JP2017183134A - Solid oxide fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に関し、特に、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを複数備えた固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell device, and more particularly to a solid oxide fuel cell including a plurality of fuel cells that generate power using fuel gas and oxidant gas.
固体酸化物形燃料電池装置(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 device (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, and supplies fuel gas to one side. The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side.
固体酸化物形燃料電池装置では、モジュールケース内に設けられた燃焼部において燃料電池セルからのオフガスを燃焼して高温の排ガスを生成し、蒸発器において排ガスとの熱交換によって水蒸気を生成し、モジュールケース内に設けられた改質器において排ガスの熱で原料ガスを水蒸気により改質して燃料ガスを生成する。そして、改質器から排出された排ガスは、燃焼触媒器において一酸化炭素等の未燃焼ガスが燃焼された後、外部に排出される。 In the solid oxide fuel cell device, in the combustion section provided in the module case, off gas from the fuel cell is burned to generate high-temperature exhaust gas, and steam is generated by heat exchange with the exhaust gas in the evaporator, In the reformer provided in the module case, the raw material gas is reformed with steam by the heat of the exhaust gas to generate fuel gas. The exhaust gas discharged from the reformer is discharged to the outside after unburned gas such as carbon monoxide is burned in the combustion catalyst.
このような触媒器を備えた燃料電池装置として、例えば、特許文献1には、燃料電池セルスタック、蒸発器(気化器)、及び、改質器が燃料電池ハウジング内に収容されており、白金やパラジウム等の貴金属系燃料触媒、又は、マンガンや鉄等の卑金属系燃料触媒からなる燃焼触媒を第2気化器内に設けた構成の燃料電池装置が開示されている。しかしながら、特許文献1には、燃焼触媒を有する第2気化器内が燃料電池ハウジングの外部に設けられることは開示されているものの、具体的な燃焼触媒の構成(形状)や、燃焼触媒の配置については開示されていない。 As a fuel cell device provided with such a catalyst device, for example, in Patent Document 1, a fuel cell stack, an evaporator (vaporizer), and a reformer are accommodated in a fuel cell housing, and platinum A fuel cell device having a configuration in which a combustion catalyst comprising a noble metal fuel catalyst such as palladium or palladium or a base metal fuel catalyst such as manganese or iron is provided in a second carburetor is disclosed. However, although Patent Document 1 discloses that the inside of the second carburetor having the combustion catalyst is provided outside the fuel cell housing, the specific configuration (shape) of the combustion catalyst and the arrangement of the combustion catalyst are disclosed. Is not disclosed.
また、特許文献2には、触媒器を備えた燃料電池装置に関し、収納容器内の上面、側面、又は底面に沿って設けられた排ガスと空気との間で熱交換を行うための熱交換器の排ガス通路内に燃焼触媒を設けた構成が開示されている。
Further,
ここで、燃焼触媒器は発熱するものの、燃焼触媒器の温度は100〜500℃程度であり、燃料電池セル、及び改質器を収容するモジュールケース内の700℃の運転温度に比べて低い。このため、例えば、特許文献2に記載されているように、燃焼触媒を収容容器(モジュールケース)内に配置すると、燃料電池セル等から熱を奪ってしまうおそれがある。このため、燃焼触媒器をモジュールケース外部に設置することが考えられる。
Here, although the combustion catalyst generates heat, the temperature of the combustion catalyst is about 100 to 500 ° C., which is lower than the operating temperature of 700 ° C. in the module case housing the fuel cell and the reformer. For this reason, for example, as described in
しかしながら、近年、家庭用の燃料電池装置のニーズが高まっており、燃料電池装置の小型化が望まれている。装置を小型化すると、たとえ燃焼触媒器をモジュールケース外部に設置した場合であっても燃焼触媒器とモジュールケースとが近接しまうため、燃焼触媒器によるモジュールケース内の燃料電池セル等への熱影響が依然として大きくなってしまう。 However, in recent years, needs for household fuel cell devices are increasing, and miniaturization of fuel cell devices is desired. If the device is downsized, the combustion catalyst and the module case will be close to each other even if the combustion catalyst is installed outside the module case. Still grows.
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、燃焼触媒器のモジュールケース内の燃料電池セル等への熱影響を低減することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to reduce the thermal influence on the fuel cells in the module case of the combustion catalyst.
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを複数備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、燃料電池セルを内部に収容するモジュール容器と、モジュール容器内の燃料電池セルの上方で、燃料電池セルからのオフガスを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、モジュール容器内の燃焼部の上方に設けられ、排ガスにより加熱して原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、モジュール容器の外側に設けられ、モジュール容器から排出された排ガスが供給され、排ガスとの熱交換により水蒸気を生成し、改質器に水蒸気及び原料ガスを供給する蒸発器と、モジュール容器及び蒸発器を被覆する断熱材と、モジュール容器の外側、かつ、断熱材の内部に設けられ、蒸発器から排出された熱交換後の排ガスに含まれる未燃燃料を酸化する燃焼触媒器と、備え、燃焼触媒器は、複数の粒状の燃焼触媒が充填され、排ガスが上方から下方に向かって流通する燃焼触媒室を有し、燃焼触媒器は、燃料電池セルよりも上方に位置するように配置されている、ことを特徴とする。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell device including a plurality of fuel cells that generate power using fuel gas and oxidant gas, a module container that houses the fuel cells, and a fuel in the module container Above the battery cell, it is provided above the combustion part that burns off-gas from the fuel battery cell to generate exhaust gas, and above the combustion part in the module container, and is heated by the exhaust gas to reform the raw material gas, thereby fuel gas A reformer that generates water and an exhaust gas that is provided outside the module container, is supplied with exhaust gas discharged from the module container, generates steam by heat exchange with the exhaust gas, and supplies steam and raw material gas to the reformer , Heat insulation covering the module container and the evaporator, and outside the module container and inside the heat insulation material, and included in the exhaust gas after heat exchange discharged from the evaporator A combustion catalyst that oxidizes the fuel, and the combustion catalyst has a combustion catalyst chamber that is filled with a plurality of granular combustion catalysts and in which exhaust gas flows from the upper side to the lower side. It arrange | positions so that it may be located above a battery cell, It is characterized by the above-mentioned.
上記構成の本発明によれば、燃焼触媒器が燃料電池セルよりも上方に位置する構成であるため、燃焼触媒器を高温な燃料電池セルから離間させることができ、燃焼触媒のモジュール容器内への熱影響を低減し、モジュール容器内の熱的安定性を向上し、熱利用効率を向上することができる。 According to the present invention having the above configuration, since the combustion catalyst device is positioned above the fuel cell, the combustion catalyst device can be separated from the high temperature fuel cell, and into the module container of the combustion catalyst. It is possible to reduce the thermal effect of the module container, improve the thermal stability in the module container, and improve the heat utilization efficiency.
また、燃焼触媒室に粒状の燃焼触媒を充填する構成では、移動や設置時などに外部からの振動等が燃焼触媒室に作用すると、燃焼触媒の嵩高が減少してしまい、燃焼触媒室の上方に隙間が生じてしまう。このような場合に、燃焼触媒室に水平方向に排ガスを流通させると、一部の排ガスは燃焼触媒の間を通過せずに燃焼触媒器から排出されてしまう。これに対して、上記構成の本発明によれば、燃焼触媒室内において排ガスが上方から下方に向かって流通する構成であるため、燃焼触媒室内の燃焼触媒は振動が加わっても燃焼触媒室内の下部に水平方向に隙間なく充填された状態が保たれるため、確実に排ガスを燃焼触媒の間を通過させることができる。 In addition, in the configuration in which the combustion catalyst chamber is filled with a granular combustion catalyst, if vibration from the outside acts on the combustion catalyst chamber during movement or installation, the bulk of the combustion catalyst is reduced, and the There will be a gap. In such a case, when exhaust gas is circulated in the combustion catalyst chamber in the horizontal direction, a part of the exhaust gas is discharged from the combustion catalyst device without passing between the combustion catalysts. On the other hand, according to the present invention having the above configuration, the exhaust gas flows from the upper side to the lower side in the combustion catalyst chamber. Therefore, the combustion catalyst in the combustion catalyst chamber is lower in the combustion catalyst chamber even if vibration is applied. Therefore, the exhaust gas can be reliably passed between the combustion catalysts.
