JP2018137092A - Fuel cell and combined power generating system, and operational method thereof - Google Patents

Fuel cell and combined power generating system, and operational method thereof Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of uniformizing a temperature distribution of a cell stack group.SOLUTION: The present invention comprises: a cell stack group 102 formed by arranging a plurality of cell stacks 101 formed with fuel cell membranes at an outer periphery of a substrate tube having an internal flow path; and a fuel gas supply part for supplying fuel gas to the internal flow path. Oxidizability gas is supplied in the lengthwise direction of each of the cell stacks 101 along an outer periphery of the cell stack 101 from an oxidizability gas supply chamber 221. There are also provided jetting ducts 17, 18 for supplying oxidizability gas in such a direction as to intersect a lengthwise direction from the side of the cell stack group 102.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、例えば固体酸化物形燃料電池とされた燃料電池およびこれを備えた複合発電システムならびに燃料電池の運転方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell, a combined power generation system including the fuel cell, and a fuel cell operating method.

燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。このようなＳＯＦＣは、例えばマイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という。）等の内燃機関と組み合わせて複合発電システムを構成することができる。複合発電システムは、圧縮機から吐出される圧縮空気をＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ブロワを介してＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスでタービンを回転させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。   There is known a fuel cell that generates electric power by chemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas. Among these, solid oxide fuel cells (SOFC) use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, and are operated using city gas, natural gas, petroleum, methanol, coal gasification gas, or the like as fuel. This is a fuel cell. Such an SOFC is known as a high-efficiency high-temperature fuel cell that is versatile and has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C. in order to increase ionic conductivity. Such a SOFC can be combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as “MGT”) to form a combined power generation system. The combined power generation system supplies compressed air discharged from the compressor to the SOFC air electrode, and supplies high-temperature exhaust fuel gas discharged from the SOFC to the MGT combustor via the blower for combustion. Power generation with high power generation efficiency is possible by rotating the turbine with combustion gas generated in the combustor.

ＳＯＦＣの発電時には、燃料電池膜が形成された発電部が発熱する。発電部は、発電効率や耐久性等の観点に基づいて、予め設定された温度範囲で発電を行うのが好ましい。このため、例えば特許文献１には、カートリッジを収容する圧力容器内で、ＳＯＦＣの発電部を有するカートリッジの内部空間とカートリッジの外部空間とを接続する流路と、この流路を通る酸化性ガス（空気）の流量を調整する流量調整装置と、を備える構成が開示されている。この構成により、カートリッジの温度に応じて、カートリッジの内部空間から外部空間に流出させる酸化性ガスの流量を調整し、カートリッジの温度を適切な温度範囲内に維持している。   During power generation of the SOFC, the power generation unit on which the fuel cell film is formed generates heat. The power generation unit preferably generates power in a preset temperature range based on viewpoints such as power generation efficiency and durability. For this reason, for example, in Patent Document 1, in a pressure vessel that accommodates a cartridge, a flow path that connects the internal space of the cartridge having the SOFC power generation unit and the external space of the cartridge, and an oxidizing gas that passes through the flow path The structure provided with the flow volume adjusting device which adjusts the flow volume of (air) is disclosed. With this configuration, the flow rate of the oxidizing gas that flows out from the internal space of the cartridge to the external space is adjusted according to the temperature of the cartridge, and the temperature of the cartridge is maintained within an appropriate temperature range.

特開２０１６−９１９６８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-91968

カートリッジは、内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群を備えている。セルスタック群の発熱密度が高いため、セルスタック群の外周では外部に対して放熱する一方で、セルスタック群の内部では酸化性ガスによる冷却が十分ではなく、セルスタック温度が上昇する可能性がある。そのため、特許文献１のようにカートリッジの外周側に流れる酸化性ガスの流量を調整したとしても、セルスタック群が最高温度を示す中央近傍に酸化性ガスが十分に到達しないため冷却されず、セルスタック群の面内方向もしくは高さ方向の温度分布が拡大する可能性がある。温度分布が拡大すると、セルスタックごとに発電出力が異なるため、燃料電池全体としての発電性能が低下するという問題がある。
また、セルスタック群の内部まで酸化性ガスが十分に到達しない場合には、酸素欠乏による燃料電池膜の破損というリスクもある。 The cartridge includes a cell stack group in which a plurality of cell stacks each having a fuel cell film formed on the outer periphery of a base tube having an internal flow path are arranged in parallel. Because the heat generation density of the cell stack group is high, heat is dissipated to the outside at the outer periphery of the cell stack group, but cooling with oxidizing gas is not sufficient inside the cell stack group, and the cell stack temperature may rise. is there. Therefore, even if the flow rate of the oxidizing gas flowing on the outer peripheral side of the cartridge as in Patent Document 1 is adjusted, the oxidizing gas does not reach the vicinity of the center where the cell stack group shows the maximum temperature, and thus the cell stack is not cooled. The temperature distribution in the in-plane direction or the height direction of the stack group may expand. When the temperature distribution is widened, the power generation output is different for each cell stack, so that there is a problem that the power generation performance of the entire fuel cell is lowered.
In addition, when the oxidizing gas does not reach the inside of the cell stack group sufficiently, there is a risk of damage to the fuel cell membrane due to oxygen deficiency.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複数のセルスタックを有するセルスタック群の温度分布を均一化することができる燃料電池およびこれを備えた複合発電システムならびに燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a fuel cell capable of uniformizing the temperature distribution of a cell stack group having a plurality of cell stacks, a combined power generation system including the fuel cell, and a fuel cell The purpose is to provide a driving method.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池およびこれを備えた複合発電システムならびに燃料電池の運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃料電池は、内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群と、前記内部流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、各前記セルスタックの外周に沿って該セルスタックの長手方向に酸化性ガスを供給する第１酸化性ガス供給部と、前記セルスタック群の側方から前記長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給する第２酸化性ガス供給部とを備えている。 In order to solve the above-described problems, the fuel cell of the present invention, the combined power generation system including the fuel cell, and the operation method of the fuel cell employ the following means.
That is, a fuel cell according to the present invention supplies a cell stack group in which a plurality of cell stacks each having a fuel cell film formed on the outer periphery of a base tube having an internal flow path are arranged in parallel, and supplies fuel gas to the internal flow path A fuel gas supply unit, a first oxidizing gas supply unit for supplying an oxidizing gas along the outer periphery of each cell stack in the longitudinal direction of the cell stack, and a lateral direction of the cell stack group in the longitudinal direction. And a second oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas in a direction crossing the second oxidizing gas supply unit.

