JP2018041608A - Solid oxide fuel cell device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell device having a fluid treatment device for preventing outflow of filler from a prescribed space, and suppressing increase in pressure loss.SOLUTION: A solid oxide fuel cell device for generating power by reaction of fuel gas and oxidant gas has a fluid treatment device 10 for treating fluid involved in power generation in a fuel cell module. The fluid treatment device includes a case, and multiple granular fillers filling the case and changing the state of fluid passing through the inside of the case. Inside of the case is connected with a fluid pipe 13 for passing the fluid, and the bore diameter of the fluid pipe is larger than the grain size of the filler. Furthermore, the fluid pipe has a filler passage inhibition part 14 for inhibiting passage of filler by the shape of the fluid pipe, and suppressing increase in pressure loss of the fluid pipe.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に関し、特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell device, and more particularly to a solid oxide fuel cell device that generates electric power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming a raw material gas and an 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た燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極(燃料極)に燃料ガスを供給し、他方の電極(空気極)に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば700〜1000℃程度の比較的高温で動作する。   A solid oxide fuel cell device (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, and a fuel cell having electrodes attached to both sides thereof in a multi-module container. The fuel cell is arranged to supply a fuel gas to one electrode (fuel electrode) and supply an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other electrode (air electrode) to generate power by a power generation reaction. It is a device for extracting electric power, and operates at a relatively high temperature of, for example, about 700 to 1000 ° C. with respect to other fuel cell devices such as a polymer electrolyte fuel cell device.

従来、このような固体酸化物形燃料電池装置における燃料電池セルの発電に関与する燃料ガス等の流体を処理するために、種々の流体処理装置が用いられている。流体処理装置としては、例えば燃料電池セルに供給する水素を生成するために、天然ガス等の炭化水素からなる原料ガスを水蒸気と反応させて改質して水素を生成する改質器や、改質器に供給する水蒸気を供給された水を蒸発させることにより生成する蒸発器、燃料電池セルの劣化を招く硫黄成分を原料ガスから事前に除去する脱硫器、燃料電池装置から排出される排ガス中の一酸化炭素(CO)を燃焼させて排出する燃焼触媒器等が挙げられる。これらの流体処理装置には、それぞれの処理を実行するために、あるいは促進するために触媒等の粒状の充填材が内部に充填されることが一般的である。   Conventionally, various fluid processing apparatuses have been used to process fluids such as fuel gas involved in power generation of fuel cells in such a solid oxide fuel cell apparatus. For example, in order to generate hydrogen to be supplied to the fuel battery cell, the fluid processing apparatus includes a reformer that reforms a raw material gas composed of a hydrocarbon such as natural gas with steam to generate hydrogen, or a modified unit. Evaporator generated by evaporating water supplied with water vapor supplied to the gasifier, desulfurizer that removes sulfur components that cause deterioration of the fuel cell from the raw material gas in advance, exhaust gas discharged from the fuel cell device And a combustion catalyst device that burns and discharges carbon monoxide (CO). In general, these fluid processing apparatuses are filled with a granular filler such as a catalyst in order to execute or accelerate each process.

例えば特許文献1には、流体処理装置として、燃料電池セルに供給する水素を生成するために、天然ガス等の炭化水素と水蒸気とを改質反応させて水素を生成する改質器が記載されている。改質器のケース内には球体の改質触媒が封入される一方、改質器のケースには燃料ガス供給管、導出管が接続するための円形の穴が形成されており、当該穴から改質触媒が流出しないように、流出防止部が設けられている。   For example, Patent Document 1 describes a reformer that generates hydrogen by reforming a hydrocarbon such as natural gas and steam in order to generate hydrogen to be supplied to a fuel cell as a fluid treatment device. ing. While the reformer case is filled with a spherical reforming catalyst, the reformer case is formed with circular holes for connecting the fuel gas supply pipe and the outlet pipe. An outflow prevention unit is provided so that the reforming catalyst does not flow out.

流出防止部は改質器内に設けられた板状部材であり、改質器の垂直に底面に接続されている。この流出防止部に改質触媒の直径よりも短い短辺と改質触媒の直径よりも長い長辺を有するスリット状の開口部を多数設けることで、開口部の変形に耐えうる改質触媒の流出防止機構を実現している。   The outflow prevention part is a plate-like member provided in the reformer, and is connected to the bottom surface of the reformer vertically. By providing a large number of slit-shaped openings having a short side shorter than the diameter of the reforming catalyst and a long side longer than the diameter of the reforming catalyst in the outflow prevention part, a reforming catalyst that can withstand deformation of the opening is provided. The outflow prevention mechanism is realized.

特開2011−210631号公報JP 2011-210631 A

しかし流体処理装置内にこのような流出防止板を用いる場合、流出防止板は充填材を所定空間内にとどめて支持し、所定空間から流出することを防止する目的として用いられるものである。従って、所定の支持強度を確保することが必要であるため、流出防止板の開口部の面積を大きくすることは支持強度の低下につながることから相容れず、困難である。そのため、流出防止板を通過する流体の圧力損失が増大するというあらたな課題が生じていた。   However, when such an outflow prevention plate is used in the fluid processing apparatus, the outflow prevention plate is used for the purpose of supporting the filler in a predetermined space and preventing it from flowing out of the predetermined space. Therefore, it is necessary to ensure a predetermined support strength. Therefore, it is difficult to increase the area of the opening portion of the outflow prevention plate because this leads to a decrease in the support strength. Therefore, the new subject that the pressure loss of the fluid which passes an outflow prevention board increases has arisen.

さらに、流出防止板を用いる場合には、別途流出防止板を構成するための部材が必要となるため、燃料電池装置の低価格化を進めていく上で障害となってしまう。   Further, when the outflow prevention plate is used, a member for configuring the outflow prevention plate is required separately, which becomes an obstacle to promoting the cost reduction of the fuel cell device.

そこで本発明では、充填材の所定空間からの流出を防止するとともに、圧力損失の増加を抑制する流体処理装置を有する固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell device having a fluid treatment device that prevents the filler from flowing out from a predetermined space and suppresses an increase in pressure loss.

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置の一態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置において、燃料電池モジュールにおける発電に関与する流体を処理する流体処理装置を有し、流体処理装置は、ケースと、ケースの内部に充填されケースの内部を通過する流体の状態を変化させる複数の粒状の充填材と、を備え、ケースの内部は、流体を通過させる流体配管と接続され、流体配管の内径は充填材の粒径よりも大きく、さらに流体配管は、流体配管の形状によって充填材の通過を禁止するとともに流体配管の圧力損失の増加を抑制する充填材通過禁止部を有するものである。   One aspect of a solid oxide fuel cell device according to the present invention is a solid oxide fuel cell device that generates power by a reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and a fluid that processes a fluid involved in power generation in a fuel cell module. The fluid processing apparatus includes a case and a plurality of granular fillers that change the state of the fluid that is filled inside the case and passes through the inside of the case. Connected to the fluid piping to be passed, the inner diameter of the fluid piping is larger than the particle size of the filler, and the fluid piping prohibits the passage of the filler depending on the shape of the fluid piping and suppresses an increase in pressure loss of the fluid piping. It has a filler passage prohibition part.

固体酸化物形燃料電池装置における燃料電池モジュールの発電に関与する流体を処理する流体処理装置とし、例えば燃料電池セルに供給する水素を生成するために、天然ガス等の炭化水素からなる原料ガスを水蒸気と反応させて改質して水素を生成する改質器や、改質器に供給する水蒸気を供給された水を蒸発させることにより生成する蒸発器、改質触媒や燃料電池セルの劣化を招く硫黄成分を原料ガスから事前に除去する脱硫器、燃料電池装置から排出される排ガス中の一酸化炭素(CO)を燃焼させて排出する燃焼触媒器等が挙げられる。   In a solid oxide fuel cell device, a fluid processing device that processes a fluid involved in power generation of a fuel cell module. For example, in order to generate hydrogen to be supplied to a fuel cell, a raw material gas composed of hydrocarbons such as natural gas is used. Deterioration of the reformer that reacts with steam to generate hydrogen by reforming, the evaporator that is generated by evaporating the water supplied with steam supplied to the reformer, the reforming catalyst and the fuel cell Examples thereof include a desulfurizer that removes inviting sulfur components from the raw material gas in advance, and a combustion catalyst device that burns and discharges carbon monoxide (CO) in exhaust gas discharged from the fuel cell device.

これら流体処理装置には、触媒反応を生じさせる触媒や、流体の加熱を促進する等の流体処理装置の目的に合わせて流体の状態変化を発現させるための粒状の充填材が充填される。ところが、この粒状の充填材は、自重による落下や流路内部の圧力変動、燃料電池装置の搬出時、施行時、運転時に生じる振動等の様々な理由により、流体処理装置の所定空間から外部に流出するおそれがあった。これにより、流体処理装置の所定空間内の充填材の占有量が減少するため、目的とする流体処理装置の絶対的な処理能力の低下の他、充填材が減少したことにより生じるリークパスによって処理されずにケース外に排出される流体が生じてしまう。そこで従来は粒状の充填材が流体処理装置の所定空間から流出しないように、流体処理装置のケースの内部に、複数の開口部(スリット)を有する仕切り板を配置することで、充填部材の流出を防止していた。   These fluid treatment devices are filled with a catalyst that causes a catalytic reaction and a granular filler for causing a change in the state of the fluid in accordance with the purpose of the fluid treatment device such as promoting heating of the fluid. However, this granular filler is removed from the predetermined space of the fluid processing device to the outside due to various reasons such as dropping due to its own weight, pressure fluctuation in the flow path, vibration during fuel cell device removal, operation, and operation. There was a risk of spillage. As a result, the occupied amount of the filler in the predetermined space of the fluid processing apparatus is reduced, and therefore, the processing is performed by a leak path caused by a decrease in the filler in addition to a decrease in the absolute processing capacity of the target fluid processing apparatus. Instead, fluid is discharged outside the case. Therefore, conventionally, a partition plate having a plurality of openings (slits) is arranged inside the case of the fluid treatment device so that the granular filler does not flow out of the predetermined space of the fluid treatment device, thereby allowing the filling member to flow out. Was preventing.

しかし流出防止板は、充填材自体の流出を防止することを目的とするものであるため、自身の強度を維持しつつ流出防止板の開口部面積を大きくすることができず、その結果、流出防止板を通過する流体の圧力損失が増大するというあらたな課題が生じていた。   However, since the outflow prevention plate is intended to prevent the outflow of the filler itself, the opening area of the outflow prevention plate cannot be increased while maintaining its own strength. The new subject that the pressure loss of the fluid which passes a prevention board increases has arisen.

さらに、流出防止板を用いる場合には、別途流出防止板を構成するための部材が必要となるため、燃料電池装置の低価格化を進めていく上で障害となってしまう。   Further, when the outflow prevention plate is used, a member for configuring the outflow prevention plate is required separately, which becomes an obstacle to promoting the cost reduction of the fuel cell device.

これに対し本発明の態様では、流体処理装置の内部に流出防止板を配置することに替え、流体処理装置のケースに接続される配管自体を、充填材の流出を禁止するとともに圧力損失の増加を抑制するように構成するため、別途の部材の追加なく圧力損失の増大もない充填材の流出防止機構を簡易に実現することができる。   On the other hand, in the aspect of the present invention, instead of disposing the outflow prevention plate inside the fluid processing apparatus, the piping itself connected to the case of the fluid processing apparatus prohibits the outflow of the filler and increases the pressure loss. Therefore, it is possible to easily realize a filler outflow prevention mechanism that does not add a separate member and does not increase pressure loss.

ここで充填材とは、燃料ガスの改質に用いられるRu系触媒やNi系触媒等の改質触媒、水の蒸発を促進するためのアルミナ、ジルコニア、チタニア等の熱容量の大きいセラミックス製熱伝導部材、原料ガスの硫黄成分を除去する脱硫触媒、燃焼後のオフガス中の未燃焼成分の酸化を促進するための白金、パラジウム等の貴金属系又は、マンガン、鉄等の卑金属系の燃焼触媒等である。また粒状とは、球体に限らずに所定表面積をもつ微細構造体であるが粉状を含まず、流体の経路を隙間に確保できるものであって、特に粒径が2mm以上のものが好ましい。   Here, the filler refers to a reforming catalyst such as a Ru-based catalyst or a Ni-based catalyst used for reforming fuel gas, or a heat conduction made of ceramics having a large heat capacity such as alumina, zirconia, titania, etc. for promoting water evaporation. Desulfurization catalyst that removes sulfur component of raw material gas, noble metal type catalyst such as platinum and palladium, or base metal type combustion catalyst such as manganese and iron, etc. to promote oxidation of unburned components in off-gas after combustion is there. The granular form is not limited to a sphere but is a fine structure having a predetermined surface area, but does not include powder, can secure a fluid path in a gap, and particularly preferably has a particle diameter of 2 mm or more.

また流体処理装置において処理する流体は、都市ガスやLPガス等の原料ガス、原料ガスを改質した改質ガス、水、水蒸気、空気、燃料電池セルに供給されたガスのうち発電反応に残余したオフガス、オフガスを燃焼した燃焼ガス(排ガス)等に例示される、燃料電池装置の使用に必要な気体、液体あるいはこれらの混合物を意味する。   In addition, the fluid to be processed in the fluid processing apparatus is a raw material gas such as city gas or LP gas, a reformed gas obtained by reforming the raw material gas, water, water vapor, air, or a gas supplied to the fuel battery cell. This means gas, liquid, or a mixture thereof necessary for the use of the fuel cell device, exemplified by off-gas, combustion gas (exhaust gas) burned off-gas and the like.

また本発明の一態様においては、充填材通過禁止部は、流体配管の内部を流れる流体の方向に直交する断面視における内部形状が、充填材の粒径よりも短辺または短軸が小さく、かつ流体配管の他の部の内径よりも長辺または長軸が大きい楕円形状又は長方形状であることが好ましい。   Further, in one aspect of the present invention, the filler passage prohibition portion has an internal shape in a cross-sectional view orthogonal to the direction of the fluid flowing inside the fluid pipe, and the short side or the short axis is smaller than the particle size of the filler, And it is preferable that it is an elliptical shape or a rectangular shape whose long side or long axis is larger than the internal diameter of the other part of fluid piping.

このように構成された本発明によれば、流体配管の一部を部分的に狭め、かつ部分的に広げた構成とすることで、流れ出そうとする充填材は必ず流出が阻害されるとともに流路面積を広く構成したため、充填材の通過を防止しつつ圧力損失の増大抑制を、流体配管の形状を部分的に変更する簡易な方法により実現することができる。   According to the present invention configured as described above, a part of the fluid piping is partially narrowed and partially expanded so that the filler to be flowed out is always prevented from flowing out and flowed. Since the road area is made wide, it is possible to realize the suppression of the increase in pressure loss while preventing the passage of the filler by a simple method of partially changing the shape of the fluid piping.