また、モジュール容器内の燃料電池セルや改質器から吸熱してしまう蒸発器をモジュール容器の外側に設けることにより、モジュール容器内の熱的安定性を向上し、熱利用効率を向上することができる。また、蒸発器から排出された熱交換後の排ガスを燃焼触媒器に供給することにより、排ガスの排熱を効率利用することができる。さらに、燃焼触媒器が断熱材の内部に設けられていることにより、モジュール容器と燃焼触媒器との間の熱交換をより抑制することできるとともに、燃焼触媒器と装置外部との熱交換を抑制して燃焼触媒器の温度を維持することができる。 In addition, by providing an evaporator that absorbs heat from the fuel cell or reformer in the module container outside the module container, the thermal stability in the module container can be improved and the heat utilization efficiency can be improved. it can. Moreover, exhaust heat of exhaust gas can be used efficiently by supplying the exhaust gas after heat exchange discharged from the evaporator to the combustion catalyst device. Furthermore, since the combustion catalyst is provided inside the heat insulating material, heat exchange between the module container and the combustion catalyst can be further suppressed, and heat exchange between the combustion catalyst and the outside of the apparatus is suppressed. Thus, the temperature of the combustion catalyst can be maintained.
本発明において、好ましくは、蒸発器は、少なくとも供給された排ガスを加熱する加熱装置を有し、燃焼触媒器は、加熱装置から蒸発器を介した伝熱、及び/又は、加熱装置により加熱された排ガスにより加熱される。 In the present invention, preferably, the evaporator has a heating device that heats at least the supplied exhaust gas, and the combustion catalyst is heated by the heat transfer from the heating device via the evaporator and / or by the heating device. Heated by the exhaust gas.
上記構成の本発明によれば、燃焼触媒器に排ガスを供給する蒸発器に設置されたヒータを間接的に利用して燃焼触媒の加熱を行うことができ、燃焼触媒器に別途ヒータを設ける必要がなくなり、部品数を削減することができる。 According to the present invention configured as described above, the combustion catalyst can be heated indirectly using the heater installed in the evaporator that supplies exhaust gas to the combustion catalyst device, and it is necessary to provide a separate heater in the combustion catalyst device The number of parts can be reduced.
本発明において、好ましくは、上面視において、蒸発器はモジュール容器の天面よりも外方に延在する延在部を有し、燃焼触媒器は、蒸発器の延在部の直下に設けられている。
上記構成の本発明によれば、モジュール容器と燃焼触媒器との間の熱交換の低減と、蒸発器のヒータによる燃焼触媒器への加熱と、燃料電池装置の小型化を同時に達成することができる。
In the present invention, preferably, in a top view, the evaporator has an extending portion extending outward from the top surface of the module container, and the combustion catalyst is provided immediately below the extending portion of the evaporator. ing.
According to the present invention configured as described above, it is possible to simultaneously reduce heat exchange between the module container and the combustion catalyst, heat the combustion catalyst by the heater of the evaporator, and reduce the size of the fuel cell device. it can.
本発明において、好ましくは、燃焼触媒器の排ガスを導入する導入口の面積が、燃焼触媒器の排ガスを排出する排出口の面積よりも大きい。
上記構成の本発明によれば、燃焼触媒器に導入される排ガスが燃焼触媒室内の幅広い領域に広がり、効率良く未燃燃料を燃焼させることができる。
In this invention, Preferably, the area of the inlet which introduces | emits the exhaust gas of a combustion catalyst device is larger than the area of the exhaust port which discharges | emits the exhaust gas of a combustion catalyst device.
According to the present invention having the above configuration, the exhaust gas introduced into the combustion catalyst device spreads over a wide area in the combustion catalyst chamber, and the unburned fuel can be burned efficiently.
本発明において、好ましくは、燃焼触媒器は、燃焼触媒室の上流側に設けられ、導入口から排ガスが導入される排ガス導入室と、燃焼触媒室を通過した排ガスが供給され、排出口から外部へ排ガスを排出する排ガス集約室と、をさらに有する。 In the present invention, preferably, the combustion catalyst device is provided on the upstream side of the combustion catalyst chamber, the exhaust gas introduction chamber into which exhaust gas is introduced from the introduction port, and the exhaust gas that has passed through the combustion catalyst chamber is supplied. And an exhaust gas collecting chamber for exhausting exhaust gas.
燃焼触媒が充填された燃焼触媒室は圧力損失が高く、また、蒸発器から燃焼触媒器へ延びる配管も圧力損失が高い。これに対して、上記構成の本発明によれば、燃焼触媒室の上流側に排ガス導入室を設けることにより、この排ガス導入室がバッファ空間として機能し、蒸発器から燃焼触媒器へスムーズに排ガスを導入することができる。また、上記の通り、燃焼触媒が充填された燃焼触媒室は圧力損失が高く、さらに、燃焼触媒器の排出口から延びる配管は燃料触媒室に比べて断面積が小さく圧力損失が高い。これに対して、上記構成の本発明によれば、燃焼触媒器から排ガスが排出される配管の上流側に、排ガス集約室が設けられているため、燃焼触媒器から配管へスムーズに排ガスを排出することができる。 The combustion catalyst chamber filled with the combustion catalyst has a high pressure loss, and the piping extending from the evaporator to the combustion catalyst device also has a high pressure loss. On the other hand, according to the present invention configured as described above, by providing the exhaust gas introduction chamber upstream of the combustion catalyst chamber, the exhaust gas introduction chamber functions as a buffer space, and the exhaust gas smoothly flows from the evaporator to the combustion catalyst device. Can be introduced. As described above, the combustion catalyst chamber filled with the combustion catalyst has a high pressure loss, and the pipe extending from the exhaust port of the combustion catalyst device has a smaller cross-sectional area and a higher pressure loss than the fuel catalyst chamber. On the other hand, according to the present invention having the above-described configuration, the exhaust gas collecting chamber is provided on the upstream side of the pipe from which the exhaust gas is discharged from the combustion catalyst, so that the exhaust gas is smoothly discharged from the combustion catalyst to the pipe. can do.
本発明において、好ましくは、排ガス集約室の容積は、排ガス導入室の容積よりも大きい。
上記のように、燃焼触媒器の排ガスを排出する排出口の面積は、燃焼触媒器の排ガスを導入する導入口の面積よりも小さいため、燃焼触媒器の排ガスを排出するための配管はより圧力損失が高い。これに対して、上記構成の本発明によれば、排ガス導入室の容積は排ガス集約室の容積よりも大きいため、排ガス集約室はより高い緩衝機能を有し、燃料触媒器内の排ガスの流れをよりスムーズにすることができる。
In the present invention, preferably, the volume of the exhaust gas collecting chamber is larger than the volume of the exhaust gas introducing chamber.
As described above, the area of the exhaust port for discharging the exhaust gas of the combustion catalyst device is smaller than the area of the introduction port for introducing the exhaust gas of the combustion catalyst device, so that the piping for discharging the exhaust gas of the combustion catalyst device has a higher pressure. Loss is high. On the other hand, according to the present invention having the above-described configuration, the volume of the exhaust gas introduction chamber is larger than the volume of the exhaust gas aggregation chamber, so that the exhaust gas aggregation chamber has a higher buffer function and the flow of exhaust gas in the fuel catalyst device. Can be made more smooth.
本発明において、好ましくは、燃焼触媒器の排ガスを排出する排出口は、燃料電池セルよりも上方に位置するように設けられている。
上記構成の本発明によれば、低温の排ガスが排出される排出口が改質器よりも上方に設けられているため、排出口から排出された排ガスにより改質器等が冷却されるのを防止できる。
In this invention, Preferably, the exhaust port which discharges | emits the exhaust gas of a combustion catalyst device is provided so that it may be located above a fuel cell.
According to the present invention having the above configuration, the exhaust port for discharging the low temperature exhaust gas is provided above the reformer, so that the reformer and the like are cooled by the exhaust gas discharged from the exhaust port. Can be prevented.
本発明によれば、燃焼触媒器のモジュールケース内の燃料電池セル等への熱影響を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermal influence to the fuel cell etc. in the module case of a combustion catalyst device can be reduced.
つぎに、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。
図1に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュール容器8(以下では適宜「モジュールケース」と呼ぶ。)が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、8個の燃料電池セルスタック14(詳細は図11で後述する)を備え、この燃料電池セルスタック14は、各々が燃料電池セルを含む、16本の燃料電池セルユニット16(詳細は図10で後述する)から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体12は、128本の燃料電池セルユニット16を有する。なお、ハウジング6は必須ではなく、断熱材7を保持するようなフレームを用いてもよい。燃料電池セル集合体12は、複数の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
The
燃料電池モジュール2のモジュールケース8の発電室10の上方には、燃焼部としての燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガス(オフガス)と残余の空気とが燃焼し、排気ガス(言い換えると燃焼ガス)を生成するようになっている。さらに、モジュールケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室18の上方には、原燃料ガス(原料ガス)を改質する改質器120が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器120を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
A
さらに、ハウジング6内においてモジュールケース8の上方には、蒸発器140が断熱材7内に設けられている。蒸発器140は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス(以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。)をモジュールケース8内の改質器120に供給する。
Further, an
つぎに、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた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から供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器120に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器120内において、部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよいし、POX工程及びATR工程を省略してSR工程のみが行われるように構成してもよい。なお、SR工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット44は不要である。
Next, the
In this embodiment, the partial oxidation reforming reaction (POX) and the steam reforming reaction (SR) are performed from the POX process in which only the partial oxidation reforming reaction (POX) occurs in the
つぎに、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot
つぎに、図2〜図4を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。
図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図であり、図4は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。なお、図2、3ではハウジングは省略している。
Next, the structure of a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
2 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 4 is an exploded perspective view of the module case and the air passage cover. 2 and 3, the housing is omitted.