外周に燃料電池膜が形成された基体管の内部に燃料ガス供給部から燃料ガスを供給するとともに、各セルスタックの外周に沿ってセルスタックの長手方向に第１酸化性ガス供給部から酸化性ガスを供給することにより発電が行われる。複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群とされているので、セルスタック群の外周は外部に対して放熱する一方で、セルスタック群の内部は冷却が十分ではなく、セルスタック温度が高温化する可能性がある。そこで、第２酸化性ガス供給部によって、セルスタック群の側方から長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給することとした。これにより、側方から供給した酸化性ガスをセルスタック群の内部にまで到達させることができ、内部の冷却を促進させてセルスタック群の温度分布を均一化することができる。
なお、セルスタックの長手方向とは、セルスタックがパイプ状である場合にはセルスタックの軸方向を示す。 The fuel gas is supplied from the fuel gas supply unit to the inside of the base tube in which the fuel cell membrane is formed on the outer periphery, and the oxidizing gas is supplied from the first oxidizing gas supply unit in the longitudinal direction of the cell stack along the outer periphery of each cell stack. Electricity is generated by supplying gas. Since the cell stack group consists of a plurality of cell stacks arranged in parallel, the outer periphery of the cell stack group dissipates heat to the outside, but the inside of the cell stack group is not sufficiently cooled, and the cell stack temperature is high. There is a possibility of becoming. Therefore, the second oxidizing gas supply unit supplies the oxidizing gas in the direction intersecting the longitudinal direction from the side of the cell stack group. Accordingly, the oxidizing gas supplied from the side can reach the inside of the cell stack group, and the cooling of the inside can be promoted to make the temperature distribution of the cell stack group uniform.
Note that the longitudinal direction of the cell stack indicates the axial direction of the cell stack when the cell stack has a pipe shape.

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向における中央領域に向けて酸化性ガスを供給する。   Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, the second oxidizing gas supply unit supplies the oxidizing gas toward the central region in the longitudinal direction.

セルスタックの長手方向における中央領域に向けて酸化性ガスを供給することにより、燃料電池の発熱反応によって温度が上昇する可能性のあるセルスタック群の内部にまで酸化性ガスを到達させ冷却することができる。これにより、セルスタック群の面内方向もしくは高さ方向の温度分布を均一化することができる。
なお、中央領域とは、例えば、セルスタックの発電領域の長手方向において３割から７割程度の最高温度を示す領域を意味する。
また、セルスタックの長手方向における複数箇所から酸化性ガスを供給するようにしてもよい。 By supplying the oxidizing gas toward the central region in the longitudinal direction of the cell stack, the oxidizing gas reaches the inside of the cell stack group where the temperature may rise due to the exothermic reaction of the fuel cell, and is cooled. Can do. Thereby, the temperature distribution in the in-plane direction or height direction of the cell stack group can be made uniform.
The central region means, for example, a region having a maximum temperature of about 30% to 70% in the longitudinal direction of the power generation region of the cell stack.
Moreover, you may make it supply oxidizing gas from the multiple places in the longitudinal direction of a cell stack.

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記セルスタック群を挟んで対向するように酸化性ガスを供給する。   Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, the second oxidizing gas supply unit supplies the oxidizing gas so as to face each other across the cell stack group.

セルスタック群を挟んで対向するように酸化性ガスを供給することにより、セルスタック群の内部で対向する両方向から供給された酸化性ガスが衝突して旋回する流れを生じさせることができる。これにより、酸化性ガスの流れがセルスタック群の全体に及び、均一に冷却することで、より温度分布を均一化することができる。   By supplying the oxidizing gas so as to face each other with the cell stack group interposed therebetween, it is possible to generate a flow in which the oxidizing gas supplied from both opposing directions collides and swirls inside the cell stack group. Thereby, the flow of the oxidizing gas reaches the entire cell stack group and uniformly cools, so that the temperature distribution can be made more uniform.

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して略直交する面内で、両側部よりも中央部の方が高流速となるように酸化性ガスを供給する。   Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, the second oxidizing gas supply section is oxidized so that the central portion has a higher flow velocity than the both sides in a plane substantially perpendicular to the longitudinal direction. Supply sex gas.

セルスタックの長手方向に対して略直交する面内で、両側部よりも中央部の方が高流速となるように酸化性ガスを供給することにより、燃料電池の発熱反応によって温度が上昇するセルスタック群の中央近傍まで効果的に酸化性ガスを到達させ冷却することができる。   A cell whose temperature rises due to an exothermic reaction of the fuel cell by supplying an oxidizing gas so that the central portion has a higher flow velocity than the both sides in a plane substantially perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack. The oxidizing gas can effectively reach the vicinity of the center of the stack group and can be cooled.

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して略直交するように面内方向に前記セルスタック群の中心に対してオフセットさせた方向に酸化性ガスを供給する。   Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, the second oxidizing gas supply unit is offset in the in-plane direction with respect to the center of the cell stack group so as to be substantially orthogonal to the longitudinal direction. Supply oxidizing gas.

セルスタックの長手方向に対して直交する面内のセルスタック群の中心に対してオフセットさせた方向に酸化性ガスを供給することにより、酸化性ガスの流れを同面内で旋回させることができる。これにより、酸化性ガスの流れが同面内の全体に及び、より温度分布を均一化することができる。   By supplying the oxidizing gas in a direction offset with respect to the center of the cell stack group in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack, the flow of the oxidizing gas can be swirled in the same plane. . Thereby, the flow of the oxidizing gas extends over the entire surface, and the temperature distribution can be made more uniform.

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して傾斜する方向に向けて酸化性ガスを供給する。   Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, the second oxidizing gas supply unit supplies the oxidizing gas in a direction inclined with respect to the longitudinal direction.

セルスタックの長手方向に対して傾斜する方向に向けて酸化性ガスを供給することにより、酸化性ガスの流れをセルスタックに直交する方向だけでなく長手方向にわたって形成することができる。これにより、酸化性ガスの流れがセルスタックの長手方向にも及び、より温度分布を均一化することができる。   By supplying the oxidizing gas in a direction inclined with respect to the longitudinal direction of the cell stack, the flow of the oxidizing gas can be formed not only in the direction perpendicular to the cell stack but also in the longitudinal direction. Thereby, the flow of the oxidizing gas extends in the longitudinal direction of the cell stack, and the temperature distribution can be made more uniform.

さらに、本発明の燃料電池は、前記セルスタック群の内部の温度を計測する温度センサと、該温度センサから得られた計測値に基づいて、前記第２酸化性ガス供給部から供給される酸化性ガスの流量を制御する制御部とを備えている。   Furthermore, the fuel cell of the present invention includes a temperature sensor that measures the temperature inside the cell stack group, and an oxidation supplied from the second oxidizing gas supply unit based on a measured value obtained from the temperature sensor. And a control unit for controlling the flow rate of the property gas.

セルスタック群の内部の温度に基づいて酸化性ガスの流量を調整することによって、温度分布を均一化し、カートリッジ出力を向上することができる。   By adjusting the flow rate of the oxidizing gas based on the temperature inside the cell stack group, the temperature distribution can be made uniform and the cartridge output can be improved.

