JP2015225828A - Fuel battery module - Google Patents

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JP2015225828A JP2014111918A JP2014111918A JP2015225828A JP 2015225828 A JP2015225828 A JP 2015225828A JP 2014111918 A JP2014111918 A JP 2014111918A JP 2014111918 A JP2014111918 A JP 2014111918A JP 2015225828 A JP2015225828 A JP 2015225828A
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直樹 渡邉
Naoki Watanabe
直樹 渡邉
暢夫 井坂
Nobuo Isaka
暢夫 井坂
佐藤　真樹
Maki Sato
真樹 佐藤
田中　修平
Shuhei Tanaka
修平 田中
琢也 星子
Takuya Hoshiko
琢也 星子
安藤　茂
Shigeru Ando
茂 安藤
岡本　修
Osamu Okamoto
修 岡本
保夫 柿沼
Yasuo Kakinuma
保夫 柿沼
潔 端山
Kiyoshi Hayama
潔 端山
正紀 古屋
Masanori Furuya
正紀 古屋
大 籾山
Dai Momiyama
大 籾山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery module that can remove sulfur components in raw fuel gas without increasing the size of the device.SOLUTION: A fuel battery module (2) has a solid oxide type fuel battery cell (16), a power generation chamber (10) in which the solid oxide type fuel battery cell (16) is mounted, a fuel gas dispersing chamber (76) which is disposed at one side of the power generation chamber and distributes fuel gas to each fuel battery cell, a fuel gas passage (20) provided to surround the power generation chamber, an exhaust gas passage (21) provided to surround the fuel gas passage (20), an exhaust gas chamber (23) which is provided to be located inside the exhaust gas passage and at the opposite side to the power generation chamber with respect to the fuel gas dispersing chamber and in/from which the exhaust gas is made to flow and discharged, a bus bar (80) which is connected to the fuel battery cell and leads power through the fuel gas dispersing chamber to the exhaust gas chamber side, a heat insulation member (73a) for heat-insulating the fuel gas dispersing chamber, and a desulfurizer (36) disposed in the exhaust gas chamber so as to surround the bas bar.

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池モジュールに関し、特に、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell module, and more particularly to a fuel cell module that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas.

固体酸化物型燃料電池（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、比較的高温で動作する燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, attaches electrodes on both sides thereof, and supplies fuel gas on one side, The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side.

特開２０１３−１８２７０７号公報（特許文献１）には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置においては、燃料電池セルを収容する発電室を円筒状の部材で構成し、この円筒状の部材の外側に第２の円筒状の部材を配置して、これらの部材間の空間により、燃料供給通路を構成している。さらに、第２の円筒状の部材の外側には、第３の円筒状の部材が配置され、第２、第３の円筒状の部材の間の空間により、排気ガスの排気通路を構成している。また、第３の円筒状の部材の外側には、第４の円筒状の部材が配置され、第３、第４の円筒状の部材の間の空間により、発電用の酸化剤ガスである空気を供給する空気供給通路が形成されている。   Japanese Patent Laying-Open No. 2013-182707 (Patent Document 1) describes a fuel cell device. In this fuel cell device, the power generation chamber that accommodates the fuel cell is constituted by a cylindrical member, and a second cylindrical member is disposed outside the cylindrical member, and a space between these members is formed. Thus, a fuel supply passage is configured. Further, a third cylindrical member is disposed outside the second cylindrical member, and an exhaust gas exhaust passage is constituted by a space between the second and third cylindrical members. Yes. In addition, a fourth cylindrical member is disposed outside the third cylindrical member, and air that is an oxidant gas for power generation is formed by a space between the third and fourth cylindrical members. An air supply passage for supplying the air is formed.

特開２０１３−１８２７０７号公報記載の燃料電池装置においては、このような構成を採用することにより、排気通路内を流れる排気ガスと燃料供給通路内を流れる燃料ガスの間の熱交換、及び排気通路内を流れる排気ガスと空気供給通路内を流れる空気の間の熱交換を可能にしている。これにより、専用の、独立した熱交換器を設けることなく、燃料電池モジュールをコンパクトに構成しながら、排気の熱を有効利用することに成功している。   In the fuel cell device described in JP 2013-182707 A, by adopting such a configuration, heat exchange between the exhaust gas flowing in the exhaust passage and the fuel gas flowing in the fuel supply passage, and the exhaust passage Heat exchange between the exhaust gas flowing inside and the air flowing inside the air supply passage is enabled. As a result, it has succeeded in effectively utilizing the heat of the exhaust gas while making the fuel cell module compact without providing a dedicated and independent heat exchanger.

一方、都市ガス、プロパンガス等を原燃料ガスとして、これを改質して水素ガスを得ているタイプの燃料電池装置においては、原燃料ガス中に含まれている硫黄成分を除去した上で、燃料電池セルに供給する必要がある。燃料ガス中に含まれる硫黄成分は、燃料電池セルに吸着され、燃料電池セルを劣化させ、燃料電池セルの損傷を引き起こす。このため、都市ガス、プロパンガス等を原燃料ガスとする燃料電池装置においては、脱硫用の装置を備えておく必要がある。   On the other hand, in the type of fuel cell device in which hydrogen gas is obtained by reforming city gas, propane gas or the like as raw fuel gas, sulfur components contained in the raw fuel gas are removed. It is necessary to supply the fuel cell. The sulfur component contained in the fuel gas is adsorbed by the fuel battery cell, deteriorates the fuel battery cell, and causes damage to the fuel battery cell. For this reason, in a fuel cell device using city gas, propane gas or the like as raw fuel gas, it is necessary to provide a desulfurization device.

特開２０１３−１８２７０７号公報JP 2013-182707 A

しかしながら、脱硫用の装置を正常に作動させるには、装置内の触媒を所定の温度に加熱しておく必要があり、触媒の加熱用に専用の加熱装置を設けると装置が複雑化するという問題がある。また、特開２０１３−１８２７０７号公報記載の燃料電池装置のように、独立した熱交換器を備えていない燃料電池モジュールに、脱硫用の装置を組み合わせると、装置全体が大型化するという問題がある。   However, in order for the desulfurization apparatus to operate normally, it is necessary to heat the catalyst in the apparatus to a predetermined temperature, and providing a dedicated heating apparatus for heating the catalyst complicates the apparatus. There is. Further, when a desulfurization device is combined with a fuel cell module that does not have an independent heat exchanger, as in the fuel cell device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-182707, there is a problem that the entire device becomes large. .

従って、本発明は、装置を複雑化、大型化することなく、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる燃料電池モジュールを提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of removing sulfur components in raw fuel gas without complicating and increasing the size of the apparatus.

上述した課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させる複数の固体酸化物型燃料電池セルと、これら複数の固体酸化物型燃料電池セルを収容した発電室と、発電室の一方の側に配置され、各固体酸化物型燃料電池セルに燃料ガスを分配する燃料ガス分散室と、発電室を取り囲むように設けられ、燃料ガス分散室に燃料ガスを導く環状の燃料ガス通路と、この燃料ガス通路を取り囲むように設けられ、発電室から排出される排気ガスを導く環状の排気ガス通路と、排気ガス通路の内側、且つ、燃料ガス分散室に対して発電室の反対側に位置するように設けられ、排気ガス通路によって導かれた排気ガスを流入させ、燃料電池モジュール外へ排出する排気ガス室と、複数の固体酸化物型燃料電池セルに接続され、燃料ガス分散室を通って排気ガス室側へ電力を導くバスバーと、燃料ガス分散室と排気ガス室との間を断熱する断熱材と、バスバーを取り囲むように、排気ガス室内に配置されることにより、排気ガスによって加熱され、供給された原燃料ガス中の硫黄成分を除去して燃料ガス通路に流入させる環状の脱硫器と、を有することを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fuel cell module that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas, and a plurality of solid oxide fuel cells that react the fuel gas and the oxidant gas. A cell, a power generation chamber that houses the plurality of solid oxide fuel cells, a fuel gas dispersion chamber that is disposed on one side of the power generation chamber and distributes fuel gas to each solid oxide fuel cell, An annular fuel gas passage that is provided to surround the power generation chamber and guides the fuel gas to the fuel gas dispersion chamber, and an annular exhaust gas that is provided to surround the fuel gas passage and guides the exhaust gas discharged from the power generation chamber The exhaust gas passage is provided inside the exhaust gas passage and on the opposite side of the power generation chamber with respect to the fuel gas dispersion chamber. The exhaust gas guided by the exhaust gas passage is introduced into the fuel cell module. An exhaust gas chamber that discharges to the outside, a bus bar that is connected to a plurality of solid oxide fuel cells and guides power to the exhaust gas chamber through the fuel gas dispersion chamber, and a fuel gas dispersion chamber and an exhaust gas chamber. The heat insulating material that insulates the space and the exhaust gas chamber so as to surround the bus bar are heated by the exhaust gas to remove the sulfur component in the supplied raw fuel gas and flow into the fuel gas passage And an annular desulfurizer.

本発明においては、複数の固体酸化物型燃料電池セルが発電室内に収容され、これを取り囲むように環状の燃料ガス通路、環状の排気ガス通路が夫々設けられる。発電室の一方の側には燃料ガス分散室が設けられ、この燃料ガス分散室に対して発電室の反対側には排気ガス室が設けられる。また、排気ガス室は、排気ガス通路の内側に位置するように配置されると共に、排気ガス通路によって導かれた排気ガスを流入させ、燃料電池モジュール外へ排出する。さらに、複数の固体酸化物型燃料電池セルに接続されたバスバーが、燃料ガス分散室を通って排気ガス室側へ電力を導く。排気ガス室内に配置された脱硫器は、バスバーを取り囲むように環状に形成され、排気ガスによって加熱されることにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去する。さらに、排気ガス室と燃料ガス分散室との間は断熱材によって断熱される。   In the present invention, a plurality of solid oxide fuel cells are accommodated in a power generation chamber, and an annular fuel gas passage and an annular exhaust gas passage are provided so as to surround each. A fuel gas dispersion chamber is provided on one side of the power generation chamber, and an exhaust gas chamber is provided on the opposite side of the power generation chamber with respect to the fuel gas dispersion chamber. Further, the exhaust gas chamber is disposed so as to be located inside the exhaust gas passage, and the exhaust gas guided by the exhaust gas passage is introduced into the exhaust gas chamber to be discharged out of the fuel cell module. Furthermore, the bus bar connected to the plurality of solid oxide fuel cells guides electric power to the exhaust gas chamber side through the fuel gas dispersion chamber. The desulfurizer disposed in the exhaust gas chamber is formed in an annular shape so as to surround the bus bar, and is heated by the exhaust gas to remove sulfur components in the raw fuel gas. Further, the exhaust gas chamber and the fuel gas dispersion chamber are insulated by a heat insulating material.

このように構成された本発明によれば、燃料ガス分散室に対して発電室の反対側の、従来はデッドスペースとなっていた空間に脱硫器を配置しているので、装置全体を大型化することなく原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。また、排気ガス通路からの排気ガスを排気ガス室に引き込み、この熱によって脱硫器を加熱するので、特別な加熱手段を設けることなく、脱硫器を加熱することができる。また、燃料ガス分散室と排気ガス室の間が断熱材によって断熱されているので、脱硫器が過度に加熱されるのを防止することができると共に、燃料ガス分散室から過度に熱が流失し、発電効率が低下するのを防止することができる。さらに、排気ガス室が排気ガス通路の内側に配置されているので、排気ガスの通路を過度に延長することなく、排気ガスを排気ガス室に引き込むことができる。また、燃料ガス通路は排気ガス通路の内側に設けられているので、脱硫器において脱硫された原燃料ガスを、短い経路で燃料ガス通路に流入させることができる。さらに、脱硫器はバスバーを取り囲むように環状に形成されているので、固体酸化物型燃料電池セルからの電力の引き出しと干渉することなく、脱硫器を配置することができる。また、脱硫器は環状に形成されているので、原燃料ガスが脱硫器内を流れる流路を長くすることができ、効率良く硫黄成分を除去することができる。   According to the present invention configured as described above, since the desulfurizer is disposed in a space that has been a dead space on the opposite side of the power generation chamber with respect to the fuel gas dispersion chamber, the entire apparatus is enlarged. The sulfur component in the raw fuel gas can be removed without doing so. Further, since the exhaust gas from the exhaust gas passage is drawn into the exhaust gas chamber and the desulfurizer is heated by this heat, the desulfurizer can be heated without providing any special heating means. In addition, since the space between the fuel gas dispersion chamber and the exhaust gas chamber is insulated by a heat insulating material, it is possible to prevent the desulfurizer from being heated excessively, and excessive heat is lost from the fuel gas dispersion chamber. It is possible to prevent the power generation efficiency from being lowered. Furthermore, since the exhaust gas chamber is disposed inside the exhaust gas passage, the exhaust gas can be drawn into the exhaust gas chamber without excessively extending the exhaust gas passage. Further, since the fuel gas passage is provided inside the exhaust gas passage, the raw fuel gas desulfurized in the desulfurizer can be introduced into the fuel gas passage through a short route. Furthermore, since the desulfurizer is formed in an annular shape so as to surround the bus bar, the desulfurizer can be disposed without interfering with the drawing of electric power from the solid oxide fuel cell. Further, since the desulfurizer is formed in an annular shape, the flow path through which the raw fuel gas flows in the desulfurizer can be lengthened, and the sulfur component can be efficiently removed.