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2は、断熱材7で覆われたモジュールケース8の内部に設けられた燃料電池セル集合体12及び改質器120を有すると共に、モジュールケース8の外部で且つ断熱材7内に設けられた蒸発器140を有する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
まず、モジュールケース8は、図4に示すように、略矩形の天板8a,底板8c,これらの長手方向(図2の左右方向)に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板8bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板8a及び底板8cの幅方向(図3の左右方向)に延びる辺同士を連結する閉鎖側板8d,8eからなる。
First, as shown in FIG. 4, the
モジュールケース8は、空気通路カバー160によって天板8a及び側板8bが覆われている。空気通路カバー160は、天板160aと、対向する一対の側板160bとを有する。天板160aの略中央部分には、排気管171を貫通させるための開口部167が設けられている。また、天板160aの閉鎖側板8d側の部分には、発電用空気導入管74が接続される開口部168が設けられている。天板160aと天板8aとの間、及び、側板160bと側板8bとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース8の外側と断熱材7との間、具体的にはモジュールケース8の天板8a及び側板8bと、空気通路カバー160の天板160a及び側板160bとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路161a,161bが形成されている(図3参照)。
The
モジュールケース8の側板8bの下部には、複数の貫通孔である吹出口8fが設けられている(図4参照)。発電用空気は、空気通路カバー160の天板160aのうち、モジュールケース8の閉鎖側板8d側の略中央部に設けられた発電用空気導入管74から空気通路161a内に供給される(図2参照)。そして、発電用空気は、空気通路161a,161bを通って、吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される(図3、図4参照)。
At the lower part of the
また、空気通路161a,161bの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン162,163が設けられている(図3参照)。プレートフィン162は、モジュールケース8の天板8aと空気通路カバー160の天板160aの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン163は、モジュールケース8の側板8bと空気通路カバー160の側板160bとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット16よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。
Further,
空気通路161a,161bを流れる発電用空気は、特にプレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の内側のモジュールケース8内(具体的には天板8a,側板8bに沿って設けられた排気通路)を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路161a,161bにおいてプレートフィン162,163が設けられた部分は、熱交換器(熱交換部)として機能する。なお、プレートフィン162が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン163が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。
The power generation air flowing through the
つぎに、蒸発器140は、モジュールケース8の天板8a上で水平方向に延びるように固定されている。そして、蒸発器140は、長手方向(図2の左右方向)の一側端側に、に排気管171及び混合ガス供給管112が接続され、長手方向の他側端側に排気ガス排出管82が接続され、排気管171により支持されている。また、蒸発器140とモジュールケース8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分が配置されている(図2及び図3参照)。
Next, the
具体的には、蒸発器140は、長手方向(図2の左右方向)の一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する水供給配管62及び原料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82(図2参照)とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管171の上端部が連結されている。排気管171は、空気通路カバー160の天板160aに形成された開口部167を貫通して下方へ延び、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口111に連結されている。排気口111は、モジュールケース8内の燃焼室18で生成された排気ガスをモジュールケース8の外へ排出する開口部であり、モジュールケース8の上面視略矩形の天板8aのほぼ中央部に形成されている。
Specifically, the
図5は、図2に示す固体電解質形燃料電池装置の蒸発器を拡大断面図である。また、図6は、図2に示す固体電解質形燃料電池装置の蒸発器の天板及び燃焼触媒器を省略した状態の斜視図である。なお、図6には、水(水蒸気)及び燃料(原料ガス)の流れをそれぞれ実線及び一点鎖線で示す。
蒸発器140は、上面視で略矩形の箱状の蒸発器ケース141(図2、図3)を有している。この蒸発器ケース141は、第1の容器143と、第1の容器の143の下方に重ね合わされた第2の容器144と、第1の容器143の上部を塞ぐ天板142とにより構成されている。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the evaporator of the solid oxide fuel cell device shown in FIG. FIG. 6 is a perspective view of the solid oxide fuel cell device shown in FIG. 2 with the top plate of the evaporator and the combustion catalyst device omitted. In addition, in FIG. 6, the flow of water (steam) and fuel (raw material gas) is shown with a continuous line and a dashed-dotted line, respectively.
The
天板142は、平板状の金属部材からなる。天板142の一方の端部の幅方向中央には原料供給配管63を接続するための開口部が形成され、一方の端部の幅方向一側部には水供給配管62を接続するための開口部が形成されている。
The
図5及び図6に示すように、第1の容器143は、底面143A1、143A2と、底面143A1、143A2の外周縁から上方に延びる側壁143Bと、側壁143Bの上端から水平方向外方に延びる鍔部143Cと、隔壁147と、を備える。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
第1の容器143の底面143A1、143A2は、隔壁147により水供給配管62及び原料供給配管63側の第1の底面143A1と、混合ガス供給管112側の第2の底面143A2とに分割されている。第1の底面143A1は、後述するように蒸発室150の底面であり、排ガスと水供給配管62から供給された水との間で熱交換するための蒸発面として機能する。第1の容器143の底面143A1の上面は、表面粗さRaが1.5μm以上の粗面として形成されている。これにより、第1の容器143の底面143A1は親水性が高くなり、底面143A1上に供給された水は広範囲に拡がる。さらに、第1の容器143の底面143A1の上面には、水拡散手段としての連続溝156が形成されている。
The bottom surfaces 143A1 and 143A2 of the
図7は、第1の容器の底面に形成された連続溝の一部を拡大して示す図である。なお、図7における下方が水供給配管62側である。同図に示すように、第1の容器143の第1の底面143A1上には、正方形状の突部156Cが前後左右に等間隔で設けられている。また、前後左右に隣接する4つの正方形状の突部156Cの中心部には十字状の突部156Dが形成されている。これにより、連続溝156は、正方形状の溝156Aが前後左右に等間隔に並んであり、隣接する正方形状の溝156Aの対向する辺の中央部の間が連結溝156Bにより連結される構成となっている。
FIG. 7 is an enlarged view showing a part of the continuous groove formed on the bottom surface of the first container. Note that the lower side in FIG. 7 is the
このような構成により、例えば、図7の中央下方から連続溝156内に入り込んだ水は、A部において左右に屈曲及び分割され、A部からB部の間の溝内を直進し、B部において屈曲する。そして、B部において屈曲した水はB部からC部の間の溝内を直進し、C部においてさらに屈曲及び分割される。このように、連続溝156に供給された水は、A部における屈曲及び分割と、A部からB部の間の溝内の直進と、B部における屈曲と、B部からC部の間の溝内の直進と、C部における屈曲及び分岐を繰り返すことにより、広域に拡がりながら流れる。
With such a configuration, for example, water that has entered the
第2の底面143A2の中央には混合室151の排出口として開口部が形成されており、この開口部には混合ガス供給管112の上端が接続されている。この混合ガス供給管112は、排気管171の内部を通過するように配置されており、一端が第1の容器143に形成された開口部に連結され、他端が改質器120の天面に形成された混合ガス供給口120aに連結されている。混合ガス供給管112は、排気管171内を通過してモジュールケース8内まで鉛直下方に延び、そこで略90°屈曲されて天板8aに沿って水平方向に延びた後、下方へ略90°屈曲されて改質器120に連結されている。
An opening is formed in the center of the second bottom surface 143A2 as an outlet of the mixing
隔壁147は、第1の容器143の長手方向に延びる側壁143Bの間を短手方向に延びており、金属材料が上方に向けて突出することにより形成されている。隔壁147は、第1及び第2の底面143A1、143A2の縁から上方に平行に延びる一対の側壁147Bと、一対の側壁147Bの上端の間を結ぶ上面147Cと、を備える。また、隔壁147の上部の短手方向(隔壁147の延びる方向)の中央には凹部147Aが形成されている。
The
図5及び図6に示すように、隔壁147の上面147Cは平坦面として形成されており、鍔部143Cと面一に形成されている。また、凹部147Aの幅は、第1の底面143A1側が第2の底面143A2側よりも広くなっており、第2の底面143A2側に向かうにつれて徐々に狭くなっている。また、凹部147Aの上面147Cからの深さは、後述する蒸発室150内に充填されたアルミナボールの径よりも小さい。また、隔壁147の内側には、一対の側壁147Bと上面147Cとにより囲まれて空間147Dが形成されており、この空間147Dは下方に開口している。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
第1の容器143は一枚の金属部材をプレス成形して構成されており、底面143A1、143A2と、側壁143Bと、鍔部143Cと、隔壁147とはひと続きの一体成型部材として構成されている。
The
第1の容器143と天板142とは、天板142の下面と、鍔部143Cの上面及び隔壁147の上面147Cが当接した状態で接合されている。天板142と、第1の容器143の第1の底面143A1、側壁143B、及び隔壁147とにより蒸発室150が区画されている。また、天板142と、第1の容器143の第2の底面143A2、側壁143B、及び隔壁147とにより混合室151が区画されている。そして、隔壁147の凹部147Aと天板142とにより区画され、蒸発器140の幅方向中央の上部に位置する連通路により、蒸発室150と混合室151とが連通している。