さらに、本発明の燃料電池によれば、前記セルスタック群の側周囲を覆う断熱側壁部を備え、前記第２酸化性ガス供給部は、前記断熱側壁部から酸化性ガスを供給する。   Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, a heat insulating side wall portion covering the side periphery of the cell stack group is provided, and the second oxidizing gas supply unit supplies an oxidizing gas from the heat insulating side wall portion.

断熱側壁部によってセルスタック群の側周囲が覆われることによって、酸化性ガスは断熱側壁部で覆われた内部を流通する。そして、断熱壁部から酸化性ガスを供給することで、セルスタック群を側方から冷却することができる。   By covering the periphery of the side of the cell stack group with the heat insulating side wall, the oxidizing gas flows through the inside covered with the heat insulating side wall. And by supplying oxidizing gas from a heat insulation wall part, a cell stack group can be cooled from a side.

また、本発明の複合発電システムは、上記のいずれかに記載の燃料電池と、前記燃料電池から排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスタービンと、該ガスタービンの回転動力によって駆動されて発電する発電機とを備えている。   A combined power generation system according to the present invention includes a fuel cell according to any one of the above, a gas turbine that generates rotational power using exhaust fuel gas and exhaust oxidant gas exhausted from the fuel cell, And a generator that generates power by being driven by the rotational power of the gas turbine.

また、本発明の燃料電池の運転方法は、内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群を備えた燃料電池の運転方法であって、前記内部流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、各前記セルスタックの外周に沿って該セルスタックの長手方向に酸化性ガスを供給する第１酸化性ガス供給工程と、前記セルスタック群の側方から前記長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給する第２酸化性ガス供給工程とを有する。   The fuel cell operation method of the present invention is a fuel cell operation method including a cell stack group in which a plurality of cell stacks each having a fuel cell film formed on the outer periphery of a base tube having an internal flow path are arranged in parallel. A fuel gas supply step of supplying a fuel gas to the internal flow path, and a first oxidizing gas supply step of supplying an oxidizing gas in the longitudinal direction of the cell stack along the outer periphery of each cell stack; A second oxidizing gas supply step for supplying an oxidizing gas from a side of the cell stack group in a direction intersecting the longitudinal direction.

セルスタック群の側方から酸化性ガスを供給し、セルスタックが高温となる領域に直接低温の酸化性ガスを供給するため、セルスタック群の温度分布を均一化することができる。   Since the oxidizing gas is supplied from the side of the cell stack group and the low-temperature oxidizing gas is directly supplied to the region where the cell stack becomes high temperature, the temperature distribution of the cell stack group can be made uniform.

本発明の一実施形態に係るセルスタックを部分拡大して示した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which expanded and showed the cell stack which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示した斜視図である。It is the perspective view which showed the SOFC module which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジを示した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed the SOFC cartridge which concerns on one Embodiment of this invention. セルスタック群への酸化性ガスの供給方法を示した概略縦断面図である。It is the schematic longitudinal cross-sectional view which showed the supply method of the oxidizing gas to a cell stack group. 断熱側壁部に噴出ダクトを設置した状態を示した要部拡大縦断面図である。It is the principal part enlarged vertical sectional view which showed the state which installed the ejection duct in the heat insulation side wall part. 噴出ダクトを示した斜視図である。It is the perspective view which showed the ejection duct. セルスタック群に酸化性ガスを供給する様子を示した横断面図である。It is the cross-sectional view which showed a mode that oxidizing gas was supplied to a cell stack group. 図７の変形例を示した水平方向の断面図である。It is sectional drawing of the horizontal direction which showed the modification of FIG. 図５の変形例を示した高さ方向の断面図である。It is sectional drawing of the height direction which showed the modification of FIG. 図９の変形例としての噴出ダクトを示した高さ方向の断面図である。It is sectional drawing of the height direction which showed the ejection duct as a modification of FIG.

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。 Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component is specified using the expressions “upper” and “lower” on the basis of the paper surface, but this is not necessarily limited to the vertical direction. For example, the upward direction on the paper surface may correspond to the downward direction in the vertical direction. Moreover, you may respond | correspond to the horizontal direction where the up-down direction in a paper surface goes orthogonally to a perpendicular direction.

［セルスタックの構造］
図１に示されているように、セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。 [Cell stack structure]
As shown in FIG. 1, the cell stack 101 is formed between a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and adjacent fuel cells 105. Interconnector 107. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 is connected to the air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at the end in the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. A lead film 115 is electrically connected through the connector 107.

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。 The base tube 103 is made of a porous material, for example, CaO stabilized ZrO 2 (CSZ), Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), or MgAl 2 O 4 . The base tube 103 supports the fuel battery cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and supplies the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. Is diffused to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the electrode.

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。 The fuel electrode 109 is made of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material. For example, Ni / YSZ is used. In this case, in the fuel electrode 109, Ni that is a component of the fuel electrode 109 has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action reacts with a fuel gas supplied through the base tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, and reforms it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). Is. Further, the fuel electrode 109 has an interface between the solid electrolyte 111 and hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2− ) supplied via the solid electrolyte 111. It reacts electrochemically in the vicinity to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electric power by electrons emitted from oxygen ions.

固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。 The solid electrolyte 111 is mainly made of YSZ having gas tightness that prevents gas from passing through and high oxygen ion conductivity at high temperatures. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode to the fuel electrode.

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。 The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO 3 oxide or a LaCoO 3 oxide. The air electrode 113 generates oxygen ions (O 2− ) by dissociating oxygen in an oxidizing gas such as air supplied near the interface with the solid electrolyte 111.

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出するものである。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 system, and is composed of a fuel gas and an oxidizer. It is a dense film so that it does not mix with sex gases. Further, the interconnector 107 has stable electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel battery cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel battery cell 105 in adjacent fuel battery cells 105 so that the adjacent fuel battery cells 105 are connected to each other. Are connected in series. Since the lead film 115 needs to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of other materials constituting the cell stack 101, the lead film 115 is made of Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material. Composed of composite material. The lead film 115 leads the direct-current power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 101.

［ＳＯＦＣモジュールの構成］
図２と図３とを用いて、ＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。図２には、ＳＯＦＣモジュールが示されており、図３には、ＳＯＦＣカートリッジが示されている。 [Configuration of SOFC module]
The SOFC module and the SOFC cartridge will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows the SOFC module, and FIG. 3 shows the SOFC cartridge.