本発明において、好ましくは、さらに、排気ガス室を貫通するように、バスバーを通すためのバスバー通路が設けられ、このバスバー通路にはセラミック系の接着剤が充填されることによりバスバーが固定され、脱硫器は、バスバー通路を取り囲むように配置されている。   In the present invention, preferably, a bus bar passage for passing the bus bar is provided so as to penetrate the exhaust gas chamber. The bus bar passage is filled with a ceramic-based adhesive to fix the bus bar, The desulfurizer is disposed so as to surround the bus bar passage.

このように構成された本発明によれば、バスバー通路にセラミック系の接着剤を充填することによりバスバーが固定されているので、燃料ガス分散室の気密性を確保しながらバスバーを引き出すことができると同時に、燃料ガス分散室からの熱の流失も抑制することができる。   According to the present invention configured as described above, since the bus bar is fixed by filling the bus bar passage with the ceramic adhesive, the bus bar can be pulled out while ensuring the airtightness of the fuel gas dispersion chamber. At the same time, heat loss from the fuel gas dispersion chamber can be suppressed.

本発明において、好ましくは、断熱材は、燃料ガス分散室に沿って設けられた断熱材板状部、及びこの断熱材板状部からバスバー通路を取り囲むように延びる断熱材突出部を備え、脱硫器は、断熱材突出部を取り囲むように配置されている。   In the present invention, it is preferable that the heat insulating material includes a heat insulating material plate-like portion provided along the fuel gas dispersion chamber, and a heat insulating material protrusion that extends from the heat insulating material plate-like portion so as to surround the bus bar passage. The vessel is arranged so as to surround the heat insulating material protrusion.

このように構成された本発明によれば、バスバー通路を取り囲む断熱材突出部が設けられているので、バスバー通路を形成する部材を介した燃料ガス分散室から排気ガス室への熱の流出を抑制することができ、断熱性を確保しながらバスバー通路を構成することができる。   According to the present invention configured as described above, since the heat insulating material projecting portion surrounding the bus bar passage is provided, the heat outflow from the fuel gas dispersion chamber to the exhaust gas chamber via the member forming the bus bar passage is prevented. The bus bar passage can be configured while ensuring heat insulation.

本発明の燃料電池モジュールによれば、装置を複雑化、大型化することなく、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。   According to the fuel cell module of the present invention, the sulfur component in the raw fuel gas can be removed without complicating and increasing the size of the apparatus.

本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram illustrating a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールに内蔵されている燃料電池セル収容容器の断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell storage container incorporated in the fuel cell module by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールに内蔵されている燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。It is sectional drawing which decomposed | disassembled and showed the main member of the fuel cell storage container incorporated in the fuel cell module by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールに内蔵されている排気集約室の部分を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the part of the exhaust collection chamber incorporated in the fuel cell module by one Embodiment of this invention. 図２におけるV−V断面である。It is a VV cross section in FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールに内蔵されている脱硫器の斜視図である。It is a perspective view of the desulfurizer built in the fuel cell module by one Embodiment of this invention. （ａ）下端がカソードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）下端がアノードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図である。(A) It is sectional drawing which expands and shows the lower end part of the fuel cell by which the lower end is made into the cathode, (b) It is sectional drawing which expands and shows the lower end part of the fuel cell by which the lower end is made into the anode is there.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、本発明の一実施形態による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 device (SOFC) including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram illustrating a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4 according to an embodiment of the present invention.

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、外側断熱材７を介して燃料電池セル収容容器８が配置されている。この燃料電池セル収容容器８内の内部には発電室１０が構成され、この発電室１０の中には複数の燃料電池セル１６が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル１６により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a fuel cell storage container 8 is disposed inside the housing 6 via an outer heat insulating material 7. A power generation chamber 10 is configured inside the fuel cell storage container 8, and a plurality of fuel cell cells 16 are concentrically arranged in the power generation chamber 10. With these fuel cell cells 16, A power generation reaction of air, which is fuel gas and oxidant gas, is performed.

各燃料電池セル１６の上端部には、排気集約室１８が取り付けられている。各燃料電池セル１６において発電反応に使用されずに残った残余の燃料（オフガス）は、上端部に取り付けられた排気集約室１８に集められ、この排気集約室１８の上部に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室１０内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。   An exhaust collecting chamber 18 is attached to the upper end of each fuel cell 16. The remaining fuel (off-gas) that is not used in the power generation reaction in each fuel cell 16 is collected in an exhaust collection chamber 18 attached to the upper end, and a plurality of fuel cells 16 provided above the exhaust collection chamber 18 are collected. It flows out from the spout. The fuel that has flowed out is burned by the air remaining in the power generation chamber 10 without being used for power generation, and exhaust gas is generated.

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、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置であ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から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。   Next, the auxiliary unit 4 stores a water from a water supply source 24 such as a tap water and uses a filter to obtain pure water, and a water for adjusting the flow rate of the water supplied from the pure water tank. A water flow rate adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) as a supply device is provided. The auxiliary unit 4 also has a fuel blower 38 (a “fuel pump” driven by a motor) that is a fuel supply device that adjusts the flow rate of a hydrocarbon-based raw fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas. Etc.).

なお、燃料ブロア３８を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール２内に配置された脱硫器３６を介して燃料ガス供給流路２１（図２）に供給される。また、脱硫器３６においては、原燃料ガスに水素ガスを添加しておくことにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。このため、補機ユニット４には、原燃料ガスに水素ガスを添加するための凝縮器３３、オリフィス３４及び電磁弁３５が内蔵されている。これらの構成及び作用については後述する。   The raw fuel gas that has passed through the fuel blower 38 is supplied to the fuel gas supply passage 21 (FIG. 2) via the desulfurizer 36 disposed in the fuel cell module 2. Further, in the desulfurizer 36, the sulfur component in the raw fuel gas can be removed by adding hydrogen gas to the raw fuel gas. For this reason, the auxiliary unit 4 includes a condenser 33, an orifice 34, and a solenoid valve 35 for adding hydrogen gas to the raw fuel gas. These configurations and operations will be described later.

また、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である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）を備えている。   The auxiliary unit 4 also includes an air flow rate adjustment unit 45 (such as an “air blower” driven by a motor) that is an oxidant gas supply device that adjusts the flow rate of air supplied from the air supply source 40. .

さらに、補機ユニット４には、燃料電池モジュール２からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置５０が備えられている。この温水製造装置５０には、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。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュール２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。 Further, the auxiliary unit 4 is provided with a hot water production device 50 for recovering the heat of the exhaust gas from the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water, 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).
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 2 to the outside.

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による燃料電池モジュール２に内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図２は燃料電池モジュール２の断面図であり、図３は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
図２に示すように、燃料電池セル収容容器８内の空間には、複数の燃料電池セル１６が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料ガス通路である燃料ガス供給流路２０、排気ガス通路である排ガス排出流路２１、酸化剤ガス供給流路２２が順に同心円状に形成されている。 Next, the internal structure of the fuel cell housing container built in the fuel cell module 2 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2, and FIG. 3 is an exploded cross-sectional view of the main members of the fuel cell storage container.
As shown in FIG. 2, a plurality of fuel cells 16 are concentrically arranged in a space in the fuel cell storage container 8, and a fuel gas supply channel 20 that is a fuel gas passage so as to surround the periphery thereof. An exhaust gas exhaust passage 21 and an oxidant gas supply passage 22 which are exhaust gas passages are formed concentrically in order.

まず、図２に示すように、燃料電池セル収容容器８は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ５６が接続され、底面には、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８が接続されている。   First, as shown in FIG. 2, the fuel cell storage container 8 is a substantially cylindrical hermetic container, and an oxidant gas introduction pipe serving as an oxidant gas inlet for supplying air for power generation is provided on the side surface thereof. An exhaust gas exhaust pipe 58 for exhaust gas exhaust is connected to the bottom surface.

図２及び図３に示すように、燃料電池セル収容容器８の内部には、燃料電池セル１６の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材６４、外側円筒部材６６、内側円筒容器６８、外側円筒容器７０が配置されている。上述した燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、及び酸化剤ガス供給流路２２は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、燃料ガス供給流路２０は発電室１０を取り囲むように配置され、排ガス排出流路２１は燃料ガス供給流路２０を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路２２は排ガス排出流路２１を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器８の下端側の空間には、排ガス排出流路２１によって導かれた排気ガスが流入する排気ガス室２３が設けられている。   As shown in FIGS. 2 and 3, inside the fuel cell storage container 8, an inner cylindrical member 64, which is a power generation chamber constituting member, and an outer cylindrical member in order from the inside so as to surround the periphery of the fuel cell 16. 66, an inner cylindrical container 68 and an outer cylindrical container 70 are arranged. The above-described fuel gas supply flow path 20, exhaust gas discharge flow path 21, and oxidant gas supply flow path 22 are flow paths configured between these cylindrical members and cylindrical containers, respectively, and between adjacent flow paths. Heat exchange takes place at. That is, the fuel gas supply channel 20 is disposed so as to surround the power generation chamber 10, the exhaust gas discharge channel 21 is disposed so as to surround the fuel gas supply channel 20, and the oxidant gas supply channel 22 is configured as the exhaust gas discharge channel. 21 is arranged so as to surround 21. In addition, an exhaust gas chamber 23 into which the exhaust gas guided by the exhaust gas discharge passage 21 flows is provided in the space on the lower end side of the fuel cell storage container 8.

内側円筒部材６４は、概ね円筒状の中空体であり、その上端及び下端は開放されている。また、内側円筒部材６４の内壁面には、分散室形成板である円形の第１固定部材６３が気密的に溶接されている。この第１固定部材６３の下面と、内側円筒部材６４の内壁面と、分散室底部材７２の上面により、燃料ガス分散室７６が画定される。また、第１固定部材６３には、各々燃料電池セル１６を挿通させる複数の挿通穴６３ａが形成されており、各燃料電池セル１６は、各挿通穴６３ａに挿通された状態で、セラミック接着剤により第１固定部材６３に接着されている。このように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池モジュール２を構成する部材間相互の接合部には、セラミック接着剤が充填され、硬化されることにより、各部材が相互に気密的に接合されている。   The inner cylindrical member 64 is a substantially cylindrical hollow body, and its upper end and lower end are open. A circular first fixing member 63 that is a dispersion chamber forming plate is airtightly welded to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64. A fuel gas dispersion chamber 76 is defined by the lower surface of the first fixing member 63, the inner wall surface of the inner cylindrical member 64, and the upper surface of the dispersion chamber bottom member 72. The first fixing member 63 is formed with a plurality of insertion holes 63a through which the fuel battery cells 16 are inserted, and each fuel battery cell 16 is inserted into each insertion hole 63a in the ceramic adhesive. Is bonded to the first fixing member 63. As described above, in the solid oxide fuel cell device 1 of the present embodiment, each member constituting the fuel cell module 2 is filled with the ceramic adhesive in the joint portion between the members constituting the fuel cell module 2 and cured. Are hermetically joined to each other.

外側円筒部材６６は、内側円筒部材６４の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材６４との間に円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材６４と概ね相似形に形成されている。さらに、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間には中間円筒部材６５が配置されている。中間円筒部材６５は、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間に配置された円筒状の管である。内側円筒部材６４の外側円筒部材６６の間の空間上部には改質部９４が構成されている。また、中間円筒部材６５の外周面と、外側円筒部材６６の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路２０として機能する。このため、改質部９４及び燃料ガス供給流路２０は、燃料電池セル１６における発熱及び排気集約室１８上端における残余燃料の燃焼により熱を受ける。また、内側円筒部材６４の上端部と外側円筒部材６６の上端部は溶接により気密的に接合されており、燃料ガス供給流路２０の上端は閉鎖されている。さらに、中間円筒部材６５の下端と、内側円筒部材６４の外周面は、溶接により気密的に接合されている。   The outer cylindrical member 66 is a cylindrical tube disposed around the inner cylindrical member 64, and is generally similar to the inner cylindrical member 64 so that an annular flow path is formed between the outer cylindrical member 66 and the inner cylindrical member 64. It is formed into a shape. Further, an intermediate cylindrical member 65 is disposed between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66. The intermediate cylindrical member 65 is a cylindrical tube disposed between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66. A reforming portion 94 is formed in the upper portion of the space between the outer cylindrical member 66 of the inner cylindrical member 64. An annular space between the outer peripheral surface of the intermediate cylindrical member 65 and the inner peripheral surface of the outer cylindrical member 66 functions as the fuel gas supply channel 20. Therefore, the reforming unit 94 and the fuel gas supply channel 20 receive heat due to heat generation in the fuel cell 16 and combustion of residual fuel at the upper end of the exhaust collecting chamber 18. Further, the upper end portion of the inner cylindrical member 64 and the upper end portion of the outer cylindrical member 66 are hermetically joined by welding, and the upper end of the fuel gas supply channel 20 is closed. Furthermore, the lower end of the intermediate cylindrical member 65 and the outer peripheral surface of the inner cylindrical member 64 are hermetically joined by welding.