また本発明の一態様においては、充填材通過禁止部は、流体配管の非屈曲部に設けられていることが好ましい。   In one embodiment of the present invention, it is preferable that the filler passage prohibiting portion is provided in a non-bent portion of the fluid piping.

このように構成された本発明によれば、充填材通過禁止部を配管の非屈曲部に設ける構成とするため、高温作動の固体酸化物形燃料電池装置において、高温下での熱膨張に起因する応力集中が起こりやすい屈曲部に設けずに非屈曲部に配置することで、熱応力の集中を回避して耐久性の高い配管構造を維持することができる。   According to the present invention configured as described above, the filler passage prohibiting portion is provided in the non-bent portion of the pipe. Therefore, in the high temperature operation solid oxide fuel cell device, it is caused by thermal expansion at high temperature. By disposing it in the non-bent portion without providing it in the bent portion where stress concentration tends to occur, concentration of thermal stress can be avoided and a highly durable piping structure can be maintained.

また本発明の一態様においては、充填材通過禁止部は、流体配管の垂直方向に延在する部分に設けられていることが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the filler passage prohibiting portion is preferably provided in a portion extending in the vertical direction of the fluid piping.

このように構成された本発明によれば、垂直方向に延びる流体配管の一部に充填材通過禁止部を設けることで、当該充填材通過禁止部の構造に加え充填材に働く自重の効果により、充填材が流出するのを防止することができる。さらに流体配管が流体処理装置に流体を供給する配管である場合、流体の流体処理装置への吹き込みによって、充填材の流出を阻害することができる。   According to the present invention configured as above, by providing the filler passage prohibiting portion in a part of the fluid pipe extending in the vertical direction, the effect of the weight acting on the filler in addition to the structure of the filler passage prohibiting portion is provided. It is possible to prevent the filler from flowing out. Further, in the case where the fluid pipe is a pipe that supplies a fluid to the fluid processing apparatus, the outflow of the filler can be inhibited by blowing the fluid into the fluid processing apparatus.

また本発明の一態様においては、流体処理装置は、流体として内部に供給された水から原料ガスを燃料ガスに改質するための水蒸気を生成する蒸発器であって、充填材通過禁止部は、流体配管が水平方向に延在する領域に設けられ、充填材通過禁止部は、長辺または長軸が流体配管の内径よりも垂直方向に長いとともに、充填材通過禁止部の底部の位置が連続する流体配管の底部の位置よりも低いことが好ましい。   Moreover, in one aspect of the present invention, the fluid processing apparatus is an evaporator that generates water vapor for reforming the raw material gas into fuel gas from the water supplied therein as a fluid, and the filler passage prohibiting unit includes: The fluid pipe is provided in a region extending in the horizontal direction, and the filler passage prohibition portion has a long side or a long axis that is longer in the vertical direction than the inner diameter of the fluid pipe, and the bottom position of the filler passage prohibition portion is It is preferably lower than the position of the bottom of the continuous fluid piping.

このように構成された本発明によれば、蒸発器に繋がる水供給管に充填材通過禁止部を設ける場合、水平方向に長く垂直方向に短い形状とすると、配管を流れる水量が少ない場合には充填材通過禁止部を乗り越えることができずに溜まってしまう。そしてさらなる水量の供給により、この溜まった一定の水量が一気に充填材通過禁止部を乗り越えるため、水塊がいっきに蒸発室へ供給されることになり、蒸発室への安定的な水量の水供給が阻害される。本態様により、水の安定供給を維持しつつ、圧力損失の増大抑制と充填材の流出防止の両立をはかることができる。   According to the present invention configured as described above, when the filler passage prohibiting portion is provided in the water supply pipe connected to the evaporator, when the shape is long in the horizontal direction and short in the vertical direction, the amount of water flowing through the pipe is small. It cannot accumulate over the filler passage prohibition part and accumulates. Further, by supplying a further amount of water, the constant amount of water that has accumulated will overcome the filler passage prohibition section at once, so that a water mass will be supplied to the evaporation chamber all at once, and a stable supply of water to the evaporation chamber will be achieved. Be inhibited. According to this aspect, it is possible to achieve both suppression of increase in pressure loss and prevention of the outflow of the filler while maintaining a stable supply of water.

また本発明の一態様においては、充填材通過禁止部は、断熱材の内部に組み込まれていることが好ましい。   Moreover, in 1 aspect of this invention, it is preferable that the filler passage prohibition part is integrated in the inside of a heat insulating material.

このように構成された本発明によれば、充填材通過禁止部を配管の水平部分に設けることにより、高さ方向に対して高さの低い配管引き回し構造を実現することができる。このため、断熱材で流体処理装置及び流体配管を被覆する際に、断熱材の厚みを薄くすることができ、燃料電池装置のコンパクトな設計を可能にする。   According to the present invention configured as described above, by providing the filler passage prohibiting portion in the horizontal portion of the pipe, it is possible to realize a pipe routing structure having a low height in the height direction. For this reason, when covering a fluid processing apparatus and fluid piping with a heat insulating material, the thickness of a heat insulating material can be made thin and the compact design of a fuel cell apparatus is enabled.

また本発明の一態様においては、充填材通過禁止部の表面は、流体配管の表面と滑らかに連続していることが好ましい。   In one embodiment of the present invention, it is preferable that the surface of the filler passage prohibiting portion is smoothly continuous with the surface of the fluid piping.

このように構成された本発明によれば、充填材通過禁止部は流体配管に対し特異な形状であるため、当該充填材通過禁止部に応力が集中する。そこで流体配管中に設けられる充填材通過禁止部の切り替わり部分を滑らかな連続面とすることで、応力の集中を抑制することができる。   According to the present invention configured as described above, since the filler passage prohibition portion has a unique shape with respect to the fluid piping, stress concentrates on the filler passage prohibition portion. Therefore, the concentration of stress can be suppressed by making the switching portion of the filler passage prohibition portion provided in the fluid piping a smooth continuous surface.

充填材の所定空間からの流出を防止するとともに、圧力損失の増加を抑制する流体処理装置を有する固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。   It is possible to provide a solid oxide fuel cell device having a fluid treatment device that prevents the filler from flowing out from a predetermined space and suppresses an increase in pressure loss.

本発明の一実施形態による充填材通過禁止部を備えた流体配管が設置された流体処理装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fluid processing apparatus with which the fluid piping provided with the filler passage prohibition part by one Embodiment of this invention was installed. 本発明の一実施形態による流体配管が接続された流体処理装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fluid processing apparatus with which the fluid piping by one Embodiment of this invention was connected. 本発明の一実施形態による充填材通過禁止部を備えた流体配管を示す三面図である。It is a three-view figure which shows the fluid piping provided with the filler passage prohibition part by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による充填材通過禁止部の縦断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the longitudinal cross-section of the filler passage prohibition part by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による流体配管が接続された流体処理装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fluid processing apparatus with which the fluid piping by one Embodiment of this invention was connected. 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示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 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正面断面図である。1 is a front sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 図7のIII−III線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the III-III line of FIG. 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から断熱材及びハウジングを取り外した状態の斜視図である1 is a perspective view showing a state where a heat insulating material and a housing are removed from a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 図10(A)は、本発明の一実施形態による改質器を斜め上方から見た斜視図であり、図10(B)は、図10(A)のVB−VB線に沿った断面図であり、図10(C)は、図10(A)のVC−VC線に沿った断面図である。FIG. 10A is a perspective view of a reformer according to an embodiment of the present invention as viewed obliquely from above, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line VB-VB in FIG. FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line VC-VC in FIG. 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。1 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. 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。1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 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におけるガスの流れの説明するための、燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is a front sectional view showing a fuel cell module for explaining a flow of gas in a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device by one embodiment of the present invention. 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におけるガスの流れの説明するための、図7のIII −III 線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the fuel cell module taken along line III-III in FIG. 7 for explaining a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による熱交換器が別体に設けられた固体酸化物形燃料電池装置。The solid oxide fuel cell apparatus by which the heat exchanger by one Embodiment of this invention was provided separately.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更することができる。   Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. From the following description, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the following description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

(実施の形態1)
本実施の形態においては、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置における、充填材通過禁止部を有する流体配管を接続した流体処理装置について、図1乃至図5を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a fluid treatment device connected to a fluid pipe having a filler passage prohibiting portion in a solid oxide fuel cell device according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施の形態における固体酸化物形燃料電池装置に備えられた流体処理装置10であって、水平方向(x軸方向)に広がるその天面に流体を供給するための中空パイプ状の流体配管13が接続されていることを示す図である。図1において、流体配管13は右側より水平方向(x軸方向)に延在し(図1において流体配管はパイプ状であることを示すため、右端よりも右方向の配管の記載を省略。)、流体処理装置10の天面部分において垂直方向(z軸方向)に屈曲して、流体処理装置10の天面に接続されている。   FIG. 1 shows a fluid processing apparatus 10 provided in the solid oxide fuel cell apparatus according to the present embodiment, which is in the form of a hollow pipe for supplying fluid to the top surface extending in the horizontal direction (x-axis direction). It is a figure which shows that the fluid piping 13 is connected. In FIG. 1, the fluid piping 13 extends in the horizontal direction (x-axis direction) from the right side (in FIG. 1, the description of the piping in the right direction from the right end is omitted to indicate that the fluid piping is pipe-shaped). The top surface portion of the fluid processing apparatus 10 is bent in the vertical direction (z-axis direction) and connected to the top surface of the fluid processing apparatus 10.

なお、図1では流体配管13として2本の配管が記載されるが、例えば流体処理装置10が改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器である場合には、当該2本の流体配管を水供給管と原料ガス供給管とすることができる。あるいは水と原料ガスとを予め混合して蒸発器に供給する場合には、供給管としての流体配管13は一本で足りる。このように、流体処理装置10の用途や機能等に応じて流体配管13の本数は適宜設定すれば良い。   In FIG. 1, two pipes are described as the fluid pipes 13. For example, when the fluid processing apparatus 10 is an evaporator that generates water vapor to be supplied to the reformer, the two fluid pipes are connected. It can be set as a water supply pipe and a source gas supply pipe. Or when water and source gas are mixed beforehand and supplied to an evaporator, the fluid piping 13 as a supply pipe is enough. As described above, the number of fluid pipes 13 may be set as appropriate in accordance with the application and function of the fluid processing apparatus 10.

ここで流体配管の屈曲する部分の近傍の水平方向延在部分には、充填材通過禁止部14が設けられている。   Here, a filler passage prohibiting portion 14 is provided in a horizontally extending portion in the vicinity of the bent portion of the fluid piping.

図2は、流体配管13が接続された流体処理装置10のx−z平面についての断面図である。簡単のため、流体処理装置10は矩形状のケース11で表されている。ケース11の内部には、粒状の充填材12で充填されている。なお充填材12は流体処理装置10の用途や機能等に応じた材料が充填される。充填材12としては、燃料ガスの改質に用いられるRu系触媒やNi系触媒等の改質触媒、水の蒸発を促進するためのアルミナ、ジルコニア、チタニア等の熱容量の大きいセラミックス製熱伝導部材、原料ガスの硫黄成分を除去する脱硫触媒、燃焼後のオフガス中の未燃焼成分の酸化を促進するための白金、パラジウム等の貴金属系又は、マンガン、鉄等の卑金属系の燃焼触媒等が用いられる。また粒状とは、球体に限らずに所定表面積をもつ微細構造体であるが粉状を含まず、流体の経路を隙間に確保できるものであって、特に粒径が2mm以上のものが好ましい。なお、充填材12は必ずしもケース11の天面に隙間なく詰められている必要はなく、図2に記載のように、ケース11の内部上方に隙間ができる程度に充填するなど、その流体処理装置10の目的や機能、性能に合わせて調整すれば良い。   FIG. 2 is a cross-sectional view about the xz plane of the fluid processing apparatus 10 to which the fluid piping 13 is connected. For simplicity, the fluid processing apparatus 10 is represented by a rectangular case 11. The case 11 is filled with a granular filler 12. The filler 12 is filled with a material corresponding to the application, function, etc. of the fluid processing apparatus 10. The filler 12 includes a reforming catalyst such as a Ru-based catalyst and a Ni-based catalyst used for reforming fuel gas, and a ceramic heat conduction member having a large heat capacity such as alumina, zirconia, and titania for promoting water evaporation. , Desulfurization catalyst for removing sulfur component of raw material gas, noble metal type catalyst such as platinum and palladium or base metal type combustion catalyst such as manganese and iron for promoting oxidation of unburned components in off-gas after combustion It is done. The granular form is not limited to a sphere but is a fine structure having a predetermined surface area, but does not include powder, can secure a fluid path in a gap, and particularly preferably has a particle diameter of 2 mm or more. Note that the filling material 12 does not necessarily have to be packed in the top surface of the case 11 without a gap, and as shown in FIG. What is necessary is just to adjust according to the purpose, function, and performance of ten.

図2においては、流体処理装置10の右方天面と左方中央側面に配管が接続されている。右方天面に接続された流体配管13から、ケース11内部の充填材12が充填された領域に流体が供給され、ケース11の左方中央側面に接続された配管から、ケース11の内部で処理を受けた流体が流体処理装置10の外部へと排出される。   In FIG. 2, pipes are connected to the right top surface and the left central side surface of the fluid processing apparatus 10. From the fluid pipe 13 connected to the right top surface, fluid is supplied to the region filled with the filler 12 inside the case 11, and from the pipe connected to the left central side surface of the case 11 inside the case 11. The processed fluid is discharged to the outside of the fluid processing apparatus 10.

また、本実施の形態における流体処理装置10においては、ケース11内部を通過する流体及び充填材12を加熱するために、ケース11の下方に加熱源15が設けられている。加熱源15は流体処理装置10が目的とする流体の処理を均一に行うために、ケース11内部の充填材12が充填された領域を均一に加熱することが好ましい。加熱源15としては外部バーナーや電気ヒーターを用いても良く、燃料電池セルによる発電反応に残余したオフガスを燃焼させた燃焼排ガスを用いた排熱を利用しても良く、その他公知の種々の加熱手段を用いることができる。   In the fluid processing apparatus 10 according to the present embodiment, a heating source 15 is provided below the case 11 in order to heat the fluid and the filler 12 that pass through the case 11. It is preferable that the heating source 15 uniformly heats the region filled with the filler 12 inside the case 11 so that the fluid processing apparatus 10 uniformly processes the target fluid. As the heating source 15, an external burner or an electric heater may be used, exhaust heat using combustion exhaust gas obtained by burning off gas remaining in the power generation reaction by the fuel cell may be used, and various other known heating methods. Means can be used.