図２に示すように、ＳＯＦＣモジュール（燃料電池）２０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。   As shown in FIG. 2, the SOFC module (fuel cell) 201 includes a plurality of SOFC cartridges 203 and a pressure vessel 205 that stores the plurality of SOFC cartridges 203. The SOFC module 201 has a fuel gas supply pipe 207 and a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. The SOFC module 201 includes a fuel gas discharge pipe 209 and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. The SOFC module 201 includes an oxidizing gas supply pipe (not shown) and an oxidizing gas supply branch pipe (not shown). The SOFC module 201 includes an oxidizing gas discharge pipe (not shown) and a plurality of oxidizing gas discharge branch pipes (not shown).

燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。   The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205, and is connected to a fuel gas supply unit that supplies a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of fuel gas corresponding to the amount of power generated by the SOFC module 201. It is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a. The fuel gas supply pipe 207 is configured to branch and guide a predetermined flow rate of fuel gas supplied from the fuel gas supply unit described above to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. The fuel gas supply branch pipe 207 a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and is connected to a plurality of SOFC cartridges 203. The fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, and makes the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203 substantially uniform. .

燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。   The fuel gas discharge branch pipe 209 a is connected to the plurality of SOFC cartridges 203 and also connected to the fuel gas discharge pipe 209. The fuel gas discharge branch pipe 209 a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 209. The fuel gas discharge pipe 209 is connected to a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209 a and a part thereof is disposed outside the pressure vessel 205. The fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas led out from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially equal flow rate to the outside of the pressure vessel 205.

圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。   Since the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 1 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C., the pressure vessel 205 is resistant to corrosion and resistance to oxidizing agents such as oxygen contained in the oxidizing gas. The possessed material is used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される形態について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される形態とすることもできる。   Here, in the present embodiment, the form in which a plurality of SOFC cartridges 203 are assembled and stored in the pressure vessel 205 is described, but the present invention is not limited to this. It can also be set as the form accommodated in the container 205. FIG.

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示すように、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室（第１酸化性ガス供給部）２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れるようにしても良い。   As shown in FIG. 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, and an oxidizing gas supply chamber (first oxidizing gas supply chamber). Part) 221 and an oxidizing gas discharge chamber 223. The SOFC cartridge 203 includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In the present embodiment, the SOFC cartridge 203 includes a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an oxidizing gas supply chamber 221, and an oxidizing gas discharge chamber 223 as shown in FIG. In this structure, the fuel gas and the oxidizing gas flow so as to face the inside and the outside of the cell stack 101, but this is not always necessary. For example, the inside and the outside of the cell stack flow in parallel. Anyway.

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。   The power generation chamber 215 is an area formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is an area in which the fuel cell 105 of the cell stack 101 is disposed, and electricity is generated by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidizing gas. Further, the temperature in the vicinity of the central portion of the power generation chamber 215 in the longitudinal direction of the cell stack 101 is a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1100 ° C. during the steady operation of the SOFC module 201.

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。   The fuel gas supply chamber 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203. The fuel gas supply chamber 217 communicates with the fuel gas supply branch pipe 207a through a fuel gas supply hole 231a provided in the upper casing 229a. In the fuel gas supply chamber 217, one end of the cell stack 101 is disposed with the inside of the base tube 103 of the cell stack 101 open to the fuel gas discharge chamber 219. The fuel gas supply chamber 217 guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a into the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate. The power generation performance of the cell stack 101 is made substantially uniform.

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。   The fuel gas discharge chamber 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203. The fuel gas discharge chamber 219 communicates with the fuel gas discharge branch pipe 209a through a fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. In the fuel gas discharge chamber 219, the other end of the cell stack 101 is disposed with the inside of the base tube 103 of the cell stack 101 open to the fuel gas discharge chamber 219. The fuel gas discharge chamber 219 collects exhaust fuel gas that passes through the inside of the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219, and passes through the fuel gas discharge hole 231b. It leads to the discharge branch pipe 209a.

ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間（第１酸化性ガス供給部）２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。このように、酸化性ガスは、各セルスタック１０１の外周に沿って長手方向（図２において上下方向）に供給されることになる。   Corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201, a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of oxidizing gas are branched to the oxidizing gas supply branch pipe and supplied to a plurality of SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply chamber 221 is a region surrounded by the lower casing 229b, the lower tube sheet 225b, and the lower heat insulator 227b of the SOFC cartridge 203. The oxidizing gas supply chamber 221 communicates with an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 233a provided in the lower casing 229b. The oxidizing gas supply chamber 221 supplies an oxidizing gas supply gap (first oxidizing property), which will be described later, with an oxidizing gas having a predetermined flow rate supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 233a. Gas supply section) 235a leads to power generation chamber 215. Thus, the oxidizing gas is supplied in the longitudinal direction (vertical direction in FIG. 2) along the outer periphery of each cell stack 101.

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。   The oxidizing gas discharge chamber 223 is a region surrounded by the upper casing 229a, the upper tube plate 225a, and the upper heat insulator 227a of the SOFC cartridge 203. The oxidizing gas discharge chamber 223 communicates with an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) through an oxidizing gas discharge hole 233b provided in the upper casing 229a. The oxidizing gas discharge chamber 223 allows the exhaust oxidizing gas supplied from the power generation chamber 215 to the oxidizing gas discharge chamber 223 via an oxidizing gas discharge gap 235b described later via the oxidizing gas discharge hole 233b. It leads to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown).

上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１がそれぞれ挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。   The upper tube plate 225a is arranged between the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a so that the upper tube plate 225a, the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a are substantially parallel to each other. It is fixed to the side plate. The upper tube sheet 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The upper tube sheet 225a hermetically supports one end of the plurality of cell stacks 101 through one or both of a sealing member and an adhesive member, and also includes a fuel gas supply chamber 217 and an oxidizing gas discharge chamber 223. And is to be isolated.

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１がそれぞれ挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。   The lower tube plate 225b is disposed on the side plate of the lower casing 229b so that the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulator 227b are substantially parallel between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulator 227b. It is fixed. The lower tube sheet 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The lower tube sheet 225b hermetically supports the other end of the plurality of cell stacks 101 through one or both of a sealing member and an adhesive member, and also includes a fuel gas discharge chamber 219 and an oxidizing gas supply chamber 221. And is to be isolated.

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。   The upper heat insulator 227a is disposed at the lower end of the upper casing 229a so that the upper heat insulator 227a, the top plate of the upper casing 229a and the upper tube plate 225a are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. Yes. Further, the upper heat insulator 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The upper heat insulator 227a has an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper heat insulator 227a.

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。   The upper heat insulator 227a separates the power generation chamber 215 and the oxidizing gas discharge chamber 223, and the atmosphere around the upper tube sheet 225a is heated to reduce the strength and the corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppresses the increase. The upper tube sheet 225a and the like are made of a metal material having high temperature durability such as Inconel, but the upper tube sheet 225a and the like are exposed to the high temperature in the power generation chamber 215, and the temperature difference in the upper tube sheet 225a and the like becomes large. This prevents thermal deformation. The upper heat insulator 227a guides the exhaust oxidizing gas exposed to a high temperature through the power generation chamber 215 to the oxidizing gas exhaust chamber 223 through the oxidizing gas discharge gap 235b.

