JP2019071303A - Fuel cell submodule, fuel cell submodule and hybrid power system and assembly method for submodule - Google Patents

Fuel cell submodule, fuel cell submodule and hybrid power system and assembly method for submodule Download PDF

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Abstract

To provide a fuel cell submodule capable of restraining a reduction in generation efficiency, and to provide a fuel cell module and a hybrid power system and an assembly method for the submodule.SOLUTION: A SOFC submodule 202 to be housed in a pressure vessel 205 includes at least one cell stack 101 generating power when supplying fuel gas and oxidizable gas, a lateral outer casing 4 placed to surround the cell stack 101 and defining a side, and a lower outer casing 5 connected to a lower end of a lateral outer casing 4 and closing an opening formed at the lower end of the lateral outer casing 4. The lateral outer casing 4 has an opening, defined by the upper limb of the lateral outer casing 4, at an upper end. A through hole is formed in the lower outer casing 5, and the lower outer casing 5 includes a cylindrical member communicating with the through hole and extending vertically downward.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、燃料電池サブモジュール、燃料電池モジュール及び複合発電システム並びにサブモジュールの組み立て方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell submodule, a fuel cell module, a combined power generation system, and a method of assembling the submodule.

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(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)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」と呼ぶ)等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが構成されており、圧縮機から吐出される圧縮空気を酸化性ガスとして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、MGTの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した高温の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 causing a chemical reaction of a fuel gas and an oxidizing gas. Among them, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) uses ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, and is operated using city gas, natural gas, petroleum, methanol, coal gasification gas, etc. as fuel. Fuel cell. Such an SOFC has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C. to increase the ion conductivity, and is known as a versatile high-efficiency high-temperature fuel cell. Such an SOFC is, for example, a complex power generation system combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as "MGT"), and the compressed air discharged from the compressor is used as an oxidizing gas to generate SOFC. By supplying the air electrode and the high temperature exhaust fuel gas discharged from the SOFC to the combustor of the MGT for combustion, and rotating the turbine with the high temperature combustion gas generated in the combustor, High power generation is made possible.

SOFCにおける発電時には、SOFCの発電部が発熱する。発電部は、発電効率や構成材料の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、SOFCの発電部を備えるカートリッジを収容する圧力容器内で、SOFCの発電部を備え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。この構成によれば、カートリッジの内部の温度に応じて、カートリッジの内部空間から外部空間(圧力容器内の空間)に漏出させる酸化性ガスの流量を調整し、カートリッジの内部の温度を適切な温度範囲内に維持している。
At the time of power generation in SOFC, the power generation unit of SOFC generates heat. The power generation unit preferably generates power within a preset temperature range on the basis of power generation efficiency, durability of constituent materials, and the like.
Therefore, for example, in Patent Document 1, a flow path connecting the internal space of the cartridge provided with the SOFC power generation unit and the external space of the cartridge in a pressure vessel that accommodates the cartridge provided with the SOFC power generation unit, and this flow And a flow control device for controlling the flow rate of oxidizing gas (air) through the passage. According to this configuration, the flow rate of the oxidizing gas leaked from the inner space of the cartridge to the outer space (the space in the pressure vessel) is adjusted according to the temperature inside the cartridge, and the temperature inside the cartridge is made appropriate. It is maintained within the range.