このような流体処理装置10の態様においては、内部を通過する流体の流動、流体の圧力増加、流体処理装置10を含む固体酸化物形燃料電池装置の施行時、運転時等で生じる振動など、様々な要因によりケース11内の充填材12がケース11の外部に漏出する。そこで従来の流体処理装置内部に配置するスリットを有する仕切り板に替えて、本実施の形態においては、流体配管13に充填材通過禁止部14が設けられている。図3において、充填材通過禁止部14について詳細に説明する。   In such an aspect of the fluid processing apparatus 10, the flow of fluid passing through the inside, the increase in the pressure of the fluid, the vibration generated during operation of the solid oxide fuel cell device including the fluid processing apparatus 10, etc. The filler 12 in the case 11 leaks out of the case 11 due to various factors. Therefore, in place of the partition plate having a slit disposed inside the conventional fluid processing apparatus, in the present embodiment, a filler passage prohibiting portion 14 is provided in the fluid pipe 13. In FIG. 3, the filler passage prohibiting portion 14 will be described in detail.

図3は、充填材通過禁止部14が設けられた流体配管13を示す上面図(A)、正面断面図(B)、側面断面図(C)である。図3(A)に示すように、充填材通過禁止部14は上面視すると流体配管13の内径よりも小さく(狭く)構成されている一方で、図3(B)に示すように、正面断面においては流体配管13の内径よりも大きく(広く)構成されている。すなわち、図3(C)に示すように、流体配管13の内部を流れる流体の方向に直交する断面視において、充填材通過禁止部14の内部形状は矩形形状(長方形状)であって、特に上下端を弧状とする形状である。なお、上下端を弧状とすることは、熱応力の集中を緩和することができ耐久性能が向上する点で好ましく、矩形形状の角部に丸みを持たせる程度でも良い。また、本実施の形態における充填材通過禁止部14の内部形状を、垂直方向(z軸方向)を長軸に、水平方向(x軸方向)を短軸に配置する楕円形状としても良い。   FIG. 3 is a top view (A), a front sectional view (B), and a side sectional view (C) showing the fluid pipe 13 provided with the filler passage prohibiting portion 14. As shown in FIG. 3A, the filler passage prohibiting portion 14 is configured to be smaller (narrower) than the inner diameter of the fluid pipe 13 when viewed from above, while as shown in FIG. Is larger (wider) than the inner diameter of the fluid pipe 13. That is, as shown in FIG. 3C, in a cross-sectional view orthogonal to the direction of the fluid flowing inside the fluid piping 13, the internal shape of the filler passage prohibiting portion 14 is a rectangular shape (rectangular shape), The upper and lower ends are arc-shaped. In addition, it is preferable to make the upper and lower ends arcuate because the concentration of thermal stress can be relaxed and durability can be improved, and the corners of the rectangular shape may be rounded. In addition, the internal shape of the filler passage prohibiting portion 14 in the present embodiment may be an elliptical shape in which the vertical direction (z-axis direction) is the major axis and the horizontal direction (x-axis direction) is the minor axis.

ここで上記の内部形状において、短辺又は短軸の長さ(図4に示すW)は、充填材12の粒径よりも小さくなるように形成されている。一方で、長辺又は長軸の長さ(図4に示すH)は、流体配管13の内径よりも大きく形成されている。このように流体配管13の一部を部分的に狭め、かつ部分的に広げた構成とすることで、流れ出そうとする充填材は必ず流出が阻害されるとともに流路面積が広くなるため、充填材の通過を防止しつつ圧力損失の増大抑制を、流体配管の形状を部分的に変更するとの簡易な方法により実現することができる。   Here, in the above internal shape, the length of the short side or the short axis (W shown in FIG. 4) is formed to be smaller than the particle size of the filler 12. On the other hand, the length of the long side or the long axis (H shown in FIG. 4) is formed larger than the inner diameter of the fluid pipe 13. In this way, a part of the fluid pipe 13 is partially narrowed and partially expanded, so that the filling material that is about to flow out is obstructed from flowing out and the flow area is increased. The suppression of the increase in pressure loss while preventing the passage of the material can be realized by a simple method in which the shape of the fluid piping is partially changed.

なお、図1乃至図4により示される本実施の形態における充填材通過禁止部14は、垂直方向(z軸方向)の内径を流体配管13の内径よりも長くし、水平方向(x軸方向)の内径を充填材12の粒径よりも小さく設定しているが、上記の充填材の通過を防止しつつ圧力損失の増大抑制との趣旨を充足する限りにおいては、この方向での設計に限られない。すなわち、例えば垂直方向(z軸方向)の内径を充填材12の粒径よりも小さくし、水平方向(x軸方向)の内径を流体配管13の内径よりも長く設定しても良い。このように、充填材通過禁止部14は、その内部正面断面形状が、長辺又は長軸と短辺又は短軸が互いに直交する限りにおいては、いかなる角度で設定しても良い。   In addition, the filler passage prohibiting portion 14 in the present embodiment shown in FIGS. 1 to 4 has an inner diameter in the vertical direction (z-axis direction) longer than an inner diameter of the fluid pipe 13 and is in the horizontal direction (x-axis direction). The inner diameter is set smaller than the particle diameter of the filler 12, but as long as the purpose of suppressing the increase in pressure loss is satisfied while preventing the filler from passing through, the design is limited to this direction. I can't. That is, for example, the inner diameter in the vertical direction (z-axis direction) may be set smaller than the particle diameter of the filler 12 and the inner diameter in the horizontal direction (x-axis direction) may be set longer than the inner diameter of the fluid pipe 13. As described above, the filler passage prohibiting portion 14 may be set at any angle as long as the inner front cross-sectional shape of the long side or long axis and the short side or short axis are orthogonal to each other.

また、本実施の形態においては、流体配管13は図2に示すように、流体処理装置10のケース11の天面に直交して接合されており、ケース11の上方において屈曲し水平方向に延在する。すなわち図3(B)に示すように、流体配管13は水平延在部13aと垂直延在部13bとを有し、さらにこれらの間に屈曲部13cを有する。ここで充填材通過禁止部14は、図3(B)における流体配管13の水平延在部13a等の非屈曲部に設けることが好ましい。当該構成により、高温作動の固体酸化物形燃料電池装置において、高温下での熱膨張に起因する応力集中が起こりやすい屈曲部に設けずに非屈曲部に配置することで、熱応力の集中を回避して耐久性の高い配管構造を維持することができる。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the fluid pipe 13 is joined perpendicularly to the top surface of the case 11 of the fluid processing apparatus 10, bent above the case 11, and extends in the horizontal direction. Exists. That is, as shown in FIG. 3B, the fluid pipe 13 has a horizontal extending portion 13a and a vertical extending portion 13b, and further has a bent portion 13c therebetween. Here, the filler passage prohibiting portion 14 is preferably provided in a non-bent portion such as the horizontally extending portion 13a of the fluid pipe 13 in FIG. With this configuration, in a solid oxide fuel cell device that operates at high temperature, the thermal stress concentration can be reduced by placing the solid oxide fuel cell device in a non-bent portion without providing a bent portion where stress concentration due to thermal expansion at high temperatures is likely to occur. It can avoid and maintain a highly durable piping structure.

本実施の形態においては、充填材通過禁止部14は流体配管13の水平延在部13aに設ける態様を示したがこれに限られず、流体配管13の垂直延在部13bに設けることもできる。特に図5(B)に示すように、屈曲しない構造の流体配管13を流体処理装置10の天面に直立するように接合する場合には、垂直方向に延在する流体配管13の一部に充填材通過禁止部14を設置することができる。この場合、当該充填材通過禁止部14の構造による機能に加え充填材に働く自重の効果により、充填材12が外部へ流出するのを防止することができる。さらに流体配管13が流体処理装置10に流体を供給する配管である場合、流体の流体処理装置10への吹き込みによって、充填材12の流出を阻害することができる。   In the present embodiment, the filler passage prohibiting portion 14 is provided in the horizontal extending portion 13 a of the fluid pipe 13. However, the present invention is not limited to this, and the filler passage prohibiting portion 14 may be provided in the vertical extending portion 13 b of the fluid pipe 13. In particular, as shown in FIG. 5B, when the fluid pipe 13 having a non-bending structure is joined so as to stand upright on the top surface of the fluid processing apparatus 10, the fluid pipe 13 extending in the vertical direction is partially attached. A filler passage prohibiting section 14 can be installed. In this case, the filler 12 can be prevented from flowing out to the outside due to the effect of its own weight acting on the filler in addition to the function of the structure of the filler passage prohibiting portion 14. Further, when the fluid pipe 13 is a pipe that supplies a fluid to the fluid processing apparatus 10, the outflow of the filler 12 can be inhibited by blowing the fluid into the fluid processing apparatus 10.

また、充填材通過禁止部14は、流体処理装置10に接合される流体の供給管として機能する配管に限らず、図5(B)に示すように、処理が施された流体を外部へ排出するための流体の排出管に付加するものであってもよい。   Further, the filler passage prohibiting section 14 is not limited to a pipe functioning as a fluid supply pipe joined to the fluid processing apparatus 10, but discharges the processed fluid to the outside as shown in FIG. It may be added to a fluid discharge pipe.

また、充填材通過禁止部14は、流体処理装置10のケース11を貫通して挿入される流体配管13のうち、流体処理装置10の内部に位置する部分に設置されていても良い。これにより、流体処理装置10の内部空間に充填材通過禁止部14の設置が許容される場合には、充填材12の流出が流体処理装置10の内部で防止することができることに加え、流体処理装置10の外部における流体配管13への充填材通過禁止部14の設置が不要となることから、外部における流体配管13の最短の引き回しが可能となる。   In addition, the filler passage prohibiting unit 14 may be installed in a portion of the fluid piping 13 inserted through the case 11 of the fluid processing apparatus 10 and located inside the fluid processing apparatus 10. Thereby, when installation of the filler passage prohibiting portion 14 is allowed in the internal space of the fluid processing apparatus 10, the outflow of the filler 12 can be prevented inside the fluid processing apparatus 10, and the fluid processing Since it is not necessary to install the filler passage prohibiting portion 14 in the fluid pipe 13 outside the apparatus 10, the shortest routing of the fluid pipe 13 outside is possible.

ここで流体処理装置10が、流体として内部に供給された水から原料ガスを燃料ガスに改質するための水蒸気を生成する蒸発器である場合、充填材通過禁止部14は、流体配管13を水平方向に延在する領域に設け、充填材通過禁止部14は長辺または長軸が流体配管13の内径よりも垂直方向に長くするとともに、充填材通過禁止部14の底部の位置が連続する流体配管13の底部の位置よりも低くすることが好ましい。蒸発器に繋がる水供給管に充填材通過禁止部14を設ける場合、水平方向に長く垂直方向に短い形状とすると、配管を流れる水量が少ない場合には充填材通過禁止部14を乗り越えることができずに溜まってしまう。そしてさらなる水量の供給により、この溜まった一定の水量が一気に充填材通過禁止部14を乗り越えるため、水塊がいっきに蒸発室へ供給されることになり、蒸発室への安定的な水量の水供給が阻害される。このため上記構成とすることで、蒸発器の水の安定供給を維持しつつ、圧力損失の増大抑制と充填材の流出防止の両立を図ることができる。   Here, when the fluid processing apparatus 10 is an evaporator that generates water vapor for reforming the raw material gas into the fuel gas from the water supplied inside as the fluid, the filler passage prohibiting unit 14 connects the fluid pipe 13 to the fluid pipe 13. Provided in a region extending in the horizontal direction, the filler passage prohibiting portion 14 has a long side or a long axis that is longer than the inner diameter of the fluid pipe 13 in the vertical direction, and the position of the bottom of the filler passage prohibiting portion 14 is continuous. It is preferable to make it lower than the position of the bottom of the fluid piping 13. When the filler passage prohibiting portion 14 is provided in the water supply pipe connected to the evaporator, if the shape is long in the horizontal direction and short in the vertical direction, the filler passage prohibiting portion 14 can be overcome when the amount of water flowing through the pipe is small. It accumulates without being. Further, by supplying a further amount of water, the constant amount of water that has accumulated will pass over the filler passage prohibiting section 14 at a stretch, so that the water mass is supplied to the evaporation chamber all at once, and a stable supply of water to the evaporation chamber is achieved. Is inhibited. For this reason, by setting it as the said structure, coexistence of the increase suppression of a pressure loss and prevention of the outflow of a filler can be aimed at, maintaining the stable supply of the water of an evaporator.

また、充填材通過禁止部14は、断熱材の内部に組み込まれていることが好ましい(図示せず)。充填材通過禁止部14を配管の水平部分に設けることにより、高さ方向に対して高さの低い配管引き回し構造を実現することができる。このため、断熱材で流体処理装置10及び流体配管13を被覆する際に、断熱材の厚みを薄くすることができ、燃料電池装置のコンパクトな設計が可能となる。   Moreover, it is preferable that the filler passage prohibition part 14 is incorporated in the heat insulating material (not shown). By providing the filler passage prohibiting portion 14 in the horizontal portion of the pipe, a pipe routing structure having a low height in the height direction can be realized. For this reason, when covering the fluid processing apparatus 10 and the fluid piping 13 with a heat insulating material, the thickness of a heat insulating material can be made thin and the compact design of a fuel cell apparatus is attained.

また、本実施の態様において、充填材通過禁止部14の表面は、流体配管13の表面と滑らかに連続していることが好ましい。充填材通過禁止部14は流体配管13に対し特異な形状であるため、組み立て時や高温運転時等に当該充填材通過禁止部14に応力が集中する。そこで流体配管13中に設けられる充填材通過禁止部14の切り替わり部分を滑らかな連続面とすることで、応力の集中を抑制することができる。   In the present embodiment, it is preferable that the surface of the filler passage prohibiting portion 14 is smoothly continuous with the surface of the fluid pipe 13. Since the filler passage prohibiting portion 14 has a unique shape with respect to the fluid pipe 13, stress concentrates on the filler passage prohibiting portion 14 during assembly or high temperature operation. Therefore, stress concentration can be suppressed by making the switching portion of the filler passage prohibiting portion 14 provided in the fluid piping 13 a smooth continuous surface.

(実施の形態2)
次に、図面を参照して、本発明にかかる充填材通過防止部を備えた流体配管が接続された流体処理装置を有する固体酸化物形燃料電池装置の実施の態様について説明する。
(Embodiment 2)
Next, referring to the drawings, an embodiment of a solid oxide fuel cell device having a fluid processing apparatus to which a fluid pipe provided with a filler passage prevention unit according to the present invention is connected will be described.

図6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を示す全体構成図である。この図6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101は、燃料電池モジュール102と、補機ユニット104を備えている。   FIG. 6 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, a solid oxide fuel cell device 101 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 102 and an auxiliary unit 104.