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。   According to the present embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow oppositely on the inner side and the outer side of the cell stack 101. As a result, the exhaust oxidizing gas exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and the upper tube plate 225a made of a metal material is buckled. It is cooled to a temperature that does not cause deformation and supplied to the oxidizing gas discharge chamber 223. In addition, the temperature of the fuel gas is raised by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。   The lower heat insulator 227b is disposed at the upper end of the lower casing 229b so that the lower heat insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. . Also, the lower heat insulator 227b is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The lower heat insulator 227b has an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower heat insulator 227b.

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。   The lower heat insulator 227b separates the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply chamber 221, and the atmosphere around the lower tube sheet 225b is heated to lower the strength and corrode by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppresses the increase. The lower tube sheet 225b and the like are made of a metal material having a high temperature durability such as Inconel. It is something to prevent. The lower heat insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply chamber 221 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。   According to the present embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow oppositely on the inner side and the outer side of the cell stack 101. As a result, the exhaust fuel gas that has passed through the power generation chamber 215 through the interior of the base tube 103 is heat-exchanged with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube plate 225b made of a metal material. And the like are cooled to a temperature that does not cause deformation such as buckling, and supplied to the fuel gas discharge chamber 219. The oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the oxidizing gas heated to the temperature necessary for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。   The direct-current power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead film 115 made of Ni / YSZ or the like provided in the plurality of fuel cells 105, and then the current collector rod (non-current) of the SOFC cartridge 203 The current is collected via a current collecting plate (not shown) to the outside of each SOFC cartridge 203. The electric power derived to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector rod is connected to the generated power of each SOFC cartridge 203 in a predetermined series number and parallel number, and is derived to the outside of the SOFC module 201 to be illustrated. It is converted into predetermined AC power by an inverter that does not, and supplied to the power load.

上述のＳＯＦＣモジュール２０１は、ガスタービンと、ガスタービンの回転動力によって駆動されて発電する発電機と組み合わせることによって、複合発電システムを構成することができる。この場合、ＳＯＦＣモジュール２０１から排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いてガスタービンは動作することになる。   The above-described SOFC module 201 can constitute a combined power generation system by combining a gas turbine and a generator that generates power by being driven by the rotational power of the gas turbine. In this case, the gas turbine operates using exhaust fuel gas and exhaust oxidant gas exhausted from the SOFC module 201.

［発電室における酸化性ガスの供給方法］
次に、発電室における酸化性ガスの供給方法について説明する。
図４には、図２に示したＳＯＦＣモジュール（燃料電池）２０１の高さ方向断面が模式的に示されている。圧力容器２０５の内部には、複数のセルスタック１０１が並列配置されたセルスタック群１０２が設けられている。なお、図４では、図２及び図３で示した燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３ととが簡略化されて示されているが、図２及び図３と同様の構成となっている。
セルスタック群１０２の中央に示された領域は、セルスタック群１０２の内部に温度分布が生じて高温になりやすい高温領域Ｈである。 [Method of supplying oxidizing gas in power generation room]
Next, a method for supplying oxidizing gas in the power generation chamber will be described.
FIG. 4 schematically shows a height-direction cross section of the SOFC module (fuel cell) 201 shown in FIG. Inside the pressure vessel 205, a cell stack group 102 in which a plurality of cell stacks 101 are arranged in parallel is provided. In FIG. 4, the fuel gas supply chamber 217, the fuel gas discharge chamber 219, the oxidizing gas supply chamber 221 and the oxidizing gas discharge chamber 223 shown in FIGS. 2 and 3 are shown in a simplified manner. However, the configuration is the same as that shown in FIGS.
A region shown in the center of the cell stack group 102 is a high temperature region H in which a temperature distribution is easily generated inside the cell stack group 102 and the temperature tends to be high.

セルスタック群１０２を外周から囲うように断熱側壁部１０が設けられている。断熱側壁部１０によってセルスタック群１０２を囲うことで内部に発電室２１５が形成される。断熱側壁部１０には、上側酸化性ガス供給配管（第２酸化性ガス供給部）１２ａ及び下側酸化性ガス供給配管（第２酸化性ガス供給部）１２ｂが接続されている。上側酸化性ガス供給配管１２ａには上側流量制御弁１２ａ１が設けられ、下側酸化性ガス供給配管１２ｂには下側流量制御弁１２ｂ１が設けられている。各流量制御弁１２ａ１，１２ｂ１は、それぞれ、制御部１４によって開度を調整して、流量を制御する。上側流量制御弁１２ａ１及び下側流量制御弁１２ｂ１は、上流側にて共通の酸化性ガス供給管１６に接続されている。酸化性ガス供給管１６から導かれる酸化性ガスは、図３に示した酸化性ガス供給室２２１にも供給される。つまり、酸化性ガス供給管１６から、酸化性ガス供給室２２１（図３参照）、上側酸化性ガス供給配管１２ａ及び下側酸化性ガス供給配管１２ｂに酸化性ガスが分配されるようになっている。   A heat insulating side wall 10 is provided so as to surround the cell stack group 102 from the outer periphery. A power generation chamber 215 is formed inside the cell stack group 102 by the heat insulating side wall 10. An upper oxidizing gas supply pipe (second oxidizing gas supply part) 12 a and a lower oxidizing gas supply pipe (second oxidizing gas supply part) 12 b are connected to the heat insulating side wall part 10. The upper oxidizing gas supply pipe 12a is provided with an upper flow rate control valve 12a1, and the lower oxidizing gas supply pipe 12b is provided with a lower flow rate control valve 12b1. Each flow control valve 12a1, 12b1 controls the flow rate by adjusting the opening degree by the control unit 14, respectively. The upper flow control valve 12a1 and the lower flow control valve 12b1 are connected to a common oxidizing gas supply pipe 16 on the upstream side. The oxidizing gas guided from the oxidizing gas supply pipe 16 is also supplied to the oxidizing gas supply chamber 221 shown in FIG. That is, the oxidizing gas is distributed from the oxidizing gas supply pipe 16 to the oxidizing gas supply chamber 221 (see FIG. 3), the upper oxidizing gas supply pipe 12a, and the lower oxidizing gas supply pipe 12b. Yes.