特開2016−91968号公報JP, 2016-91968, A

ところで、酸化性ガスの供給変動があっても発電への影響を少なくするために、カートリッジの外周を覆う構造として供給した酸化性ガスの一部はカートリッジ内部空間と外部空間(圧力容器内の空間)との間で少流量が流通することを可能としている。発電のためにカートリッジ内に供給された酸化性ガスは、発電部の発熱によって昇温され、カートリッジ内を上昇する。このとき、酸化性ガスの一部はカートリッジ上部の隙間から外部空間に漏出する。外部空間に漏出した酸化性ガスは、圧力容器を介して圧力容器の外部との熱交換による放熱によって冷却され、外部空間内を下降し、カートリッジの下部の隙間からカートリッジの内部空間に吸い込まれる。これにより、圧力容器内においては、カートリッジの内部空間における上昇流と、カートリッジの外部空間における下降流とによって、酸化性ガスの自然対流が生じている。このような自然対流は、酸化性ガスがカートリッジの外部空間を通るときに圧力容器を介して圧力容器の外部に熱を放熱してしまう可能性がある。
近年、より出力の大きいガスタービンとSOFCとを組み合わせた、より大規模な複合発電システムの開発が進んでいる。ガスタービンは出力が増加するほど圧縮機から吐出される空気の圧力は高まる傾向にあるため、大規模なSOFC複合発電システムでは圧力容器内の運転圧力も高くなる。また、圧力容器内の運転圧力を高くすることは、SOFCの発電効率を向上させるために有効である。一方、圧力容器内の運転圧力を高くすると、カートリッジの内部空間から外部空間に漏出する酸化性ガスの量は増大するという問題がある。これは、運転圧力の上昇によりガス密度が増大することにより、発電部で昇温されたカートリッジ内の酸化性ガスに働く浮力が増大し、かつ、カートリッジ内の酸化性ガスと断熱材との圧力損失が減少するためである。このような要因により、運転圧力が高い状態では、圧力容器内におけるカートリッジ内部空間から漏出した酸化性ガスが上方から下方に向かう自然対流量が増大し、酸化性ガスがカートリッジの外部空間を通るときに圧力容器を介して圧力容器の外部への放熱量も増大する。その結果、カートリッジの内部空間の発電部の温度が必要以上に低下し、SOFCの発電効率の低下が生じてしまう。
By the way, part of the oxidizing gas supplied as a structure covering the outer periphery of the cartridge in order to reduce the influence on power generation even if there is fluctuation in the supply of the oxidizing gas is the internal space of the cartridge and the external space It is possible to flow a small flow rate between The oxidizing gas supplied into the cartridge for power generation is heated by the heat generation of the power generation unit and rises in the cartridge. At this time, a part of the oxidizing gas leaks from the gap at the top of the cartridge to the outside space. The oxidizing gas leaked to the external space is cooled by heat radiation through heat exchange with the outside of the pressure vessel through the pressure vessel, descends in the external space, and is drawn into the internal space of the cartridge from the gap in the lower part of the cartridge. Thereby, in the pressure vessel, natural convection of the oxidizing gas is generated by the upward flow in the inner space of the cartridge and the downward flow in the outer space of the cartridge. Such natural convection may release heat to the outside of the pressure vessel via the pressure vessel as the oxidizing gas passes through the external space of the cartridge.
In recent years, development of a larger-scale combined power generation system in which a gas turbine with higher output and SOFC are combined has been developed. Since the pressure of the air discharged from the compressor tends to increase as the power of the gas turbine increases, the operating pressure in the pressure vessel also increases in a large scale SOFC combined cycle power generation system. In addition, raising the operating pressure in the pressure vessel is effective to improve the power generation efficiency of the SOFC. On the other hand, when the operating pressure in the pressure vessel is increased, the amount of oxidizing gas leaking from the inner space of the cartridge to the outer space is increased. This is because the gas density is increased by the increase of the operating pressure, the buoyancy acting on the oxidizing gas in the cartridge heated in the power generation unit is increased, and the pressure of the oxidizing gas in the cartridge and the heat insulating material This is because the loss is reduced. Due to these factors, when the operating pressure is high, the oxidizing gas leaked from the cartridge internal space in the pressure vessel increases its natural flow rate from the upper side to the lower side, and the oxidizing gas passes through the external space of the cartridge The amount of heat released to the outside of the pressure vessel through the pressure vessel also increases. As a result, the temperature of the power generation unit in the internal space of the cartridge is lowered more than necessary, which causes a decrease in the power generation efficiency of the SOFC.

特許文献1に開示された構成では、カートリッジの内部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ているが、圧力容器内における酸化性ガスの鉛直方向上方から下方に向かう自然対流が発生している以上、圧力容器から外部に放熱してしまい、SOFCの発電効率を低下させてしまうという問題があった。また、特許文献1に開示された構成で、加圧運転を行った場合には、さらに自然対流が増加し、SOFCの発電効率がより低下してしまう可能性がある。   In the configuration disclosed in Patent Document 1, the flow rate of the oxidizing gas flowed out from the inner space of the cartridge to the outer space is adjusted according to the temperature inside the cartridge, but the vertical direction of the oxidizing gas in the pressure vessel As long as natural convection from the top to the bottom occurs, the heat is dissipated from the pressure vessel to the outside, which causes a problem of reducing the power generation efficiency of the SOFC. In addition, in the configuration disclosed in Patent Document 1, when the pressurization operation is performed, natural convection may further increase, and the power generation efficiency of the SOFC may be further reduced.