内側円筒容器６８は、外側円筒部材６６の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材６６との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材６６と概ね相似形に形成されている。この内側円筒容器６８は、内側円筒部材６４の上端の開放部を覆うように配置される。外側円筒部材６６の外周面と、内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路２１（図２）として機能する。この排ガス排出流路２１は、内側円筒部材６４の上端部に設けられた複数の小穴６４ａを介して内側円筒部材６４の内側の空間と連通している。また、外側円筒部材６６の下部内周面と、内側円筒部材６４の下部外周面を接続するように、排気ガス横断通路２３ａが設けられている。この排気ガス横断通路２３ａにより、燃料ガス供給流路２０を横断して、排ガス排出流路２１と排気ガス室２３が連通される。   The inner cylindrical container 68 is a cup-shaped member having a circular cross section disposed around the outer cylindrical member 66, and an annular flow path having a substantially constant width is formed between the inner cylindrical container 68 and the outer cylindrical member 66. The side surface is formed in a generally similar shape to the outer cylindrical member 66. The inner cylindrical container 68 is disposed so as to cover the open portion at the upper end of the inner cylindrical member 64. An annular space between the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 functions as the exhaust gas discharge passage 21 (FIG. 2). The exhaust gas discharge passage 21 communicates with the space inside the inner cylindrical member 64 through a plurality of small holes 64 a provided in the upper end portion of the inner cylindrical member 64. Further, an exhaust gas crossing passage 23 a is provided so as to connect the lower inner peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the lower outer peripheral surface of the inner cylindrical member 64. Through the exhaust gas crossing passage 23 a, the exhaust gas discharge passage 21 and the exhaust gas chamber 23 are communicated with each other across the fuel gas supply passage 20.

排ガス排出流路２１の下部には、燃焼触媒器６０及びこれを加熱するためのヒーターであるシースヒーター６１が配置されている。
燃焼触媒器６０は、排気ガス横断通路２３ａよりも上方に、外側円筒部材６６の外周面と内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路２１を下降した排気ガスは、燃焼触媒器６０を通過することにより一酸化炭素が除去され、排気ガス横断通路２３ａを通って排気ガス室２３に流入する。
シースヒーター６１は、燃焼触媒器６０の下方の、外側円筒部材６６の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置１の起動時において、シースヒーター６１に通電することにより、その近傍に配置されている燃焼触媒器６０が活性温度まで加熱される。 A combustion catalyst 60 and a sheath heater 61 that is a heater for heating the combustion catalyst 60 are disposed below the exhaust gas discharge passage 21.
The combustion catalyst 60 is a catalyst filled in an annular space between the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 above the exhaust gas crossing passage 23 a. The exhaust gas descending the exhaust gas discharge passage 21 passes through the combustion catalyst 60 to remove carbon monoxide and flows into the exhaust gas chamber 23 through the exhaust gas crossing passage 23a.
The sheath heater 61 is an electric heater attached so as to surround the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 below the combustion catalyst 60. When the solid oxide fuel cell device 1 is started, the sheath heater 61 is energized, whereby the combustion catalyst 60 disposed in the vicinity thereof is heated to the activation temperature.

外側円筒容器７０は、内側円筒容器６８の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器６８との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器６８と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器６８の外周面と、外側円筒容器７０の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路２２として機能する。また、外側円筒容器７０の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ５６が接続されており、酸化剤ガス供給流路２２が酸化剤ガス導入パイプ５６に連通される。   The outer cylindrical container 70 is a cup-shaped member having a circular cross section disposed around the inner cylindrical container 68, and an annular channel having a substantially constant width is formed between the outer cylindrical container 70 and the inner cylindrical container 68. The side surface is formed in a substantially similar shape to the inner cylindrical container 68. An annular space between the outer peripheral surface of the inner cylindrical container 68 and the inner peripheral surface of the outer cylindrical container 70 functions as the oxidant gas supply channel 22. Further, an oxidant gas introduction pipe 56 is connected to the lower side surface of the outer cylindrical container 70, and the oxidant gas supply flow path 22 communicates with the oxidant gas introduction pipe 56.

分散室底部材７２は、概ね円形の皿状の部材であり、内側円筒部材６４の内壁面にセラミック接着剤により気密的に固定される。これにより、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に、燃料ガス分散室７６が構成される。また、分散室底部材７２の中央には、バスバー８０（図２）を挿通させるためのバスバー通路である挿通管７２ａが設けられている。各燃料電池セル１６に電気的に接続されたバスバー８０は、この挿通管７２ａを通して燃料電池セル収容容器８の外部に引き出される。また、挿通管７２ａには、セラミック接着剤が充填されることにより、バスバー８０が固定され、燃料ガス分散室７６の気密性が確保されている。また、セラミック接着剤は断熱性が高いため、燃料ガス分散室７６から、挿通管７２ａを介した熱の流失も抑制することができる。   The dispersion chamber bottom member 72 is a substantially circular dish-like member, and is hermetically fixed to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64 with a ceramic adhesive. Thereby, a fuel gas dispersion chamber 76 is formed between the first fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72. Further, at the center of the dispersion chamber bottom member 72, an insertion tube 72a that is a bus bar passage for inserting the bus bar 80 (FIG. 2) is provided. The bus bar 80 electrically connected to each fuel cell 16 is drawn out of the fuel cell storage container 8 through the insertion tube 72a. Further, the insertion tube 72a is filled with a ceramic adhesive, whereby the bus bar 80 is fixed, and the airtightness of the fuel gas dispersion chamber 76 is secured. Further, since the ceramic adhesive has high heat insulating properties, heat loss from the fuel gas dispersion chamber 76 through the insertion tube 72a can be suppressed.

さらに、内側円筒部材６４の内周面、分散室底部材７２の底面、及び挿通管７２ａの外周面によって画定される円環状の空間は、排気ガス室２３として利用される。即ち、排気ガス室２３は、円環状の排ガス排出流路２１及び燃料ガス供給流路２０の内側で、燃料ガス分散室７６に対して発電室１０の反対側に位置するように設けられている。なお、本明細書において、「排ガス排出流路２１の内側」とは、円環状の排ガス排出流路２１を軸線方向に投影した投影面の中に排気ガス室２３の少なくとも一部が存在することを意味する。「燃料ガス供給流路２０の内側」についても同様である。この排気ガス室２３には、その側面上部に排気ガス横断通路２３ａが接続され、排気ガスが導入される。また、排気ガス室２３の底面には、排ガス排出パイプ５８が接続され、この排ガス排出パイプ５８を通して排気ガスが燃料電池モジュール２の外部へ排出される。   Further, an annular space defined by the inner peripheral surface of the inner cylindrical member 64, the bottom surface of the dispersion chamber bottom member 72, and the outer peripheral surface of the insertion tube 72 a is used as the exhaust gas chamber 23. That is, the exhaust gas chamber 23 is provided inside the annular exhaust gas discharge passage 21 and the fuel gas supply passage 20 so as to be located on the opposite side of the power generation chamber 10 with respect to the fuel gas dispersion chamber 76. . In the present specification, “inside the exhaust gas discharge passage 21” means that at least a part of the exhaust gas chamber 23 exists in a projection plane obtained by projecting the annular exhaust gas discharge passage 21 in the axial direction. Means. The same applies to “the inside of the fuel gas supply channel 20”. The exhaust gas chamber 23 is connected to an exhaust gas crossing passage 23a at the upper part of the side surface, and exhaust gas is introduced. An exhaust gas exhaust pipe 58 is connected to the bottom surface of the exhaust gas chamber 23, and exhaust gas is exhausted to the outside of the fuel cell module 2 through the exhaust gas exhaust pipe 58.

図２に示すように、内側円筒部材６４の内周面、分散室底部材７２の底面、及び挿通管７２ａの外周面によって画定される円環状の空間内には断熱材が配置されている。この断熱材は、燃料ガス分散室７６（分散室底部材７２の底面）に沿って配置された断熱材板状部７３ａと、この断熱材板状部７３ａから挿通管７２ａの周囲を取り囲むように延びる断熱材突出部７３ｂから構成されている。このため、上記の円環状の空間のうち、断熱材板状部７３ａ及び断熱材突出部７３ｂによって占められた空間を除いた空間が排気ガス室２３として機能する。これらの断熱材板状部７３ａ及び断熱材突出部７３ｂは、燃料ガス分散室７６と排気ガス室２３との間を断熱するように配置されている。なお、分散室底部材７２は金属製であるため、その全体が燃料ガス分散室７６内の温度と同程度まで温度上昇するが、挿通管７２ａの周囲にも断熱材突出部７３ｂが配置されているため、分散室底部材７２を介した排気ガス室２３への熱の流出も抑制される。   As shown in FIG. 2, a heat insulating material is disposed in an annular space defined by the inner peripheral surface of the inner cylindrical member 64, the bottom surface of the dispersion chamber bottom member 72, and the outer peripheral surface of the insertion tube 72a. The heat insulating material surrounds the periphery of the insertion tube 72a from the heat insulating material plate-like portion 73a disposed along the fuel gas dispersion chamber 76 (the bottom surface of the dispersion chamber bottom member 72). It is comprised from the heat insulating material protrusion part 73b extended. For this reason, a space excluding the space occupied by the heat insulating material plate-like portion 73 a and the heat insulating material protrusion 73 b in the annular space functions as the exhaust gas chamber 23. These heat insulating material plate portion 73 a and heat insulating material protrusion 73 b are arranged so as to insulate between the fuel gas dispersion chamber 76 and the exhaust gas chamber 23. Since the dispersion chamber bottom member 72 is made of metal, the temperature of the entire dispersion chamber rises to the same level as the temperature in the fuel gas dispersion chamber 76, but a heat insulating material protrusion 73b is also arranged around the insertion tube 72a. Therefore, the outflow of heat to the exhaust gas chamber 23 via the dispersion chamber bottom member 72 is also suppressed.

また、排気ガス室２３内には、断熱材突出部７３ｂを取り囲むように、水添脱硫器である脱硫器３６が配置されている。この脱硫器３６は、排気ガス室２３に導入される排気ガスにより、触媒作用が可能な温度に加熱される。この脱硫器３６の構成については、後述する。   Further, in the exhaust gas chamber 23, a desulfurizer 36, which is a hydrodesulfurizer, is disposed so as to surround the heat insulating material protrusion 73b. The desulfurizer 36 is heated to a temperature capable of catalysis by the exhaust gas introduced into the exhaust gas chamber 23. The configuration of the desulfurizer 36 will be described later.

一方、内側円筒容器６８の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ７４が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ７４は、内側円筒容器６８の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル１６が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ７４の上端が内側円筒容器６８の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器６８と外側円筒容器７０の間に形成されている酸化剤ガス供給流路２２と酸化剤ガス噴射用パイプ７４が連通される。酸化剤ガス供給流路２２を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の先端から下方に噴射され、第１固定部材６３の上面に当たって、発電室１０内全体に広がる。   On the other hand, an oxidant gas injection pipe 74 having a circular cross section for injecting air for power generation is attached so as to hang down from the ceiling surface of the inner cylindrical container 68. The oxidant gas injection pipe 74 extends in the vertical direction on the central axis of the inner cylindrical container 68, and each fuel cell 16 is disposed on a concentric circle around it. By attaching the upper end of the oxidant gas injection pipe 74 to the ceiling surface of the inner cylindrical container 68, the oxidant gas supply flow path 22 and the oxidant gas formed between the inner cylindrical container 68 and the outer cylindrical container 70 are formed. An injection pipe 74 is communicated. The air supplied through the oxidant gas supply channel 22 is injected downward from the tip of the oxidant gas injection pipe 74, hits the upper surface of the first fixing member 63, and spreads throughout the power generation chamber 10.