燃料電池モジュール102は、ハウジング106を備え、このハウジング106内部には、断熱材107を介して金属製のモジュールケース108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108の下方部分である発電室110には、燃料ガスと酸素含有ガス(以下では適宜「酸化剤ガス」、「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112が配置されている。この燃料電池セル集合体112は、9個の燃料電池セルスタック114(図7参照)を備え、この燃料電池セルスタック114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116から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体112は、144本の燃料電池セルユニット116を有する。燃料電池セル集合体112は、複数の燃料電池セルユニット116の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 102 includes a housing 106, and a metal module case 108 is built in the housing 106 via a heat insulating material 107. In the power generation chamber 110, which is the lower part of the module case 108, which is a sealed space, a fuel gas and an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “oxidant gas”, “power generation air” or “air” as appropriate). A fuel cell assembly 112 that performs a power generation reaction is disposed. The fuel cell assembly 112 includes nine fuel cell stacks 114 (see FIG. 7). The fuel cell stacks 114 are composed of 16 fuel cell units 116 each including a fuel cell. It is configured. In this example, the fuel cell assembly 112 has 144 fuel cell units 116. In the fuel cell assembly 112, all of the plurality of fuel cell units 116 are connected in series.

燃料電池モジュール102のモジュールケース108の発電室110の上方には、燃焼部としての燃焼室118が形成され、この燃焼室118で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気との排ガスが燃焼されるようになっている。さらに、モジュールケース108は断熱材107により覆われており、燃料電池モジュール102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118の上方には、燃料ガスを改質する流体処理装置として改質器120が配置され、上記した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 combustion chamber 118 as a combustion section is formed above the power generation chamber 110 of the module case 108 of the fuel cell module 102. In this combustion chamber 118, residual fuel gas and residual air that have not been used for the power generation reaction are formed. The exhaust gas is combusted. Further, the module case 108 is covered with a heat insulating material 107, and the heat inside the fuel cell module 102 is prevented from being diffused to the outside air. Above the combustion chamber 118, a reformer 120 is disposed as a fluid treatment device for reforming the fuel gas, and the reformer 120 has a temperature at which the reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. It is heated to become.

さらに、ハウジング106内においてモジュールケース108の上方には、後述する蒸発器125が断熱材107内に設けられている。蒸発器125は、燃焼室118において残余ガスである排ガスを燃焼させ、その排ガスと水とが供給され、これらの排ガスと水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108内の改質器120に供給する流体処理装置である。   Further, an evaporator 125 described later is provided in the heat insulating material 107 above the module case 108 in the housing 106. The evaporator 125 burns the exhaust gas, which is residual gas, in the combustion chamber 118, and the exhaust gas and water are supplied. By performing heat exchange between these exhaust gas and water, the water is evaporated and water vapor is generated. A fluid processing apparatus that generates and supplies a mixed gas of steam and raw fuel gas (hereinafter also referred to as “fuel gas”) to the reformer 120 in the module case 108.

次に、補機ユニット104は、燃料電池モジュール102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126と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット128(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104は、都市ガス等の燃料供給源130から供給された燃料を遮断するガス遮断弁132と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器136と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット138(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138から流出する燃料ガスを遮断するバルブ139を備えている。さらに、補機ユニット104は、空気供給源140から供給される空気を遮断する電磁弁142と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット144及び発電用空気流量調整ユニット145(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146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148とを備えている。これらの第1ヒータ146と第2ヒータ148は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 104 stores pure water tank 126 that stores water condensed from moisture contained in the exhaust from the fuel cell module 102 and uses the filter to obtain pure water, and water supplied from the water storage tank. A water flow rate adjustment unit 128 (such as a “water pump” driven by a motor) is provided. In addition, the auxiliary unit 104 adjusts the flow rate of the fuel gas, the gas shutoff valve 132 that shuts off the fuel supplied from the fuel supply source 130 such as city gas, the desulfurizer 136 for removing sulfur from the fuel gas, A fuel flow rate adjusting unit 138 (such as a “fuel pump” driven by a motor) and a valve 139 for shutting off fuel gas flowing out from the fuel flow rate adjusting unit 138 when the power is lost. Further, the auxiliary unit 104 includes an electromagnetic valve 142 that shuts off air supplied from the air supply source 140, a reforming air flow rate adjusting unit 144 that adjusts the air flow rate, and a power generation air flow rate adjusting unit 145 (with a motor). Driven “air blower”, etc., a first heater 146 for heating the reforming air supplied to the reformer 120, and a second heater 148 for heating the power generating air supplied to the power generation chamber. I have. The first heater 146 and the second heater 148 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール102には、排ガスが供給される温水製造装置150が接続されている。この温水製造装置150には、水供給源124から水道水が供給され、この水道水が排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102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152が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール102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154が接続されている。   Next, a hot water production apparatus 150 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 102. The hot water production apparatus 150 is supplied with tap water from a water supply source 124. The tap water is heated by the heat of exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external water heater (not shown). The fuel cell module 102 is provided with a control box 152 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like. Further, the fuel cell module 102 is connected to an inverter 154 which is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に、図7乃至図9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具体的に説明する。図7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8は、図7のIII-III線に沿った断面図であり、図9は、ハウジング及び断熱材が取り外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。   Next, the structure of the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 7 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. 8 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 9 is a perspective view showing the fuel cell module with the housing and the heat insulating material removed. FIG.

図7及び図8に示すように、燃料電池モジュール102は、主に、上述したように、断熱材107内で且つモジュールケース108の外部に設けられた蒸発器125を有すると共に、モジュールケース108の内部に設けられた、燃料電池セル集合体112及び改質器120を有する。   As shown in FIGS. 7 and 8, the fuel cell module 102 mainly includes the evaporator 125 provided in the heat insulating material 107 and outside the module case 108 as described above. The fuel cell assembly 112 and the reformer 120 are provided inside.

流体処理装置である蒸発器125は、モジュールケース108の天板108a上に固定されている(図9参照)。また、熱交換モジュール121とモジュールケース108との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材107の一部分107aが配置され、この断熱材107の一部分107aも、モジュールケース108の天板108a上に固定されている(図7及び図8参照)。   The evaporator 125, which is a fluid processing apparatus, is fixed on the top plate 108a of the module case 108 (see FIG. 9). Further, a portion 107a of the heat insulating material 107 is disposed between the heat exchange module 121 and the module case 108 so as to fill these gaps. The portion 107a of the heat insulating material 107 is also disposed on the top plate 108a of the module case 108. (See FIGS. 7 and 8).

具体的には、蒸発器125は、水平方向における一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する燃料供給配管163と、排ガスを排出するための排ガス排出管182とが接続され(図1、9参照)、水平方向における他側端側に、モジュールケース108の天板108a上に形成された排気口111に連結された第1排ガス排出路171が接続されている(図7参照)。この排気口111は、モジュールケース108内の燃焼室118で燃焼された排ガスをモジュールケース108の外へ排出する開口部であり、モジュールケース108の天板108aのほぼ中央部に形成されており、蒸発器125は、このような排気口111の上方の断熱材107内に配置されている。   Specifically, the evaporator 125 includes a fuel supply pipe 163 that supplies water and raw fuel gas (which may include reforming air) to one side end in the horizontal direction, and an exhaust gas for discharging the exhaust gas. A first exhaust gas exhaust passage 171 connected to an exhaust port 111 formed on the top plate 108a of the module case 108 is connected to the exhaust gas exhaust pipe 182 (see FIGS. 1 and 9) and is connected to the other end in the horizontal direction. Are connected (see FIG. 7). The exhaust port 111 is an opening for discharging the exhaust gas burned in the combustion chamber 118 in the module case 108 to the outside of the module case 108, and is formed at a substantially central portion of the top plate 108a of the module case 108. The evaporator 125 is disposed in the heat insulating material 107 above the exhaust port 111.

また、蒸発器125は、図8に示すように、上下方向に二層構造となっており、モジュールケース108側に位置する下層部分には、上記した第1排ガス排出路171から供給された排ガスが通過する排気通路部125cが形成されている。加えて、蒸発器125は、排気通路部125cの上部に位置する上層部分には、燃料供給配管163から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部125aと、この蒸発部125aよりも排ガスの流れ方向における上流側に設けられ、蒸発部125aで生成された水蒸気と燃料供給配管163から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部125bと、が形成されている。例えば、蒸発器125の蒸発部125a及び混合部125bは、複数の連通孔が設けられた仕切り板により蒸発器125を仕切った空間にて形成される。   Further, as shown in FIG. 8, the evaporator 125 has a two-layer structure in the vertical direction, and the exhaust gas supplied from the first exhaust gas discharge passage 171 is disposed in the lower layer portion located on the module case 108 side. An exhaust passage portion 125c through which the gas passes is formed. In addition, the evaporator 125 has, in an upper layer portion located above the exhaust passage portion 125c, an evaporation unit 125a that generates water vapor by evaporating water supplied from the fuel supply pipe 163, and more than the evaporation unit 125a. A mixing unit 125b that is provided on the upstream side in the flow direction of the exhaust gas and mixes the water vapor generated by the evaporation unit 125a and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 163 is formed. For example, the evaporator 125a and the mixer 125b of the evaporator 125 are formed in a space in which the evaporator 125 is partitioned by a partition plate provided with a plurality of communication holes.

このような蒸発器125では、蒸発部125a内の水と排気通路部125cを通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により蒸発部125a内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。加えて、混合部125b内の混合ガスと排気通路部125cを通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。   In such an evaporator 125, heat exchange is performed between the water in the evaporation section 125a and the exhaust gas passing through the exhaust passage section 125c, and the water in the evaporation section 125a is evaporated by the heat of the exhaust gas, so that water vapor is generated. Will be generated. In addition, heat exchange is performed between the mixed gas in the mixing portion 125b and the exhaust gas passing through the exhaust passage portion 125c, and the temperature of the mixed gas is increased by the heat of the exhaust gas.

更に、図7に示すように、蒸発器125の混合部125bには、第1排ガス排出路171が接続された蒸発器125における端部に、この第1排ガス排出路171の内部を通過するように形成された、混合部125bからモジュールケース108内の改質器120に混合ガスを供給するための混合ガス供給管162が接続されている。混合ガス供給管162は、一端が改質器120に設けられた混合ガス供給口120aに連結しており、この混合ガス供給口120aからほぼ水平方向に延びた先で90°屈曲されて、モジュールケース108内、断熱材107a内、蒸発器125における上流側の排気通路部125c内を順に横断するようにほぼ鉛直方向に延びて、他端が蒸発器125の混合部125bに接続されている。この場合、混合ガス供給管162は、蒸発器125の混合部125bに接続された端部162bが、蒸発器125の蒸発部125a及び混合部125bの底面よりも上方に突出するように設けられている。   Further, as shown in FIG. 7, the mixing section 125 b of the evaporator 125 passes through the inside of the first exhaust gas discharge path 171 at the end of the evaporator 125 to which the first exhaust gas discharge path 171 is connected. The mixed gas supply pipe 162 for supplying the mixed gas from the mixing portion 125b to the reformer 120 in the module case 108 is connected. One end of the mixed gas supply pipe 162 is connected to the mixed gas supply port 120a provided in the reformer 120, and the module is bent by 90 ° at a point extending substantially horizontally from the mixed gas supply port 120a. The casing 108, the heat insulating material 107a, and the exhaust passage 125c on the upstream side of the evaporator 125 extend in a substantially vertical direction so as to traverse in order, and the other end is connected to the mixing portion 125b of the evaporator 125. In this case, the mixed gas supply pipe 162 is provided so that the end 162b connected to the mixing unit 125b of the evaporator 125 protrudes above the evaporation unit 125a of the evaporator 125 and the bottom surface of the mixing unit 125b. Yes.

ここで図9に示すように、蒸発器125の天面に直交して接続された燃料供給管163は、屈曲部を経て水平方向に延在する非屈曲部分に充填材通過禁止部180を有している。充填材通過禁止部180により、蒸発器125内部への経路の圧力損失を高めることなしに、蒸発器125の内部に充填された充填材の漏出を防止することができる。   Here, as shown in FIG. 9, the fuel supply pipe 163 connected perpendicularly to the top surface of the evaporator 125 has a filler passage prohibiting portion 180 in a non-bent portion extending in the horizontal direction through the bent portion. doing. The filler passage prohibiting unit 180 can prevent leakage of the filler filled in the evaporator 125 without increasing the pressure loss of the path to the evaporator 125.

次に、モジュールケース108の外側、具体的にはモジュールケース108の外壁と断熱材107との間には、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気導入路(酸化剤ガス導入路)177が形成されている(図1、8参照)。この発電用空気導入路177は、モジュールケース108の天板108a及び側板108bと、これら天板108a及び側板108bのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース177aとの間の空間によって形成され、モジュールケース108の天板108a上の正面視中央位置に設けられた発電用空気導入管174から発電用空気が供給される(図1、9参照)。そして、発電用空気導入路177は、モジュールケース108の側板108bの下部に設けられた複数の吹出口177bから、発電用空気を燃料電池セル集合体112に向けて発電室110内に噴射する(図1、8参照)。   Next, a power generation air introduction passage (oxidant gas introduction passage) 177 as an oxidant gas supply passage is formed outside the module case 108, specifically, between the outer wall of the module case 108 and the heat insulating material 107. (See FIGS. 1 and 8). The power generation air introduction path 177 is a space between the top plate 108a and the side plate 108b of the module case 108 and the power generation air supply case 177a arranged so as to extend along each of the top plate 108a and the side plate 108b. The power generation air is supplied from a power generation air introduction pipe 174 formed at the center position in front view on the top plate 108a of the module case 108 (see FIGS. 1 and 9). The power generation air introduction path 177 injects power generation air into the power generation chamber 110 toward the fuel cell assembly 112 from a plurality of outlets 177b provided in the lower part of the side plate 108b of the module case 108 ( (See FIGS. 1 and 8).

また、発電用空気導入路177の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板177c、177dが設けられている(図1、8参照)。伝熱板177cは、モジュールケース108の天板108aに沿った発電用空気導入路177の部分に設けられ、伝熱板177dは、モジュールケース108の側板108bに沿った発電用空気導入路177の部分で、且つ、燃料電池セルユニット116に至る位置に設けられている。発電用空気導入路177を流れる発電用空気は、特に伝熱板177c、177dを通過する際に、これら伝熱板177c、177dの内側のモジュールケース108内(具体的にはモジュールケース108内に設けられた第2及び第3排ガス排出路172、173)を通過する排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、発電用空気導入路177において伝熱板177c、177dが設けられた部分は、熱交換部(空気熱交換部)として機能する。   In addition, plate-shaped heat transfer plates 177c and 177d as heat exchange promoting members are provided inside the power generation air introduction passage 177 (see FIGS. 1 and 8). The heat transfer plate 177c is provided in a portion of the power generation air introduction path 177 along the top plate 108a of the module case 108, and the heat transfer plate 177d is formed of the power generation air introduction path 177 along the side plate 108b of the module case 108. This part is provided at a position that reaches the fuel cell unit 116. The power generation air that flows through the power generation air introduction path 177 passes through the heat transfer plates 177c and 177d, particularly in the module case 108 inside the heat transfer plates 177c and 177d (specifically, in the module case 108). Heat exchange is performed with the exhaust gas passing through the provided second and third exhaust gas discharge passages 172, 173), and is heated. For this reason, the portion where the heat transfer plates 177c and 177d are provided in the power generation air introduction path 177 functions as a heat exchange section (air heat exchange section).

