から遠い部分の貫通孔よりも、小さく設定されている。
このように構成された本発明においては、流路抵抗付与部材による流路抵抗を貫通孔の開口面積により調整するようにしたので、簡易な構成により、排出口から近い部分では排出口から遠い部分に比べて、燃焼ガス及び外部ガスが通過し難くなるようにすることができ、その結果、燃焼ガス及び外部ガスが排気口へ向けて偏って流れる(偏流が生じる)ことを防止し、それにより、複数の燃料電池セルへ外部ガスを均一に供給して、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。
In the present invention, preferably, the flow path resistance imparting member is a perforated plate provided with a plurality of through holes, and the opening area of the through hole near the discharge port is larger than the through hole of the portion far from the discharge port. Even smaller is set.
In the present invention configured as described above, the flow resistance by the flow resistance imparting member is adjusted by the opening area of the through-hole, and therefore a portion that is far from the discharge port in a portion close to the discharge port with a simple configuration. As a result, it is possible to make it difficult for the combustion gas and the external gas to pass through, and as a result, the combustion gas and the external gas are prevented from flowing unevenly toward the exhaust port (the occurrence of a drift), thereby The external gas can be uniformly supplied to the plurality of fuel cells, and the power generation efficiency of the fuel cell device can be improved.

本発明において、好ましくは、流路抵抗付与部材は、同一開口面積を持つ複数の貫通孔が設けられた有孔板であり、排出口から近い部分の貫通孔の数が、排出口から遠い部分の貫通孔の数よりも、少なくなるように設定されている。
このように構成された本発明においては、流路抵抗付与部材による流路抵抗を貫通孔の数により調整するようにしたので、簡易な構成により、排出口から近い部分では排出口から遠い部分に比べて、燃焼ガス及び外部ガスが通過し難くなるようにすることができ、その結果、燃焼ガス及び外部ガスが排気口へ向けて偏って流れる(偏流が生じる)ことを防止し、それにより、複数の燃料電池セルへ外部ガスを均一に供給して、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。
In the present invention, preferably, the flow path resistance imparting member is a perforated plate provided with a plurality of through holes having the same opening area, and the number of through holes near the discharge port is a portion far from the discharge port. It is set to be smaller than the number of through holes.
In the present invention configured as described above, since the flow resistance by the flow resistance imparting member is adjusted by the number of through holes, the portion close to the discharge port is located far from the discharge port with a simple configuration. In comparison, it is possible to make it difficult for the combustion gas and the external gas to pass through. As a result, the combustion gas and the external gas are prevented from flowing unevenly toward the exhaust port (the occurrence of a drift), thereby It is possible to improve the power generation efficiency of the fuel cell device by uniformly supplying the external gas to the plurality of fuel cells.

本発明において、好ましくは、改質器は、燃焼部に配置されると共に、流路抵抗付与部材の貫通孔が、改質器と対向する位置に配置されている。
このように構成された本発明においては、燃焼部に配置されると共に、流路抵抗付与部材の貫通孔が、改質器と対向する位置に配置されているので、燃焼部において生成された燃焼ガスは、改質器の回りを流れて、流路抵抗付与部材の貫通孔を通過して、排出口に至る。その結果、本発明によれば、燃焼ガス及び外部ガスが排気口へ向けて偏って流れる(偏流が生じる)ことを防止し、それにより、複数の燃料電池セルへ外部ガスを均一に供給すると共に、燃焼ガスと改質器との接触面積を増大させて、改質器を十分に加熱することができる。
In the present invention, preferably, the reformer is disposed in the combustion portion, and the through hole of the flow path resistance imparting member is disposed at a position facing the reformer.
In the present invention configured as described above, since the through hole of the flow path resistance imparting member is disposed at a position facing the reformer while being disposed in the combustion section, the combustion generated in the combustion section The gas flows around the reformer, passes through the through hole of the flow path resistance imparting member, and reaches the discharge port. As a result, according to the present invention, it is possible to prevent the combustion gas and the external gas from flowing unevenly toward the exhaust port (i.e., causing a drift), thereby supplying the external gas uniformly to the plurality of fuel cells. The contact area between the combustion gas and the reformer can be increased to sufficiently heat the reformer.

本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池セルの外側に発電用空気等の外部ガスを均一に供給して、発電効率を向上させることができる。   According to the fuel cell device of the present invention, it is possible to uniformly supply external gas such as power generation air to the outside of the fuel cell, thereby improving the power generation efficiency.

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジングが外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell module in a state where a housing of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention is removed. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図2のA方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from the A direction of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図2のB方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from the B direction of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。It is a front view which shows the fuel cell unit of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 図2に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the fuel cell module showing a state where a casing covering the fuel cell assembly is removed from the fuel cell module shown in FIG. 2. 図6に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the evaporative mixer in the fuel cell module shown in FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図である。It is the schematic plan view which looked at the heat exchanger of the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from upper direction. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the heat exchanger of the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図2のB方向から見た概略図である。It is the schematic which looked at the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from the B direction of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図2のA方向から見た概略図である。It is the schematic which looked at the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention from the A direction of FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃料電池セル集合体を覆うケーシングの一部及び熱交換器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of casing which covers the fuel cell assembly of the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention, and a heat exchanger. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器に設けられた流路抵抗付与部材(有孔板)の第1例を示す平面図である。It is a top view which shows the 1st example of the flow-path resistance provision member (perforated board) provided in the heat exchanger of the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器に設けられた流路抵抗付与部材(有孔板)の第2例を示す平面図である。It is a top view which shows the 2nd example of the flow-path resistance provision member (perforated board) provided in the heat exchanger of the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃料電池セル集合体を上方から見たときの発電用空気の流れを示す概略図である。It is the schematic which shows the flow of the air for electric power generation when the fuel cell assembly of the fuel cell module of the fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention is seen from upper direction. 従来の燃料電池装置の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the conventional fuel cell apparatus.