燃料ガス分散室７６は、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル１６が林立されている。第１固定部材６３の上面に取り付けられた各燃料電池セル１６は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室７６の内部と連通されている。各燃料電池セル１６の下端部は、第１固定部材６３の挿通穴６３ａを貫通して燃料ガス分散室７６の内部に突出し、各燃料電池セル１６は第１固定部材６３に、接着により固定されている。   The fuel gas dispersion chamber 76 is a cylindrical airtight chamber formed between the first fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72, and each fuel cell 16 is forested on the upper surface thereof. Each fuel cell 16 attached to the upper surface of the first fixing member 63 has an inner fuel electrode communicating with the inside of the fuel gas dispersion chamber 76. The lower end portion of each fuel cell 16 penetrates the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and protrudes into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell 16 is fixed to the first fixing member 63 by adhesion. ing.

図２に示すように、内側円筒部材６４には、第１固定部材６３よりも下方に複数の小穴６４ｂが設けられている。内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間は、複数の小穴６４ｂを介して燃料ガス分散室７６内に連通されている。供給された燃料は、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間を下降し、複数の小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６内に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料は、燃料ガス分散室７６の天井面（第１固定部材６３）に取り付けられた各燃料電池セル１６の燃料極に分配される。   As shown in FIG. 2, the inner cylindrical member 64 is provided with a plurality of small holes 64 b below the first fixing member 63. A space between the outer periphery of the inner cylindrical member 64 and the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 is communicated with the fuel gas dispersion chamber 76 through a plurality of small holes 64b. The supplied fuel once rises in the space between the inner circumference of the outer cylindrical member 66 and the outer circumference of the intermediate cylindrical member 65, and then descends in the space between the outer circumference of the inner cylindrical member 64 and the inner circumference of the intermediate cylindrical member 65. Then, it flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the plurality of small holes 64b. The fuel that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 is distributed to the fuel electrode of each fuel cell 16 attached to the ceiling surface (first fixing member 63) of the fuel gas dispersion chamber 76.

さらに、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６の下端部は、燃料ガス分散室７６内でバスバー８０に電気的に接続され、挿通管７２ａを通して電力が外部に引き出される。バスバー８０は、各燃料電池セル１６により生成された電力を、燃料電池セル収容容器８の外部へ取り出すための細長い金属導体であり、碍子７８を介して分散室底部材７２の挿通管７２ａに固定されている。バスバー８０は、燃料ガス分散室７６の内部において、各燃料電池セル１６に取り付けられた集電体８２と電気的に接続されている。また、バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の外部において、インバータ５４（図１）に接続される。なお、集電体８２は、排気集約室１８内に突出している各燃料電池セル１６の上端部にも取り付けられている（図４）。これら上端部及び下端部の集電体８２により、複数の燃料電池セル１６が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル１６が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー８０に接続される。   Further, the lower end portion of each fuel cell 16 projecting into the fuel gas dispersion chamber 76 is electrically connected to the bus bar 80 in the fuel gas dispersion chamber 76, and electric power is drawn out through the insertion tube 72a. The bus bar 80 is an elongated metal conductor for taking out the electric power generated by each fuel battery cell 16 to the outside of the fuel battery cell container 8, and is fixed to the insertion pipe 72 a of the dispersion chamber bottom member 72 via the insulator 78. Has been. The bus bar 80 is electrically connected to a current collector 82 attached to each fuel cell 16 inside the fuel gas dispersion chamber 76. The bus bar 80 is connected to the inverter 54 (FIG. 1) outside the fuel cell storage container 8. The current collector 82 is also attached to the upper end portion of each fuel cell 16 projecting into the exhaust collection chamber 18 (FIG. 4). The current collectors 82 at the upper end and the lower end connect the plurality of fuel cells 16 in parallel electrically, and connect the plurality of sets of fuel cells 16 connected in parallel electrically in series. The both ends of this series connection are connected to the bus bar 80, respectively.

次に、図４及び図５を参照して、排気集約室の構成を説明する。
図４は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図５は、図２におけるV−V断面である。
図４に示すように、排気集約室１８は、各燃料電池セル１６の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室１８の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４が貫通して延びている。 Next, the configuration of the exhaust gas collecting chamber will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
4 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the exhaust gas collecting chamber, and FIG. 5 is a VV cross section in FIG.
As shown in FIG. 4, the exhaust concentration chamber 18 is a donut-shaped cross-section chamber attached to the upper end of each fuel cell 16, and an oxidant gas injection pipe 74 is provided at the center of the exhaust concentration chamber 18. Extends through.

図５に示すように、内側円筒部材６４の内壁面には、排気集約室１８支持用の３つのステー６４ｃが等間隔に取り付けられている。図４に示すように、各ステー６４ｃは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、排気集約室１８を各ステー６４ｃの上に載置することにより、排気集約室１８は内側円筒部材６４と同心円上に位置決めされる。これにより、排気集約室１８の外周面と内側円筒部材６４の内周面の間の隙間、及び排気集約室１８の内周面と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面との間の隙間は、全周で均一になる（図５）。   As shown in FIG. 5, three stays 64 c for supporting the exhaust collecting chamber 18 are attached to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64 at equal intervals. As shown in FIG. 4, each stay 64 c is a small piece obtained by bending a thin metal plate. By placing the exhaust collection chamber 18 on each stay 64 c, the exhaust collection chamber 18 is concentric with the inner cylindrical member 64. Positioned above. As a result, the gap between the outer peripheral surface of the exhaust collecting chamber 18 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical member 64 and the gap between the inner peripheral surface of the exhaust collecting chamber 18 and the outer peripheral surface of the oxidizing gas injection pipe 74 are as follows. , Uniform over the entire circumference (FIG. 5).

排気集約室１８は、集約室上部材１８ａ及び集約室下部材１８ｂが気密的に接合されることにより構成されている。
集約室下部材１８ｂは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材１８ａは、下方が開放された段付き円形カップ状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材１８ａの下部は、集約室下部材１８ｂの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。 The exhaust collecting chamber 18 is configured by hermetically joining the collecting chamber upper member 18a and the collecting chamber lower member 18b.
The aggregation chamber lower member 18b is a circular dish-shaped member opened upward, and a cylindrical portion for allowing the oxidant gas injection pipe 74 to pass therethrough is provided at the center thereof.
The aggregation chamber upper member 18a is a stepped circular cup-shaped member that is open at the bottom, and an opening for penetrating the oxidant gas injection pipe 74 is provided at the center thereof. The lower part of the aggregation chamber upper member 18a is configured to be fitted into a donut-shaped cross-sectional area opened above the aggregation chamber lower member 18b.

集約室下部材１８ｂの周囲の壁の内周面と集約室上部材１８ａの外周面の間の隙間にはセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング１９ａが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング１９ａは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。   The gap between the inner peripheral surface of the wall around the aggregation chamber lower member 18b and the outer peripheral surface of the aggregation chamber upper member 18a is filled with a ceramic adhesive and cured, so that the airtightness of the joint is ensured. Yes. Further, a large-diameter seal ring 19a is disposed on the ceramic adhesive layer formed of the ceramic adhesive filled in the joint portion, and covers the ceramic adhesive layer. The large-diameter seal ring 19a is an annular thin plate, is disposed so as to cover the filled ceramic adhesive after being filled with the ceramic adhesive, and is fixed to the exhaust collecting chamber 18 by curing of the adhesive.

一方、集約室下部材１８ｂ中央の円筒部の外周面と、集約室上部材１８ａ中央の開口部の縁の間にもセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、小径シールリング１９ｂが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。小径シールリング１９ｂは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。   On the other hand, the ceramic adhesive is also filled and hardened between the outer peripheral surface of the cylindrical portion at the center of the aggregation chamber lower member 18b and the edge of the opening at the center of the aggregation chamber upper member 18a. It is secured. Further, a small-diameter seal ring 19b is disposed on the ceramic adhesive layer formed of the ceramic adhesive filled in the joint portion, and covers the ceramic adhesive layer. The small-diameter seal ring 19b is an annular thin plate, is disposed so as to cover the filled ceramic adhesive after being filled with the ceramic adhesive, and is fixed to the exhaust collecting chamber 18 by curing of the adhesive.

集約室下部材１８ｂの底面には複数の円形の挿通穴１８ｃが設けられている。各挿通穴１８ｃには燃料電池セル１６の上端部が夫々挿通され、各燃料電池セル１６は各挿通穴１８ｃを貫通して延びている。各燃料電池セル１６が貫通している集約室下部材１８ｂの底面上にはセラミック接着剤が流し込まれ、これが硬化されることにより、各燃料電池セル１６の外周と各挿通穴１８ｃの間の隙間が気密的に充填されると共に、各燃料電池セル１６が集約室下部材１８ｂに固定されている。   A plurality of circular insertion holes 18c are provided on the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b. The upper end portions of the fuel cells 16 are respectively inserted into the insertion holes 18c, and the fuel cells 16 extend through the insertion holes 18c. A ceramic adhesive is poured onto the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b through which each fuel cell 16 penetrates, and is cured, whereby a gap between the outer periphery of each fuel cell 16 and each insertion hole 18c. Are hermetically filled, and each fuel cell 16 is fixed to the aggregation chamber lower member 18b.

さらに、集約室下部材１８ｂの底面上に流し込まれたセラミック接着剤の上には、円形薄板状のカバー部材１９ｃが配置され、セラミック接着剤の硬化により集約室下部材１８ｂに固定されている。カバー部材１９ｃには、集約室下部材１８ｂの各挿通穴１８ｃと同様の位置に複数の挿通穴が設けられており、各燃料電池セル１６の上端部はセラミック接着剤の層及びカバー部材１９ｃを貫通して延びている。   Further, a circular thin plate-like cover member 19c is disposed on the ceramic adhesive poured on the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b, and is fixed to the aggregation chamber lower member 18b by hardening of the ceramic adhesive. The cover member 19c is provided with a plurality of insertion holes at positions similar to the insertion holes 18c of the aggregation chamber lower member 18b, and the upper end portion of each fuel cell 16 has a ceramic adhesive layer and the cover member 19c. It extends through.

一方、集約室上部材１８ａ上段の側面には、排気集約室１８内に集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口１８ｄが設けられている（図４）。各噴出口１８ｄは、集約室上部材１８ａ上段の側面に、等間隔に配置されている。発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル１６の上端から排気集約室１８内に流出し、排気集約室１８内で集約された燃料は各噴出口１８ｄから流出し、そこで燃焼される。   On the other hand, the upper side surface of the aggregation chamber upper member 18a is provided with a plurality of jet outlets 18d for ejecting the fuel gas concentrated in the exhaust aggregation chamber 18 (FIG. 4). The respective outlets 18d are arranged at equal intervals on the upper side surface of the aggregation chamber upper member 18a. The remaining fuel that is not used for power generation flows into the exhaust collecting chamber 18 from the upper end of each fuel battery cell 16, and the fuel collected in the exhaust collecting chamber 18 flows out from each jet outlet 18d, where it is burned. The

次に、図６を参照して、排気ガス室２３内に配置されている脱硫器３６の構成を説明する。図６は、脱硫器３６の斜視図である。
図６に示すように、脱硫器３６は円環状の断面を有する容器であり、内部に脱硫触媒が充填されている。この脱硫器３６中央の空洞部には、分散室底部材７２の挿通管７２ａ、及びその中に延びているバスバー８０が受け入れられている（図２）。この構成により、排気ガス室２３内に流入した排気ガスは、脱硫器３６の外周面に接触し、脱硫器３６を加熱する。また、脱硫器３６と断熱材板状部７３ａとの間には隙間が設けられているため（図２）、この隙間にも排気ガスが流入し、脱硫器３６は上端面からも加熱される。これにより、脱硫器３６は、燃料電池モジュールの起動後、早期に脱硫可能な温度まで加熱される。 Next, the configuration of the desulfurizer 36 disposed in the exhaust gas chamber 23 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a perspective view of the desulfurizer 36.
As shown in FIG. 6, the desulfurizer 36 is a container having an annular cross section, and a desulfurization catalyst is filled therein. An insertion tube 72a of the dispersion chamber bottom member 72 and a bus bar 80 extending therein are received in the hollow portion at the center of the desulfurizer 36 (FIG. 2). With this configuration, the exhaust gas flowing into the exhaust gas chamber 23 contacts the outer peripheral surface of the desulfurizer 36 and heats the desulfurizer 36. Further, since a gap is provided between the desulfurizer 36 and the heat insulating plate 73a (FIG. 2), exhaust gas flows into this gap, and the desulfurizer 36 is also heated from the upper end surface. . Accordingly, the desulfurizer 36 is heated to a temperature at which desulfurization can be performed early after the fuel cell module is started.

脱硫器３６の内部は、２枚のドーナツ型の仕切板３６ａ、３６ｂによって、分散層３７ａ、触媒層３７ｂ、及び集約層３７ｃの３層に区切られている。上側の仕切板３６ａの上方の空間である分散層３７ａには、脱硫器流入管３６ｃが接続されており、燃料ブロア３８（図１）によって、脱硫器流入管３６ｃを介して原燃料ガスが送り込まれる。   The inside of the desulfurizer 36 is divided into three layers of a dispersion layer 37a, a catalyst layer 37b, and an aggregation layer 37c by two donut-shaped partition plates 36a and 36b. A desulfurizer inflow pipe 36c is connected to the dispersion layer 37a, which is the space above the upper partition plate 36a, and the raw fuel gas is sent by the fuel blower 38 (FIG. 1) through the desulfurizer inflow pipe 36c. It is.