The
蒸発室150内には、複数の粒状の熱伝導性部材が充填されている。熱伝導性部材としては、例えば、球状のアルミナボールなどを用いることができる。蒸発室150内に充填されたアルミナボールは、天板142に当接している。
The
混合室151には、仕切り部材152が配置されている。仕切り部材152は、同一断面で幅方向に延びる耐熱性を有する金属材料で形成された部材である。仕切り部材152は、上面152Aと、上面152Aの両側部から下方に平行に延びる一対の側壁部152Bと、一対の側壁部152Bの縁から外側に延びる一対の基部152Cと、を備える。蒸発室150側の側壁部152Bの幅方向両側部には横長の開口部152Dが形成されている。
A
仕切り部材152の長手方向長さは、混合室151の幅とほぼ等しい。仕切り部材152は、第1の容器143の第2の底面143A2に形成された混合ガス供給管112が接続された開口部(排出口)を覆うように蒸発室150内に配置されている。仕切り部材152は、基部152Cの下面が第1の容器143の第2の底面143A2と当接した状態で、基部152Cと第2の底面143A2とがスポット溶接されることにより、第1の容器143に固定されている。仕切り部材152の一対の側壁部152Bの側部と、第1の容器143の内壁との間は溶接されておらず、隙間が形成されている。また、仕切り部材152の上面152Aは第1の容器143の鍔部143Cと略等しい高さとなっている。
The length in the longitudinal direction of the
仕切り部材152が設けられることにより、蒸発室150内の空間は、隔壁147と仕切り部材152との間の第1の空間153Aと、仕切り部材152の一対の側壁部152Bの間の第2の空間153Bと、仕切り部材152と第1の容器143の側壁143Bとの間の第3の空間153Cとに分割されている。第1の空間153Aと第2の空間153Bとは、側壁部152Bに形成された開口部152Dを通じて連通している。また、第3の空間153Cは、仕切り部材152の一対の側壁部152Bの両側部と第1の容器143の内壁との間の隙間を介して、第1の空間153A及び第2の空間153Bと連通している。この隙間の面積は側壁部152Bに形成された開口部152Dの面積に比べて非常に小さいため、第1の空間153Aから第3の空間153Cへの圧力損失は、第1の空間153Aから第2の空間153Bまで(特に、第2の底面143A2の底面に形成された開口部まで)の圧力損失よりも高くなっている。なお、後述するように、第2の空間153Bは水蒸気と原料ガスとを混合する混合流路として機能し、第3の空間153Cは突沸緩衝空間として機能する。
By providing the
第2の容器144は、底面144Aと、底面144Aの外周縁から上方に延びる側壁144Bと、側壁144Bの上端から水平方向外方に延びる鍔部144Cと、を備える。第2の容器144の底面144Aには、排気管171の上端が接続される開口部と、排気ガス排出管82が接続される開口部とが形成されている。
The
第2の容器144は、第1の容器143に下方から重ね合わされている。重ね合わされた状態において、第2の容器144の鍔部144Cの上面は、第1の容器143の鍔部143Cの下面に当接している。また、第2の容器144の側壁144Bの上部は、第1の容器143の側壁143Bと当接している。
The
第1の容器143の底面143A1、143A2と、第2の容器144の底面144Aとの間には、排気管171から排気ガス排出管82まで蒸発器140の長手方向に延びる排気ガス流路154が形成されている。なお、この排気ガス流路154は、隔壁147内の空間147Dと連通している。
Between the bottom surfaces 143A1 and 143A2 of the
また、排気ガス流路154内には、熱交換促進部材としてのプレートフィン155が設けられている。図8(A)は排ガス流路内に設けられたプレートフィンを示す斜視図であり、(B)は蒸発器におけるプレートフィンの近傍を拡大して示す図である。
Further, a
プレートフィン155は、一枚の金属製プレートを加工して製造されている。プレートフィン155は、板状の本体部155Aと、下方に突出する第1の突出部155Bと、上方に突出する第2の突出部155Cとを有する。
The
また、第1の突出部155Bは、それぞれ、斜め下方に向かって延びる一対の傾斜部155B1と、一対の傾斜部155B1の下端部の間を結ぶ連結部155B2とにより構成される。そして、本体部155Aの第1の突出部155Bの上方に当たる位置に第1の通過穴155B3が形成されている。また、第1の突出部155Bの連結部155B2の下面には、円柱状の突起部155B4が形成されている。なお、この突起部155B4の面積は、第1及び第2の突出部155B、155Cの連結部155B2、155C2の面積よりも小さい。
Each of the first projecting
第2の突出部155Cは、それぞれ、斜め上方に向かって延びる一対の傾斜部155C1と、一対の傾斜部155C1の上端部の間を結ぶ連結部155C2とにより構成される。そして、本体部155Aの第2の突出部155Cの下方に当たる位置には、第2の通過穴155C3が形成されている。
Each of the second projecting portions 155C includes a pair of inclined portions 155C1 extending obliquely upward, and a connecting portion 155C2 connecting between the upper ends of the pair of inclined portions 155C1. And the 2nd passage hole 155C3 is formed in the position which hits the downward direction of the 2nd protrusion part 155C of the main-
プレートフィン155は、第1の突出部155Bの突起部155B4が第2の容器144の底面144Aと当接し、第2の突出部155Cの連結部155C2が第1の容器143の底面143A1と当接している。これにより、プレートフィン155は、第1の容器143の底面143A1と熱的に接続され、プレートフィン155の第2の容器144の底面144Aへの熱抵抗が、第1の容器143の底面143A1との熱抵抗よりも大きくなっている。
In the
このように排気ガス流路154内にプレートフィン155が配置されることにより、排気ガス流路154はプレートフィン155の本体部155Aにより上部空間154Aと、下部空間154Bとに分割される。そして、プレートフィン155の本体部155Aに形成された第1の通過穴155B3及び第2の通過穴155C3を通じて、上部空間154Aと、下部空間154Bとの間で排気ガス流路154を流れる排ガスが流通することができる。
By arranging the
図5に示すように、第1の容器143の底面143A1、143A2と天板142との間の距離は、第2の容器144の底面144Aと第1の容器143の底面143A1、143A2との間の距離よりも大きくなっている。これにより、蒸発器140の全体の高さHに対する蒸発室150の高さHAの占める割合が、蒸発器140の全体の高さHに対する排気ガス流路154の高さHBが占める割合よりも高くなっている。
As shown in FIG. 5, the distance between the bottom surface 143A1, 143A2 of the
さらに、蒸発器140はヒータ157を備える。図6に示すように、矩形状の蒸発器140の三辺の外周に沿うように設けられており、両端部は蒸発室150側に向かって延在している。図5に示すように、ヒータ157は第1の容器143の側壁143Bと、第2の容器144の側壁144Bとが重なり合った第1の重なり部158Aに側方から当接している。さらに、ヒータ157は、第1の容器143の鍔部143Cと、第2の容器144の鍔部144Cと、天板142とが重なり合った第2の重なり部158Bに下方から当接している。なお、ヒータ157は蒸発器140の全周に沿うように設けてもよい。
Further, the
図5に示すように、水供給配管62及び原料供給配管63は図5の右側から水平に延び、蒸発器140の蒸発室150側の側縁を跨いでいる。そして、水供給配管62及び原料供給配管63は下方に向かって屈曲し、天板142に形成された開口を挿通し、蒸発室150室内に開口している。なお、水供給配管62は、蒸発室150側の端部の幅方向中央に開口しており、原料供給配管63は蒸発室150側の端部の蒸発室150の幅方向一側に開口している。
As shown in FIG. 5, the
また、蒸発器140は温度センサ69を備える。温度センサ69も水供給配管62及び原料供給配管63と同様に蒸発器140の蒸発室150側の側縁を跨いで水平方向に延びている。温度センサ69は、天板142の上面に当接するように取り付けられている。そして、温度センサ69は、その先端の温度を検知するセンサ部69Aが蒸発室150の中間よりも下流側に位置するように配置されている。
The
排気ガス排出管82は、排気ガス流路154の下流端部に接続されている。排気ガス排出管82は4本設けられており、幅方向に等間隔で設けられている。排気ガス排出管82は下方に向かって延びており、下端が燃焼触媒器200に接続されている。図9は、図2に示す固体電解質形燃料電池装置の燃焼触媒器の構成を示す斜視図である。なお、図9ではヒータを省略して示している。燃焼触媒器200は、略直方体状を呈しており、上面の排ガス導入口に排気ガス排出管82が接続され、モジュールケース8の反対側の面の下部に形成された排出口に排ガス放出管202が接続されている。燃焼触媒器200は蒸発器140と同様にモジュールケース8の外側、かつ、断熱材7の内部に配置されている。
The exhaust
燃焼触媒器200は直方体状の箱状の容器本体210と、容器本体210内に水平に設けられた第1の保持部材212と、第1の保持部材212の下方に水平に設けられた第2の保持部材214とを備える。容器本体210内は、第1の保持部材212と、第2の保持部材214とにより、最上部に位置する排ガス導入室204と、排ガス導入室204の下方に位置する燃焼触媒室206と、燃焼触媒室206の下方に位置する排ガス集約室208とに区画されている。また、燃焼触媒器200の燃焼触媒室206内には白金やパラジウムなどからなる粒状の燃焼触媒206Aが充填されている。第1の保持部材212及び第2の保持部材214には、例えばスリットなどの排ガスが流通可能であり、燃焼触媒206Aが通過できないような開口が形成されている。
The
第1の保持部材212と容器本体210の天面と間の高さは、容器本体210と第2の保持部材214との間の高さよりも大きくなっている。これにより、排ガス集約室208の容積は排ガス導入室204の容積よりも大きくなっている。また、容器本体210の天板に形成され、排気ガス排出管82が接続された排ガス導入口の面積の合計は、容器本体210の側面に形成され、排ガス放出管202が接続された排出口の面積よりも大きくなっている。
The height between the first holding
図2及び図5に示すように蒸発器140は排気ガス排出管82が接続された側の端部が上面視において、モジュールケース8の縁より外方まで延在している。そして、燃焼触媒器200はこの蒸発器140のモジュールケース8の縁より外方まで延在している部分の直下に位置している。また、燃焼触媒器200は、容器本体210の底面が燃料電池セルユニット16の上端部よりも上方に位置するように配置されている。なお、容器本体210の底面は改質器120の上面と略等しい高さに位置している。そして、燃焼触媒器200の排出口は燃料電池セルユニット16の上端よりも高い位置に設けられており、排ガス排出口に接続された排ガス放出管202は、燃料電池セルユニット16よりも高い位置を水平方向に延びている。
As shown in FIGS. 2 and 5, the
このような蒸発器140では、排気管171から供給された排ガスは排気ガス流路154を流れ、排気ガス排出管82へと排出される。そして、水供給配管62から蒸発室150に供給された水は、底面143A1上を拡がりながら流れる。そして、底面143A1を介して排ガスと水との間で熱交換が行われ、水が蒸発して水蒸気が生成される。蒸発室150で発生した水蒸気は、原料供給配管63から供給された原料ガスとともに混合室151に流れこみ、水蒸気と燃料ガスとが混合されて、混合ガス供給管112へと排出される。
In such an