次に、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による燃料電池装置である固体電解質型燃料電池(以下「燃料電池装置」又は「SOFC」と言う。)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるSOFCを示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態によるSOFC1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “fuel cell device” or “SOFC”) that is a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an SOFC according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the SOFC 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材(図示せず)を介して密封空間8が形成されている。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。
この燃料電池セル集合体12は、図6に示すように、10個の燃料電池セルスタック14を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(図5参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a sealed space 8 is formed in the housing 6 via a heat insulating material (not shown). A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and oxidant gas (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8.
As shown in FIG. 6, the fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14, and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16 (see FIG. 5). Has been. Thus, the fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス(空気)とが燃焼し、燃焼ガス(排気ガス)を生成するようになっている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガス(原料ガス)を改質する改質器20が配置され、上述した燃焼ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、詳細は後述する、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス(発電用空気)を加熱する熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 is formed above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, residual fuel gas and residual oxidant gas (not used for power generation reaction) ( Air) is combusted to generate combustion gas (exhaust gas).
A reformer 20 for reforming the fuel gas (raw material gas) is disposed above the combustion chamber 18 and has a temperature at which the reformer 20 can perform a reforming reaction by the combustion heat of the combustion gas. It is heated to become. Further, a heat exchanger 22 for heating an oxidant gas (power generation air) introduced from the outside by heat of the combustion gas, which will be described in detail later, is disposed above the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44(モータで駆動される「空気ブロア」等)及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores a pure water tank 26 that stores water from a water supply source 24 such as tap water and uses the filter to obtain pure water, and a water flow rate that adjusts the flow rate of the water supplied from the water storage tank. An adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) is provided. The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant gas supplied from an air supply source 40, and a reforming air flow rate adjustment unit 44 that adjusts the flow rate of air (driven by a motor). “Air blower” and the like, a power generation air flow rate adjustment unit 45 (such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and power generation And a second heater 48 for heating the power generation air supplied to the chamber. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like.
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に、図2乃至図4、図6、図7により、本発明の実施形態によるSOFCの燃料電池モジュール2の内部構造を説明する。図2は本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジング6が取り外された状態の燃料電池モジュール2を示す斜視図であり、図3は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール2を図2のA方向から見た断面図であり、図4は本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール2を図2のB方向から見た断面図であり、図6は図2に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図であり、図7は図6に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。   Next, the internal structure of the SOFC fuel cell module 2 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 4, 6, and 7. FIG. 2 is a perspective view showing the fuel cell module 2 with the housing 6 of the fuel cell device according to an embodiment of the present invention removed, and FIG. 3 is a fuel cell module of the fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell device 2 of the fuel cell apparatus according to an embodiment of the present invention, as viewed from the B direction of FIG. 2, and FIG. FIG. 7 is a perspective view of the fuel cell module showing a state in which a casing covering the fuel cell assembly is removed from the fuel cell module shown in FIG. 2, and FIG. 7 is a perspective view showing an evaporative mixer in the fuel cell module shown in FIG. is there.

先ず、図2乃至図4に示すように、燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12は、ケーシング56により、全体が覆われている。ここで、図6に示すように、燃料電池セル集合体12は、B方向よりA方向の方が長いほぼ直方体形状であり(図6参照)、上面12a、下面12b、図2のA方向に沿って延びる長辺側面12cと、図2のB方向に沿って延びる短辺側面12dを備えている。   First, as shown in FIGS. 2 to 4, the fuel cell assembly 12 of the fuel cell module 2 is entirely covered with a casing 56. Here, as shown in FIG. 6, the fuel cell assembly 12 has a substantially rectangular parallelepiped shape in which the A direction is longer than the B direction (see FIG. 6), and the upper surface 12 a, the lower surface 12 b, and the A direction in FIG. 2. A long side surface 12c extending along the direction and a short side surface 12d extending along the direction B in FIG. 2 are provided.

次に、燃料電池モジュール2内の密封空間8内の最下方部分には、蒸発混合器58が燃料電池セル集合体12の長辺側面12cに沿って設けられている。この蒸発混合器58は、後述するように、燃焼ガスにより加熱して、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス(都市ガス)と酸化剤ガスである空気とを混合するためのものである。この蒸発混合器58の一端側には、図2、図4、図7に示すように、被改質ガス供給管60と、水供給管62が接続され、被改質ガス供給管60は、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44から、被改質ガス(燃料ガス)及び改質用空気を導入するようになっている。   Next, an evaporative mixer 58 is provided along the long side surface 12 c of the fuel cell assembly 12 in the lowermost portion of the sealed space 8 in the fuel cell module 2. As will be described later, the evaporative mixer 58 is heated by combustion gas to turn water into steam, and this steam, fuel gas (city gas) as reformed gas, and air as oxidant gas, For mixing. As shown in FIGS. 2, 4, and 7, a reformed gas supply pipe 60 and a water supply pipe 62 are connected to one end side of the evaporative mixer 58. A reformed gas (fuel gas) and reforming air are introduced from the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44.

蒸発混合器58の他端側には、図4に示すように、燃料供給管64の下端が接続され、この燃料供給管64の上端は、改質器20の上流端に接続され、この燃料供給管64により、燃料ガスが蒸発混合器58から改質器20へ供給されるようになっている。また、改質器20の下流端には燃料供給管66の上端が接続され、この燃料供給管66の下端側66aは、燃料ガスタンク68内に進入して、水平方向に延びている。   As shown in FIG. 4, the lower end of the fuel supply pipe 64 is connected to the other end side of the evaporation mixer 58, and the upper end of the fuel supply pipe 64 is connected to the upstream end of the reformer 20. The fuel gas is supplied from the evaporative mixer 58 to the reformer 20 through the supply pipe 64. The upper end of the fuel supply pipe 66 is connected to the downstream end of the reformer 20, and the lower end side 66a of the fuel supply pipe 66 enters the fuel gas tank 68 and extends in the horizontal direction.