脱硫器流入管３６ｃを介して導入された原燃料ガスは、分散層３７ａ内で全周に分散され、仕切板３６ａに設けられた多数の小孔を通って触媒層３７ｂに流入する。触媒層３７ｂに流入した原燃料ガスは、そこに充填されている脱硫触媒に接触し、原燃料ガスに混入されている硫黄成分が除去される。このように、本実施形態においては、脱硫器３６を円環状に形成することにより、原燃料ガスが脱硫触媒に接触して流れる流路を長くしている。これにより、硫黄成分の除去効率を向上させると共に、円環状の内側の空間もデッドスペースとせず、挿通管７２ａを挿入する空間として有効活用している。また、本実施形態において、脱硫器３６は、原燃料ガス中の硫黄成分を触媒により水素と反応させる水素化脱硫方式による水添脱硫器である。なお、原燃料ガスに水素を添加するための構成については後述する。   The raw fuel gas introduced through the desulfurizer inflow pipe 36c is dispersed all around in the dispersion layer 37a, and flows into the catalyst layer 37b through a large number of small holes provided in the partition plate 36a. The raw fuel gas that has flowed into the catalyst layer 37b comes into contact with the desulfurization catalyst filled therein, and sulfur components mixed in the raw fuel gas are removed. Thus, in this embodiment, the flow path through which the raw fuel gas flows in contact with the desulfurization catalyst is lengthened by forming the desulfurizer 36 in an annular shape. As a result, the efficiency of removing sulfur components is improved, and the space inside the annular shape is not used as a dead space, but is effectively utilized as a space for inserting the insertion tube 72a. In the present embodiment, the desulfurizer 36 is a hydrodesulfurization type hydrodesulfurizer that reacts a sulfur component in the raw fuel gas with hydrogen using a catalyst. A configuration for adding hydrogen to the raw fuel gas will be described later.

触媒層３７ｂにおいて硫黄成分が除去された原燃料ガスは、仕切板３６ｂに設けられた多数の小孔を通って集約層３７ｃに流入する。集約層３７ｃに流入した原燃料ガスは、集約層３７ｃに接続された脱硫器流出管３６ｄを通って脱硫器３６から流出する。脱硫器流出管３６ｄは燃料ガス供給パイプ９０に接続されており（図２）、脱硫器３６を通過した原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０を通って燃料ガス供給流路２０に導入される。   The raw fuel gas from which the sulfur component has been removed in the catalyst layer 37b flows into the aggregation layer 37c through a large number of small holes provided in the partition plate 36b. The raw fuel gas flowing into the aggregation layer 37c flows out from the desulfurizer 36 through the desulfurizer outflow pipe 36d connected to the aggregation layer 37c. The desulfurizer outflow pipe 36d is connected to the fuel gas supply pipe 90 (FIG. 2), and the raw fuel gas that has passed through the desulfurizer 36 is introduced into the fuel gas supply flow path 20 through the fuel gas supply pipe 90. .

次に、図２を参照して、燃料供給源３０から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水蒸気を生成するための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側円筒部材６６の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板８６ａ及び水供給パイプ８８から構成されている。また、蒸発部８６は、排ガス排出流路２１内に配置されたシースヒーター６１と、排気ガス室２３内に配置された断熱材板状部７３ａとの間に配置されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材６６の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板８６ａの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板８６ａの内周縁と、内側円筒部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。 Next, a configuration for reforming the raw fuel gas supplied from the fuel supply source 30 will be described with reference to FIG.
First, an evaporating section 86 for generating steam for steam reforming is provided in the lower part of the fuel gas supply flow path 20 formed by a space between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66. . The evaporation unit 86 includes a ring-shaped inclined plate 86 a attached to the lower inner periphery of the outer cylindrical member 66 and a water supply pipe 88. The evaporation unit 86 is disposed between the sheath heater 61 disposed in the exhaust gas discharge passage 21 and the heat insulating material plate-shaped portion 73 a disposed in the exhaust gas chamber 23. The inclined plate 86 a is a metal thin plate formed in a ring shape, and its outer peripheral edge is attached to the inner wall surface of the outer cylindrical member 66. On the other hand, the inner peripheral edge of the inclined plate 86 a is positioned above the outer peripheral edge, and a gap is provided between the inner peripheral edge of the inclined plate 86 a and the outer wall surface of the inner cylindrical member 64.

水供給パイプ８８は内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット２８から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ８８を介して蒸発部８６に供給される。水供給パイプ８８の上端は、傾斜板８６ａを貫通して傾斜板８６ａの上面側まで延び、傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、傾斜板８６ａの上面と外側円筒部材６６の内壁面の間に留まる。傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。   The water supply pipe 88 is a pipe that extends in the vertical direction from the lower end of the inner cylindrical member 64 into the fuel gas supply flow path 20, and the water for steam reforming supplied from the water flow rate adjustment unit 28 passes through the water supply pipe 88. To the evaporation unit 86. The upper end of the water supply pipe 88 passes through the inclined plate 86a and extends to the upper surface side of the inclined plate 86a, and the water supplied to the upper surface side of the inclined plate 86a is the upper surface of the inclined plate 86a and the inner wall surface of the outer cylindrical member 66. Stay between. The water supplied to the upper surface side of the inclined plate 86a is evaporated there to generate water vapor.

また、蒸発部８６の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路２０内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、脱硫器３６及び燃料ガス供給パイプ９０を介して燃料ガス供給流路２０に導入される。燃料ガス供給パイプ９０は内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプである。また、燃料ガス供給パイプ９０の上端は、傾斜板８６ａよりも下方に位置している。燃料ガス供給パイプ９０から流出した原燃料ガスは、傾斜板８６ａの下側に導入され、傾斜板８６ａの傾斜により流路を絞られながら傾斜板８６ａの上側へ上昇する。傾斜板８６ａの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部８６で生成された水蒸気と共に上昇しながら、十分に混合される。   A fuel gas introduction part for introducing the raw fuel gas into the fuel gas supply channel 20 is provided below the evaporation part 86. The raw fuel gas sent from the fuel blower 38 is introduced into the fuel gas supply passage 20 through the desulfurizer 36 and the fuel gas supply pipe 90. The fuel gas supply pipe 90 is a pipe extending vertically from the lower end of the inner cylindrical member 64 into the fuel gas supply flow path 20. Further, the upper end of the fuel gas supply pipe 90 is positioned below the inclined plate 86a. The raw fuel gas flowing out from the fuel gas supply pipe 90 is introduced to the lower side of the inclined plate 86a and rises to the upper side of the inclined plate 86a while the flow path is narrowed by the inclination of the inclined plate 86a. The raw fuel gas that has risen to the upper side of the inclined plate 86a is sufficiently mixed while rising together with the water vapor generated in the evaporation section 86.

さらに、中間円筒部材６５の上部、内周側及び外周側の円環状の空間には、改質部９４が設けられている。改質部９４は、各燃料電池セル１６の上部と、その上方の排気集約室１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、内側円筒部材６４の外壁面及び中間円筒部材６５の外壁面に取り付けられた触媒保持板（図示せず）と、これにより保持された改質触媒９６によって構成されている。   Furthermore, a reforming portion 94 is provided in the annular space on the upper, inner and outer peripheral sides of the intermediate cylindrical member 65. The reforming part 94 is arranged so as to surround the upper part of each fuel battery cell 16 and the periphery of the exhaust collecting chamber 18 above it. The reforming unit 94 includes a catalyst holding plate (not shown) attached to the outer wall surface of the inner cylindrical member 64 and the outer wall surface of the intermediate cylindrical member 65, and the reforming catalyst 96 held thereby.

原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、中間円筒部材６５の外周と外側円筒部材６６の内周の間の流路を上方に流れた後、折り返して、内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の流路を下方に流れる。改質部９４内に充填された改質触媒９６に、混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部９４内においては、式（１）に示す水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１） The mixed gas of the raw fuel gas and the water vapor flows upward in the flow path between the outer periphery of the intermediate cylindrical member 65 and the inner periphery of the outer cylindrical member 66 and then turns back to return to the outer periphery of the inner cylindrical member 64 and the intermediate cylindrical member 65. Flows downward in the flow path between the inner peripheries. When the mixed raw fuel gas and water vapor come into contact with the reforming catalyst 96 filled in the reforming section 94, the steam reforming reaction SR shown in the formula (1) proceeds in the reforming section 94.
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)

この水蒸気改質反応ＳＲにより、原燃料ガスは、水素が豊富に含まれる燃料ガスに改質される。改質部９４において改質された燃料ガスは、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入して、各燃料電池セル１６に供給される。水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室１８から流出するオフガスの燃焼熱、及び各燃料電池セル１６において発生する発電熱により供給される。   By this steam reforming reaction SR, the raw fuel gas is reformed into a fuel gas rich in hydrogen. The fuel gas reformed in the reforming section 94 flows downward in the space between the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 and the outer periphery of the inner cylindrical member 64, flows into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell. 16 is supplied. Although the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the heat required for the reaction is supplied by the combustion heat of off-gas flowing out from the exhaust collecting chamber 18 and the generated heat generated in each fuel cell 16.

次に、図１及び図２を参照して、原燃料ガスに水素ガスを添加するための構成を説明する。
図２に示すように、燃料ガス分散室７６には、水素取出管９２が接続されている。この水素取出管９２は、燃料ガス分散室７６の内部と連通し、断熱材板状部７３ａを貫通し、さらに排気ガス室２３を貫通して燃料電池モジュール２の外部まで延びている。図１に示すように、水素取出管９２は、補機ユニット４に内蔵された凝縮器３３に接続されている。燃料ガス分散室７６内の燃料ガスは、水素ガスと共に多くの水蒸気を含んでいる。凝縮器３３においては、燃料ガスに含まれている水蒸気が凝縮され、水素ガスと分離される。水蒸気を分離された水素ガスは、オリフィス３４及び電磁弁３５を介して、燃料供給源３０から供給された原燃料ガスに、燃料ブロア３８の上流側で混合される。水素ガスが添加された原燃料ガスは、燃料ブロア３８により脱硫器３６に送り込まれる。 Next, a configuration for adding hydrogen gas to the raw fuel gas will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 2, a hydrogen extraction pipe 92 is connected to the fuel gas dispersion chamber 76. The hydrogen extraction pipe 92 communicates with the inside of the fuel gas dispersion chamber 76, penetrates the heat insulating material plate-like portion 73 a, further penetrates the exhaust gas chamber 23, and extends to the outside of the fuel cell module 2. As shown in FIG. 1, the hydrogen extraction pipe 92 is connected to a condenser 33 built in the auxiliary machine unit 4. The fuel gas in the fuel gas dispersion chamber 76 contains a lot of water vapor together with hydrogen gas. In the condenser 33, the water vapor contained in the fuel gas is condensed and separated from the hydrogen gas. The hydrogen gas from which the water vapor has been separated is mixed with the raw fuel gas supplied from the fuel supply source 30 via the orifice 34 and the electromagnetic valve 35 on the upstream side of the fuel blower 38. The raw fuel gas to which the hydrogen gas is added is sent to the desulfurizer 36 by the fuel blower 38.

燃料ガス分散室７６内の圧力は燃料ブロア３８の上流側の圧力よりも高いため、この圧力差により、改質された燃料ガスが燃料ガス分散室７６から取り出される。オリフィス３４は、燃料ガス分散室７６から燃料ブロア３８の上流側へ戻る流路に適度な流路抵抗を与え、適量の水素ガスが原燃料ガスに添加されるように調整されている。また、原燃料ガスへの水素の添加を行わないときは、電磁弁３５が閉弁される。なお、燃料ガス分散室７６から水素取出管９２によって取り出される燃料ガス（水素ガス）には水蒸気が混入しているが、水素取出管９２は比較的温度が高い排気ガス室２３を通って引き出されているため、取り出された水蒸気が凝縮器３３に到達する前に、管路内で凝縮されることはない。このため、燃料ガス分散室７６から安定して水素ガスを取り出すことができる。   Since the pressure in the fuel gas dispersion chamber 76 is higher than the pressure on the upstream side of the fuel blower 38, the reformed fuel gas is taken out from the fuel gas dispersion chamber 76 due to this pressure difference. The orifice 34 is adjusted so as to give an appropriate flow path resistance to the flow path returning from the fuel gas dispersion chamber 76 to the upstream side of the fuel blower 38 and an appropriate amount of hydrogen gas is added to the raw fuel gas. Further, when hydrogen is not added to the raw fuel gas, the electromagnetic valve 35 is closed. In addition, although water vapor is mixed in the fuel gas (hydrogen gas) taken out from the fuel gas dispersion chamber 76 through the hydrogen extraction pipe 92, the hydrogen extraction pipe 92 is drawn out through the exhaust gas chamber 23 having a relatively high temperature. Therefore, the extracted water vapor is not condensed in the pipe line before reaching the condenser 33. For this reason, hydrogen gas can be stably taken out from the fuel gas dispersion chamber 76.