また、排気ガス排出管82へ排出された排ガスは、燃焼触媒器200に供給される。燃焼触媒器200に供給された排ガスは、4本の排気ガス排出管82から排ガス導入室204に下方に向かって放出される。このように排気ガス排出管82は4本設けられ、排出口の断面積が大きいため、燃焼触媒器200内の幅広い領域に排ガスを均一に排出することができる。
Further, the exhaust gas discharged to the exhaust
排ガス導入室204内に放出された排ガスは、排ガス導入室204から第1の保持部材212を通過し、燃焼触媒室206内を燃焼触媒206Aの間の隙間を通過しながら、下方に向かって流れる。この際、排ガスが燃焼触媒206Aと接触することにより、排ガスに含まれる一酸化炭素等の有害ガス(未燃燃料)が酸化される。そして、燃焼触媒室206を通過した排ガスは、第2の保持部材214を通過して排ガス集約室208に放出される。排ガス集約室208に放出された排ガスは、排ガス放出管202に集約されて排出される。
The exhaust gas released into the exhaust
ここで、排気ガス排出管82の断面積は燃焼触媒器200の容器本体210の断面積に比べて小さい。このため、排気ガス排出管82は圧力損失が非常に高い。また、燃焼触媒206Aが充填された燃焼触媒室206は圧力損失が非常に高い。これに対して、排気ガス排出管82の下流、かつ、燃焼触媒室206の上流に排ガス導入室204が設けられているため、排ガス導入室204がバッファ空間として機能し、排ガスのスムーズな流れを維持することができる。
Here, the cross-sectional area of the exhaust
また、排ガス放出管202の断面積は燃焼触媒器200の容器本体210の断面積に比べて小さい。このため、排ガス放出管202は圧力損失が非常に高い。これに対して、燃焼触媒室206の下流、かつ、排ガス放出管202の上流に排ガス集約室208が設けられているため、排ガス集約室208がバッファ空間として機能し、排ガスのスムーズな流れを維持することができる。特に、排ガス放出管202の接続された排出口の断面積は、排気ガス排出管82が接続された排気ガス導入口の断面積よりも小さい。このため、排ガス放出管202の接続された排出口は非常に圧力損失が大きくなっている。これに対して、排ガス集約室208の容積が排ガス導入室204の容積よりも大きいため、燃焼触媒器200の排出口の圧力損失が非常に大きくても、排ガスのスムーズ流れを維持することができる。
Further, the cross-sectional area of the exhaust
つぎに、図2及び図3に示すように、改質器120は、燃焼室18の上方でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュールケース8の天板8aとの間に排気ガス誘導部材130を介して所定距離隔てられて状態で、天板8aに対して固定されている。改質器120は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔120bが形成された環状構造体であり、上側ケース121と下側ケース122とが接合された筐体を有している。この貫通孔120bは、天板8aに形成された排気口111と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔120bの中央位置に排気口111が形成される。
Next, as shown in FIGS. 2 and 3, the
改質器120の長手方向の一端側(モジュールケース8の閉鎖側板8e側)では、上側ケース121に設けられた混合ガス供給口120aに混合ガス供給管112が連結されており、他端側(閉鎖側板8d側)では、燃料ガス供給管64が下側ケース122に、脱硫器36まで延びる水添脱硫器用水素取出管65が上側ケース121にそれぞれ連結されている。したがって、改質器120は、混合ガス供給管112から混合ガス(つまり水蒸気が混合された原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい))を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管64及び水添脱硫器用水素取出管65から改質後のガス(即ち、燃料ガス)を排出するように構成されている。
On one end side in the longitudinal direction of the reformer 120 (closed
改質器120は、その内部空間が2つの仕切り板123a,123bによって3つの空間に仕切られることにより、改質器120内に、混合ガス供給管112からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部120Aと、混合ガスを改質するための改質触媒(図示せず)が充填された改質部120Bと、改質部120Bを通過したガスを排出するガス排出部120Cと、が形成されている(図2参照)。改質部120Bは、仕切り板123a,123bに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板123a,123bに設けられた複数の連通孔(スリット)を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
The
混合ガス受入部120Aには、蒸発器140から混合ガス供給管112を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口120aを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部120A内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板123aを通過して改質部120Bに供給される。
改質部120Bでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板123bを通過してガス排出部120Cに供給される。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
The mixed gas supplied from the
In the reforming
In the
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64は、モジュールケース8内を閉鎖側板8dに沿って下方へ延び、底板8c付近で略90°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内へ入り、更にマニホールド66内で逆側の閉鎖側板8e付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
A fuel
排気ガス誘導部材130は、改質器120と天板8aとの間でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排気ガス誘導部材130は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板131及び上部誘導板132と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板133,134とを備えている(図2,図3参照)。上部誘導板132は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板131に連結されている。連結板133,134は、上端部が天板8aに連結され、下端部が改質器120に連結されており、これにより、排気ガス誘導部材130及び改質器120を天板8aに固定している。
The exhaust
下部誘導板131は、幅方向(図3の左右方向)の中央部が下方に向けて突出する凸状段部131aが形成されている。一方、上部誘導板132は、下部誘導板131と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部132aが形成されている。凸状段部131aと凹部132aは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管112は、モジュールケース8内でこの凹部132a内を水平方向に延びた後、閉鎖側板8e付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板132及び下部誘導板131を貫通して、改質器120に連結されている。
The
排気ガス誘導部材130は、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜135が形成されている。このガス溜135は、燃焼室18と流体連通している。すなわち、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜135には、運転中に燃焼室18から排気ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜135の内外間のガスの移動は緩やかである。
In the exhaust
上部誘導板132は、天板8aと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板132と天板8aとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる排気通路172が形成されている。この排気通路172は、モジュールケース8の天板8aを挟んで空気通路161aと並設されており、排気通路172内には、空気通路161a,161b内のプレートフィン162,163と同様なプレートフィン175が配置されている。このプレートフィン175は、プレートフィン162と上面視で略同一箇所に設けられており、天板8aを挟んで上下方向に対向している。空気通路161a及び排気通路172のうち、プレートフィン162,175が設けられた部分において、空気通路161aを流れる発電用空気と排気通路172を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。
The
また、改質器120は、モジュールケース8の側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器120と側板8bとの間には、排気ガスを下方から上方へ通過させる排気通路173が形成されている。また、排気ガス誘導部材130も側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路173は、排気ガス誘導部材130と側板8bとの間の通路を含んで天板8aまで延びている。排気通路173は、天板8aと側板8bとの角部に位置する排気ガス導入口172aで排気通路172と連通している。この排気ガス導入口172aは、モジュールケース8内で長手方向に延びている。
The
さらに、下部誘導板131は、改質器120の上側ケース121の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板131と上側ケース121との間、及び、改質器120の貫通孔120bは、貫通孔120bを下方から上方へ向けて通過した排気ガスを通過させる排気通路174を形成している。この排気通路174は、改質器120の上方で排気通路173と合流する。
Further, the
つぎに、図10を参照して、燃料電池セルユニット16について説明する。
図10は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図10に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
Next, the
FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 10, the
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
The
燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路細管98が形成されている。
Since the
この燃料ガス流路細管98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド66(図2参照)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃焼室18(図2参照)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
The fuel gas passage
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
The
電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。 The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.