燃料ガスタンク68は、図3及び図4に示すように、燃料電池セル集合体12の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク68内に挿入された燃料供給管66の下端側66aの外周には、長手方向(A方向)に沿って複数の小穴(図示せず)が形成されており、改質器20で改質された燃料ガスが、燃料ガスタンク68内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク68に供給された燃料ガスは、後述するように、燃料電池セルユニット16の内側にある燃料ガス流路88(図5参照)内に供給され、燃料電池セルユニット16内を上昇して、燃焼室18に至るようになっている。   The fuel gas tank 68 is provided directly below the fuel cell assembly 12 as shown in FIGS. 3 and 4. A plurality of small holes (not shown) are formed along the longitudinal direction (direction A) on the outer periphery of the lower end side 66a of the fuel supply pipe 66 inserted into the fuel gas tank 68. The reformed fuel gas is uniformly supplied into the fuel gas tank 68 in the longitudinal direction. As will be described later, the fuel gas supplied to the fuel gas tank 68 is supplied into a fuel gas flow path 88 (see FIG. 5) inside the fuel cell unit 16 and then rises in the fuel cell unit 16. The combustion chamber 18 is reached.

次に、発電用空気を燃料電池モジュール2へ供給するための構造を説明する。先ず、図2乃至4に示すように、改質器20の上方に、燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12の上面12a及び短辺側面12d(図2及び図4の右側短辺側面)に沿って、上述した熱交換器22が設けられている。熱交換器22には、詳細は後述する複数の燃焼ガス配管70と、この燃焼ガス配管70の周囲に形成された発電用空気流路72が設けられている。   Next, a structure for supplying power generation air to the fuel cell module 2 will be described. First, as shown in FIGS. 2 to 4, above the reformer 20, the upper surface 12a and the short side surface 12d of the fuel cell assembly 12 of the fuel cell module 2 (the right short side surface in FIGS. 2 and 4). The heat exchanger 22 described above is provided. The heat exchanger 22 is provided with a plurality of combustion gas pipes 70, which will be described in detail later, and a power generation air passage 72 formed around the combustion gas pipes 70.

なお、本実施形態においては、熱交換器22は、燃料電池セル集合体12の上面12a及び右側の短辺側面12dに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器22を、右側の短辺側面12dのみに沿って設けても良いし、右側及び左側の両方の短辺側面12dのみに沿って設けても良いし、さらに、上面12a及び両側の短辺側面12dに沿って設けるようにしても良い。   In the present embodiment, the heat exchanger 22 is provided along the upper surface 12a and the right short side surface 12d of the fuel cell assembly 12, but not limited thereto, the heat exchanger 22 is provided. Further, it may be provided along only the right short side surface 12d, may be provided only along both the right and left short side surfaces 12d, and further along the upper surface 12a and the short side surfaces 12d on both sides. It may be provided.

熱交換器22の短辺側面12dに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図2に示すように、発電用空気導入管74の導入口74aが取り付けられており、この発電用空気導入管74により、発電用空気流量調整ユニット45から、発電用空気が、熱交換器22内に導入されるようになっている。   As shown in FIG. 2, an inlet 74a of a power generation air introduction pipe 74 is attached to one end of the lower end of the portion provided along the short side surface 12d of the heat exchanger 22, and this power generation Power generation air is introduced into the heat exchanger 22 from the power generation air flow rate adjustment unit 45 by the air introduction pipe 74.

また、図4及び図8に示すように、熱交換器22の上側の他端側には、発電用空気流路72の出口ポート72aが形成され、さらに、図3に示すように、燃料電池モジュール2のケーシング56の幅方向(B方向:短辺側面方向)の両側の外側には、発電用空気供給路76が形成され、上述した発電用空気流路72の出口ポート72aから、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路76は、燃料電池セル集合体12の長手方向(長辺側面12c方向)に沿って形成され、さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体12の下方側に対応する位置に、発電室10内の燃料電池セル集合体12の各燃料電池セルユニット16に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口78が、長手方向に沿って、等間隔に、形成されている。これらの吹出口78から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット16の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。   4 and 8, an outlet port 72a of the power generation air flow path 72 is formed on the other end on the upper side of the heat exchanger 22, and further, as shown in FIG. A power generation air supply passage 76 is formed on the outer sides of both sides of the casing 56 of the module 2 in the width direction (B direction: short side surface direction). Air is supplied. The power generation air supply path 76 is formed along the longitudinal direction of the fuel cell assembly 12 (the direction of the long side surface 12c) and further corresponds to the lower side of the fuel cell assembly 12. A plurality of outlets 78 are formed at equal intervals along the longitudinal direction for blowing out the power generation air toward each fuel cell unit 16 of the fuel cell assembly 12 in the power generation chamber 10 Has been. The power generation air blown out from these air outlets 78 flows from below to above along the outside of each fuel cell unit 16.