なお、図２に示すように、水素取出管９２は、燃料ガス分散室７６の底部で、即ち、断熱材板状部７３ａに近い側で、燃料ガス分散室７６に連通されている。また、各燃料電池セル１６は、燃料ガス分散室７６の天井面で、即ち、発電室１０に近い側で、燃料ガス分散室７６に連通されている。このように、水素取出管９２は各燃料電池セル１６から十分に離れた位置に連通されているため、水素取出管９２による燃料ガスの取り出しが、各燃料電池セル１６への燃料ガスの流入に悪影響を与えることはない。従って、水素取出管９２による燃料ガスの取り出しを行っても、各燃料電池セル１６には均等に燃料ガスが流入し、燃料の供給ムラが発生することはない。   As shown in FIG. 2, the hydrogen take-out pipe 92 communicates with the fuel gas dispersion chamber 76 at the bottom of the fuel gas dispersion chamber 76, that is, on the side close to the heat insulating material plate-like portion 73 a. Each fuel cell 16 communicates with the fuel gas dispersion chamber 76 on the ceiling surface of the fuel gas dispersion chamber 76, that is, on the side close to the power generation chamber 10. As described above, since the hydrogen extraction pipes 92 are communicated with positions sufficiently away from the respective fuel cells 16, the removal of the fuel gas by the hydrogen extraction pipes 92 is caused to flow into the fuel cells 16. There is no adverse effect. Therefore, even when the fuel gas is taken out by the hydrogen take-out pipe 92, the fuel gas flows evenly into each fuel battery cell 16, and the fuel supply unevenness does not occur.

次に、図７を参照して、燃料電池セル１６について説明する。
本発明の実施形態による燃料電池モジュール２においては、燃料電池セル１６として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル１６上には、複数の単セル１６ａが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより１本の燃料電池セル１６が構成されている。各燃料電池セル１６は、その一端がアノード（陽極）、他端がカソード（陰極）となるように構成され、複数の燃料電池セル１６のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。 Next, the fuel cell 16 will be described with reference to FIG.
In the fuel cell module 2 according to the embodiment of the present invention, a cylindrical horizontal stripe cell using a solid oxide is employed as the fuel cell 16. On each fuel cell 16, a plurality of single cells 16a are formed in a horizontal stripe shape, and one fuel cell 16 is configured by electrically connecting them in series. Each fuel cell 16 is configured such that one end thereof is an anode (anode) and the other end is a cathode (cathode), and half of the plurality of fuel cells 16 has an upper end as an anode and a lower end as a cathode. The other half are arranged so that the upper end is a cathode and the lower end is an anode.

図７（ａ）は、下端がカソードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図であり、図７（ｂ）は、下端がアノードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図である。   FIG. 7A is an enlarged cross-sectional view showing a lower end portion of the fuel battery cell 16 whose lower end is a cathode, and FIG. 7B is a cross-sectional view of the fuel battery cell 16 whose lower end is an anode. It is sectional drawing which expands and shows a lower end part.

図７に示すように、燃料電池セル１６は、細長い円筒状の多孔質支持体９７と、この多孔質支持体９７の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。多孔質支持体９７の周囲には、内側から順に、燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、空気極層１０１が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料ガス分散室７６を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１６の多孔質支持体９７の内部を流れ、酸化剤ガス噴射用パイプ７４から噴射された空気は、空気極層１０１の外側を流れる。燃料電池セル１６上に形成された各単セル１６ａは、一組の燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、及び空気極層１０１から構成されている。１つの単セル１６ａの燃料極層９８は、インターコネクタ層１０２を介して、隣接する単セル１６ａの空気極層１０１に電気的に接続されている。これにより、１本の燃料電池セル１６上に形成された複数の単セル１６ａが、電気的に直列に接続される。   As shown in FIG. 7, the fuel cell 16 is formed of an elongated cylindrical porous support body 97 and a plurality of layers formed in a horizontal stripe pattern on the outside of the porous support body 97. Around the porous support 97, a fuel electrode layer 98, a reaction suppression layer 99, a solid electrolyte layer 100, and an air electrode layer 101 are formed in a horizontal stripe shape in order from the inside. For this reason, the fuel gas supplied through the fuel gas dispersion chamber 76 flows inside the porous support body 97 of each fuel battery cell 16, and the air injected from the oxidant gas injection pipe 74 is the air electrode. It flows outside the layer 101. Each single cell 16 a formed on the fuel cell 16 is composed of a set of fuel electrode layer 98, reaction suppression layer 99, solid electrolyte layer 100, and air electrode layer 101. The fuel electrode layer 98 of one single cell 16 a is electrically connected to the air electrode layer 101 of the adjacent single cell 16 a via the interconnector layer 102. Thereby, the several single cell 16a formed on the one fuel cell 16 is electrically connected in series.

図７（ａ）に示すように、燃料電池セル１６のカソード側端部には、多孔質支持体９７の外周に電極層１０３ａが形成され、この電極層１０３ａの外側にリード膜層１０４ａが形成されている。カソード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１と電極層１０３ａが、インターコネクタ層１０２により電気的に接続されている。これらの電極層１０３ａ及びリード膜層１０４ａは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ａは、リード膜層１０４ａよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ａに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１がインターコネクタ層１０２、電極層１０３ａを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ａの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ａの外周で第１固定部材６３に固定される。   As shown in FIG. 7A, an electrode layer 103a is formed on the outer periphery of the porous support 97 at the cathode side end of the fuel battery cell 16, and a lead film layer 104a is formed outside the electrode layer 103a. Has been. At the cathode side end, the air electrode layer 101 and the electrode layer 103a of the single cell 16a located at the end are electrically connected by the interconnector layer 102. The electrode layer 103 a and the lead film layer 104 a are formed so as to penetrate the first fixing member 63 at the end portion of the fuel cell 16 and protrude downward from the first fixing member 63. The electrode layer 103a is formed below the lead film layer 104a, and the current collector 82 is electrically connected to the electrode layer 103a exposed to the outside. As a result, the air electrode layer 101 of the single cell 16a located at the end is connected to the current collector 82 via the interconnector layer 102 and the electrode layer 103a, and current flows as shown by the arrows in the figure. Further, a gap between the edge of the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and the lead film layer 104a is filled with a ceramic adhesive, and the fuel cell 16 is fixed on the outer periphery of the lead film layer 104a. It is fixed to the member 63.

図７（ｂ）に示すように、燃料電池セル１６のアノード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が延長されており、燃料極層９８の延長部が電極層１０３ｂとして機能する。電極層１０３ｂの外側にはリード膜層１０４ｂが形成されている。これらの電極層１０３ｂ及びリード膜層１０４ｂは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ｂは、リード膜層１０４ｂよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ｂに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が、一体的に形成された電極層１０３ｂを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ｂの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ｂの外周で第１固定部材６３に固定される。   As shown in FIG. 7B, at the anode side end of the fuel cell 16, the fuel electrode layer 98 of the single cell 16a located at the end is extended, and the extension of the fuel electrode layer 98 is an electrode. It functions as the layer 103b. A lead film layer 104b is formed outside the electrode layer 103b. The electrode layer 103 b and the lead film layer 104 b are formed so as to penetrate the first fixing member 63 at the end portion of the fuel cell 16 and protrude downward from the first fixing member 63. The electrode layer 103b is formed below the lead film layer 104b, and the current collector 82 is electrically connected to the electrode layer 103b exposed to the outside. As a result, the fuel electrode layer 98 of the single cell 16a located at the end is connected to the current collector 82 via the electrode layer 103b formed integrally, and a current flows as shown by an arrow in the figure. Further, a gap between the edge of the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and the lead film layer 104b is filled with a ceramic adhesive, and the fuel cell 16 is first fixed on the outer periphery of the lead film layer 104b. It is fixed to the member 63.

図７（ａ）（ｂ）においては、各燃料電池セル１６の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル１６の上端部における構成も同様である。なお、上端部においては、各燃料電池セル１６は、排気集約室１８の集約室下部材１８ｂに固定されているが、固定部分の構成は下端部における第１固定部材６３に対する固定と同様である。   7A and 7B, the configuration of the lower end portion of each fuel cell 16 has been described, but the configuration of the upper end portion of each fuel cell 16 is also the same. In the upper end portion, each fuel cell 16 is fixed to the aggregation chamber lower member 18b of the exhaust aggregation chamber 18, but the configuration of the fixed portion is the same as the fixing to the first fixing member 63 in the lower end portion. .

次に、多孔質支持体９７及び各層の構成を説明する。
多孔質支持体９７は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層９８は、本実施形態においては、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ2）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。 Next, the structure of the porous support body 97 and each layer is demonstrated.
In the present embodiment, the porous support body 97 is formed by extruding and sintering a mixture of forsterite powder and a binder.
In this embodiment, the fuel electrode layer 98 is a conductive thin film composed of a mixture of NiO powder and 10YSZ (10 mol% Y 2 O 3 -90 mol% ZrO 2 ) powder.

反応抑制層９９は、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物（ＬＤＣ４０。すなわち、４０ｍｏｌ％のＬａ2Ｏ3−６０ｍｏｌ％のＣｅＯ2）等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層９８と固体電解質層１００の間の化学反応を抑制している。
固体電解質層１００は、本実施形態においては、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3の組成のＬＳＧＭ粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層１００を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。 In the present embodiment, the reaction suppression layer 99 is a thin film composed of a cerium-based composite oxide (LDC 40, that is, 40 mol% La 2 O 3 -60 mol% CeO 2 ). The chemical reaction between the layer 98 and the solid electrolyte layer 100 is suppressed.
In the present embodiment, the solid electrolyte layer 100 is a thin film made of LSGM powder having a composition of La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . Electric energy is generated by the reaction between oxide ions and hydrogen or carbon monoxide through the solid electrolyte layer 100.

空気極層１０１は、本実施形態においては、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.8Ｆｅ0.2Ｏ3の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層１０２は、本実施形態においては、ＳＬＴ（ランタンドープストロンチウムチタネート）により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル１６上の隣接する単セル１６ａはインターコネクタ層１０２を介して接続される。
電極層１０３ａ、１０３ｂは、本実施形態においては、燃料極層９８と同一の材料で形成されている。
リード膜層１０４ａ、１０４ｂは、本実施形態においては、固体電解質層１００と同一の材料で形成されている。 In this embodiment, the air electrode layer 101 is a conductive thin film made of powder having a composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 .
In this embodiment, the interconnector layer 102 is a conductive thin film made of SLT (lanthanum-doped strontium titanate). Adjacent single cells 16 a on the fuel cell 16 are connected via the interconnector layer 102.
The electrode layers 103a and 103b are formed of the same material as the fuel electrode layer 98 in the present embodiment.
In this embodiment, the lead film layers 104a and 104b are made of the same material as that of the solid electrolyte layer 100.

次に、図１及び図２を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の作用を説明する。
まず、固体酸化物型燃料電池装置１の起動工程において、燃料ブロア３８が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター６１への通電が開始される。シースヒーター６１への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒器６０が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部８６も加熱される。燃料ブロア３８により供給された燃料は、脱硫器３６を介して、燃料ガス供給パイプ９０から燃料ガス供給流路２０に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路２０内を上昇して改質部９４に至り、次いで改質部９４内を下降し、内側円筒部材６４の下部に設けられた多数の小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１の起動直後においては、改質部９４内の改質触媒９６の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。 Next, with reference to FIG.1 and FIG.2, the effect | action of the solid oxide fuel cell apparatus 1 is demonstrated.
First, in the starting process of the solid oxide fuel cell device 1, the fuel blower 38 is started, fuel supply is started, and energization to the sheath heater 61 is started. When energization of the sheath heater 61 is started, the combustion catalyst 60 disposed above the sheath heater 61 is heated, and the evaporator 86 disposed inside is also heated. The fuel supplied by the fuel blower 38 flows into the fuel gas supply channel 20 from the fuel gas supply pipe 90 via the desulfurizer 36. The inflowed fuel ascends in the fuel gas supply flow path 20 to reach the reforming portion 94, then descends in the reforming portion 94, and passes through a number of small holes 64b provided in the lower portion of the inner cylindrical member 64. It flows into the fuel gas dispersion chamber 76. Immediately after the solid oxide fuel cell device 1 is started, the temperature of the reforming catalyst 96 in the reforming unit 94 has not risen sufficiently, so that fuel reforming is not performed.

燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室７６の第１固定部材６３に取り付けられた各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）を通って排気集約室１８に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１の起動直後においては、各燃料電池セル１６の温度が十分に上昇しておらず、また、インバータ５４への電力の取り出しも行われていないため、発電反応は発生しない。   The fuel gas that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 flows into the exhaust collection chamber 18 through the inside (fuel electrode side) of each fuel cell 16 attached to the first fixing member 63 of the fuel gas dispersion chamber 76. Immediately after the start of the solid oxide fuel cell device 1, the temperature of each fuel cell 16 has not risen sufficiently, and power is not taken out to the inverter 54. Does not occur.

排気集約室１８に流入した燃料は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出される。噴出口１８ｄから噴出された燃料は、点火ヒーター（図示せず）により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、排気集約室１８の周囲に配置された改質部９４が加熱される。また、燃焼により生成された排気ガスは、内側円筒部材６４の上部に設けられた小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。高温の排気ガスは、排ガス排出流路２１内を下降し、その内側に設けられた燃料ガス供給流路２０を流れる燃料、外側に設けられた酸化剤ガス供給流路２２内を流れる発電用の空気を加熱する。さらに、排気ガスは、排ガス排出流路２１内に配置された燃焼触媒器６０を通ることにより一酸化炭素が除去される。一酸化炭素が除去された排気ガスは、排気ガス横断通路２３ａを通って半径方向内方に流れ、排気ガス室２３に流入する。排気ガス室２３に流入した排気ガスは、排気ガス室２３内に配置された脱硫器３６を加熱し、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池モジュールから排出される。   The fuel that has flowed into the exhaust aggregation chamber 18 is ejected from the ejection port 18 d of the exhaust aggregation chamber 18. The fuel ejected from the ejection port 18d is ignited by an ignition heater (not shown) and burned there. Due to this combustion, the reforming section 94 disposed around the exhaust aggregation chamber 18 is heated. Further, the exhaust gas generated by the combustion flows into the exhaust gas discharge passage 21 through the small hole 64 a provided in the upper part of the inner cylindrical member 64. The high-temperature exhaust gas descends in the exhaust gas discharge passage 21 and is used for power generation that flows in the fuel gas supply passage 20 provided on the inside and the oxidant gas supply passage 22 provided on the outside. Heat the air. Further, the carbon monoxide is removed from the exhaust gas by passing through the combustion catalyst device 60 disposed in the exhaust gas discharge passage 21. The exhaust gas from which the carbon monoxide has been removed flows radially inward through the exhaust gas crossing passage 23 a and flows into the exhaust gas chamber 23. The exhaust gas flowing into the exhaust gas chamber 23 heats the desulfurizer 36 disposed in the exhaust gas chamber 23 and is discharged from the fuel cell module through the exhaust gas discharge pipe 58.

排気ガス及びシースヒーター６１により蒸発部８６が加熱されると、蒸発部８６に供給された水蒸気改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。水蒸気改質用の水は、水流量調整ユニット２８により、水供給パイプ８８を介して燃料電池セル収容容器８内の蒸発部８６に供給される。蒸発部８６で生成された水蒸気と、燃料ガス供給パイプ９０を介して供給された原燃料ガスは、燃料ガス供給流路２０内で十分に混合される。
なお、蒸発部８６は、シースヒーター６１に隣接して配置されているため、起動後早期に温度が上昇し、水蒸気を生成できる状態となる。また、蒸発部８６は、シースヒーター６１と断熱材板状部７３ａの間に配置されているため、シースヒーター６１の熱が逃げにくく、早期に温度上昇する。さらに、蒸発部８６の下方、近傍には排気ガス横断通路２３ａが設けられているため、蒸発部８６は排気ガス横断通路２３ａ内を流れる排気ガスの熱によっても加熱される。 When the evaporation section 86 is heated by the exhaust gas and the sheath heater 61, the water for steam reforming supplied to the evaporation section 86 is evaporated and steam is generated. The water for steam reforming is supplied by the water flow rate adjusting unit 28 to the evaporation unit 86 in the fuel cell storage container 8 through the water supply pipe 88. The water vapor generated by the evaporator 86 and the raw fuel gas supplied via the fuel gas supply pipe 90 are sufficiently mixed in the fuel gas supply flow path 20.
In addition, since the evaporation part 86 is arrange | positioned adjacent to the sheath heater 61, it will be in the state which temperature rises early after starting and can produce | generate water vapor | steam. Moreover, since the evaporation part 86 is arrange | positioned between the sheath heater 61 and the heat insulating plate-shaped part 73a, the heat | fever of the sheath heater 61 cannot escape easily and temperature rises early. Further, since the exhaust gas crossing passage 23a is provided below and in the vicinity of the evaporation unit 86, the evaporation unit 86 is also heated by the heat of the exhaust gas flowing in the exhaust gas crossing passage 23a.

混合された原燃料ガス及び水蒸気は、燃料ガス供給流路２０内を上昇し、改質部９４に流入する。改質部９４の改質触媒９６が改質可能な温度まで上昇している状態においては、原燃料ガス及び水蒸気の混合気が改質部９４を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合気が水素を多く含む燃料ガスに改質される。改質された燃料ガスは、小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した水素を豊富に含む燃料ガスは、各燃料電池セル１６に流入する一方、一部が水素取出管９２を通って燃料電池モジュール２の外へ取り出される。   The mixed raw fuel gas and water vapor rise in the fuel gas supply channel 20 and flow into the reforming unit 94. In a state where the reforming catalyst 96 of the reforming section 94 has risen to a temperature at which reforming is possible, when the mixture of raw fuel gas and steam passes through the reforming section 94, a steam reforming reaction occurs, The air-fuel mixture is reformed to a fuel gas containing a large amount of hydrogen. The reformed fuel gas flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the small hole 64b. The fuel gas containing abundant hydrogen that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 flows into each fuel cell 16, while a part thereof is taken out of the fuel cell module 2 through the hydrogen extraction pipe 92.

取り出された燃料ガス（水素）は、補機ユニット４の凝縮器３３に導入され、ここで、混合されている水蒸気が除去される。水蒸気が除去された燃料ガス（水素）は、オリフィス３４、及び電磁弁３５を通って、燃料ブロア３８の上流側で原燃料ガスに添加される。水素が添加された原燃料ガスは、燃料ブロア３８により脱硫器３６に送り込まれる。排気ガス室２３内の脱硫器３６が排気ガスにより所定温度まで加熱された状態においては、原燃料ガス中の硫黄成分が、添加された水素と脱硫触媒により反応され、除去される。なお、本実施形態においては、脱硫器３６内の脱硫触媒は、約２００〜３００℃に加熱された状態において触媒作用する。脱硫器３６において硫黄成分を除去された原燃料ガスは、上述したように、燃料ガス供給パイプ９０を通って燃料ガス供給流路２０に流入する。   The taken-out fuel gas (hydrogen) is introduced into the condenser 33 of the auxiliary unit 4 where the mixed water vapor is removed. The fuel gas (hydrogen) from which the water vapor has been removed passes through the orifice 34 and the electromagnetic valve 35 and is added to the raw fuel gas upstream of the fuel blower 38. The raw fuel gas to which hydrogen is added is sent to the desulfurizer 36 by the fuel blower 38. In a state where the desulfurizer 36 in the exhaust gas chamber 23 is heated to a predetermined temperature by the exhaust gas, the sulfur component in the raw fuel gas is reacted with the added hydrogen and the desulfurization catalyst and removed. In the present embodiment, the desulfurization catalyst in the desulfurizer 36 catalyzes when heated to about 200 to 300 ° C. The raw fuel gas from which the sulfur component has been removed in the desulfurizer 36 flows into the fuel gas supply channel 20 through the fuel gas supply pipe 90 as described above.

一方、燃料ガス分散室７６から各燃料電池セル１６に流入した改質された燃料ガスは、各燃料電池セル１６の内部（燃料極側）を上昇する。なお、燃料ガス分散室７６の小穴６４ｂは、その周囲に多数設けられ、燃料ガス分散室７６として十分な容積が確保されているため、改質された燃料は、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６に均等に流入する。   On the other hand, the reformed fuel gas flowing into each fuel cell 16 from the fuel gas dispersion chamber 76 rises inside each fuel cell 16 (fuel electrode side). The small holes 64 b of the fuel gas dispersion chamber 76 are provided around the periphery, and a sufficient volume is secured as the fuel gas dispersion chamber 76, so that the reformed fuel protrudes into the fuel gas dispersion chamber 76. Evenly flows into each fuel cell 16.

一方、空気流量調整ユニット４５により供給された酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス導入パイプ５６を介して酸化剤ガス供給流路２２に流入する。酸化剤ガス供給流路２２に流入した空気は、内側を流れる排気ガスにより加熱されながら酸化剤ガス供給流路２２内を上昇する。酸化剤ガス供給流路２２内を上昇した空気は、燃料電池セル収容容器８内の上端部で中央に集められ、酸化剤ガス供給流路２２に連通された酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入した空気は下端から発電室１０内に噴射され、噴射された空気は第１固定部材６３の上面に当たって発電室１０内全体に広がる。発電室１０内に流入した空気は、排気集約室１８の外周壁と内側円筒部材６４の内周壁の間の隙間、及び排気集約室１８の内周壁と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面の間の隙間を通って上昇する。   On the other hand, the air, which is the oxidant gas supplied by the air flow rate adjusting unit 45, flows into the oxidant gas supply passage 22 through the oxidant gas introduction pipe 56. The air flowing into the oxidant gas supply channel 22 rises in the oxidant gas supply channel 22 while being heated by the exhaust gas flowing inside. The air rising in the oxidant gas supply passage 22 is collected at the center at the upper end portion in the fuel cell storage container 8 and flows into the oxidant gas injection pipe 74 communicated with the oxidant gas supply passage 22. To do. The air flowing into the oxidant gas injection pipe 74 is injected into the power generation chamber 10 from the lower end, and the injected air hits the upper surface of the first fixing member 63 and spreads throughout the power generation chamber 10. The air that has flowed into the power generation chamber 10 flows into the gap between the outer peripheral wall of the exhaust collecting chamber 18 and the inner peripheral wall of the inner cylindrical member 64, and between the inner peripheral wall of the exhaust collecting chamber 18 and the outer peripheral surface of the oxidizing gas injection pipe 74. Ascend through the gaps in between.

この際、各燃料電池セル１６の外側（空気極側）を通って流れる空気の一部は発電反応に利用される。また、排気集約室１８の上方に上昇した空気の一部は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出する燃料の燃焼に利用される。燃焼により生成された排気ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った空気は、小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。排ガス排出流路２１に流入した排気ガス及び空気は、燃焼触媒器６０により一酸化炭素が除去された後、排出される。   At this time, a part of the air flowing through the outside (air electrode side) of each fuel cell 16 is used for the power generation reaction. Further, a part of the air that has risen above the exhaust aggregation chamber 18 is used for the combustion of fuel ejected from the ejection port 18d of the exhaust aggregation chamber 18. Exhaust gas generated by the combustion and air remaining without being used for power generation and combustion flow into the exhaust gas discharge passage 21 through the small hole 64a. The exhaust gas and air that have flowed into the exhaust gas discharge passage 21 are discharged after carbon monoxide is removed by the combustion catalyst 60.

このように、各燃料電池セル１６が発電可能な温度である６５０℃程度まで上昇し、各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）に改質された燃料が流れ、外側（空気極側）に空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池セル収容容器８から引き出されているバスバー８０にインバータ５４が接続されると、各燃料電池セル１６から電力が取り出され、発電が行われる。   In this way, the temperature rises to about 650 ° C., which is the temperature at which each fuel cell 16 can generate electricity, and the reformed fuel flows inside each fuel cell 16 (fuel electrode side) and outside (air electrode side). When air flows through the chamber, an electromotive force is generated by a chemical reaction. In this state, when the inverter 54 is connected to the bus bar 80 drawn out from the fuel cell storage container 8, electric power is taken out from each fuel cell 16 to generate power.