外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
つぎに、図11を参照して、燃料電池セルスタック14について説明する。
図11は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図11に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG.
FIG. 11 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 11, the fuel cell stack 14 includes 16
Each
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。
Furthermore, a
さらに、燃料電池セルスタック14の端(図6では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の内側電極端子86に接続され、上述したように、128本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
Furthermore, two
つぎに、図12及び図13を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。
図12は、図2と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図13は、図3と同様の、図2のIII−III線に沿った断面図である。なお、図12及び図13は、それぞれ、図2及び図3中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図である。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
Next, a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 12 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention, similar to FIG. 2, and FIG. 13 is similar to FIG. It is sectional drawing along the -III line. 12 and 13 are diagrams in which arrows indicating gas flows are newly added in FIGS. 2 and 3, respectively. In the figure, solid line arrows indicate the flow of fuel gas, broken line arrows indicate the flow of power generation air, and alternate long and short dashed arrows indicate the flow of exhaust gas.
図12及び図13に示すように、水及び原燃料ガス(原料ガス)は、蒸発器140の長手方向の一端側に連結された水供給配管62及び原料供給配管63から蒸発器140の上層に設けられた蒸発室150内に供給される。蒸発室150に供給された水は、第1の容器143の底面143A1の上面が粗面として形成されているため、広範囲に拡がる。また、第1の容器143の底面143A1の上面には、連続溝156が形成されているため、広範囲に拡がる。このようにして広範囲に広がった水は、蒸発器140の下層に設けられた排気ガス流路154を流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この際、蒸発室150内にはアルミナボール(熱伝導部材)が充填されているため、排気ガス流路154からの熱がアルミナボールを介して水に伝達される。この水蒸気と、原料供給配管63から供給された原燃料ガスとが、蒸発室150内を下流方向に流れて行く。
As shown in FIGS. 12 and 13, water and raw fuel gas (raw material gas) are supplied to the upper layer of the evaporator 140 from the
図14は、蒸発室及び混合室内における水蒸気と原燃料ガスとの流れを示す斜視図である。蒸発室150内で発生した水蒸気と原燃料ガスとは、隔壁147の中央に形成された凹部147A内を通過して混合室151へと流入する。この際、凹部147Aが混合室151に向けて幅が狭くなっているため、凹部147Aを通過する際に水蒸気と原燃料ガスとが、より均一に混合される。なお、この際、隔壁147の内側の空間147Dに排ガスが入り込むため、水蒸気と原燃料ガスが隔壁147によって加熱される。そして、凹部147Aから混合室151の第1の空間153A内に流入した水蒸気と原燃料ガスとは、幅方向両側に分かれて流れる。ここで、上述したように仕切り部材152と混合室151の内壁との間を介した第1の空間153Aから第3の空間153Cへの圧力損失は、開口部152Dを介した第1の空間153Aから第2の底面143A2の底面に形成された開口部までの圧力損失よりも高くなっているため、第1の空間153A内に流れこんだ水蒸気と原燃料ガスとは、図14に実線で示すように、仕切り部材152の開口部152Dを通って第2の空間153B内に流れこむ。水蒸気と原燃料ガスとは、このように第1の空間153A及び第2の空間153Bを流れる間に混合されて、混合ガス供給管112へと排出される。
FIG. 14 is a perspective view showing the flow of water vapor and raw fuel gas in the evaporation chamber and the mixing chamber. The water vapor and raw fuel gas generated in the
なお、蒸発室150内において突沸現象が生じた場合には、蒸発室150内に急激に水蒸気が発生し、第1の空間153A内に流れる。そして、このように突沸現象が生じた場合には、一時的に蒸発室150及び混合室151の第1の空間153A内の気圧が高くなる。このように第1の空間153Aの気圧が高くなると、第1の空間153A内の水蒸気は仕切り部材152の側部と第1の容器143の内壁との間の隙間を介して第3の空間153Cへと流れこむ。これにより、突沸現象が生じた場合であっても、蒸発室150及び混合室151内の圧力の急激な上昇を抑えることができる。
When a bumping phenomenon occurs in the
また、図15は、第1の重なり部158A及び第2の重なり部158Bの近傍を拡大して示す断面図である。同図に示すように、蒸発器140の第1の重なり部158A及び第2の重なり部158Bと当接するように、ヒータ157が配置されている。このため、ヒータ157から熱が図中矢印で示すように、第1の重なり部158A及び第2の重なり部158Bを介して効果的に第1の容器143の底面143A2、第2の容器144の底面144A、及び天板142を加熱する。これにより、蒸発室150及び混合室151内の水蒸気及び原料ガスが加熱される。また、排気ガス流路154内の排ガスも加熱され、この熱が第1の容器143の底面143A2を介して水蒸気及び原料ガスに伝達されるため、より効率良く、水蒸気及び原料ガスを加熱することができる。
FIG. 15 is an enlarged sectional view showing the vicinity of the first overlapping
混合ガス供給管112へと排出た混合ガス(燃料ガス)は、混合ガス供給管112を通って、モジュールケース8内の改質器120に供給される。混合ガス供給管112は、排気ガス流路154,排気管171,及び排気通路172の近傍を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管112内の混合ガスは更に加熱される。
The mixed gas (fuel gas) discharged to the mixed
混合ガスは、改質器120内の混合ガス受入部120A内に流入し、ここから仕切り板123aを通過して改質部120Bに流入する。混合ガスは、改質部120Bにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板123bを通過して、ガス排出部120Cに流入する。
The mixed gas flows into the mixed
さらに、燃料ガスは、ガス排出部120Cから燃料ガス供給管64と水添脱硫器用水素取出管65とに分岐する。そして、燃料ガス供給管64に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給され、マニホールド66から各燃料電池セルユニット16内に供給される。
Further, the fuel gas branches from the
また、図12及び図13に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管74から空気通路161aに供給される。発電用空気は、空気通路161a,161b内において、プレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の下部のモジュールケース8内に形成された排気通路172,173を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、排気通路172内には、空気通路161aのプレートフィン162に対応してプレートフィン175が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン162とプレートフィン175とを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される。
Further, as shown in FIGS. 12 and 13, the power generation air is supplied from the power generation
なお、本実施形態では、燃料電池セル集合体12の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において発電用空気と排気ガスとの間の熱交換は抑制される。したがって、燃料電池セル集合体12の側方部位において、空気通路161b内の発電用空気に上下方向の温度勾配が生じ難くなっている。
In the present embodiment, since the exhaust passage is not formed in the side portion of the fuel cell assembly 12, heat exchange between the power generation air and the exhaust gas is suppressed in this portion. Therefore, in the side portion of the fuel cell assembly 12, it is difficult for the temperature gradient in the vertical direction to occur in the power generation air in the
また、発電室10内で発電に利用されなかった燃料ガスは、図12に示すように、燃焼室18で燃焼されて排気ガス(燃焼ガス)となり、モジュールケース8内を上昇していく。具体的には、排気ガスは、排気通路173と排気通路174とに分岐して、改質器120の外側面とモジュールケース8の側板8bとの間、及び、改質器120の貫通孔120bから改質器120と排気ガス誘導部材130との間をそれぞれ通過する。このとき、排気通路174を通過する排気ガスは、改質器120の貫通孔120bの上方に配置された凸状段部131aによって幅方向に二分され、排気ガス誘導部材130の下部に留まることなく排気通路173に向けて誘導され、排気通路173を流れる排気ガスに素早く合流される。
Further, as shown in FIG. 12, the fuel gas that is not used for power generation in the
その後、排気ガスは、排気ガス導入口172aから排気通路172に流入する。排気通路172内では、排気ガスは、排気通路172を水平方向に流れていき、モジュールケース8の天板8aの中央に形成された排気口111から流出する。
Thereafter, the exhaust gas flows into the
なお、排気ガスが排気通路173を上方へ流れていく際に、空気通路161b内に設けられたプレートフィン163を介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。また、排気ガスが排気通路172を水平方向に流れていく際に、排気通路172内に設けられたプレートフィン175と、このプレートフィン175に対応して空気通路161a内に設けられたプレートフィン162とを介して、発電用空気と排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。