次に、燃料ガスと発電用空気(酸化剤ガス)が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。上述したように、熱交換器22内には、燃焼室18で燃料ガスと発電用空気(酸化剤ガス)が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管70が設けられている。図4に示すように、これらの燃焼ガス配管70の下流端側には、燃料電池セル集合体12の下方に位置し長手方向に延びる燃焼ガス排出室80が形成され、燃焼ガス配管70の下端側と燃焼ガス排出室80が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室80内に、上述した蒸発混合器58が配置され、この蒸発混合器58内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って、加熱されるようになっている。さらに、燃焼ガス排出室80の下面には、燃焼ガス排出管82が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。   Next, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air (oxidant gas) will be described. As described above, a plurality of combustion gas pipes 70 are provided in the heat exchanger 22 for discharging the combustion gas generated by burning the fuel gas and the power generation air (oxidant gas) in the combustion chamber 18. It has been. As shown in FIG. 4, a combustion gas discharge chamber 80 located below the fuel cell assembly 12 and extending in the longitudinal direction is formed on the downstream end side of these combustion gas pipes 70. The side and the combustion gas discharge chamber 80 are connected. The above-described evaporative mixer 58 is disposed in the combustion gas discharge chamber 80, and the fuel gas in the evaporative mixer 58 is heated along the longitudinal direction by the high-temperature combustion gas. ing. Further, a combustion gas discharge pipe 82 is connected to the lower surface of the combustion gas discharge chamber 80 so that the combustion gas is discharged to the outside.

次に図5により燃料電池セルユニット16について説明する。図5は、本発明の一実施形態によるSOFCの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図5に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内側(内部)に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a SOFC fuel cell unit according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.
The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 inside (inside), a cylindrical outer electrode layer 92, and an inner electrode layer. 90 and an electrolyte layer 94 between the outer electrode layer 92 and the outer electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 16 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に、図2、図8乃至図14により、熱交換器22の詳細構造を説明する。図8は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図であり、図9は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を示す概略側面図であり、図10は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図2のB方向から見た概略図であり、図11は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図2のA方向から見た概略図であり、図12は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの燃料電池セル集合体を覆うケーシングの一部及び熱交換器を示す斜視図であり、図13は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器に設けられた流路抵抗付与部材(有孔板)の第1例を示す平面図であり、図14は本実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器に設けられた流路抵抗付与部材(有孔板)の第2例を示す平面図である。   Next, the detailed structure of the heat exchanger 22 will be described with reference to FIGS. 2 and 8 to 14. FIG. 8 is a schematic plan view of the fuel cell module heat exchanger of the fuel cell device according to the present embodiment as viewed from above, and FIG. 9 is a schematic diagram illustrating the fuel cell module heat exchanger of the fuel cell device according to the present embodiment. FIG. 10 is a schematic view of the fuel cell module of the fuel cell apparatus according to the present embodiment as viewed from the direction B in FIG. 2, and FIG. 11 shows the fuel cell module of the fuel cell apparatus according to the present embodiment in FIG. FIG. 12 is a perspective view showing a part of the casing covering the fuel cell assembly of the fuel cell module of the fuel cell device according to the present embodiment and the heat exchanger, and FIG. These are top views which show the 1st example of the flow-path resistance provision member (perforated plate) provided in the heat exchanger of the fuel cell module of the fuel cell apparatus by this embodiment, FIG. 14 is the fuel cell by this embodiment. apparatus Is a plan view showing a second example of a provided in the heat exchanger of the fuel cell module flow resistance imparting member (perforated plate).

先ず、図2、図8、図9に示すように、熱交換器22内には、複数の燃焼ガス配管70は、流路抵抗を小さくするために、ほぼ直線状に延びるように配置されている。さらに、これらの燃焼ガス配管70が直線状に延びる方向に対して直角方向に延びる複数(具体的には7枚)のガイド板100が取り付けられている。これらのガイド板100は、燃焼ガス配管70の長手方向に沿って、ほぼ等間隔に、千鳥状に配置されている。これらのガイド板100は、燃焼ガス配管70を支持する支持部材としても機能している。これらのガイド板100を設けることにより、発電用空気流路72は、蛇行した流路となり、発電用空気は、燃焼ガス配管70と複数回交差して流れるようになっている。   First, as shown in FIGS. 2, 8, and 9, a plurality of combustion gas pipes 70 are arranged in the heat exchanger 22 so as to extend substantially linearly in order to reduce the flow resistance. Yes. Further, a plurality of (specifically, seven) guide plates 100 extending in a direction perpendicular to the direction in which the combustion gas pipes 70 extend linearly are attached. These guide plates 100 are arranged in a staggered pattern at substantially equal intervals along the longitudinal direction of the combustion gas pipe 70. These guide plates 100 also function as a support member that supports the combustion gas pipe 70. By providing these guide plates 100, the power generation air flow path 72 becomes a meandering flow path, and the power generation air flows so as to cross the combustion gas pipe 70 a plurality of times.

次に、図10に示すように、熱交換器22の燃焼ガス配管70の上流側には、燃焼ガス入口ポート102が形成され、燃焼室18で生成された燃焼ガスが、燃焼室18より低圧の燃焼ガス入口ポート102に向かって、流れるようになっている。本実施形態においては、この燃焼ガス入口ポート102と、燃焼室18との間に、流路抵抗付与部材である有孔板104が設けられている。また、この有孔板104は、図12に示すように、ケーシング56及び熱交換器22の一部として形成されている。
さらに、本実施形態においては、熱交換器22の外側面が、燃料電池セル集合体12を覆うケーシング56の壁面の少なくとも一部を兼ねている。
Next, as shown in FIG. 10, a combustion gas inlet port 102 is formed on the upstream side of the combustion gas pipe 70 of the heat exchanger 22, and the combustion gas generated in the combustion chamber 18 is lower in pressure than the combustion chamber 18. Toward the combustion gas inlet port 102. In the present embodiment, a perforated plate 104 as a flow path resistance imparting member is provided between the combustion gas inlet port 102 and the combustion chamber 18. The perforated plate 104 is formed as a part of the casing 56 and the heat exchanger 22 as shown in FIG.
Furthermore, in the present embodiment, the outer surface of the heat exchanger 22 also serves as at least a part of the wall surface of the casing 56 that covers the fuel cell assembly 12.