上側酸化性ガス供給配管１２ａの下流側先端は上側噴出ダクト（第２酸化性ガス供給部）１７に接続され、下側酸化性ガス供給配管１２ｂの下流側先端は下側噴出ダクト（第２酸化性ガス供給部）１８に接続されている。各噴出ダクト１７，１８は、セルスタック１０１の長手方向の略中央領域に設けられ、例えば、セルスタック１０１の発電領域の長手方向（図４において鉛直上下方向）において３割から７割程度の領域に設けられている。   The downstream end of the upper oxidizing gas supply pipe 12a is connected to the upper jet duct (second oxidizing gas supply section) 17, and the downstream tip of the lower oxidizing gas supply pipe 12b is the lower jet duct (second oxidation duct). (Chemical gas supply unit) 18. Each of the ejection ducts 17 and 18 is provided in a substantially central region in the longitudinal direction of the cell stack 101. For example, an area of about 30% to 70% in the longitudinal direction (vertical vertical direction in FIG. 4) of the power generation region of the cell stack 101. Is provided.

上側噴出ダクト１７は、セルスタック群１０２を挟んで対向する位置にそれぞれ設置されており、下側噴出ダクト１８は、セルスタック群１０２を挟んで対向する位置にそれぞれ設置されている。これにより、図４に太実線矢印で示すように、セルスタック群１０２の内部で対向する両方向から供給された酸化性ガスが衝突して上下方向に旋回する流れを生じさせるようになっている。
なお、図４に示された太破線矢印は、セルスタック群の下方の酸化性ガス供給室２２１から鉛直上方向に向かって供給される酸化性ガスの流れを示している。 The upper ejection duct 17 is installed at a position facing the cell stack group 102, and the lower ejection duct 18 is installed at a position facing the cell stack group 102, respectively. As a result, as shown by thick solid arrows in FIG. 4, the oxidizing gas supplied from both opposing directions inside the cell stack group 102 collides to generate a flow swirling in the vertical direction.
In addition, the thick broken line arrow shown by FIG. 4 has shown the flow of the oxidizing gas supplied toward the vertically upward direction from the oxidizing gas supply chamber 221 below a cell stack group.

上側噴出ダクト１７及び下側噴出ダクト１８は、図５に示すように、断熱側壁部１０に対して挿入された状態で設置されている。これにより、各噴出ダクト１７，１８の先端から酸化性ガスがセルスタック群１０２の側部に向かって噴出される。なお、図５において符号２１５は発電室を示し、符号１０２はセルスタック群を示している。   As shown in FIG. 5, the upper ejection duct 17 and the lower ejection duct 18 are installed in a state of being inserted into the heat insulating side wall portion 10. As a result, the oxidizing gas is ejected from the tips of the ejection ducts 17 and 18 toward the side of the cell stack group 102. In FIG. 5, reference numeral 215 indicates a power generation chamber, and reference numeral 102 indicates a cell stack group.

図６に示すように、各噴出ダクト１７，１８は、セルスタック群１０２の幅に対応する幅を有した偏平形状とされており、流路が幅方向に分割されている。中央の流路２０ａの高さが、両側方の流路２０ｂの高さよりも小さくされている。これにより、中央の流路２０ａから噴出される酸化性ガスの流速が、両側の側方の流路２０ｂから噴出される流速よりも大きくなる。したがって、図７に示すように、セルスタック群１０２の側方から供給される酸化性ガスの流速は、側方よりも中央が大きくされた速度分布となる。
なお、噴出ダクト１７，１８の流路の分割数は３つに限定されるものではない。 As shown in FIG. 6, each of the ejection ducts 17 and 18 has a flat shape having a width corresponding to the width of the cell stack group 102, and the flow path is divided in the width direction. The height of the central flow path 20a is smaller than the height of the flow paths 20b on both sides. Thereby, the flow velocity of the oxidizing gas ejected from the central flow path 20a becomes larger than the flow speed ejected from the lateral flow paths 20b on both sides. Therefore, as shown in FIG. 7, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the side of the cell stack group 102 has a velocity distribution in which the center is larger than the side.
In addition, the division | segmentation number of the flow path of the ejection ducts 17 and 18 is not limited to three.

図４に示すように、セルスタック群１０２の中央の高温領域Ｈには、熱電対等の温度センサ２２が設けられている。温度センサ２２の出力は、制御部１４へと送信される。温度センサ２２の設置位置は、セルスタック群１０２が最高温度を示す位置、例えば長手方向の中央でかつ、長手方向に直交する面内（水平面内）の中央に設けることが好ましい。
制御部１４は、温度センサ２２から得た温度データを用いて、温度を計測している高温領域Ｈの温度が周囲温度まで低下して、セルスタック群１０２の温度分布が均一化するように、酸化性ガスの各流量制御弁１２ａ１，１２ｂ１の開度制御を行う。 As shown in FIG. 4, a temperature sensor 22 such as a thermocouple is provided in the central high temperature region H of the cell stack group 102. The output of the temperature sensor 22 is transmitted to the control unit 14. The installation position of the temperature sensor 22 is preferably provided at a position where the cell stack group 102 exhibits the highest temperature, for example, at the center in the longitudinal direction and in the center in a plane (horizontal plane) perpendicular to the longitudinal direction.
The control unit 14 uses the temperature data obtained from the temperature sensor 22 so that the temperature of the high temperature region H where the temperature is measured is lowered to the ambient temperature, and the temperature distribution of the cell stack group 102 is made uniform. The opening degree control of each flow control valve 12a1, 12b1 of oxidizing gas is performed.

制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。   The control unit includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and a computer-readable storage medium. A series of processes for realizing various functions is stored in a storage medium or the like in the form of a program as an example, and the CPU reads the program into a RAM or the like to execute information processing / arithmetic processing. As a result, various functions are realized. The program is preinstalled in a ROM or other storage medium, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. Etc. may be applied. The computer-readable storage medium is a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like.

上記構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
セルスタック群１０２の長手方向に酸化性ガスを供給することに加えて、断熱側壁部１０に設けた各噴出ダクト１７，１８によって、セルスタック群１０２の側方から長手方向に対して交差する方向（具体的には直交方向）に酸化性ガスを供給することとした。これにより、側方から供給した酸化性ガスをセルスタック群１０２の内部の高温領域Ｈまで到達させることができ、高温領域Ｈの冷却を促進させてセルスタック群１０２の水平方向断面内の温度分布を均一化することができる。
このように温度分布を均一化することで、セルスタック１０１の発電出力を均一化させて、燃料電池全体としての発電性能を向上させることができる。
また、セルスタック群１０２の内部まで酸化性ガスを十分に到達させることができるので、酸素欠乏による燃料電池膜の破損というリスクを回避し、燃料電池の信頼性を向上することができる。 With the above configuration, according to the present embodiment, the following operational effects are obtained.
In addition to supplying the oxidizing gas in the longitudinal direction of the cell stack group 102, the direction intersecting the longitudinal direction from the side of the cell stack group 102 by the ejection ducts 17 and 18 provided in the heat insulating side wall 10. The oxidizing gas was supplied in the direction (specifically, the orthogonal direction). Thereby, the oxidizing gas supplied from the side can reach the high temperature region H inside the cell stack group 102, and the temperature distribution in the horizontal cross section of the cell stack group 102 is promoted by promoting the cooling of the high temperature region H. Can be made uniform.
By uniforming the temperature distribution in this way, the power generation output of the cell stack 101 can be made uniform, and the power generation performance of the entire fuel cell can be improved.
Further, since the oxidizing gas can sufficiently reach the inside of the cell stack group 102, it is possible to avoid the risk of damage to the fuel cell membrane due to oxygen deficiency and to improve the reliability of the fuel cell.