When the exhaust gas flows upward in the
そして、排気口111から流出した排気ガスは、モジュールケース8の外部に設けられた排気管171を通過して蒸発器140の排気ガス流路154に流入する。排気ガス流路154に流入した排気ガスは、排気ガス流路154内を排気ガス排出管82に向かって流れる。この際、排気ガス流路154には、プレートフィン155が設けられているため、より効率良く排気ガスと蒸発室150内の水との熱交換が行われる。
The exhaust gas flowing out from the
また、排気ガス流路154を通る排ガスは、ヒータ157により加熱される。このヒータ157からの熱は、蒸発器140及び排気ガス流路154を介して燃焼触媒器200に伝達される。さらに、排ガスは排気ガス流路154内でヒータ157により加熱され、加熱された排ガスが燃焼触媒器200に流入する。このようにして、ヒータ157の熱が間接的に燃焼触媒器200に伝達され、燃焼触媒206Aを加熱することができる。
Further, the exhaust gas passing through the
そして、排気ガス流路154を通過した排気ガスは、排気ガス排出管82に排出され、燃焼触媒器200の排ガス導入室204に流入する。排ガス導入室204に流入した排気ガスは、燃焼触媒室206内を燃焼触媒206Aの間の隙間を通過する。これにより排気ガスに含まれる一酸化炭素などの未燃焼ガス(有害ガス)が触媒と接触し、酸化される。そして、燃焼触媒室206を流通した排気ガスは排ガス集約室208に放出され、排ガス集約室208で集約されて、排ガス放出管202に排出される。
Then, the exhaust gas that has passed through the
なお、上記実施形態では、蒸発室150の底面143A1に図7に示すような連続溝156が形成された場合について説明したが、蒸発室150の底面143A1に形成される連続溝のパターンはこれに限られない。
In the above embodiment, the case where the
図16は別の実施形態による蒸発室150の底面143A1に形成された連続溝256を示す図である。なお、図16における下方が水供給配管62側である。同図に示すように、本実施液体では、第1の容器143の第1の底面143A1上には、正六角形状の突起部256Cが設けられている。これら突起部256Cは、隣接する突起部256Cのそれぞれの辺同士が平行に対向するように配置されており、これにより、突起部256Cの間には正六角形状の溝が網目状に形成される。このような構成により、例えば、図16の中央下方から溝256内に入り込んだ水は、D部において左右に屈曲及び分割され、E部の溝内を直進し、再びD部において屈曲及び分割される。このように、連続溝256に供給された水は、D部における屈曲及び分割と、E部の溝内の直進と、を繰り返すことにより、広域に拡がりながら流れる。
FIG. 16 is a view showing a
以上説明したように、上記実施形態によれば、以下の効果が得られる。
上記実施形態では、燃焼触媒器200が燃料電池セルユニット16よりも上方に位置する構成であるため、燃焼触媒器200を高温な燃料電池セルユニット16から離間させることができ、燃焼触媒206Aのモジュールケース8内への熱影響を低減し、モジュールケース8内の熱的安定性を向上し、熱利用効率を向上することができる。
As described above, according to the embodiment, the following effects can be obtained.
In the above embodiment, since the
また、燃焼触媒室206に粒状の燃焼触媒206Aを充填する構成では、移動や設置時などに外部からの振動等が燃焼触媒室206に作用すると、燃焼触媒206Aの嵩高が減少してしまい、燃焼触媒室206の上方に隙間が生じてしまう。このような場合に、燃焼触媒室206に水平方向に排ガスを流通させると、一部の排ガスは燃焼触媒206Aの間を通過せずに燃焼触媒器200から排出されてしまう。これに対して、本実施形態によれば、排ガスが燃焼触媒室206内を上方から下方に向かって流通する構成であるため、燃焼触媒室206内の燃焼触媒206Aは、振動が加わっても燃焼触媒室206内の下部に水平方向に隙間なく充填された状態が保たれるため、確実に排ガスを燃焼触媒206Aの間を通過させることができる。
In addition, in the configuration in which the
また、モジュールケース8内の燃料電池セルユニット16や改質器120から吸熱してしまう蒸発器140をモジュールケース8の外側に設けることにより、モジュールケース8内の熱的安定性を向上し、熱利用効率を向上することができる。また、蒸発器140から排出された熱交換後の排ガスを燃焼触媒器200に供給することにより、排ガスの排熱を効率利用することができる。さらに、燃焼触媒器200が断熱材7の内部に設けられていることにより、モジュールケース8と燃焼触媒器200との間の熱交換をより抑制することできるとともに、燃焼触媒器200と装置外部との熱交換を抑制して燃焼触媒器200の温度を維持することができる。
Further, by providing an
また、上記実施形態では、燃焼触媒器200は、ヒータ157から蒸発器140を介して加熱され、さらに、ヒータ157により加熱された排ガスが流れこむことにより、より一層加熱される。このように、上記実施形態によれば、燃焼触媒器200に排ガスを供給する蒸発器140に設置されたヒータ157を間接的に利用して燃焼触媒206Aの加熱を行うことができ、燃焼触媒器200に別途ヒータを設ける必要がなくなり、部品数を削減することができる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、蒸発器140は上面視においてモジュールケース8の天板8aよりも外方に延在する延在部を有し、燃焼触媒器200は、蒸発器140の延在部の直下に設けられている。これにより、モジュールケース8と燃焼触媒器200との間の熱交換の低減と、蒸発器140のヒータ157による燃焼触媒器200への加熱と、燃料電池装置1の小型化を同時に達成することができる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、燃焼触媒器200の排ガスを導入する導入口の面積が、排ガスを排出する排出口の面積よりも大きい。これにより、燃焼触媒器200に導入される排ガスが燃焼触媒室206内の幅広い領域に広がり、効率良く未燃燃料を燃焼させることができる。
Moreover, in the said embodiment, the area of the inlet which introduces the exhaust gas of the
燃焼触媒206Aが充填された燃焼触媒室206は圧力損失が高く、また、蒸発器140から燃焼触媒器200へ延びる配管も圧力損失が高い。これに対して、上記実施形態では、燃焼触媒室206の上流側に排ガス導入室204を設けることにより、この排ガス導入室204がバッファ空間として機能し、蒸発器140から燃焼触媒器200へスムーズに排ガスを導入することができる。また、上記の通り、燃焼触媒206Aが充填された燃焼触媒室206は圧力損失が高く、さらに、燃焼触媒器200の排出口から延びる排気ガス排出管82は燃焼触媒室206に比べて断面積が小さく圧力損失が高い。これに対して、上記実施形態では、燃焼触媒器200から排ガスが排出される排ガス放出管202の上流側に、排ガス集約室208が設けられているため、燃焼触媒器200から排ガス放出管202へスムーズに排ガスを排出することができる。
The
また、上記実施形態では、燃焼触媒器200の排ガスを排出する排出口の面積は、燃焼触媒器200の排ガスを導入する導入口の面積よりも小さいため、燃焼触媒器200の排ガスを排出するための排ガス放出管202はより圧力損失が高い。これに対して、上記実施形態によれば、排ガス導入室204の容積は排ガス集約室208の容積よりも大きいため、排ガス集約室208はより高い緩衝機能を有し、燃焼触媒器200内の排ガスの流れをよりスムーズにすることができる。
Moreover, in the said embodiment, since the area of the exhaust port which discharges | emits the exhaust gas of the
上記実施形態によれば、燃焼触媒器200の排ガスを排出するための排出口が、改質器120よりも上方に位置するように設けられているため、排出口から排出された排ガスにより改質器120等が冷却されるのを防止できる。
According to the above embodiment, the exhaust port for discharging the exhaust gas of the
1 固体酸化物形燃料電池装置
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 モジュールケース
8 閉鎖側板
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d 閉鎖側板
8e 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
13 下部誘導板
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
39 バルブ
40 空気供給源
42 電磁弁
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
62 水供給配管
63 原料供給配管
64 燃料ガス供給管
64a 水平部
64b 燃料供給孔
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
69 温度センサ
69A センサ部
74 発電用空気導入管
82 排ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
88 燃料ガス流路
90 内側電極層
90a 上部
90b 外周面
90c 上端面
92 外側電極層
94 電解質層
96 シール材
98 燃料ガス流路細管
100 上支持板
102 集電体
102a 燃料極用接続部
102b 空気極用接続部
104 外部端子
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器
120A 混合ガス受入部
120B 改質部
120C ガス排出部
120a 混合ガス供給口
120b 貫通孔
121 上側ケース
122 下側ケース
123a 仕切り板
123b 仕切り板
130 排気ガス誘導部材
131 下部誘導板
131a 凸状段部
132 上部誘導板
132a 凹部
133 連結板
135 ガス溜
140 蒸発器
141 蒸発器ケース
142 天板
143 第1の容器
143A1 底面
143A2 底面
143B 側壁
143C 鍔部
144 第2の容器
144A 底面
144B 側壁
144C 鍔部
147 隔壁
147A 凹部
147B 側壁
147C 上面
147D 空間
150 蒸発室
151 混合室
152 仕切り部材
152A 上面
152B 側壁部
152C 基部
152D 開口部
153A 第1の空間
153B 第2の空間
153C 第3の空間
154 排気ガス流路
154A 上部空間
154B 下部空間
155 プレートフィン
155A 本体部
155B 突出部
155B1 傾斜部
155B2 連結部
155B3 通過穴
155B4 突起部
155C 突出部
155C1 傾斜部
155C2 連結部
155C3 通過穴
156 連続溝
156A 正方形状の溝
156B 連結溝
156C 突部
156D 突部
157 ヒータ
158A 第1の重なり部
158B 第2の重なり部
160 空気通路カバー
160a 天板
160b 側板
161a 空気通路
161b 空気通路
162 プレートフィン
163 プレートフィン
167 開口部
171 排気管
172 排気通路
172a 排気ガス導入口
173 排気通路
174 排気通路
175 プレートフィン
200 燃焼触媒器
202 排ガス放出管
204 排ガス導入室
206 燃焼触媒室
206A 燃焼触媒
208 排ガス集約室
210 容器本体
212 第1の保持部材
214 第2の保持部材
256 連続溝