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、発電効率の低下を抑制することができる燃料電池サブモジュール、燃料電池モジュール及び複合発電システム並びにサブモジュールの組み立て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 provides a fuel cell submodule, a fuel cell module, a combined power generation system, and a method of assembling the submodule capable of suppressing a decrease in power generation efficiency. With the goal.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池サブモジュール、燃料電池モジュール及び複合発電システム並びにサブモジュールの組み立て方法は以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、圧力容器内に収容される燃料電池サブモジュールであって、燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発電する燃料電池セルを備える少なくとも1つのセルスタックと、前記セルスタックの囲むように配置され、側方を規定する側方外装板と、とを備えている。
In order to solve the above problems, the fuel cell submodule, the fuel cell module, the combined power generation system, and the method of assembling the submodule of the present invention adopt the following means.
A fuel cell sub-module according to an aspect of the present invention is a fuel cell sub-module housed in a pressure vessel, at least one cell including a fuel cell generating electricity by supplying a fuel gas and an oxidizing gas. A stack and a side armor plate disposed to surround the cell stack and defining a side.

上記構成では、燃料電池サブモジュール(以下、単に「サブモジュール」ともいう。)の密閉部材の周囲外側面の側方から、発電領域内に流入しようとする酸化性ガスは、まず、側方外装板によって妨げられる。このように、酸化性ガスの流入を防止しているので、より確実に、圧力容器内の空間からサブモジュールの燃料電池モジュールの発電を行う領域(以下、「発電領域」という。)内への意図しない酸化性ガスの流入を抑制することができる。したがって、より確実に発電領域の内部と圧力容器内における発電領域の外部を鉛直方向上方から下方に向かい循環する酸化性ガスの自然対流循環を抑制することができ、酸化性ガスの自然対流循環に起因した圧力容器外への放熱を抑制することができる。
また、サブモジュールの組み立てを行う際に、側方の位置決めについては、側方外装板を基準として組み立てることができる。したがって、組み立てを行う際の位置決め作業を容易にすることができる。
In the above configuration, the oxidizing gas which is going to flow into the power generation region from the side of the outer peripheral surface of the sealing member of the fuel cell submodule (hereinafter, also simply referred to as "submodule") first Hindered by the board. As described above, since the inflow of the oxidizing gas is prevented, the space in the pressure vessel can be more reliably introduced into the area (hereinafter referred to as "power generation area") in which the fuel cell module of the submodule generates power. Unintended inflow of oxidizing gas can be suppressed. Therefore, it is possible to more reliably suppress the natural convection circulation of the oxidizing gas which circulates downward from above in the vertical direction inside the power generation region and outside the power generation region in the pressure vessel, and the natural convection circulation of the oxidizing gas It is possible to suppress the heat radiation to the outside of the pressure vessel due to it.
Moreover, when assembling a submodule, it can assemble on the basis of a side exterior board about lateral positioning. Therefore, the positioning operation at the time of assembling can be facilitated.

また、本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、前記側方外装板は、上端に、当該側方外装板の上縁で規定される開口を有してもよい。   In the fuel cell submodule according to one aspect of the present invention, the side exterior plate may have an opening defined by the upper edge of the side exterior plate at the upper end.

上記構成では、側方外装板の上端には、上縁で規定された開口が形成される。このように、サブモジュールの鉛直上方を覆う蓋材が設けられていないので、サブモジュールを構成する部材が高温により熱膨張した場合であっても、熱膨張を鉛直上方に許容することができて、サブモジュールを拘束することを抑制する。   In the above configuration, an opening defined by the upper edge is formed at the upper end of the side exterior plate. As described above, since the lid member covering the vertical upper part of the sub module is not provided, even if the member constituting the sub module is thermally expanded due to high temperature, the thermal expansion can be allowed in the vertical upper part. , Restraining the submodules.