この有孔板104には、複数の貫通孔106が形成されている。この貫通孔106の形成位置は、図11に示すように、改質器20の上方で且つ改質器20に対向する位置である。   A plurality of through holes 106 are formed in the perforated plate 104. As shown in FIG. 11, the through hole 106 is formed at a position above the reformer 20 and facing the reformer 20.

次に、流路抵抗付与部材である有孔板104について、図13及び図14により、詳細に説明する。図13に示すように、第1例である、有孔板104は、長手方向に沿って形成された複数の貫通孔106、即ち、4個の貫通孔106a,106b,106c,106dが形成されている。これらの貫通孔106は、燃焼ガス入口ポート102から近いもの(106a)ほど、開口面積が小さくなり、遠いもの(106d)ほど、開口面積が大きくなるように設定されている。これにより、例えば、開口面積が小さい貫通孔106aにおいては、通過する燃焼ガス及び燃料電池セルユニット16による発電反応に使用されなかった残余の発電用空気に対する流路抵抗が大きくなり、流量が減少し、一方、開口面積が大きな貫通孔106dにおいては、通過する燃焼ガス及び発電用空気に対する流路抵抗が小さくなり、流量が増大する。   Next, the perforated plate 104, which is a flow path resistance imparting member, will be described in detail with reference to FIGS. As shown in FIG. 13, a perforated plate 104, which is a first example, has a plurality of through holes 106 formed along the longitudinal direction, that is, four through holes 106a, 106b, 106c, and 106d. ing. These through-holes 106 are set such that the closer to the combustion gas inlet port 102 (106a), the smaller the opening area, and the farther (106d), the larger the opening area. Thereby, for example, in the through hole 106a having a small opening area, the flow resistance with respect to the passing combustion gas and the remaining power generation air that has not been used for the power generation reaction by the fuel cell unit 16 increases, and the flow rate decreases. On the other hand, in the through hole 106d having a large opening area, the flow resistance against the passing combustion gas and power generation air is reduced, and the flow rate is increased.

同様に、図14に示すように、第2例である、有孔板104は、長手方向に沿って同一開口面積の貫通孔106が複数個形成されている。この第2例においては、燃焼ガス入口ポート102から近いほど、貫通孔106の数が少なく、遠いほど、貫通孔106の数が多くなるように設定されている。これにより、第1例と同様に、燃焼ガス入口ポート102から近い貫通孔106においては、開口面積の総量が小さくなるので、通過する燃焼ガス及び発電用空気に対する流路抵抗が大きくなり、流量が減少し、一方、燃焼ガス入口ポート102から遠き貫通孔106においては、開口面積の総量が大きくなるので、通過する燃焼ガス及び発電用空気に対する流路抵抗が小さくなり、流量が増大する。   Similarly, as shown in FIG. 14, the perforated plate 104, which is the second example, has a plurality of through holes 106 having the same opening area along the longitudinal direction. In this second example, the number of through-holes 106 is set to be smaller as it is closer to the combustion gas inlet port 102, and the number of through-holes 106 is set to be larger as it is farther away. As a result, as in the first example, in the through hole 106 close to the combustion gas inlet port 102, the total amount of the opening area is reduced, so that the flow resistance against the passing combustion gas and power generation air is increased, and the flow rate is increased. On the other hand, in the through hole 106 far from the combustion gas inlet port 102, the total amount of the opening area is increased, so that the flow resistance against the passing combustion gas and power generation air is reduced, and the flow rate is increased.

次に、上述した本実施形態による燃料電池装置の作用(動作)を説明する。先ず、本実施形態による燃料電池装置においては、発電用空気(酸化剤ガス)を供給する発電用空気供給路76の複数の吹出口78が、燃料電池セル集合体12の長辺側面12cに沿って配置されているので、ほぼ直方体形状である燃料電池セル集合体12の厚みの薄い方向(B方向)に発電用空気(酸化剤ガス)が吹き出され、これにより、燃料電池セル12の全てに発電用空気(酸化剤ガス)を行き渡らせることができる。一方、発電用空気(酸化剤ガス)を燃料電池セル集合体12の短辺側面へ向けて吹き出しても、燃料電池セル集合体12の厚みの厚い方向(A方向)に発電用空気(酸化剤ガス)が吹き出されるので、燃料電池セル12の全てに発電用空気(酸化剤ガス)を行き渡らせることが困難である。そこで、本実施形態においては、燃料電池セル集合体12の短辺側面12dに沿って熱交換器22を配置するようにした。この結果、本実施形態による燃料電池装置によれば、発電用空気(酸化剤ガス)を燃料電池セル84の全てに行き渡らせることにより発電性能を確保しながら、熱交換器22の配置を工夫することにより、燃料電池装置のコンパクト化を達成することができる。   Next, the operation (operation) of the fuel cell device according to the present embodiment described above will be described. First, in the fuel cell device according to the present embodiment, the plurality of air outlets 78 of the power generation air supply path 76 for supplying power generation air (oxidant gas) extend along the long side surface 12 c of the fuel cell assembly 12. Therefore, the power generation air (oxidant gas) is blown out in the direction (B direction) in which the thickness of the fuel cell assembly 12 having a substantially rectangular parallelepiped shape is thin. Power generation air (oxidant gas) can be distributed. On the other hand, even if the power generation air (oxidant gas) is blown out toward the short side surface of the fuel cell assembly 12, the power generation air (oxidant) is increased in the direction in which the fuel cell assembly 12 is thick (direction A). Gas) is blown out, and it is difficult to spread the power generation air (oxidant gas) to all of the fuel cells 12. Therefore, in the present embodiment, the heat exchanger 22 is arranged along the short side surface 12d of the fuel cell assembly 12. As a result, according to the fuel cell device according to the present embodiment, the arrangement of the heat exchanger 22 is devised while ensuring the power generation performance by spreading the power generation air (oxidant gas) to all of the fuel cells 84. As a result, the fuel cell device can be made compact.