セルスタック群１０２の長手方向における中央領域に設けた各噴出ダクト１７，１８によって、セルスタック群１０２の長手方向における高温領域、例えば中央領域に向けて酸化性ガスを供給することにより、高温領域Ｈまで酸化性ガスを到達させ冷却することができる。これにより、セルスタック群１０２の高さ方向断面内の温度分布を均一化することができる。
なお、噴出ダクト１７，１８の長手方向における設置数は、本実施形態のように２つに限定されるものではない。 By supplying the oxidizing gas toward the high temperature region in the longitudinal direction of the cell stack group 102, for example, the central region, by the ejection ducts 17 and 18 provided in the central region in the longitudinal direction of the cell stack group 102, the high temperature region H The oxidizing gas can reach and cool down. Thereby, the temperature distribution in the cross section in the height direction of the cell stack group 102 can be made uniform.
In addition, the installation number in the longitudinal direction of the ejection ducts 17 and 18 is not limited to two like this embodiment.

セルスタック群１０２の両側に設置した噴出ダクト１７，１８からセルスタック群１０２を挟んで対向するように酸化性ガスを供給することとしたので、セルスタック群１０２の内部で対向する両方向から供給された酸化性ガスが衝突して旋回する流れを生じさせることができる（図４の太実線矢印参照）。これにより、酸化性ガスの流れがセルスタック群１０２の全体に及び、より温度分布を均一化することができる。
なお、本実施形態では、セルスタック群１０２の両側に設置した噴出ダクト１７，１８から酸化性ガスを両方向から対向するように供給することとしたが、これに限定されるものでなく、片側からのみ供給しても良い。 Since the oxidizing gas is supplied from the ejection ducts 17 and 18 installed on both sides of the cell stack group 102 so as to face each other with the cell stack group 102 interposed therebetween, the oxidizing gas is supplied from both directions facing inside the cell stack group 102. Thus, a flow of swirling by colliding with the oxidizing gas can be generated (see thick solid arrows in FIG. 4). Thereby, the flow of the oxidizing gas reaches the entire cell stack group 102, and the temperature distribution can be made more uniform.
In the present embodiment, the oxidizing gas is supplied from the ejection ducts 17 and 18 installed on both sides of the cell stack group 102 so as to face each other. However, the present invention is not limited to this. May be supplied only.

図６に示したように噴出ダクト１７，１８の流路を分割して各流路２０ａ，２０ｂの流路断面積を変更することによって、セルスタック群１０２の水平面内で、両側部よりも中央部の方が大きい流速分布で酸化性ガスを吹き出すこととしたので、中央の高温領域Ｈまで効果的に酸化性ガスを到達させ、セルスタック群１０２を冷却することができる。   As shown in FIG. 6, by dividing the flow passages of the ejection ducts 17 and 18 and changing the flow passage cross-sectional areas of the flow passages 20a and 20b, the center of the cell stack group 102 is more central than both sides. Since the oxidizing gas is blown out with a larger flow velocity distribution in the part, the oxidizing gas can effectively reach the central high temperature region H and the cell stack group 102 can be cooled.

なお、本実施形態は以下のように変形することができる。
図８に示すように、各噴出ダクト１７，１８から酸化性ガスを供給する際に、セルスタック群１０２の水平面内の中心の高温領域Ｈに対してオフセットさせた方向に酸化性ガスを供給するようにしてもよい。これにより、酸化性ガスの流れを水平面内で旋回させることができ、酸化性ガスの流れが水平面内の全体に及び、より温度分布を均一化することができる。 Note that the present embodiment can be modified as follows.
As shown in FIG. 8, when supplying the oxidizing gas from each of the ejection ducts 17 and 18, the oxidizing gas is supplied in a direction offset with respect to the high temperature region H at the center in the horizontal plane of the cell stack group 102. You may do it. As a result, the flow of the oxidizing gas can be swirled in the horizontal plane, and the flow of the oxidizing gas can be spread over the entire horizontal plane and the temperature distribution can be made more uniform.

また、図９に示すように、各噴出ダクト１７，１８から酸化性ガスを供給する際に、セルスタック群１０２の長手方向に対して傾斜する方向に向けて酸化性ガスを供給するようにしても良い。これにより、酸化性ガスの流れをセルスタック群１０２に直交する方向だけでなく長手方向にわたって形成することができ、酸化性ガスの流れがセルスタック群１０２の長手方向にも及び、より温度分布を均一化することができる。または、図９に示した噴出ダクト１７，１８に代えて、図１０に示すように、噴出ダクト１７、１８の先端に、上下の斜め方向にそれぞれ向けて設けられたノズル２４を設けてもよい。   Further, as shown in FIG. 9, when supplying the oxidizing gas from each of the ejection ducts 17 and 18, the oxidizing gas is supplied in a direction inclined with respect to the longitudinal direction of the cell stack group 102. Also good. As a result, the flow of the oxidizing gas can be formed not only in the direction orthogonal to the cell stack group 102 but also in the longitudinal direction, and the flow of the oxidizing gas extends in the longitudinal direction of the cell stack group 102 and the temperature distribution is further increased. It can be made uniform. Alternatively, instead of the ejection ducts 17 and 18 shown in FIG. 9, nozzles 24 provided in the upper and lower diagonal directions may be provided at the tips of the ejection ducts 17 and 18 as shown in FIG. 10. .

なお、上述した実施形態では、セルスタック１０１として円筒形を例として説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、偏平形状の基体管に複数の内部流路を並べて形成したセルスタックや、平板形のセルスタックであってもよい。   In the above-described embodiment, a cylindrical shape has been described as an example of the cell stack 101, but the present invention is not necessarily limited thereto. For example, it may be a cell stack formed by arranging a plurality of internal flow paths on a flat base tube, or a flat cell stack.