また、本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、前記側方外装板の下端に接続し、該側方外装板の下端に形成される開口を塞ぐ下方外装板を備えてもよい。   The fuel cell submodule according to one aspect of the present invention may further include a lower exterior plate connected to the lower end of the side exterior plate and closing an opening formed in the lower end of the side exterior plate.

上記構成では、サブモジュールの下方全体が下方外装板で覆われているので、下方からサブモジュール内に流入しようとする酸化性ガスは、確実に下方外装板によって妨げられる。したがって、意図しない酸化性ガスが圧力容器内の空間からサブモジュールの発電領域へ流入するのをより確実に防止することができる。
また、サブモジュールの組み立てを行う際に、鉛直上下方向の位置決めを、下方外装板を基準として組み立てを行うことができる。したがって、組み立てを行う際の位置決め作業を容易にすることができる。
In the above configuration, since the entire lower part of the submodule is covered with the lower exterior plate, the oxidizing gas which is going to flow into the submodule from the lower side is surely blocked by the lower exterior plate. Therefore, it is possible to more reliably prevent the unintended oxidizing gas from flowing from the space in the pressure vessel into the power generation area of the submodule.
In addition, when assembling the submodules, the positioning in the vertical vertical direction can be performed with reference to the lower exterior plate. Therefore, the positioning operation at the time of assembling can be facilitated.

また、本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、前記下方外装板には、貫通穴が形成され、前記下方外装板は、前記貫通穴と連通し、鉛直下方に延びる筒状部材を備えていてもよい。   In the fuel cell sub-module according to one aspect of the present invention, a through hole is formed in the lower exterior plate, and the lower exterior plate includes a cylindrical member communicating with the through hole and extending vertically downward. It may be

上記構成では、下方外装板に貫通穴が形成され、貫通穴に連通する筒状部材が設けられている。これにより、例えば、燃料ガスヘッダの側方から鉛直下方に向かって延びる配管があった場合であっても、貫通穴及び筒状部材の内部を挿通させてシールすることで、この配管をサブモジュールの外部と連通させることができる。また、筒状部材の内部を挿通させているので、当該部分が二重管構造となり、配管が下方外装板を貫通する構造としても、圧力容器内の空間から当該部分を通過してサブモジュールの内部に酸化性ガスが流入することを抑制することができる。   In the above configuration, a through hole is formed in the lower exterior plate, and a cylindrical member communicating with the through hole is provided. Thereby, for example, even if there is a pipe extending vertically downward from the side of the fuel gas header, the pipe is inserted into the through hole and the inside of the cylindrical member to seal the pipe, It can communicate with the outside. Further, since the inside of the cylindrical member is inserted, the portion has a double pipe structure, and the pipe passes from the space in the pressure vessel to the portion of the sub-module even when the pipe penetrates the lower exterior plate. Inflow of oxidizing gas can be suppressed.

また、本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、前記筒状部材の内部を挿通する配管を備え、前記筒状部材の一部は、可撓性を備えるフレキシブル管で形成され、前記フレキシブル管で形成された部分は、前記筒状部材と前記配管とをシール固定する部分よりも鉛直上方に位置していてもよい。   Further, the fuel cell sub-module according to one aspect of the present invention includes a pipe through which the inside of the cylindrical member is inserted, and a part of the cylindrical member is formed of a flexible pipe having flexibility, the flexible The portion formed of a pipe may be located vertically above the portion for sealing and fixing the tubular member and the pipe.

上記構成では、筒状部材の一部が可撓性を有して鉛直上下方向への伸縮を許容するフレキシブル管で形成されている。これにより、筒状部材または配管がサブモジュールの発電領域の高温の影響を受けて熱膨張しても、フレキシブル管が鉛直上下方向の伸縮を吸収するので、筒状部材と配管との固定部分に発生する荷重を低減することができる。なお、配管の一部も可撓性を有するフレキシブル管で形成されてもよい。このような構成とすることで、配管側でも鉛直上下方向の伸縮を吸収することができるので、筒状部材と配管との固定部分を拘束しないので配管に発生する応力を、より低減することができる。   In the above-mentioned configuration, a part of the cylindrical member is formed of a flexible pipe having flexibility so as to allow expansion and contraction in the vertical vertical direction. Thereby, even if the tubular member or the pipe is thermally expanded under the influence of the high temperature of the power generation region of the sub module, the flexible pipe absorbs expansion and contraction in the vertical vertical direction, so the fixed portion between the tubular member and the pipe The generated load can be reduced. In addition, a part of piping may also be formed by the flexible pipe which has flexibility. With such a configuration, since expansion and contraction in the vertical vertical direction can be absorbed even on the piping side, the fixing portion between the tubular member and the piping is not restrained, thereby further reducing the stress generated in the piping. it can.