第2排ガス排出路172および発電用空気導入路177の内部に設けられた伝熱板172a、177c、177dは第2排ガス排出路172または発電用空気導入路177の流路を2つに区分するように設けられており、伝熱板172a、177c、177dに設けられた複数の通気孔(図示せず)によって、内部を通過する流体は2区間を行き来して広域に拡散する。そのため、区分された空間それぞれにおいて内部を通過する流体を均熱化することができるため、局所的に熱交換率が異なることなく、熱交換性能が向上する。   Heat transfer plates 172a, 177c, and 177d provided inside the second exhaust gas discharge path 172 and the power generation air introduction path 177 divide the flow path of the second exhaust gas discharge path 172 or the power generation air introduction path 177 into two. The plurality of air holes (not shown) provided in the heat transfer plates 172a, 177c, and 177d allow the fluid passing through the inside to pass through the two sections and diffuse in a wide area. Therefore, since the fluid passing through the interior of each of the divided spaces can be soaked, the heat exchange performance is improved without locally changing the heat exchange rate.

第2排ガス排出路172および発電用空気導入路177に設けられた伝熱板172a、177c、177dは、複数の凸部(図示せず)を介して発電用空気導入路177および第2排ガス排出路172の他方を構成する壁面に固定されている。そのため、伝熱板(172a、177c、177d)により、区分された二つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流体を導くことができ、流体が持つ熱量を有効に利用することが可能となり、積極的に熱交換を行うことができる。   The heat transfer plates 172a, 177c, and 177d provided in the second exhaust gas discharge path 172 and the power generation air introduction path 177 are connected to the power generation air introduction path 177 and the second exhaust gas exhaust via a plurality of convex portions (not shown). The other side of the path 172 is fixed to the wall surface. Therefore, since the side having the surface in contact with the other flow path among the two spaces divided by the heat transfer plates (172a, 177c, 177d) is a space that directly exchanges heat with the other flow path, the space The fluid can be preferentially guided to the fluid, the amount of heat of the fluid can be used effectively, and heat exchange can be performed positively.

さらに、発電用空気導入路177および第2排ガス排出路172に設けられた伝熱板(172a、177c、177d)は燃料電池セル集合体112の上端よりも上方に配置されている。したがって、燃焼部110の熱と発電用空気導入路177を流れる発電用空気とで熱交換を行うことができ、高効率な熱交換が可能になる。このため伝熱板は、モジュールケース108上面から燃焼室118付近にわたる領域に配置すれば十分であり、燃料電池セル集合体112が設けられた位置にまで伝熱板177dを設けることを不要とすることができる。これにより、伝熱板177dの配置面積を削減することができ、さらに発電時においても燃料電池セル集合体112の温度を奪わないようにすることができる。   Further, the heat transfer plates (172 a, 177 c, 177 d) provided in the power generation air introduction path 177 and the second exhaust gas discharge path 172 are disposed above the upper end of the fuel cell assembly 112. Therefore, heat exchange can be performed between the heat of the combustion unit 110 and the power generation air flowing through the power generation air introduction path 177, and highly efficient heat exchange is possible. For this reason, it is sufficient to arrange the heat transfer plate in a region extending from the upper surface of the module case 108 to the vicinity of the combustion chamber 118, and it is not necessary to provide the heat transfer plate 177d to the position where the fuel cell assembly 112 is provided. be able to. Thereby, the arrangement area of the heat transfer plate 177d can be reduced, and further, the temperature of the fuel cell assembly 112 can be prevented from being lost even during power generation.

次に、図7及び図8に加えて、図10も参照して、モジュールケース108内に設けられた流体処理装置である改質器120について説明する。図10(A)は、本発明の一実施形態による改質器120を斜め上方から見た斜視図であり、図10(B)は、図10(A)のVB−VB線に沿った断面図であり、図10(C)は、図10(A)のVC−VC線に沿った断面図である。なお、図10(A)〜(C)中には、改質器120に加えて、混合ガス供給管162や燃料ガス供給管164なども図示している。   Next, referring to FIG. 10 in addition to FIGS. 7 and 8, the reformer 120, which is a fluid processing apparatus provided in the module case 108, will be described. FIG. 10 (A) is a perspective view of the reformer 120 according to an embodiment of the present invention as viewed obliquely from above, and FIG. 10 (B) is a cross section taken along line VB-VB in FIG. 10 (A). FIG. 10C is a cross-sectional view taken along the line VC-VC in FIG. 10A to 10C, in addition to the reformer 120, a mixed gas supply pipe 162, a fuel gas supply pipe 164, and the like are also illustrated.

改質器120は、燃焼室118の上方に水平方向に延びるように配置され、モジュールケース108の天板108aと所定距離隔てて、この天板108aに対して固定されている(図7参照)。改質器120には、上記した混合ガス供給管162からの混合ガスが混合ガス供給口120aより流入し、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))を改質するための改質触媒(不図示)が充填された改質部120cと、が形成されている(図10(B)参照)。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 reformer 120 is disposed so as to extend horizontally above the combustion chamber 118, and is fixed to the top plate 108a at a predetermined distance from the top plate 108a of the module case 108 (see FIG. 7). . The reformer 120 is supplied with the mixed gas from the mixed gas supply pipe 162 through the mixed gas supply port 120a, and includes a mixed gas (that is, raw fuel gas mixed with water vapor (reforming air may be included). )) And a reforming section 120c filled with a reforming catalyst (not shown) is formed (see FIG. 10B). As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

ここで改質器120に接続する混合ガス供給管162には、図10(B)に示すように改質器120に挿入される手前に充填材通過禁止部材162bが設けられている(図7、13においては省略)。これにより、圧力損失の増加を抑制しつつ、改質触媒の流出を防止することができる。   Here, the mixed gas supply pipe 162 connected to the reformer 120 is provided with a filler passage prohibiting member 162b before being inserted into the reformer 120 as shown in FIG. 10B (FIG. 7). , 13 is omitted). Thereby, the outflow of the reforming catalyst can be prevented while suppressing an increase in pressure loss.

また、改質器120には、改質部120cが形成された部分に、上方に凹んだ内部空間120dが形成されている(図10(B)参照)。内部空間120dは、上下方向に貫通するように延びる貫通孔の上部をプレートなどで塞ぐことにより形成される。この内部空間120dには、上述した混合ガス供給管162の一部分162a、具体的には、混合ガス供給管162において水平方向に延びる部分であって、その端部が改質器120の混合ガス供給口120aに接続された部分162aが配置されている。この混合ガス供給管162の部分162aも、その内部を通過する混合ガスを、改質器120の内部空間120d内の排ガスによって予熱する予熱部として機能する(以下では混合ガス供給管162の部分162aを「予熱部162a」と呼ぶ)。   In the reformer 120, an internal space 120d that is recessed upward is formed in a portion where the reforming portion 120c is formed (see FIG. 10B). The internal space 120d is formed by closing an upper portion of a through hole extending so as to penetrate in the vertical direction with a plate or the like. The internal space 120d has a portion 162a of the above-described mixed gas supply pipe 162, specifically, a portion extending in the horizontal direction in the mixed gas supply pipe 162, the end of which is the mixed gas supply of the reformer 120. A portion 162a connected to the mouth 120a is disposed. The portion 162a of the mixed gas supply pipe 162 also functions as a preheating portion that preheats the mixed gas passing through the inside by the exhaust gas in the internal space 120d of the reformer 120 (hereinafter, the portion 162a of the mixed gas supply pipe 162). Is referred to as “preheating portion 162a”).

また、改質器120は、上記した改質部120cの上面を形成する天板120fと、この天板120fの上方に設けられ、上部が開放したほぼU字断面形状を有する遮蔽板120gと、この遮蔽板120gの上部に配置された平板120hとを更に有する(図10(A)乃至(C)参照)。改質器120において天板120fと遮蔽板120gとの間の空間は、改質部120cの上方に排ガスを誘導して流すための排気誘導室201を形成し、改質器120において遮蔽板120gと平板120hとの間の空間は、排ガスがほとんど流れない、断熱層としてのガス溜203を形成する(図10(A)乃至(C)に加えて、図7及び図8も参照)。更に、改質器120の上端部には、改質器120をモジュールケース108の天板108aに固定するためのフランジ部120iが設けられている。   The reformer 120 includes a top plate 120f that forms the upper surface of the above-described reforming unit 120c, and a shielding plate 120g that is provided above the top plate 120f and has a substantially U-shaped cross-section with the top open. It further has a flat plate 120h arranged on the upper part of the shielding plate 120g (see FIGS. 10A to 10C). The space between the top plate 120f and the shielding plate 120g in the reformer 120 forms an exhaust induction chamber 201 for inducing and flowing exhaust gas above the reforming unit 120c. In the reformer 120, the shielding plate 120g A space between the flat plate 120h and the flat plate 120h forms a gas reservoir 203 as a heat insulation layer through which almost no exhaust gas flows (see FIGS. 7 and 8 in addition to FIGS. 10A to 10C). Further, a flange portion 120 i for fixing the reformer 120 to the top plate 108 a of the module case 108 is provided at the upper end portion of the reformer 120.

次に、図7に示すように、改質器120の下流端側には、改質器120の改質部120cによる改質によって生成された燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管164が接続され、この燃料ガス供給管164の上部には、水添脱硫器用水素取出管165が接続されている。燃料ガス供給管164は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体112の下方に形成されたマニホールド166内で水平に延びている。燃料ガス供給管164の水平部164aの下方面には、複数の燃料供給孔164bが形成されており、この燃料供給孔164bから、改質された燃料ガスがマニホールド166内に供給される。このマニホールド166の上方には、上述した燃料電池セルスタック114を支持するための貫通孔を備えた下支持板168が取り付けられており、マニホールド166内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット116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183が、燃焼室118に設けられている。   Next, as shown in FIG. 7, on the downstream end side of the reformer 120, a fuel gas as a fuel gas supply passage for supplying fuel gas generated by reforming by the reforming unit 120c of the reformer 120 A supply pipe 164 is connected, and a hydrogen extraction pipe 165 for hydrodesulfurizer is connected to an upper portion of the fuel gas supply pipe 164. The fuel gas supply pipe 164 extends downward, and further extends horizontally in a manifold 166 formed below the fuel cell assembly 112. A plurality of fuel supply holes 164b are formed in the lower surface of the horizontal portion 164a of the fuel gas supply pipe 164, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 166 from the fuel supply holes 164b. A lower support plate 168 having a through hole for supporting the above-described fuel cell stack 114 is attached above the manifold 166, and the fuel gas in the manifold 166 enters the fuel cell unit 116. Supplied. An ignition device 183 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 118.

次に、図8に示すように、モジュールケース108内において、改質器120の上面(詳しくは改質器120の平板120h)とモジュールケース108の天板108aの下面との間には、水平方向に延びる第2排ガス排出路172が形成されている。この第2排ガス排出路172は、モジュールケース108の天板108aを挟んで、上記した発電用空気導入路177の一部分と並設されている。また、第2排ガス排出路172の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板172aが設けられている。この伝熱板172aは、発電用空気導入路177内に設けられた伝熱板177cと水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。このような伝熱板177c、172aが設けられた発電用空気導入路177及び第2排ガス排出路172の部分において、発電用空気導入路177を流れる発電用空気と第2排ガス排出路172を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われ、排ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。すなわち、第2の実施形態において、発電用空気導入路177または第2排ガス排出路172の内部に設けられた伝熱板172aが、発電用空気通路177と直接接触しており、伝熱板172aに与えられた排ガスの熱が伝熱板172aに与えられ、伝熱板172aの熱は発電用空気導入路177を構成する壁面に熱伝達し、発電用空気と効率よく熱交換を行うことができる。さらに、発電用空気通路177の内部にも伝熱板177cの凸部が第2排ガス排出路172を構成する壁面に接しているため、排ガスの熱が、伝熱板172a、発電用空気通路177を構成する壁面、伝熱板177c、発電用空気の順に伝わるため、排ガスと発電用空気の熱交換率を向上させることができる。なお、伝熱板172aは伝熱板177c、177bと同一のものである。   Next, as shown in FIG. 8, in the module case 108, there is a horizontal gap between the upper surface of the reformer 120 (specifically, the flat plate 120h of the reformer 120) and the lower surface of the top plate 108a of the module case 108. A second exhaust gas discharge path 172 extending in the direction is formed. The second exhaust gas discharge path 172 is juxtaposed with a part of the above-described power generation air introduction path 177 across the top plate 108a of the module case 108. In addition, a plate-shaped heat transfer plate 172a as a heat exchange promoting member is provided inside the second exhaust gas discharge path 172. The heat transfer plate 172a is provided at substantially the same position in the horizontal direction as the heat transfer plate 177c provided in the power generation air introduction path 177. In the portion of the power generation air introduction path 177 and the second exhaust gas discharge path 172 provided with such heat transfer plates 177c and 172a, the power generation air flowing through the power generation air introduction path 177 and the second exhaust gas discharge path 172 flow. Efficient heat exchange is performed with the exhaust gas, and the power generation air is heated by the heat of the exhaust gas. That is, in the second embodiment, the heat transfer plate 172a provided in the power generation air introduction path 177 or the second exhaust gas discharge path 172 is in direct contact with the power generation air path 177, and the heat transfer plate 172a. The heat of the exhaust gas given to the heat transfer plate 172a is given to the heat transfer plate 172a, and the heat of the heat transfer plate 172a is transferred to the wall surface constituting the power generation air introduction path 177 so that heat exchange with the power generation air can be performed efficiently. it can. Further, since the convex portion of the heat transfer plate 177c is also in contact with the wall surface constituting the second exhaust gas discharge path 172 inside the power generation air passage 177, the heat of the exhaust gas is transferred to the heat transfer plate 172a and the power generation air passage 177. Therefore, the heat exchange rate between the exhaust gas and the power generation air can be improved. The heat transfer plate 172a is the same as the heat transfer plates 177c and 177b.