次に、本実施形態において、燃料電池セル集合体12は、長辺側面12cに沿って配置された吹出口78により発電用空気(酸化剤ガス)が吹き出されるので、長辺側面12cの近傍の燃料電池セル84は冷却され易いが、短辺側面12dの近傍の燃料電池セル84は発電用空気(酸化剤ガス)が行き渡り難いので冷却され難くなり、その結果、燃料電池セル集合体12が、長手方向(長辺側面方向)に沿って温度差が生じ、燃料電池セル集合体12が発電性能を十分に発揮できなくなる恐れがある。これに対し、本実施形態においては、熱交換器22の外側面を燃料電池セル集合体12を覆うケーシング56の壁面の少なくとも一部を兼ねるようにしているので、短辺側面12dの近傍の燃料電池セル84からの熱を熱交換器22により奪い易くなり、その結果、燃料電池セル集合体12における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。   Next, in this embodiment, since the fuel cell assembly 12 blows out power generation air (oxidant gas) from the air outlet 78 disposed along the long side surface 12c, the vicinity of the long side surface 12c. The fuel cell 84 is easily cooled, but the fuel cell 84 near the short side surface 12d is difficult to cool because the power generation air (oxidant gas) is difficult to reach. As a result, the fuel cell assembly 12 There is a possibility that a temperature difference occurs along the longitudinal direction (long side surface direction), and the fuel cell assembly 12 cannot sufficiently exhibit the power generation performance. On the other hand, in the present embodiment, the outer surface of the heat exchanger 22 is also used as at least a part of the wall surface of the casing 56 that covers the fuel cell assembly 12, so that the fuel in the vicinity of the short side surface 12d. Heat from the battery cell 84 can be easily taken away by the heat exchanger 22, and as a result, a temperature difference that occurs along the longitudinal direction of the fuel cell assembly 12 can be reduced.

次に、本実施形態において、燃料電池セル集合体12の長辺側面12cの両側に設けられた吹出口78から燃料電池セル集合体12の長辺側面12cの両側に向かって発電用空気(酸化剤ガス)を供給するようにしているので、図15に示すように、長辺側面12cの両側から燃料電池セル集合体12に吹き付けられた発電用空気(酸化剤ガス)は、燃料電池セル集合体12の内部で緩衝して、短辺側面12dの方向に流出すると共に上方へ流出する。その結果、本実施形態による燃料電池装置によれば、燃料電池セル集合体12の短辺側面12d近傍にある燃料電池セル84が冷却され、燃料電池セル集合体12における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。   Next, in the present embodiment, power generation air (oxidation) is directed from the air outlets 78 provided on both sides of the long side surface 12c of the fuel cell assembly 12 toward both sides of the long side surface 12c of the fuel cell assembly 12. As shown in FIG. 15, power generation air (oxidant gas) blown to the fuel cell assembly 12 from both sides of the long side surface 12c is supplied to the fuel cell assembly as shown in FIG. It is buffered inside the body 12 and flows out in the direction of the short side surface 12d and flows upward. As a result, according to the fuel cell device according to the present embodiment, the fuel cell 84 in the vicinity of the short side surface 12d of the fuel cell assembly 12 is cooled, and the temperature generated along the longitudinal direction of the fuel cell assembly 12 The difference can be reduced.

次に、本実施形態においては、熱交換器22に発電用空気(酸化剤ガス)を導入する発電用空気導入管74の導入口74aが燃料電池セル集合体12の短辺側面12dの近傍に設けられているので、この導入口74aにより熱交換器22内に導入される発電用空気(酸化剤ガス)により、燃料電池セル集合体12の短辺側面12dの近傍の燃料電池セル84が効率良く冷却され、これにより、本実施形態によれば、燃料電池セル集合体12における長手方向に沿って生じる温度差を低減することができる。   Next, in the present embodiment, the inlet 74 a of the power generation air introduction pipe 74 that introduces the power generation air (oxidant gas) into the heat exchanger 22 is in the vicinity of the short side surface 12 d of the fuel cell assembly 12. Therefore, the fuel cell 84 in the vicinity of the short side surface 12d of the fuel cell assembly 12 is made efficient by the power generation air (oxidant gas) introduced into the heat exchanger 22 through the introduction port 74a. Cooled well, and according to this embodiment, the temperature difference produced along the longitudinal direction in the fuel cell assembly 12 can be reduced.

次に、本実施形態においては、発電用空気導入管74の導入口74aが熱交換器の燃焼室18から遠い側寄りに設けられているので、熱交換器22において、比較的低温である導入口74aが設けられた部分が、比較的高温となる燃焼室18に近い部分から遠く離れ、これにより、局所的な冷却を防止すると共に、温度差が大きな場合に生じる破損の恐れを防止することができる。   Next, in the present embodiment, since the introduction port 74a of the power generation air introduction pipe 74 is provided on the side far from the combustion chamber 18 of the heat exchanger, the introduction at a relatively low temperature in the heat exchanger 22 is performed. The portion provided with the opening 74a is far away from the portion close to the combustion chamber 18 where the temperature is relatively high, thereby preventing local cooling and preventing the possibility of damage caused when the temperature difference is large. Can do.