また、本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、複数の前記セルスタックが接続され、複数の該セルスタックに前記燃料ガスの供給または複数の該セルスタックから前記燃料ガスの排出を行う燃料ガスヘッダと、一端が前記側方外装板の下端に接続され、他端が前記燃料ガスヘッダの側方端部に対して接続される下方外装板と、を備えていてもよい。   In the fuel cell submodule according to one aspect of the present invention, a plurality of the cell stacks are connected, and the fuel gas is supplied to the plurality of cell stacks or the fuel gas is discharged from the plurality of cell stacks. The fuel cell system may further include a gas header, and a lower armor plate connected at one end to the lower end of the side armor plate and connected at the other end to the side end of the fuel gas header.

上記構成では、燃料ガスヘッダのあるサブモジュールの底面が下方外装板で覆われていないので、燃料ガスヘッダの底面に配管や集電棒等を接続する場合、配管や集電棒等が下方外装板を貫通する構造とする必要がない。配管や集電棒等が下方外装板を貫通する構造とした場合、下方外装板の内側に酸化性ガスが流入しないように、それぞれの配管や集電棒に絶縁性を確保しつつ密閉構造とする必要があり、構造が複雑となるが、上記構成では、簡易に接続することができる。   In the above configuration, the bottom surface of the submodule with the fuel gas header is not covered by the lower exterior plate, so when connecting the piping, current collector, etc. to the bottom surface of the fuel gas header, the piping, current collection rod, etc. penetrates the lower exterior plate There is no need to make it a structure. In the case where the piping, the current collection rod, and the like penetrate the lower exterior plate, it is necessary to form a sealed structure while securing insulation in each piping and the current collection rod so that the oxidizing gas does not flow into the lower exterior plate. Although the structure is complicated, the above configuration allows easy connection.

また、本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、前記下方外装板の鉛直方向上面と前記燃料ガスヘッダの底面とは、鉛直上下方向に離間し、前記下方外装板の鉛直方向上面と前記燃料ガスヘッダの底面とは、鉛直上下方向に延びるシール板を介して接続されていてもよい。   In the fuel cell submodule according to one aspect of the present invention, the upper surface of the lower exterior plate in the vertical direction and the bottom surface of the fuel gas header are vertically separated from each other, and the upper surface of the lower exterior plate in the vertical direction and the fuel The bottom surface of the gas header may be connected via a seal plate extending vertically in the vertical direction.

上記構成では、下方外装板の上面と燃料ガスヘッダの底面とを接続するシール板が設けられている。これにより、下方外装板の上面と燃料ガスヘッダの底面との間に空間を形成しつつ、この空間から酸化性ガスが流入することを防止することができる。したがって、例えば、燃料ガスヘッダの底面から、鉛直下方に延びる部材があった場合であっても、発電部への意図しない酸化性ガスの流入を抑制することができる。燃料ガスヘッダの底面から鉛直下方に延びる部材としては、例えば、サブモジュールを構成するカートリッジをサブモジュール内に立設させるための脚部などがある。   In the above configuration, a seal plate is provided that connects the upper surface of the lower exterior plate and the bottom surface of the fuel gas header. Thus, it is possible to prevent the inflow of the oxidizing gas from the space while forming a space between the upper surface of the lower exterior plate and the bottom surface of the fuel gas header. Therefore, for example, even when there is a member extending vertically downward from the bottom surface of the fuel gas header, it is possible to suppress the inflow of the unintended oxidizing gas into the power generation unit. As a member extending vertically downward from the bottom surface of the fuel gas header, there is, for example, a leg portion for erecting the cartridge constituting the sub module in the sub module.