また、改質器120の外側面とモジュールケース108の内側面との間には、上下方向に延びる第3排ガス排出路173が形成されている。この第3排ガス排出路173は第2排ガス排出路172と連通しており、第3排ガス排出路173から第2排ガス排出路172へと排ガスが流れていく。具体的には、第2排ガス排出路172には、第3排ガス排出路173の上端部(言い換えると第2排ガス排出路172の水平方向における端部)に位置する排ガス導入口172bから排ガスが流入する。排ガス導入口172bから第2排ガス排出路172に流入した排ガスは、モジュールケース108の天板108a上に形成された排気口111を介して、モジュールケース108の外部に設けられた第1排ガス排出路171へと流出する。   Further, a third exhaust gas discharge path 173 extending in the vertical direction is formed between the outer surface of the reformer 120 and the inner surface of the module case 108. The third exhaust gas discharge path 173 communicates with the second exhaust gas discharge path 172, and the exhaust gas flows from the third exhaust gas discharge path 173 to the second exhaust gas discharge path 172. Specifically, the exhaust gas flows into the second exhaust gas discharge path 172 from the exhaust gas inlet 172b located at the upper end of the third exhaust gas discharge path 173 (in other words, the end of the second exhaust gas discharge path 172 in the horizontal direction). To do. The exhaust gas flowing into the second exhaust gas discharge passage 172 from the exhaust gas introduction port 172b passes through the exhaust port 111 formed on the top plate 108a of the module case 108, and the first exhaust gas discharge passage provided outside the module case 108. To 171.

また、第3排ガス排出路173の途中のモジュールケース108の内側面上には、具体的には、改質器120の改質部120cよりも上方で、第2排ガス排出路172の排ガス導入口172bよりも下方のモジュールケース8の内側面上には、改質器120中に形成された排気誘導室201(改質器120の天板120fと遮蔽板120gとの間の空間)に流れ込むように排ガスを指向させる排気ガイド板205(第1排気ガイド部に相当する)が設けられている。   Further, on the inner side surface of the module case 108 in the middle of the third exhaust gas discharge path 173, specifically, the exhaust gas inlet of the second exhaust gas discharge path 172 above the reforming portion 120c of the reformer 120. On the inner surface of the module case 8 below 172b, it flows into the exhaust induction chamber 201 (the space between the top plate 120f and the shielding plate 120g of the reformer 120) formed in the reformer 120. An exhaust guide plate 205 (corresponding to a first exhaust guide part) for directing exhaust gas is provided on the top.

次に、図11を参照して、燃料電池セルユニット116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ユニットを示す部分断面図である。   Next, the fuel cell unit 116 will be described with reference to FIG. FIG. 11 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.

図11に示すように、燃料電池セルユニット116は、燃料電池セル184と、この燃料電池セル184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186とを備えている。   As shown in FIG. 11, the fuel cell unit 116 includes a fuel cell 184 and inner electrode terminals 186 that are caps respectively connected to both ends of the fuel cell 184.

燃料電池セル184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188を形成する円筒形の内側電極層190と、円筒形の外側電極層192と、内側電極層190と外側電極層192との間にある電解質層194とを備えている。この内側電極層190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 fuel cell 184 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 190 that forms a fuel gas flow path 188 therein, a cylindrical outer electrode layer 192, an inner electrode layer 190, and an outer side. An electrolyte layer 194 is provided between the electrode layer 192 and the electrode layer 192. The inner electrode layer 190 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode that comes into contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル184の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子186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186について具体的に説明する。内側電極層190の上部190aは、電解質層194と外側電極層192に対して露出された外周面190bと上端面190cとを備えている。内側電極端子186は、導電性のシール材196を介して内側電極層190の外周面190bと接続され、さらに、内側電極層190の上端面190cとは直接接触することにより、内側電極層190と電気的に接続されている。内側電極端子186の中心部には、内側電極層190の燃料ガス流路188と連通する燃料ガス流路細管198が形成されている。   Since the inner electrode terminal 186 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 184 has the same structure, the inner electrode terminal 186 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 190 a of the inner electrode layer 190 includes an outer peripheral surface 190 b and an upper end surface 190 c that are exposed to the electrolyte layer 194 and the outer electrode layer 192. The inner electrode terminal 186 is connected to the outer peripheral surface 190b of the inner electrode layer 190 through a conductive sealing material 196, and is further in direct contact with the upper end surface 190c of the inner electrode layer 190. Electrically connected. At the center of the inner electrode terminal 186, a fuel gas channel narrow tube 198 that communicates with the fuel gas channel 188 of the inner electrode layer 190 is formed.

この燃料ガス流路細管198は、内側電極端子186の中心から燃料電池セル184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166(図7参照)から、下側の内側電極端子186の燃料ガス流路細管198を通って燃料ガス流路188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186の燃料ガス流路細管198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188から、上側の内側電極端子186の燃料ガス流路細管198を通って燃焼室118(図7参照)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186の燃料ガス流路細管198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 narrow tube 198 is an elongated thin tube provided so as to extend in the axial direction of the fuel cell 184 from the center of the inner electrode terminal 186. For this reason, a predetermined pressure loss occurs in the flow of fuel gas flowing from the manifold 166 (see FIG. 7) into the fuel gas passage 188 through the fuel gas passage narrow tube 198 of the lower inner electrode terminal 186. To do. Therefore, the fuel gas flow passage narrow tube 198 of the lower inner electrode terminal 186 acts as an inflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value. Further, a predetermined pressure loss also occurs in the flow of the fuel gas flowing out from the fuel gas channel 188 to the combustion chamber 118 (see FIG. 7) through the fuel gas channel narrow tube 198 of the upper inner electrode terminal 186. Therefore, the fuel gas flow passage narrow tube 198 of the upper inner electrode terminal 186 functions as an outflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value.

内側電極層190は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 190 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層194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 194 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192は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 192 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni, and Cu, Sr, Fe, Ni, Cu It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に、図12を参照して、燃料電池セルスタック114について説明する。図12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。   Next, the fuel cell stack 114 will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

図12に示すように、燃料電池セルスタック114は、16本の燃料電池セルユニット116を備え、これらの燃料電池セルユニット116は、8本ずつ2列に並べて配置されている。   As shown in FIG. 12, the fuel cell stack 114 includes 16 fuel cell units 116, and these fuel cell units 116 are arranged in two rows of 8 each.

各燃料電池セルユニット116は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板168(図7参照)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116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168及び上支持板100には、内側電極端子186が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。   Each fuel cell unit 116 is supported at its lower end by a rectangular rectangular lower support plate 168 (see FIG. 7), and at the upper end, four fuel cell units 116 at both ends are provided, each having a generally square shape. Is supported by the upper support plate 100. The lower support plate 168 and the upper support plate 100 are formed with through holes through which the inner electrode terminals 186 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット116には、集電体103及び外部端子105が取り付けられている。この集電体103は、燃料極である内側電極層190に取り付けられた内側電極端子186と電気的に接続される燃料極用接続部103aと、空気極である外側電極層192の外周面と電気的に接続される空気極用接続部103b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116の外側電極層192(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103bが接触することにより、集電体103は空気極全体と電気的に接続される。   Further, the current collector 103 and the external terminal 105 are attached to the fuel cell unit 116. The current collector 103 includes a fuel electrode connection portion 103a that is electrically connected to an inner electrode terminal 186 attached to the inner electrode layer 190 that is a fuel electrode, and an outer peripheral surface of the outer electrode layer 192 that is an air electrode. It is integrally formed so as to connect the air electrode connecting portion 103b that is electrically connected. In addition, a silver thin film is formed on the entire outer surface of the outer electrode layer 192 (air electrode) of each fuel cell unit 116 as an electrode on the air electrode side. When the air electrode connecting portion 103b contacts the surface of the thin film, the current collector 103 is electrically connected to the entire air electrode.

さらに、燃料電池セルスタック114の端(図12では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット116の空気極186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103は、隣接する燃料電池セルスタック114の端にある燃料電池セルユニット116の内側電極端子186に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット116の全てが直列接続されるようになっている。   Further, two external terminals 104 are connected to the air electrode 186 of the fuel cell unit 116 located at the end of the fuel cell stack 114 (the far left side in FIG. 12). These external terminals 103 are connected to the inner electrode terminal 186 of the fuel cell unit 116 at the end of the adjacent fuel cell stack 114, and as described above, all 160 fuel cell units 116 are connected in series. It has come to be.

次に、図13、図14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13は、図7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る。図14は、図8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を示す図13のIII −III 線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。図13、図14は、図7、8中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図であり、説明の便宜上、断熱材107を取り除いた状態の図を示している。なお、図14では、燃料ガス(水、水蒸気及び原燃料ガスも含む)の流れのみを図示している。   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. 13 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. 14 is a cross-sectional view of the fuel cell module taken along line III-III of FIG. 13 showing a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention similar to FIG. FIGS. 13 and 14 are diagrams in which an arrow indicating a gas flow is newly added to FIGS. In FIG. 14, only the flow of fuel gas (including water, water vapor, and raw fuel gas) is shown.

図13、に示すように、水及び原燃料ガス(燃料ガス)が、蒸発器125の水平方向における一側端側に接続された燃料供給配管163(図9参照)から蒸発器125内に供給される、具体的には蒸発器125の上層に設けられた蒸発部125a内に供給される。蒸発器125の蒸発部125aに供給された水は、蒸発器125の下層に設けられた排気通路部125cを流れる排ガスとの間で熱交換を行い、排ガスの熱により加熱されて、気化して水蒸気となる。この水蒸気と、上記した燃料供給配管163から供給された原燃料ガスとは、蒸発部125a内を水平方向に流れていき(具体的には燃料供給配管163が接続された側と反対側に向けて水平方向に流れていき)、蒸発部125aの先の混合部125bにおいて混合される。   As shown in FIG. 13, water and raw fuel gas (fuel gas) are supplied into the evaporator 125 from a fuel supply pipe 163 (see FIG. 9) connected to one end in the horizontal direction of the evaporator 125. Specifically, it is supplied into an evaporation unit 125 a provided in the upper layer of the evaporator 125. The water supplied to the evaporator 125a of the evaporator 125 exchanges heat with the exhaust gas flowing through the exhaust passage 125c provided in the lower layer of the evaporator 125, is heated by the heat of the exhaust gas, and is vaporized. It becomes water vapor. The water vapor and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 163 flow in the horizontal direction in the evaporator 125a (specifically, toward the side opposite to the side where the fuel supply pipe 163 is connected). In the horizontal direction) and mixed in the mixing unit 125b at the end of the evaporation unit 125a.

そして、混合部125bにおいて水蒸気と原燃料ガスとが混合された混合ガス(燃料ガス)は、蒸発器125において燃料供給配管163が接続された側と反対側に接続され、蒸発器125の排気通路部125c、断熱材107a及びモジュールケース108内を横断するように延びる混合ガス供給管162を流れて、モジュールケース108内の改質器120に流入する。この場合、混合ガスは、混合部125bの下方の排気通路部125cを流れる排ガスと、排気通路部125c及び第1排ガス排出路171内に位置する混合ガス供給管162の部分の周囲を流れる排ガスと、モジュールケース108内に位置する混合ガス供給管162の部分の周囲を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、モジュールケース108内では、改質器120の内部空間120d内に位置する混合ガス供給管162の予熱部162aにおいて、この予熱部162a内を流れる混合ガスと改質器120の内部空間120d内の排ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。   The mixed gas (fuel gas) obtained by mixing the water vapor and the raw fuel gas in the mixing unit 125b is connected to the side opposite to the side where the fuel supply pipe 163 is connected in the evaporator 125, and the exhaust passage of the evaporator 125 is connected. The gas flows through the part 125 c, the heat insulating material 107 a, and the mixed gas supply pipe 162 extending across the module case 108, and flows into the reformer 120 in the module case 108. In this case, the mixed gas includes exhaust gas flowing through the exhaust passage portion 125c below the mixing portion 125b, and exhaust gas flowing around the portion of the mixed gas supply pipe 162 located in the exhaust passage portion 125c and the first exhaust gas discharge passage 171. Then, heat is exchanged with the exhaust gas flowing around the portion of the mixed gas supply pipe 162 located in the module case 108 and heated. Particularly, in the module case 108, in the preheating part 162a of the mixed gas supply pipe 162 located in the internal space 120d of the reformer 120, the mixed gas flowing in the preheating part 162a and the internal space 120d of the reformer 120 are contained. Efficient heat exchange with the exhaust gas.

この後、混合ガス供給管162から改質器120に供給された混合ガスは、改質器120の混合ガス供給口120aを介して、改質器120の水平方向における一側端側に設けられた改質触媒が充填された改質部120cに流入し、この改質部120c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、改質器120の改質部120cの下流端側に接続された燃料ガス供給管164と、この燃料ガス供給管164の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管165とを流れる。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給管164の水平部164aに設けられた燃料供給孔164bからマニホールド166内に供給されて、マニホールド166内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット116内に供給される。   Thereafter, the mixed gas supplied from the mixed gas supply pipe 162 to the reformer 120 is provided on one side end side in the horizontal direction of the reformer 120 via the mixed gas supply port 120a of the reformer 120. It flows into the reforming section 120c filled with the reforming catalyst, and is reformed in the reforming section 120c to become fuel gas. The fuel gas generated in this way is supplied to the downstream side of the reforming section 120c of the reformer 120, and to the hydrogen desulfurizer hydrogen extractor connected above the fuel gas supply pipe 164. Flow through tube 165. The fuel gas is supplied into the manifold 166 from the fuel supply hole 164 b provided in the horizontal portion 164 a of the fuel gas supply pipe 164, and the fuel gas in the manifold 166 is supplied into each fuel cell unit 116. .

他方で、図14に示すように、発電用空気導入管174(図1、図7、図9及び図13参照)から供給された発電用空気は、モジュールケース108の天板108a及び側板108bと、これら天板108a及び側板108bのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース177aとの間の空間によって形成された発電用空気導入路177を流れる。この際に、発電用空気導入路177を流れる発電用空気は、伝熱板177c、177dを通過する際に、これら伝熱板177c、177dの内側のモジュールケース108内に形成された第2及び第3排ガス排出路172、173を通過する排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、発電用空気導入路177の伝熱板177cに対応する第2排ガス排出路172内には伝熱板172aが設けられているので、発電用空気は、発電用空気導入路177内の伝熱板177cと第2排ガス排出路172内の伝熱板172aとを介して、排ガスとより効率的な熱交換を行う。   On the other hand, as shown in FIG. 14, the power generation air supplied from the power generation air introduction pipe 174 (see FIGS. 1, 7, 9, and 13) is supplied to the top plate 108a and the side plate 108b of the module case 108. The air flows through a power generation air introduction path 177 formed by a space between the power generation air supply case 177a disposed so as to extend along each of the top plate 108a and the side plates 108b. At this time, when the power generation air flowing through the power generation air introduction path 177 passes through the heat transfer plates 177c and 177d, the second and second air passages 177c and 177d are formed in the module case 108 inside the heat transfer plates 177c and 177d. Efficient heat exchange is performed with the exhaust gas passing through the third exhaust gas discharge passages 172 and 173, and the exhaust gas is heated. In particular, since the heat transfer plate 172a is provided in the second exhaust gas discharge path 172 corresponding to the heat transfer plate 177c of the power generation air introduction path 177, the power generation air is transferred to the power generation air introduction path 177. More efficient heat exchange with the exhaust gas is performed via the heat plate 177c and the heat transfer plate 172a in the second exhaust gas discharge path 172.