次に、本実施形態においては、熱交換器22が、燃料電池セル集合体12の上面12aと短辺側面12dに亘って設けられているので、燃焼ガスと発電用空気(酸化剤ガス)とが熱交換を行なう距離を長く取ることができ、これにより、発電用空気(酸化剤ガス)を容易に高温にすることができる。   Next, in this embodiment, since the heat exchanger 22 is provided over the upper surface 12a and the short side surface 12d of the fuel cell assembly 12, the combustion gas, power generation air (oxidant gas), and Can take a long distance for heat exchange, and thus the power generation air (oxidant gas) can be easily heated to a high temperature.

次に、本実施形態においては、熱交換器22の燃焼ガス配管70がぼぼ直線状に延びるので、流路抵抗が小さくなり、燃焼室18から円滑に燃焼ガスを排出して、燃焼を促進する共に、ガイド板100により、燃焼ガス配管70に対して複数回交差するように発電用空気(酸化剤ガス)の流れをガイドしているので、熱交換を効率良く行なうことができる。   Next, in the present embodiment, since the combustion gas pipe 70 of the heat exchanger 22 extends substantially linearly, the flow path resistance is reduced, and the combustion gas is smoothly discharged from the combustion chamber 18 to promote combustion. In both cases, since the flow of power generation air (oxidant gas) is guided by the guide plate 100 so as to intersect the combustion gas pipe 70 a plurality of times, heat exchange can be performed efficiently.

次に、本実施形態においては、燃焼室18と排出口である燃焼ガス入口ポート102との間に、この燃焼ガス入口ポート102から近い部分では燃焼ガス入口ポート102から遠い部分に比べて、燃焼ガス及び発電用空気(外部ガス)が通過し難くなるようにした有孔板(流路抵抗付与部材)104が配置されているので、有孔板104が無い場合に生じる、燃焼ガス及び発電用空気の流れが燃焼ガス入口ポート102の方向へ指向する指向性が弱められる。その結果、本実施形態によれば、燃焼ガス及び発電用空気が燃焼ガス入口ポート102へ向けて偏って流れる(偏流が生じる)ことを防止し、それにより、複数の燃料電池セル84へ発電用空気(外部ガス)を均一に供給して、燃料電池装置の発電効率を向上させることができる。さらに、燃料電池セル84の外側に供給される発電用空気の流れが不均一となることに起因する燃料電池セル84の局所的な劣化も防止することができる。   Next, in the present embodiment, the portion near the combustion gas inlet port 102 between the combustion chamber 18 and the combustion gas inlet port 102 which is an exhaust port is combusted as compared with the portion far from the combustion gas inlet port 102. Since the perforated plate (flow path resistance imparting member) 104 that makes it difficult for gas and power generation air (external gas) to pass therethrough is disposed, the combustion gas and power generation generated when there is no perforated plate 104 The directivity in which the air flow is directed toward the combustion gas inlet port 102 is weakened. As a result, according to the present embodiment, the combustion gas and the power generation air are prevented from flowing unevenly toward the combustion gas inlet port 102 (the occurrence of a drift), thereby generating power for the plurality of fuel cells 84. The power generation efficiency of the fuel cell device can be improved by supplying air (external gas) uniformly. Furthermore, local deterioration of the fuel cell 84 caused by non-uniform flow of power generation air supplied to the outside of the fuel cell 84 can also be prevented.

次に、本実施形態においては、有孔板104による流路抵抗を貫通孔106の開口面積、又は、貫通孔106の数により調整するようにしたので、簡易な構成により、燃焼ガス入口ポート102から近い部分では燃焼ガス入口ポート102から遠い部分に比べて、燃焼ガス及び発電用空気が通過し難くなるようにすることができる。   Next, in this embodiment, since the flow resistance by the perforated plate 104 is adjusted by the opening area of the through hole 106 or the number of the through holes 106, the combustion gas inlet port 102 has a simple configuration. Compared with a portion far from the combustion gas inlet port 102, the combustion gas and the power generation air can be made less likely to pass through the portion closer to.

さらに、本実施形態においては、燃焼室18に配置されると共に、有孔板104の貫通孔106が、改質器20と対向する位置に配置されているので、燃焼室18において生成された燃焼ガスは、改質器20の回りを流れて、有孔板104の貫通孔106を通過して、燃焼ガス入口ポート102に至る。その結果、本実施形態によれば、燃焼ガス及び発電用空気が燃焼ガス入口ポート102へ向けて偏って流れる(偏流が生じる)ことを防止し、それにより、複数の燃料電池セル84へ外部ガスを均一に供給すると共に、燃焼ガスと改質器との接触面積を増大させて、改質器20を十分に加熱することができる。   Furthermore, in the present embodiment, since the through hole 106 of the perforated plate 104 is disposed at a position facing the reformer 20, the combustion generated in the combustion chamber 18 is disposed in the combustion chamber 18. The gas flows around the reformer 20, passes through the through hole 106 of the perforated plate 104, and reaches the combustion gas inlet port 102. As a result, according to the present embodiment, the combustion gas and power generation air are prevented from flowing unevenly toward the combustion gas inlet port 102 (i.e., the occurrence of drift), whereby the external gas is supplied to the plurality of fuel cells 84. Can be supplied uniformly, and the contact area between the combustion gas and the reformer can be increased to sufficiently heat the reformer 20.

上述した本実施形態による燃料電池装置においては、燃料電池セル集合体12の燃料電池セル84の外側に供給される外部ガスは、発電用空気(酸化剤ガス)であり、一方、燃料電池セル84の内部を流れる内部ガスは、燃料ガスである。しかしながら、本実施形態は、これに限定されず、外部ガスとして、燃料ガスを使用し、一方、燃料電池セル84の内部を流れる内部ガスとして、発電用空気(酸化剤ガス)を使用するようにしても良い。   In the fuel cell device according to the present embodiment described above, the external gas supplied to the outside of the fuel cell 84 of the fuel cell assembly 12 is power generation air (oxidant gas). The internal gas flowing through the inside is fuel gas. However, the present embodiment is not limited to this, and fuel gas is used as the external gas, while power generation air (oxidant gas) is used as the internal gas flowing inside the fuel cell 84. May be.