本発明の実施形態の燃料電池モジュール２によれば、燃料ガス分散室７６に対して発電室１０の反対側の、従来はデッドスペースとなっていた空間に脱硫器３６を配置しているので、装置全体を大型化することなく原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる（図２）。また、排ガス排出流路２１からの排気ガスを排気ガス室２３に引き込み、この熱によって脱硫器３６を加熱するので、特別な加熱手段を設けることなく、脱硫器３６を加熱することができる。また、燃料ガス分散室７６と排気ガス室２３の間が断熱材板状部７３ａによって断熱されているので、脱硫器３６が過度に加熱されるのを防止することができると共に、燃料ガス分散室７６から過度に熱が流失し、発電効率が低下するのを防止することができる。さらに、排気ガス室２３が排ガス排出流路２１の内側に配置されているので、排気ガスの通路を過度に延長することなく、排気ガスを排気ガス室２３に引き込むことができる。また、燃料ガス供給流路２０は排ガス排出流路２１の内側に設けられているので、脱硫器３６において脱硫された原燃料ガスを、短い経路で燃料ガス供給流路２０に流入させることができる。さらに、脱硫器３６はバスバー８０を取り囲むように環状に形成されているので、固体酸化物型燃料電池セル１６からの電力の引き出しと干渉することなく、脱硫器３６を配置することができる。また、脱硫器３６は環状に形成されているので（図６）、原燃料ガスが脱硫器３６内を流れる流路を長くすることができ、効率良く硫黄成分を除去することができる。   According to the fuel cell module 2 of the embodiment of the present invention, since the desulfurizer 36 is disposed in a space that has conventionally been a dead space on the opposite side of the power generation chamber 10 with respect to the fuel gas dispersion chamber 76, The sulfur component in the raw fuel gas can be removed without increasing the size of the entire apparatus (FIG. 2). Further, since the exhaust gas from the exhaust gas discharge passage 21 is drawn into the exhaust gas chamber 23 and the desulfurizer 36 is heated by this heat, the desulfurizer 36 can be heated without providing any special heating means. Further, since the space between the fuel gas dispersion chamber 76 and the exhaust gas chamber 23 is thermally insulated by the heat insulating material plate-like portion 73a, it is possible to prevent the desulfurizer 36 from being excessively heated, and the fuel gas dispersion chamber. It is possible to prevent heat from flowing away excessively from 76 and reducing power generation efficiency. Furthermore, since the exhaust gas chamber 23 is disposed inside the exhaust gas discharge passage 21, the exhaust gas can be drawn into the exhaust gas chamber 23 without excessively extending the exhaust gas passage. Further, since the fuel gas supply channel 20 is provided inside the exhaust gas discharge channel 21, the raw fuel gas desulfurized in the desulfurizer 36 can be introduced into the fuel gas supply channel 20 through a short path. . Furthermore, since the desulfurizer 36 is formed in an annular shape so as to surround the bus bar 80, the desulfurizer 36 can be disposed without interfering with the drawing of electric power from the solid oxide fuel cell 16. Further, since the desulfurizer 36 is formed in an annular shape (FIG. 6), the flow path through which the raw fuel gas flows in the desulfurizer 36 can be lengthened, and the sulfur component can be efficiently removed.

また、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、挿通管７２ａにセラミック系の接着剤を充填することによりバスバー８０が固定されているので（図２）、燃料ガス分散室７６の気密性を確保しながらバスバー８０を引き出すことができると同時に、燃料ガス分散室７６からの熱の流失も抑制することができる。   Further, according to the fuel cell module 2 of the present embodiment, since the bus bar 80 is fixed by filling the insertion tube 72a with a ceramic adhesive (FIG. 2), the air tightness of the fuel gas dispersion chamber 76 is improved. The bus bar 80 can be pulled out while ensuring, and at the same time, heat loss from the fuel gas dispersion chamber 76 can be suppressed.

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール２によれば、挿通管７２ａを取り囲む断熱材突出部７３ｂが設けられているので（図２）、挿通管７２ａを形成する部材を介した燃料ガス分散室７６から排気ガス室２３への熱の流出を抑制することができ、断熱性を確保しながらバスバーの通路を構成することができる。   Furthermore, according to the fuel cell module 2 of the present embodiment, since the heat insulating material protrusion 73b surrounding the insertion tube 72a is provided (FIG. 2), the fuel gas dispersion chamber 76 via the member that forms the insertion tube 72a. From the heat to the exhaust gas chamber 23 can be suppressed, and the passage of the bus bar can be configured while ensuring heat insulation.

１ 固体酸化物型燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 外側断熱材
８ 燃料電池セル収容容器
１０ 発電室
１６ 燃料電池セル（固体酸化物型燃料電池セル）
１６ａ 単セル
１８ 排気集約室
１８ａ 集約室上部材
１８ｂ 集約室下部材（第２固定部材）
１８ｃ 挿通穴
１８ｄ 噴出口
１８ｅ 接着剤充填枠
１９ａ 大径シールリング
１９ｂ 小径シールリング
１９ｃ カバー部材
２０ 燃料ガス供給流路（燃料ガス通路）
２１ 排ガス排出流路（排気ガス通路）
２２ 酸化剤ガス供給流路
２３ 排気ガス室
２３ａ 排気ガス横断通路
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット（水供給装置）
３０ 燃料供給源
３３ 凝縮器
３４ オリフィス
３５ 電磁弁
３６ 脱硫器（水添脱硫器）
３６ａ、３６ｂ 仕切板
３６ｃ 脱硫器流入管
３６ｄ 脱硫器流出管
３７ａ 分散層
３７ｂ 触媒層
３７ｃ 集約層
３８ 燃料ブロア（燃料供給装置）
４０ 空気供給源
４５ 空気流量調整ユニット（酸化剤ガス供給装置、空気ブロア）
５０ 温水製造装置
５４ インバータ
５６ 酸化剤ガス導入パイプ（酸化剤ガス流入口）
５８ 排ガス排出パイプ（排ガス流出口）
６０ 燃焼触媒器
６１ シースヒーター（ヒーター）
６３ 第１固定部材（分散室形成板）
６３ａ 挿通穴
６３ｂ 接着剤充填枠
６４ 内側円筒部材（発電室構成部材）
６４ａ 小穴
６４ｂ 小穴
６４ｃ ステー（位置決め部材）
６４ｄ 棚部材
６５ 中間円筒部材
６６ 外側円筒部材
６６ａ 棚部材
６７ カバー部材
６８ 内側円筒容器（排気通路構成部材）
７０ 外側円筒容器（供給通路構成部材）
７２ 分散室底部材
７２ａ 挿通管（バスバー通路）
７２ｂ フランジ部
７３ａ 断熱材板状部
７３ｂ 断熱材突出部
７４ 酸化剤ガス噴射用パイプ
７６ 燃料ガス分散室
７８ 碍子
８０ バスバー
８２ 集電体
８６ 蒸発部
８６ａ 傾斜板
８８ 水供給パイプ
９０ 燃料ガス供給パイプ
９２ 水素取出管
９４ 改質部
９６ 改質触媒
９７ 多孔質支持体
９８ 燃料極層
９９ 反応抑制層
１００ 固体電解質層
１０１ 空気極層
１０２ インターコネクタ層
１０３ａ 電極層
１０３ｂ 電極層
１０４ａ リード膜層
１０４ｂ リード膜層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell apparatus 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 7 Outer heat insulating material 8 Fuel cell storage container 10 Power generation chamber 16 Fuel cell (solid oxide fuel cell)
16a single cell 18 exhaust collecting chamber 18a collecting chamber upper member 18b collecting chamber lower member (second fixing member)
18c Insertion hole 18d Spout 18e Adhesive filling frame 19a Large-diameter seal ring 19b Small-diameter seal ring 19c Cover member 20 Fuel gas supply channel (fuel gas channel)
21 Exhaust gas discharge passage (exhaust gas passage)
22 Oxidant gas supply passage 23 Exhaust gas chamber 23a Exhaust gas crossing passage 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit (water supply device)
30 Fuel supply source 33 Condenser 34 Orifice 35 Solenoid valve 36 Desulfurizer (hydrogenated desulfurizer)
36a, 36b Partition plate 36c Desulfurizer inflow pipe 36d Desulfurizer outflow pipe 37a Dispersion layer 37b Catalyst layer 37c Aggregation layer 38 Fuel blower (fuel supply device)
40 Air supply source 45 Air flow rate adjustment unit (oxidant gas supply device, air blower)
50 Hot water production equipment 54 Inverter 56 Oxidant gas introduction pipe (oxidant gas inlet)
58 Exhaust gas exhaust pipe (exhaust gas outlet)
60 Combustion catalyst 61 Sheath heater (heater)
63 First fixing member (dispersion chamber forming plate)
63a Insertion hole 63b Adhesive filling frame 64 Inner cylindrical member (power generation chamber constituting member)
64a Small hole 64b Small hole 64c Stay (positioning member)
64d Shelf member 65 Intermediate cylindrical member 66 Outer cylindrical member 66a Shelf member 67 Cover member 68 Inner cylindrical container (exhaust passage constituting member)
70 Outer cylindrical container (supply passage component)
72 Dispersion chamber bottom member 72a Insertion pipe (bus bar passage)
72b Flange part 73a Insulating material plate-like part 73b Insulating material protrusion part 74 Oxidant gas injection pipe 76 Fuel gas dispersion chamber 78 Insulator 80 Bus bar 82 Current collector 86 Evaporating part 86a Inclined plate 88 Water supply pipe 90 Fuel gas supply pipe 92 Hydrogen extraction pipe 94 Reforming portion 96 Reforming catalyst 97 Porous support 98 Fuel electrode layer 99 Reaction suppression layer 100 Solid electrolyte layer 101 Air electrode layer 102 Interconnector layer 103a Electrode layer 103b Electrode layer 104a Lead film layer 104b Lead film layer

Claims (3)

燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させる複数の固体酸化物型燃料電池セルと、
これら複数の固体酸化物型燃料電池セルを収容した発電室と、
上記発電室の一方の側に配置され、上記各固体酸化物型燃料電池セルに燃料ガスを分配する燃料ガス分散室と、
上記発電室を取り囲むように設けられ、上記燃料ガス分散室に燃料ガスを導く環状の燃料ガス通路と、
この燃料ガス通路を取り囲むように設けられ、上記発電室から排出される排気ガスを導く環状の排気ガス通路と、
上記排気ガス通路の内側、且つ、上記燃料ガス分散室に対して上記発電室の反対側に位置するように設けられ、上記排気ガス通路によって導かれた排気ガスを流入させ、上記燃料電池モジュール外へ排出する排気ガス室と、
上記複数の固体酸化物型燃料電池セルに接続され、上記燃料ガス分散室を通って上記排気ガス室側へ電力を導くバスバーと、
上記燃料ガス分散室と上記排気ガス室との間を断熱する断熱材と、
上記バスバーを取り囲むように、上記排気ガス室内に配置されることにより、排気ガスによって加熱され、供給された原燃料ガス中の硫黄成分を除去して上記燃料ガス通路に流入させる環状の脱硫器と、
を有することを特徴とする燃料電池モジュール。 A fuel cell module for generating electricity by reacting a fuel gas and an oxidant gas,
A plurality of solid oxide fuel cells that react fuel gas and oxidant gas;
A power generation chamber containing the plurality of solid oxide fuel cells,
A fuel gas dispersion chamber disposed on one side of the power generation chamber and distributing fuel gas to each of the solid oxide fuel cells;
An annular fuel gas passage that is provided so as to surround the power generation chamber and guides the fuel gas to the fuel gas dispersion chamber;
An annular exhaust gas passage that is provided so as to surround the fuel gas passage and guides exhaust gas discharged from the power generation chamber;
The exhaust gas passage is provided on the inner side of the exhaust gas passage and on the opposite side of the power generation chamber with respect to the fuel gas dispersion chamber. An exhaust gas chamber for discharging to the
A bus bar connected to the plurality of solid oxide fuel cells and guiding power to the exhaust gas chamber through the fuel gas dispersion chamber;
A heat insulating material that insulates between the fuel gas dispersion chamber and the exhaust gas chamber;
An annular desulfurizer that is disposed in the exhaust gas chamber so as to surround the bus bar, is heated by the exhaust gas, and removes sulfur components in the supplied raw fuel gas and flows into the fuel gas passage. ,
A fuel cell module comprising: さらに、上記排気ガス室を貫通するように、上記バスバーを通すためのバスバー通路が設けられ、このバスバー通路にはセラミック系の接着剤が充填されることにより上記バスバーが固定され、上記脱硫器は、上記バスバー通路を取り囲むように配置されている請求項１記載の燃料電池モジュール。   Further, a bus bar passage for passing the bus bar is provided so as to penetrate the exhaust gas chamber, and the bus bar is filled with a ceramic adhesive in the bus bar passage, and the desulfurizer is 2. The fuel cell module according to claim 1, wherein the fuel cell module is disposed so as to surround the bus bar passage. 上記断熱材は、上記燃料ガス分散室に沿って設けられた断熱材板状部、及びこの断熱材板状部から上記バスバー通路を取り囲むように延びる断熱材突出部を備え、上記脱硫器は、上記断熱材突出部を取り囲むように配置されている請求項２記載の燃料電池モジュール。   The heat insulating material includes a heat insulating material plate-like portion provided along the fuel gas dispersion chamber, and a heat insulating material protrusion that extends from the heat insulating material plate-like portion so as to surround the bus bar passage, and the desulfurizer includes: The fuel cell module according to claim 2, wherein the fuel cell module is disposed so as to surround the protruding portion of the heat insulating material.
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