また、図1、8、14に示すように、発電用空気導入路177の内部で、伝熱板177dが配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板179が設置されており、排ガスと熱交換を行った後の発電用空気は仕切り板179に設けられた複数の孔を通る。その際に、仕切り板179は流路抵抗として機能し、拡散されて均熱化した発電用空気を燃料電池セル集合体112へ供給することができる。   In addition, as shown in FIGS. 1, 8, and 14, a partition plate 179 having a plurality of holes is installed in the power generation air introduction path 177 below the region where the heat transfer plate 177d is disposed. The power generation air after heat exchange with the exhaust gas passes through a plurality of holes provided in the partition plate 179. At that time, the partition plate 179 functions as a flow path resistance, and can supply the power generation air that has been diffused and soaked to the fuel cell assembly 112.

その後、図14に示すように、発電用空気は、モジュールケース108の側板108bの下部に設けられた複数の吹出口177bから燃料電池セル集合体112に向けて発電室110内に噴射される。   Thereafter, as shown in FIG. 14, the power generation air is injected into the power generation chamber 110 from the plurality of outlets 177 b provided at the lower portion of the side plate 108 b of the module case 108 toward the fuel cell assembly 112.

他方で、燃料電池セルユニット116において発電に利用されずに残った排ガスは、図14に示すように、モジュールケース108内の燃焼室118で燃焼され、モジュールケース108内を上昇していく。具体的には、排ガスは、まず、改質器120の外側面とモジュールケース108の内側面との間に形成された第3排ガス排出路173を通過する。この際に、排ガスは、モジュールケース108の内側面上に設けられた排気ガイド板205によって、改質器120中に形成された排気誘導室201(改質器120の天板120fと遮蔽板120gとの間の空間)に流れ込むように指向される。そして、排気誘導室201を経由した排ガス(排気誘導室201に流れ込んだ排ガス及び排気誘導室201に流れ込まなかった排ガスを含む)は、排気誘導室201の上方のガス溜203(改質器120の遮蔽板120gと平板120hとの間の空間)に流れ込むことなく上昇していき、排ガス導入口172bから第2排ガス排出路172に流入する。   On the other hand, the exhaust gas remaining without being used for power generation in the fuel cell unit 116 is burned in the combustion chamber 118 in the module case 108 and rises in the module case 108 as shown in FIG. Specifically, the exhaust gas first passes through a third exhaust gas discharge path 173 formed between the outer surface of the reformer 120 and the inner surface of the module case 108. At this time, the exhaust gas is discharged into the exhaust induction chamber 201 (the top plate 120f and the shielding plate 120g of the reformer 120) formed in the reformer 120 by the exhaust guide plate 205 provided on the inner surface of the module case 108. The space between them. The exhaust gas that has passed through the exhaust induction chamber 201 (including exhaust gas that has flowed into the exhaust induction chamber 201 and exhaust gas that has not flowed into the exhaust induction chamber 201) is stored in the gas reservoir 203 (of the reformer 120) above the exhaust induction chamber 201. It rises without flowing into the space between the shielding plate 120g and the flat plate 120h) and flows into the second exhaust gas discharge path 172 from the exhaust gas inlet 172b.

この後、排ガスは、第2排ガス排出路172を水平方向に流れていき、モジュールケース108の天板108a上に形成された排気口111から流出する。排ガスが第2排ガス排出路172を水平方向に流れていく際に、第2排ガス排出路172内に設けられた伝熱板172aと、この伝熱板172aに対応して発電用空気導入路177内に設けられた伝熱板177cとを介して、発電用空気導入路177を流れる発電用空気と第2排ガス排出路172を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排ガスの熱により発電用空気が昇温される。なお、ここでは排気通路のうち第2排ガス排出路172にのみ伝熱板172aを設けているが、伝熱板を設ける箇所は第2排ガス排出路172に限るものではなく、熱交換を行う排気通路であればよい。   Thereafter, the exhaust gas flows in the second exhaust gas discharge path 172 in the horizontal direction, and flows out from the exhaust port 111 formed on the top plate 108 a of the module case 108. When the exhaust gas flows in the second exhaust gas discharge path 172 in the horizontal direction, a heat transfer plate 172a provided in the second exhaust gas discharge path 172 and a power generation air introduction path 177 corresponding to the heat transfer plate 172a. An efficient heat exchange is performed between the power generation air flowing through the power generation air introduction path 177 and the exhaust gas flowing through the second exhaust gas discharge path 172 via the heat transfer plate 177c provided in the exhaust gas. The power generation air is heated by the heat. Here, the heat transfer plate 172a is provided only in the second exhaust gas discharge passage 172 in the exhaust passage, but the place where the heat transfer plate is provided is not limited to the second exhaust gas discharge passage 172, and the exhaust for performing heat exchange is provided. What is necessary is just a passage.

そして、排気口111から流出した排ガスは、モジュールケース108の外部に設けられた第1排ガス排出路171を通過した後、第1排ガス排出路171に接続された蒸発器125の排気通路部125cを流れて、蒸発器125の下流端側に接続された排ガス排出管182(図9参照)から排出される。排ガスは、蒸発器125の排気通路部125cを流れる際に、上述したように、蒸発器125の混合部125b内の混合ガス及び蒸発器125の蒸発部125a内の水と熱交換を行う。   The exhaust gas flowing out from the exhaust port 111 passes through the first exhaust gas exhaust passage 171 provided outside the module case 108, and then passes through the exhaust passage portion 125c of the evaporator 125 connected to the first exhaust gas exhaust passage 171. It flows and is discharged from the exhaust gas discharge pipe 182 (see FIG. 9) connected to the downstream end side of the evaporator 125. As described above, the exhaust gas exchanges heat with the mixed gas in the mixing unit 125b of the evaporator 125 and the water in the evaporation unit 125a of the evaporator 125 when flowing through the exhaust passage portion 125c of the evaporator 125.

次に、本発明の第2の実施の形態による固体酸化物形燃料電池装置の作用・効果について説明する。   Next, operations and effects of the solid oxide fuel cell device according to the second embodiment of the present invention will be described.

第2の実施の形態によれば、モジュールケース108を挟んで発電用空気導入路177と第2排ガス排出路172とを並設し、熱交換部を形成した燃料電池装置において、発電用空気導入路177または第2排ガス排出路172の少なくとも一方に、熱拡散性の高い伝熱板(172a、177c、177d)を流路内部が2つに区分されるように配置することで、2つの空間それぞれにおいて流路内部を通過する流体を均熱化することができ熱交換性能が向上する。このため、別体としての専用の熱交換器が不要となるため、燃料電池装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。ここで、発電用空気導入路177と第2排ガス排出路の少なくとも一方に伝熱板を設けていれば良く、発電用空気導入路177と並設されていれば、第2排ガス排出路の場所は本実施形態に限るものではない。   According to the second embodiment, in the fuel cell device in which the power generation air introduction path 177 and the second exhaust gas discharge path 172 are arranged side by side with the module case 108 interposed therebetween and the heat exchange section is formed, the power generation air is introduced. By disposing a heat transfer plate (172a, 177c, 177d) having high thermal diffusibility in at least one of the passage 177 and the second exhaust gas discharge passage 172 so that the inside of the passage is divided into two, two spaces are provided. In each case, the fluid passing through the inside of the flow path can be soaked, and the heat exchange performance is improved. For this reason, since a separate dedicated heat exchanger is not required, the fuel cell device can be reduced in size and cost. Here, it is sufficient if a heat transfer plate is provided in at least one of the power generation air introduction path 177 and the second exhaust gas discharge path. Is not limited to this embodiment.

また、本発明の第2の実施の形態によれば、伝熱板(172a,177c,177d)に両面間を流動可能とする複数の通気孔(図示せず)が設けられていることで、流体が2区間を行き来して広域に拡散するため、熱交換性能を向上させることができる。   Further, according to the second embodiment of the present invention, the heat transfer plate (172a, 177c, 177d) is provided with a plurality of vent holes (not shown) that can flow between both surfaces. Since the fluid moves back and forth between the two sections and spreads over a wide area, the heat exchange performance can be improved.

また、本発明の第2の実施の形態によれば、発電用空気導入路177または第2排ガス排出路172の一方の流路に設けられた伝熱板172aまたは伝熱板177c、177dが、他方の流路と直接接触することで、熱交換性能を向上させることができる。   Further, according to the second embodiment of the present invention, the heat transfer plate 172a or the heat transfer plates 177c and 177d provided in one flow path of the power generation air introduction path 177 or the second exhaust gas discharge path 172 are: By directly contacting the other flow path, the heat exchange performance can be improved.

また、本発明の第2の実施の形態によれば、区分した二つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流路を導くことで、流体が持つ熱量を有効に利用することができる。   Further, according to the second embodiment of the present invention, of the two divided spaces, the side having the surface in contact with the other flow channel is a space that directly exchanges heat with the other flow channel, so that the space By guiding the flow path preferentially, the heat quantity of the fluid can be used effectively.

また、本発明の第2の実施の形態によれば、本発明に係る伝熱板172a、177c、177dは熱交換性能が非常に高いため、発電室110内において、高温の燃焼部118で熱交換を行うことで熱の利用を最大限化するとともに、比較的低温となる燃料電池セル集合体112の領域に近接する流路では伝熱板の配置を不要とすることで、伝熱板の配置面積を最小化してコストを削減することができる。   In addition, according to the second embodiment of the present invention, the heat transfer plates 172a, 177c, and 177d according to the present invention have very high heat exchange performance. In addition to maximizing the use of heat by exchanging, it is not necessary to dispose the heat transfer plate in the flow path close to the region of the fuel cell assembly 112 that is relatively low in temperature. The layout area can be minimized and the cost can be reduced.

また、本発明の第2の実施の形態によれば、発電用空気導入路177の内部であって、伝熱板177c、177dが配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板179を設置することで、仕切り板179は流路抵抗として機能するため、均熱化した酸素含有ガスはさらに拡散して均熱化し、複数の孔から発電用空気供給通路の下端に噴出される。   In addition, according to the second embodiment of the present invention, the partition plate 179 has a plurality of holes inside the power generation air introduction path 177 and below the region where the heat transfer plates 177c and 177d are arranged. Since the partition plate 179 functions as a flow path resistance, the soaked oxygen-containing gas is further diffused and soaked, and is ejected from the plurality of holes to the lower end of the power generation air supply passage.

第2の実施の形態で上述したように、容器壁面に熱交換部を形成した燃料電池装置において、簡単な構成により、熱交換性能を向上させることができるため、別体として専用の熱交換器を設ける必要がなく、燃料電池装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。   As described above in the second embodiment, in the fuel cell device in which the heat exchange portion is formed on the vessel wall surface, the heat exchange performance can be improved with a simple configuration. Therefore, it is possible to realize a reduction in size and cost of the fuel cell device.

(実施の形態3)
つぎに図15を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。図15は本発明の実施形態の適用例を示す燃料電池モジュールの別の形態を示す概略断面図である。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing another form of the fuel cell module showing an application example of the embodiment of the present invention.

第3の実施形態において、発電用空気を燃料電池モジュール302の内部へ供給するための構造を、図15を参照しながら説明する。図15の実践矢印は、発電用空気の流れを示しており、点線矢印は排ガスの流れを示している。この図に示すように、改質器320の上方に熱交換器323が設けられ、ケーシング356は断熱材307で覆われている。   In the third embodiment, a structure for supplying power generation air to the inside of the fuel cell module 302 will be described with reference to FIG. Practical arrows in FIG. 15 indicate the flow of power generation air, and dotted arrows indicate the flow of exhaust gas. As shown in this figure, a heat exchanger 323 is provided above the reformer 320, and the casing 356 is covered with a heat insulating material 307.

熱交換器323は2層の熱交換器であり、上層の一端側には発電用空気導入管374が取り付けられている。この発電用空気導入管374により、発電用空気が熱交換器323内に導入されるようになっており、熱交換器323の上層の他端側には、図15に示すように、発電用空気流路323aの出口ポート377aが一対形成されている。この出口ポート377aは、一対の連絡流路(図示せず)に連通している。さらに、燃料電池モジュール2のケーシング356の幅方向の両側の外側には、発電用空気供給路(図示せず)が形成されている。   The heat exchanger 323 is a two-layer heat exchanger, and a power generation air introduction pipe 374 is attached to one end side of the upper layer. The power generation air introduction pipe 374 introduces power generation air into the heat exchanger 323, and the other end of the upper layer of the heat exchanger 323 has a power generation air as shown in FIG. A pair of outlet ports 377a of the air flow path 323a is formed. The outlet port 377a communicates with a pair of communication channels (not shown). Furthermore, power generation air supply passages (not shown) are formed on the outer sides of both sides in the width direction of the casing 356 of the fuel cell module 2.

したがって、発電用空気供給路(図示せず)には、発電用空気流路323aの出口ポート377a及び連絡流路(図示せず)から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路(図示せず)は、燃料電池セル集合体312の長手方向に沿って形成されており、さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体312の下方側に対応する位置に、燃料電池セル集合体312の各燃料電池セルユニット316に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口377bが形成されている。出口ポート377aから発電用空気供給路(図示せず)に流入した発電用空気は吹出口377bへと向かい、これらの吹出口377bから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット316の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。   Therefore, power generation air is supplied to the power generation air supply path (not shown) from the outlet port 377a of the power generation air flow path 323a and the communication flow path (not shown). The power generation air supply path (not shown) is formed along the longitudinal direction of the fuel cell assembly 312 and further corresponds to the lower side of the fuel cell assembly 312. A plurality of air outlets 377 b are formed at positions to blow out the power generation air toward each fuel cell unit 316 of the fuel cell assembly 312. The power generation air that has flowed into the power generation air supply path (not shown) from the outlet port 377a is directed to the air outlet 377b, and the air generated from the air outlet 377b is outside the fuel cell unit 316. And flows from below to above.