256C 突起部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell apparatus 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 6 Housing 7 Heat insulating material 8 Module case 8 Closed side plate 8a Top plate 8b Side plate 8c Bottom plate 8d Closed side plate 8e Closed side plate 8f Outlet 10 Power generation chamber 12 Fuel cell Assembly 13 Lower guide plate 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit 18 Combustion chamber 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 32 Gas shutoff valve 36 Desulfurizer 38 Fuel flow rate adjustment unit 39 Valve 40 Air supply source 42 Solenoid valve 44 Reforming air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit 50 Hot water production device 52 Control box 54 Inverter 62 Water supply pipe 63 Raw material supply pipe 64 Fuel gas supply pipe 64a Horizontal portion 64b Fuel supply Hole 65 Hydrogen extraction pipe for hydrodesulfurizer 66 Manifold 8 Lower support plate 69 Temperature sensor 69A Sensor part 74 Power generation air introduction pipe 82 Exhaust gas discharge pipe 83 Ignition device 84 Fuel cell 86 Inner electrode terminal 88 Fuel gas flow path 90 Inner electrode layer 90a Upper part 90b Outer peripheral face 90c Upper end face 92 Outside Electrode layer 94 Electrolyte layer 96 Sealing material 98 Fuel gas passage narrow tube 100 Upper support plate 102 Current collector 102a Fuel electrode connection portion 102b Air electrode connection portion 104 External terminal 111 Exhaust port 112 Mixed gas supply tube 120 Reformer 120A Mixed gas receiving part 120B Reforming part 120C Gas exhaust part 120a Mixed gas supply port 120b Through hole 121 Upper case 122 Lower case 123a Partition plate 123b Partition plate 130 Exhaust gas guide member 131 Lower guide plate 131a Convex step 132 Upper guide Plate 132a Recess 133 Connection plate 135 Gas reservoir 140 Evaporation Vessel 141 evaporator case 142 top plate 143 first container 143A1 bottom surface 143A2 bottom surface 143B side wall 143C flange 144 152 Partition member 152A Upper surface 152B Side wall portion 152C Base portion 152D Opening portion 153A First space 153B Second space 153C Third space 154 Exhaust gas flow path 154A Upper space 154B Lower space 155 Plate fin 155A Main body portion 155B Projection portion 155B1 Inclination Part 155B2 Connecting part 155B3 Passing hole 155B4 Protruding part 155C Protruding part 155C1 Inclined part 155C2 Connecting part 155C3 Passing hole 156 Continuous groove 156A Square groove 156B Connecting groove 156C Projecting part 56D Protruding portion 157 Heater 158A First overlapping portion 158B Second overlapping portion 160 Air passage cover 160a Top plate 160b Side plate 161a Air passage 161b Air passage 162 Plate fin 163 Plate fin 167 Opening portion 171 Exhaust pipe 172 Exhaust passage 172a Exhaust gas Inlet 173 Exhaust passage 174 Exhaust passage 175 Plate fin 200 Combustion catalyst device 202 Exhaust gas discharge pipe 204 Exhaust gas introduction chamber 206 Combustion catalyst chamber 206A Combustion catalyst 208 Exhaust gas collection chamber 210 Container body 212 First holding member 214 Second holding member 256 Continuous groove 256C Protrusion
Claims (7)
前記燃料電池セルを内部に収容するモジュール容器と、
前記モジュール容器内の前記燃料電池セルの上方で、前記燃料電池セルからのオフガスを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、
前記モジュール容器内の前記燃焼部の上方に設けられ、前記排ガスにより加熱して原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記モジュール容器の外側に設けられ、前記モジュール容器から排出された前記排ガスが供給され、前記排ガスとの熱交換により水蒸気を生成し、前記改質器に前記水蒸気及び前記原料ガスを供給する蒸発器と、
前記モジュール容器及び前記蒸発器を被覆する断熱材と、
前記モジュール容器の外側、かつ、前記断熱材の内部に設けられ、前記蒸発器から排出された熱交換後の排ガスに含まれる未燃燃料を酸化する燃焼触媒器と、
を備え、
前記燃焼触媒器は、複数の粒状の燃焼触媒が充填され、前記排ガスが上方から下方に向かって流通する燃焼触媒室を有し、
前記燃焼触媒器は、前記燃料電池セルよりも上方に位置するように配置されている、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 A solid oxide fuel cell device comprising a plurality of fuel cells that generate power with fuel gas and oxidant gas,
A module container for accommodating the fuel battery cell therein;
A combustion unit that burns off-gas from the fuel battery cell to generate exhaust gas above the fuel battery cell in the module container;
A reformer that is provided above the combustion section in the module container and is heated by the exhaust gas to reform the raw material gas to generate the fuel gas;
An evaporator that is provided outside the module container, is supplied with the exhaust gas discharged from the module container, generates steam by heat exchange with the exhaust gas, and supplies the steam and the raw material gas to the reformer When,
A heat insulating material covering the module container and the evaporator;
A combustion catalyst provided outside the module container and inside the heat insulating material and oxidizing unburned fuel contained in exhaust gas after heat exchange discharged from the evaporator;
With
The combustion catalyst device is filled with a plurality of granular combustion catalysts, and has a combustion catalyst chamber in which the exhaust gas flows downward from above,
The solid oxide fuel cell device, wherein the combustion catalyst is arranged to be positioned above the fuel cell.
前記燃焼触媒器は、前記加熱装置から前記蒸発器を介した伝熱、及び/又は、前記加熱装置により加熱された排ガスにより加熱される、請求項1記載の固体酸化物形燃料電池装置。 The evaporator has a heating device that heats at least the supplied exhaust gas,
2. The solid oxide fuel cell device according to claim 1, wherein the combustion catalyst is heated by heat transfer from the heating device through the evaporator and / or exhaust gas heated by the heating device.
前記燃焼触媒器は、前記蒸発器の前記延在部の直下に設けられている、請求項2記載の固体酸化物形燃料電池装置。 In top view, the evaporator has an extending part that extends outward from the top surface of the module container,
The solid oxide fuel cell device according to claim 2, wherein the combustion catalyst is provided immediately below the extending portion of the evaporator.
前記燃焼触媒室を通過した排ガスが供給され、前記排出口から外部へ前記排ガスを排出する排ガス集約室と、をさらに有する、請求項4記載の固体酸化物形燃料電池装置。 The combustion catalyst is provided upstream of the combustion catalyst chamber, and an exhaust gas introduction chamber into which the exhaust gas is introduced from the introduction port;
The solid oxide fuel cell device according to claim 4, further comprising: an exhaust gas collecting chamber that is supplied with exhaust gas that has passed through the combustion catalyst chamber and discharges the exhaust gas from the exhaust port to the outside.
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