また、本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、前記セルスタックの少なくとも一部分を囲う密閉部材と、を備え、複数の前記セルスタックは、それぞれ、前記燃料電池セルが設けられる中央部と、前記燃料電池セルが設けられていない端部とを含み、前記密閉部材が囲う前記セルスタックの一部分は、前記燃料電池セルが設けられる前記中央部であり、前記密閉部材は、該密閉部材の内部の複数の前記セルスタック周囲に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、該内部から前記酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出部とを備え、前記酸化性ガス供給部及び前記酸化性ガス排出部以外の残部では、該内部への前記酸化性ガスの流入及び該内部からの前記酸化性ガスの漏出を抑制してもよい。   Further, a fuel cell submodule according to an aspect of the present invention includes a sealing member that encloses at least a part of the cell stack, and a plurality of the cell stacks each have a central portion provided with the fuel cells. A part of the cell stack which includes the end part where the fuel cell is not provided, and the sealing member encloses is the central part where the fuel cell is provided, and the sealing member is the inside of the sealing member An oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas around the plurality of cell stacks, and an oxidizing gas discharge unit that discharges the oxidizing gas from the inside, and the oxidizing gas supply unit and the oxidation In the remaining part other than the sexual gas discharge part, the inflow of the oxidizing gas into the inside and the leakage of the oxidizing gas from the inside may be suppressed.

上記構成では、サブモジュールにおいて密閉部材が、複数のセルスタックの燃料電池セルが設けられる中央部分を囲っている。これにより、発電領域の周囲を密閉部材で囲うことができる。また、密閉部材は、酸化性ガス供給部及び酸化性ガス排出部以外の残部では、密閉部材の内部(すなわち発電領域)への酸化性ガスの流入及び、密閉部材の内部からの酸化性ガスの排出を妨げているので、圧力容器内の空間とサブモジュールの発電領域との間で意図しない酸化性ガスの流入及び漏出を抑制することができる。したがって、圧力容器内の空間で発生する可能性のある、発電領域の内部から漏出し、圧力容器内における発電領域の外部を鉛直方向上方から下方に向かい循環する酸化性ガスの自然対流循環の発生を抑制することができる。よって、酸化性ガスの自然対流循環に起因した圧力容器外への放熱を抑制することができ、燃料電池モジュールの発電効率の低下を抑制することができる。   In the above configuration, the sealing member in the submodule encloses the central portion in which the fuel cells of the plurality of cell stacks are provided. Thus, the periphery of the power generation area can be enclosed by the sealing member. Further, in the remaining portion other than the oxidizing gas supply unit and the oxidizing gas discharge portion, the sealing member flows in the oxidizing gas into the inside (that is, the power generation region) of the sealing member and the oxidizing gas from the inside of the sealing member. Since the discharge is prevented, it is possible to suppress the inflow and the leakage of the unintended oxidizing gas between the space in the pressure vessel and the power generation area of the submodule. Therefore, natural convection circulation of oxidizing gas which leaks from the inside of the power generation area and circulates from the upper side to the bottom of the power generation area in the pressure vessel, which may occur in the space inside the pressure vessel Can be suppressed. Therefore, the heat dissipation to the outside of the pressure vessel due to the natural convection circulation of the oxidizing gas can be suppressed, and the decrease in the power generation efficiency of the fuel cell module can be suppressed.

また、本発明の一態様に係る燃料電池サブモジュールは、前記酸化性ガス供給部または前記酸化性ガス排出部と連通する酸化性ガス流通管を備え、前記酸化性ガス流通管は、前記側方外装板の内側で、鉛直上下方向に延在していてもよい。   Further, the fuel cell submodule according to one aspect of the present invention includes an oxidizing gas flow pipe communicating with the oxidizing gas supply unit or the oxidizing gas discharge unit, and the oxidizing gas flow pipe is connected to the side surface It may extend in the vertical up-down direction inside the exterior plate.