さらに、上述した本実施形態による燃料電池装置においては、蒸発混合器58が燃料電池セル集合体12の下方に配置されているが、本実施形態は、これに限定されず、蒸発混合器58を、燃料電池セル集合体12の短辺側面12dに沿って配置された熱交換器22内に配置するようにしても良い。この場合には、熱交換器22内において、外部ガス(燃料ガス又は発電用空気)及び蒸発混合器58内の燃料ガスの両方が、燃焼ガスにより、加熱される。   Furthermore, in the fuel cell device according to the present embodiment described above, the evaporative mixer 58 is disposed below the fuel cell assembly 12, but the present embodiment is not limited to this, and the evaporative mixer 58 is provided. The fuel cell assembly 12 may be disposed in the heat exchanger 22 disposed along the short side surface 12d. In this case, in the heat exchanger 22, both the external gas (fuel gas or power generation air) and the fuel gas in the evaporation mixer 58 are heated by the combustion gas.

1 燃料電池装置(SOFC)
2 燃料電池モジュール
6 ハウジング
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
22 熱交換器
56 ケーシング
58 蒸発混合器
60 被改質ガス供給管
62 水供給管
64,66 燃料供給管
68 燃料ガスタンク
70 燃料ガス配管
72 発電用空気流路
72a 出口ポート
74 発電用空気導入管
74a 導入口
76 発電用空気供給路
78 吹出口
80 燃焼ガス排出室
82 燃焼ガス排出管
84 燃料電池セル
100 ガイド板
102 燃焼ガス入口ポート
104 有孔板(流路抵抗付与部材)
106 貫通孔
1 Fuel cell equipment (SOFC)
2 Fuel cell module 6 Housing 8 Sealed space 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit 18 Combustion chamber 20 Reformer 22 Heat exchanger 56 Casing 58 Evaporative mixer 60 Reformed gas Supply pipe 62 Water supply pipe 64, 66 Fuel supply pipe 68 Fuel gas tank 70 Fuel gas pipe 72 Power generation air flow path 72a Outlet port 74 Power generation air introduction pipe 74a Inlet port 76 Power generation air supply path 78 Air outlet 80 Combustion gas discharge Chamber 82 Combustion gas discharge pipe 84 Fuel cell 100 Guide plate 102 Combustion gas inlet port 104 Perforated plate (channel resistance imparting member)
106 Through hole

Claims (4)

燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、
原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、
電気的に接続された複数の管状の燃料電池セルを有し、これらの燃料電池セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池セル集合体であって、管状の燃料電池セルの内側の一端部から他端部へ燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方が内部ガスとして流れる上記燃料電池セル集合体と、
燃料ガス又は酸化剤ガスの他方を外部ガスとして供給し且つ上記管状の燃料電池セルの外側の一端部側にこの外部ガスを吹出すための複数の吹出口を備えたガス供給路と、
上記燃料ガスのうち発電に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃料ガスを生成する燃焼部と、
上記管状の燃料電池セルの他端部側に設けられ、上記燃焼部で生成された燃焼ガスを外部に排出するための排出口と、を有し、
上記燃焼部と上記排出口との間に、この排出口から近い部分では排出口から遠い部分に比べて、燃焼ガス及び外部ガスが通過し難くなるようにした流路抵抗付与部材が配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
In a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas,
A reformer that reforms the raw material gas to produce fuel gas;
A fuel cell assembly having a plurality of electrically connected tubular fuel cells and generating power by reacting fuel gas and oxidant gas by these fuel cells, The fuel cell assembly, wherein either one of the fuel gas or the oxidant gas flows as an internal gas from one end to the other end on the inside;
A gas supply path having a plurality of outlets for supplying the other of the fuel gas or the oxidant gas as an external gas and blowing out the external gas to one end of the tubular fuel cell;
A combustion section that generates fuel gas by burning the remaining fuel gas that has not been used for power generation among the fuel gas;
A discharge port provided on the other end side of the tubular fuel cell, for discharging the combustion gas generated in the combustion section to the outside,
Between the combustion section and the discharge port, a flow path resistance imparting member is arranged so that the combustion gas and the external gas are less likely to pass through the portion near the discharge port than in the portion far from the discharge port. A fuel cell device characterized by comprising:
上記流路抵抗付与部材は、複数の貫通孔が設けられた有孔板であり、上記排出口から近い部分の貫通孔の開口面積が、排出口から遠い部分の貫通孔よりも、小さく設定されている請求項1に記載の燃料電池装置。   The flow path resistance imparting member is a perforated plate provided with a plurality of through holes, and an opening area of a through hole in a portion near the discharge port is set smaller than a through hole in a portion far from the discharge port. The fuel cell device according to claim 1. 上記流路抵抗付与部材は、同一開口面積を持つ複数の貫通孔が設けられた有孔板であり、上記排出口から近い部分の貫通孔の数が、排出口から遠い部分の貫通孔の数よりも、少なくなるように設定されている請求項1に記載の燃料電池装置。   The flow path resistance imparting member is a perforated plate provided with a plurality of through holes having the same opening area, and the number of through holes in a portion near the discharge port is the number of through holes in a portion far from the discharge port. 2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell device is set to be smaller than the first. 上記改質器は、上記燃焼部に配置されると共に、上記流路抵抗付与部材の貫通孔が、上記改質器と対向する位置に配置されている請求項2又は3に記載の燃料電池装置。   4. The fuel cell device according to claim 2, wherein the reformer is disposed in the combustion section, and a through hole of the flow path resistance imparting member is disposed at a position facing the reformer. 5. .
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