１０ 断熱側壁部
１２ａ 上側酸化性ガス供給配管（第２酸化性ガス供給部）
１２ａ１ 上側流量制御弁
１２ｂ 下側酸化性ガス供給配管（第２酸化性ガス供給部）
１２ｂ１ 下側流量制御弁
１４ 制御部
１６ 酸化性ガス供給管
１７ 上側噴出ダクト（第２酸化性ガス供給部）
１８ 下側噴出ダクト（第２酸化性ガス供給部）
２０ａ 中央の流路
２０ｂ 側方の流路
２２ 温度センサ
２４ ノズル
１０１ セルスタック
１０２ セルスタック群
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１ ＳＯＦＣモジュール（燃料電池）
２０３ ＳＯＦＣカートリッジ
２０５ 圧力容器
２０７ 燃料ガス供給管
２０７ａ 燃料ガス供給枝管
２０９ 燃料ガス排出管
２０９ａ 燃料ガス排出枝管
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給室
２１９ 燃料ガス排出室
２２１ 酸化性ガス供給室（第１酸化性ガス供給部）
２２３ 酸化性ガス排出室
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 燃料ガス排出孔
２３３ａ 酸化性ガス供給孔
２３３ｂ 酸化性ガス排出孔
２３５ａ 酸化性ガス供給隙間（第１酸化性ガス供給部）
２３５ｂ 酸化性ガス排出隙間
Ｈ 高温領域 10 heat insulation side wall part 12a upper side oxidizing gas supply piping (2nd oxidizing gas supply part)
12a1 Upper flow control valve 12b Lower oxidizing gas supply pipe (second oxidizing gas supply part)
12b1 Lower flow rate control valve 14 Control unit 16 Oxidizing gas supply pipe 17 Upper jet duct (second oxidizing gas supply unit)
18 Lower jet duct (second oxidizing gas supply part)
20a Center channel 20b Side channel 22 Temperature sensor 24 Nozzle 101 Cell stack 102 Cell stack group 103 Base tube 105 Fuel cell 107 Interconnector 109 Fuel electrode 111 Solid electrolyte 113 Air electrode 115 Lead membrane 201 SOFC module (Fuel) battery)
203 SOFC cartridge 205 Pressure vessel 207 Fuel gas supply pipe 207a Fuel gas supply branch pipe 209 Fuel gas discharge pipe 209a Fuel gas discharge branch pipe 215 Power generation chamber 217 Fuel gas supply chamber 219 Fuel gas discharge chamber 221 Oxidizing gas supply chamber (first Oxidizing gas supply unit)
223 Oxidizing gas discharge chamber 225a Upper tube sheet 225b Lower tube sheet 227a Upper heat insulating body 227b Lower heat insulating body 229a Upper casing 229b Lower casing 231a Fuel gas supply hole 231b Fuel gas discharge hole 233a Oxidizing gas supply hole 233b Oxidizing gas discharge hole 235a Oxidizing gas supply gap (first oxidizing gas supply part)
235b Oxidizing gas discharge gap H High temperature region

Claims (10)

内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群と、
前記内部流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
各前記セルスタックの外周に沿って該セルスタックの長手方向に酸化性ガスを供給する第１酸化性ガス供給部と、
前記セルスタック群の側方から前記長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給する第２酸化性ガス供給部と、
を備えている燃料電池。 A cell stack group in which a plurality of cell stacks each having a fuel cell film formed on the outer periphery of a base tube having an internal flow path are arranged in parallel;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the internal flow path;
A first oxidizing gas supply unit that supplies an oxidizing gas along the outer periphery of each cell stack in the longitudinal direction of the cell stack;
A second oxidizing gas supply unit for supplying an oxidizing gas in a direction intersecting the longitudinal direction from the side of the cell stack group;
A fuel cell comprising: 前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向における中央領域に向けて酸化性ガスを供給する請求項１に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the second oxidizing gas supply unit supplies an oxidizing gas toward a central region in the longitudinal direction. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記セルスタック群を挟んで対向するように酸化性ガスを供給する請求項１又は２に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the second oxidizing gas supply unit supplies an oxidizing gas so as to face each other with the cell stack group interposed therebetween. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して略直交する面内で、両側部よりも中央部の方が大きい流速で酸化性ガスを吹き出す請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。   The said 2nd oxidizing gas supply part blows out oxidizing gas at the flow velocity with a larger center part than a both-sides part in the surface substantially orthogonal to the said longitudinal direction. Fuel cell. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して略直交する面内における前記セルスタック群の中心に対してオフセットさせた方向に酸化性ガスを供給する請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。   The said 2nd oxidizing gas supply part supplies any oxidizing gas in the direction offset with respect to the center of the said cell stack group in the surface substantially orthogonal to the said longitudinal direction. A fuel cell according to claim 1. 前記第２酸化性ガス供給部は、前記長手方向に対して傾斜する方向に向けて酸化性ガスを供給する請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the second oxidizing gas supply unit supplies the oxidizing gas in a direction inclined with respect to the longitudinal direction. 前記セルスタック群の内部の温度を計測する温度センサと、
該温度センサから得られた計測値に基づいて、前記第２酸化性ガス供給部から供給される酸化性ガスの流量を制御する制御部と、
を備えている請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。 A temperature sensor for measuring the temperature inside the cell stack group;
A control unit for controlling the flow rate of the oxidizing gas supplied from the second oxidizing gas supply unit based on the measured value obtained from the temperature sensor;
The fuel cell according to claim 1, comprising: 前記セルスタック群の側周囲を覆う断熱側壁部を備え、
前記第２酸化性ガス供給部は、前記断熱側壁部から酸化性ガスを供給する請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池。 A heat insulating side wall covering the side periphery of the cell stack group;
The fuel cell according to claim 1, wherein the second oxidizing gas supply unit supplies an oxidizing gas from the heat insulating side wall. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池から排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスタービンと、
該ガスタービンの回転動力によって駆動されて発電する発電機と、
を備えている複合発電システム。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 8,
A gas turbine that generates rotational power using exhaust fuel gas and exhaust oxidant gas exhausted from the fuel cell;
A generator driven by the rotational power of the gas turbine to generate electricity;
A combined power generation system. 内部流路を有する基体管の外周に燃料電池膜が形成された複数のセルスタックが並列配置されたセルスタック群を備えた燃料電池の運転方法であって、
前記内部流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、
各前記セルスタックの外周に沿って該セルスタックの長手方向に酸化性ガスを供給する第１酸化性ガス供給工程と、
前記セルスタック群の側方から前記長手方向に対して交差する方向に酸化性ガスを供給する第２酸化性ガス供給工程と、
を有する燃料電池の運転方法。 A method of operating a fuel cell comprising a cell stack group in which a plurality of cell stacks each having a fuel cell film formed on the outer periphery of a base tube having an internal flow path are arranged in parallel,
A fuel gas supply step of supplying fuel gas to the internal flow path;
A first oxidizing gas supply step for supplying an oxidizing gas along the outer periphery of each cell stack in the longitudinal direction of the cell stack;
A second oxidizing gas supply step for supplying an oxidizing gas from a side of the cell stack group in a direction intersecting the longitudinal direction;
A method for operating a fuel cell comprising:
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