上記構成では、酸化性ガス流通管が側方外装板の内側で鉛直上下方向に延在しているので、酸化性ガス流通管と側方外装板とが干渉しない。したがって、側方外装板に酸化性ガス流通管を貫通させるための構造を形成する必要がないので、簡易な構成とすることができる。また、例えば、側方外装板と酸化性ガス流通管との間に断熱材等を設けていた場合には、酸化性ガス流通管がこの断熱材とも干渉しない。したがって、断熱材を貫通させる部材を設けることなくサブモジュールを形成することができるので、サブモジュールを分解する際にこの断熱材を破損させることなく分解することができる。   In the above configuration, since the oxidizing gas flow pipe extends vertically in the side outer plate, the oxidizing gas flow pipe and the side outer plate do not interfere with each other. Therefore, since it is not necessary to form the structure for making an oxidizing gas distribution pipe penetrate in a side armoring board, it can be set as a simple structure. Also, for example, when a heat insulating material or the like is provided between the side exterior plate and the oxidizing gas flow pipe, the oxidizing gas flow pipe does not interfere with the heat insulating material. Therefore, since the submodule can be formed without providing a member for penetrating the heat insulating material, when the submodule is disassembled, the heat insulating material can be disassembled without breakage.

本発明の一態様に係る燃料電池モジュールは、圧力容器と、前記圧力容器内に収容される上記のいずれかに記載の燃料電池サブモジュールと、を備えている。   A fuel cell module according to an aspect of the present invention includes a pressure vessel, and the fuel cell submodule according to any one of the above-described accommodated in the pressure vessel.

本発明の一態様に係る複合発電システムは、上記に記載の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュール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を備え、前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、複数の前記セルスタックは、前記燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電する。   According to one aspect of the present invention, there is provided a combined power generation system comprising: a fuel cell module as described above; and a gas turbine generating rotational power using exhaust fuel gas exhausted from the fuel cell module and exhaust oxidizing gas. The oxidizing gas compressed using the rotational power is supplied to the fuel cell module, and a plurality of the cell stacks generate electric power using the fuel gas and the oxidizing gas.

本発明の一態様に係るサブモジュールの組み立て方法は、燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発電する燃料電池セルを備える少なくとも1つのセルスタックと、前記セルスタックの囲むように配置され、側方を規定する側方外装板と、前記側方外装板の下端に接続し、該側方外装板の下端に形成される開口を塞ぐ下方外装板とを備える燃料電池サブモジュールの組立方法であって、前記側方外装板と前記下方外装板を接続する接続工程と、 前記接続工程で接続した前記側方外装板に対して、鉛直上方から前記セルスタックを挿入するセルスタック挿入工程と、を備えている。   According to one aspect of the present invention, there is provided a method of assembling a submodule, comprising: at least one cell stack including a fuel cell generating electricity by supplying a fuel gas and an oxidizing gas; Method of assembling a fuel cell sub-module comprising: a side exterior plate defining a side; and a lower exterior plate connected to the lower end of the side exterior plate and closing an opening formed at the lower end of the side exterior plate. A connecting step of connecting the side exterior plate and the lower exterior plate, and a cell stack inserting step of inserting the cell stack vertically from above with respect to the side exterior plate connected in the connecting step. Have.

また、本発明の一態様に係るサブモジュールの組み立て方法は、前記セルスタックを囲うように密閉部材を配設する密閉部材配設工程をさらに備えていてもよい。   Further, the method of assembling a submodule according to one aspect of the present invention may further include a sealing member disposing step of arranging a sealing member so as to surround the cell stack.

また、本発明の一態様に係るサブモジュールの組み立て方法は、前記側方外装板及び前記下方外装板の内部にサブモジュール断熱材を嵌め込むサブモジュール断熱材嵌め込み工程をさらに備えていてもよい。   Moreover, the assembling method of the submodule which concerns on 1 aspect of this invention may further be equipped with the submodule heat insulating material fitting process which inserts a submodule heat insulating material in the inside of the said side exterior board and the said lower exterior board.

本発明によれば、燃料電池サブモジュールの発電効率の低下を抑制することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress the decrease in the power generation efficiency of the fuel cell submodule.