さらに、改質器導入管362は、ケーシング356の内部に、純水と改質される燃料ガスを導入する管路である。改質器導入管362は、改質器320の一端の側壁面から延びる円管であり、90゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケーシング56の上端面を貫通している。なお、改質器導入管362は、改質器320に水を導入する水導入管としても機能している。より具体的には、図15に示すように、改質器320の上流端である図中右側の端部に繋がれている。   Further, the reformer introduction pipe 362 is a pipe line for introducing pure water and fuel gas to be reformed into the casing 356. The reformer introduction pipe 362 is a circular pipe extending from the side wall surface at one end of the reformer 320, is bent by 90 ° and extends in a substantially vertical direction, and penetrates the upper end surface of the casing 56. The reformer introduction pipe 362 also functions as a water introduction pipe that introduces water into the reformer 320. More specifically, as shown in FIG. 15, the reformer 320 is connected to the upstream end of the reformer 320 on the right side in the figure.

ここで、改質器320に接続する改質器導入管362には、上記の90°屈曲し水平方向に延びた部分に、充填材通過禁止部材383が設けられている。これにより、圧力損失の増加を抑制するとともに、改質器320内の改質触媒等の充填材が流出することを防止できる。   Here, the reformer introduction pipe 362 connected to the reformer 320 is provided with the filler passage prohibiting member 383 at the portion bent by 90 ° and extending in the horizontal direction. Thereby, while suppressing the increase in pressure loss, it can prevent that fillers, such as a reforming catalyst in the reformer 320, flow out.

改質器導入管362から流入する水は改質器320で水蒸気とされ、この水蒸気と被改質ガスである燃料ガス(都市ガス)と空気とが混合される。さらに、改質器320は、燃料電池セル集合体312の上方に形成された燃焼室318の更に上方に配置されている。したがって、改質器320は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、燃料と水蒸気を化学反応させることにより水蒸気改質反応の双方によって水素を生成可能な改質器としての役割とを果たすように構成されている。   The water flowing from the reformer introduction pipe 362 is converted into water vapor by the reformer 320, and the water vapor, fuel gas (city gas) as the gas to be reformed, and air are mixed. Further, the reformer 320 is disposed further above the combustion chamber 318 formed above the fuel cell assembly 312. Therefore, the reformer 320 is heated by the combustion heat of the remaining fuel gas and air after the power generation reaction, and serves as an evaporative mixer and by both the steam reforming reaction by chemically reacting the fuel and steam. It is comprised so that the role as a reformer which can produce | generate will be played.

改質器320の下流端には、燃料供給管366の上端が接続されている。この燃料供給管366の下端側は、燃料ガスタンク368内に入り込むように配置されている。   The upper end of a fuel supply pipe 366 is connected to the downstream end of the reformer 320. The lower end side of the fuel supply pipe 366 is disposed so as to enter the fuel gas tank 368.

図15に示すように、燃料ガスタンク368は、燃料電池セル集合体312の真下に設けられている。燃料供給管366から燃料ガスタンク368に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体312を構成する各燃料電池セルユニット316内を上昇して、燃焼室18に至るようになっている。   As shown in FIG. 15, the fuel gas tank 368 is provided directly below the fuel cell assembly 312. The fuel gas supplied from the fuel supply pipe 366 to the fuel gas tank 368 ascends in each fuel cell unit 316 constituting the fuel cell assembly 312 and reaches the combustion chamber 18.

続いて、発電により生じた排ガスをモジュールケース356外へ排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット316の上方にある燃焼室318では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気の排ガスを燃焼させている。その後、排ガスは、燃焼室318内を上昇し排気ガイド板380に至る。排気ガイド板380には、図15に示すように、開口380aが設けられており、開口380a内に排ガスが導かれる。この開口380aを通った排ガスは、別体として設けられた熱交換器323の排ガス排出流路流入口324に至る。   Subsequently, a structure for discharging exhaust gas generated by power generation to the outside of the module case 356 will be described. In the combustion chamber 318 above the fuel cell unit 316, the fuel gas not used in the power generation reaction and the exhaust gas of power generation air are combusted. Thereafter, the exhaust gas rises in the combustion chamber 318 and reaches the exhaust guide plate 380. As shown in FIG. 15, the exhaust guide plate 380 is provided with an opening 380a, and the exhaust gas is guided into the opening 380a. The exhaust gas that has passed through the opening 380a reaches the exhaust gas discharge passage inlet 324 of the heat exchanger 323 provided as a separate body.

二層の熱交換器323の下層には、排ガスを排出するための排ガス排出流路323bが設けられている。これらの排ガスガス排出流路323bの下流端側には、排ガス排出管382が接続され、排ガスが外部に排出されるようになっている。   Under the two-layer heat exchanger 323, an exhaust gas exhaust passage 323b for exhaust gas exhaust is provided. An exhaust gas discharge pipe 382 is connected to the downstream end side of these exhaust gas discharge channels 323b so that the exhaust gas is discharged to the outside.

つぎに熱交換器323について図15を参照しながら説明する。熱交換器323は上層に発電用空気供給流路323aと、下層に排ガス排出流路323bを備えている。発電用空気供給流路323aには発電用空気が流れ、排ガス流出流路323bには排ガスが流れており、発電用空気は排ガスからの熱を受け取り昇温される。   Next, the heat exchanger 323 will be described with reference to FIG. The heat exchanger 323 includes a power generation air supply channel 323a in the upper layer and an exhaust gas discharge channel 323b in the lower layer. The power generation air flows through the power generation air supply channel 323a and the exhaust gas flows through the exhaust gas outflow channel 323b. The power generation air receives heat from the exhaust gas and is heated.

発電用空気供給流路323aと排ガス排出流路323bの内部にはそれぞれ伝熱板378が流路を区分するように配置されており、発電用空気と排ガスとの熱交換を促進している。すなわち、伝熱板378が流路抵抗として働くため、カウンターフローで流れる発電用空気と排ガスはそれぞれの流路において均熱化され、さらに、伝熱板378が発電用空気と排ガスとが熱交換を行う熱交換器323内の壁面と接しているため、積極的に熱交換を行わせることができる。
なお、図15においては、排ガス流路323aと発電用空気流路323bの内部の双方に伝熱板378を設けているが、排ガス流路323aと発電用空気流路323bのどちらか一方に設けるようにしてもよい。さらに、図15では発電用空気と排ガスとの流れの方向をカウンターフローとして示しているが、クロスフローやパラレルフローでも良い。
Heat transfer plates 378 are arranged inside the power generation air supply flow path 323a and the exhaust gas discharge flow path 323b so as to divide the flow paths, respectively, and promote heat exchange between the power generation air and the exhaust gas. That is, since the heat transfer plate 378 acts as a flow path resistance, the power generation air and the exhaust gas flowing in the counter flow are soaked in the respective flow paths, and the heat transfer plate 378 exchanges heat between the power generation air and the exhaust gas. Since it is in contact with the wall surface in the heat exchanger 323 that performs the heat exchange, the heat exchange can be positively performed.
In FIG. 15, the heat transfer plate 378 is provided in both the exhaust gas flow path 323a and the power generation air flow path 323b, but is provided in either the exhaust gas flow path 323a or the power generation air flow path 323b. You may do it. Further, in FIG. 15, the flow direction of the power generation air and the exhaust gas is shown as a counter flow, but a cross flow or a parallel flow may be used.

したがって、熱交換部が専用の熱交換器323として別体に設けられている燃料電池装置においても、熱交換器323の内部に設けられた、発電用空気供給流路323aまたは排ガス排出流路323bの内部に本発明にかかる伝熱板378を設けることにより、容易に熱交換性能を向上させることができる。したがって、モジュールケース一体の熱交換器でなくとも、発明の効果を奏することが可能である。   Therefore, even in the fuel cell apparatus in which the heat exchange unit is provided separately as the dedicated heat exchanger 323, the power generation air supply flow path 323a or the exhaust gas discharge flow path 323b provided in the heat exchanger 323 is provided. By providing the heat transfer plate 378 according to the present invention inside the heat exchanger, the heat exchange performance can be easily improved. Therefore, even if it is not a heat exchanger integrated with a module case, the effects of the invention can be achieved.

10 流体処理装置
11 ケース
12 充填材
13 流体配管
13a 水平延在部
13b 垂直延在部
13c 屈曲部
14 充填材通過禁止部
15 加熱源
101 固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)
102 燃料電池モジュール
107 断熱材
108 モジュールケース
108a 天板
108b 側板
112 燃料電池セル集合体
116 燃料電池セルユニット
118 燃焼室(燃焼部)
111 排気口
120 改質器
120a 混合ガス供給口
120c 改質部
120d 内部空間
125 蒸発器
125a 蒸発部
125b 混合部
125c 排気通路部
162 混合ガス供給管
162a 予熱部
162b 充填材通過禁止部
163 燃料供給配管
164 燃料ガス供給管
165 水添脱硫器用水素取出管
171 第1排ガス排出路
172 第2排ガス排出路
172a 伝熱板
173 第3排ガス排出路
177 発電用空気導入路(酸素含有ガス導入路)
177c、177d 伝熱板
179 仕切り板
180 充填材通過禁止部
201 排気誘導室
203 ガス溜
302 燃料電池モジュール
307 断熱材
310 発電室
312 燃料電池セル集合体
316 燃料電池セルユニット
318 燃焼室(燃焼部)
320 改質器
323 熱交換器
323a 発電用空気供給流路
323b 排ガス排出流路
324 排ガス排出流路流入口
356 モジュールケース
362 改質器導入管
366 燃料供給管
368 燃料ガスタンク
374 発電用空気導入管
377a 出口ポート
377b 噴出孔
380 排気ガイド板
380a 開口
382 排ガス排出管
383 充填材通過禁止部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fluid processing apparatus 11 Case 12 Filler 13 Fluid piping 13a Horizontal extension part 13b Vertical extension part 13c Bending part 14 Filler passage prohibition part 15 Heat source 101 Solid oxide fuel cell apparatus (SOFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 Fuel cell module 107 Heat insulating material 108 Module case 108a Top plate 108b Side plate 112 Fuel cell assembly 116 Fuel cell unit 118 Combustion chamber (combustion part)
111 exhaust port 120 reformer 120a mixed gas supply port 120c reforming unit 120d internal space 125 evaporator 125a evaporation unit 125b mixing unit 125c exhaust passage unit 162 mixed gas supply pipe 162a preheating unit 162b filler passage prohibition unit 163 fuel supply piping 164 Fuel gas supply pipe 165 Hydrogen extraction pipe for hydrodesulfurizer 171 First exhaust gas discharge path 172 Second exhaust gas discharge path 172a Heat transfer plate 173 Third exhaust gas discharge path 177 Power generation air introduction path (oxygen-containing gas introduction path)
177c, 177d Heat transfer plate 179 Partition plate 180 Filling material passage prohibition portion 201 Exhaust induction chamber 203 Gas reservoir 302 Fuel cell module 307 Thermal insulation material 310 Power generation chamber 312 Fuel cell assembly 316 Fuel cell unit 318 Combustion chamber (combustion portion)
320 Reformer 323 Heat exchanger 323a Power generation air supply flow path 323b Exhaust gas discharge flow path 324 Exhaust gas discharge flow path inlet 356 Module case 362 Reformer introduction pipe 366 Fuel supply pipe 368 Fuel gas tank 374 Power generation air introduction pipe 377a Outlet port 377b Ejection hole 380 Exhaust guide plate 380a Opening 382 Exhaust gas exhaust pipe 383 Filling material passage prohibition part

Claims (7)

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置において、
燃料電池モジュールにおける発電に関与する流体を処理する流体処理装置を有し、
前記流体処理装置は、ケースと、前記ケースの内部に充填され前記ケースの内部を通過する流体の状態を変化させる複数の粒状の充填材と、を備え、
前記ケースの内部は、前記流体を通過させる流体配管と接続され、
前記流体配管の内径は前記充填材の粒径よりも大きく、
さらに前記流体配管は、前記流体配管の形状によって前記充填材の通過を禁止するとともに前記流体配管の圧力損失の増加を抑制する充填材通過禁止部を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
In a solid oxide fuel cell device that generates power by the reaction between a fuel gas and an oxidant gas,
A fluid processing device for processing a fluid involved in power generation in the fuel cell module;
The fluid processing apparatus includes a case, and a plurality of granular fillers that change the state of the fluid that is filled in the case and passes through the case,
The inside of the case is connected to a fluid pipe through which the fluid passes,
The inner diameter of the fluid pipe is larger than the particle size of the filler,
Further, the fluid piping has a filler passage prohibiting portion that prohibits passage of the filler according to the shape of the fluid piping and suppresses an increase in pressure loss of the fluid piping. apparatus.
前記充填材通過禁止部は、前記流体配管の内部を流れる流体の方向に直交する断面視における内部形状が、前記充填材の粒径よりも短辺または短軸が小さく、かつ前記流体配管の他の部の内径よりも長辺または長軸が大きい楕円形状又は長方形状であることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池装置。   The filler passage prohibiting portion has an internal shape in a cross-sectional view orthogonal to the direction of the fluid flowing through the fluid pipe, and has a short side or a short axis smaller than the particle diameter of the filler, and other fluid pipe 2. The solid oxide fuel cell device according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell device has an elliptical shape or a rectangular shape in which a long side or a long axis is larger than an inner diameter of the portion. 前記充填材通過禁止部は、前記流体配管の非屈曲部に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池装置。   The solid oxide fuel cell device according to claim 2, wherein the filler passage prohibiting portion is provided in a non-bent portion of the fluid piping. 前記充填材通過禁止部は、前記流体配管の垂直方向に延在する部分に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池装置。   The solid oxide fuel cell device according to claim 3, wherein the filler passage prohibiting portion is provided in a portion extending in a vertical direction of the fluid pipe. 前記流体処理装置は、前記流体として内部に供給された水から原料ガスを前記燃料ガスに改質するための水蒸気を生成する蒸発器であって、
前記充填材通過禁止部は、前記流体配管が水平方向に延在する領域に設けられ、
前記充填材通過禁止部は、前記長辺または前記長軸が前記流体配管の内径よりも垂直方向に長いとともに、前記充填材通過禁止部の底部の位置が連続する前記流体配管の底部の位置よりも低いことを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The fluid processing apparatus is an evaporator that generates water vapor for reforming a raw material gas into the fuel gas from water supplied inside as the fluid,
The filler passage prohibition portion is provided in a region where the fluid pipe extends in a horizontal direction,
The filler passage prohibiting portion has a longer side or a long axis that is longer in the vertical direction than an inner diameter of the fluid piping, and a bottom position of the fluid piping prohibiting portion is continuous from a position of the bottom portion of the fluid piping. The solid oxide fuel cell device according to claim 3, which is also low.
前記充填材通過禁止部は、断熱材の内部に組み込まれていることを特徴とする請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池装置。   The solid oxide fuel cell device according to claim 5, wherein the filler passage prohibiting portion is incorporated in a heat insulating material. 前記充填材通過禁止部の表面は、前記流体配管の表面と滑らかに連続していることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池装置。   7. The solid oxide fuel cell device according to claim 2, wherein a surface of the filler passage prohibiting portion is smoothly continuous with a surface of the fluid pipe. 8.
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