本発明の一実施形態に係るセルスタックを示すものである。Fig. 6 shows a cell stack according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCモジュールを示すものである。Fig. 2 shows a SOFC module according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCカートリッジの断面を示すものである。Fig. 2 shows a cross section of a SOFC cartridge according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCモジュールを示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing a SOFC module concerning one embodiment of the present invention. 図4のV部分の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of V part of FIG. 図4のSOFCサブモジュールの下部を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic view of the lower portion of the SOFC submodule of FIG. 4; 図6のVII−VII矢視断面図である。It is the VII-VII arrow sectional drawing of FIG. 図4のシール板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the seal board of FIG. 図4のSOFCサブモジュールの組み立て方法を示す図である。It is a figure which shows the assembling method of the SOFC submodule of FIG.

以下に、本発明に係る燃料電池サブモジュール、燃料電池モジュール及び複合発電システム並びにサブモジュールの組み立て方法の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鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また本実施形態では、鉛直方向に対して上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、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。また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体がなく電極(燃料極もしくは空気極)が厚く形成されて、基体を兼用しても良い。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell submodule, a fuel cell module, a combined power generation system, and a method of assembling the submodule according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following, for convenience of explanation, the positional relationship between the respective components is indicated by the vertically upper side and the vertically lower side using the expressions “upper” and “lower” with reference to the paper surface. Further, in the present embodiment, those which can obtain the same effect in the vertical direction and in the horizontal direction with respect to the vertical direction may correspond to the horizontal direction in which the vertical direction in the drawing is perpendicular to the vertical direction. Further, in the following, a cylindrical shape is described as an example of a cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC), but this is not necessarily the case. For example, a flat cell stack may be used. Although the fuel cell is formed on the substrate, the substrate (fuel electrode or air electrode) may be thick without a substrate, and the substrate may also be used.

まず、図1を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図1は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。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の一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を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜115を備える。   First, a cylindrical cell stack using a base tube will be described as an example according to the present embodiment with reference to FIG. Here, FIG. 1 shows one aspect of the cell stack according to the present embodiment. The cell stack 101 has a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by laminating a fuel electrode 109, a solid electrolyte 111 and an air electrode 113. Further, among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, the cell stack 101 is attached to the air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at one end of the end of the base tube 103 in the axial direction. A lead film 115 electrically connected via an interconnector 107 is provided, and a lead film 115 electrically connected to a fuel electrode 109 of the fuel cell 105 formed at the other end of the end is provided.

基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAlなどを主成分とされる。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), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ + NiO), or Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), or It is mainly composed of MgAl 2 O 4 or the like. The base tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. It diffuses to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the

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。燃料極109の厚さは50〜250μmである。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(CH)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)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(H)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(HO)及び二酸化炭素(CO)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。
SOFC10の燃料極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭などの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。
The fuel electrode 109 is made of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and for example, Ni / YSZ is used. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 to 250 μm. In this case, in the fuel electrode 109, Ni, which is a component of the fuel electrode 109, has a catalytic effect on the fuel gas. This catalytic reaction reacts the mixed gas of fuel gas supplied via the base tube 103, for example, methane (CH 4 ) and steam, and reforms it to hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). It is a thing. In addition, the fuel electrode 109 is 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 is reacted electrochemically in the vicinity to generate water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electric power by the electrons released from the oxygen ions.
Examples of fuel gas that can be supplied to the fuel electrode 109 of the SOFC 10 and used include hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), hydrocarbon gases such as methane (CH 4 ), city gas, natural gas, oil, and the like The gas etc. which manufactured carbonaceous raw materials, such as methanol and coal, with gasification equipment are mentioned.

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備える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。燃料極109の表面上に位置する固体電解質111の膜厚は10〜100μmである。 As the solid electrolyte 111, YSZ having gas tightness which is hard to pass gas and high oxygen ion conductivity at high temperature is mainly used. The solid electrolyte 111 is for transferring oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode to the fuel electrode. The film thickness of the solid electrolyte 111 located on the surface of the fuel electrode 109 is 10 to 100 μm.

空気極113は、例えば、LaSrMnO系酸化物、又はLaCoO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。
空気極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnOで表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは,酸素を略15%〜30%含むガス であり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO 3 -based oxide or a LaCoO 3 -based oxide. The air electrode 113 dissociates oxygen in an oxidizing gas such as air supplied near the interface with the solid electrolyte 111 to generate oxygen ions (O 2− ).
The air electrode 113 can also be configured in two layers. In this case, the air electrode layer (air electrode intermediate layer) on the solid electrolyte 111 side exhibits high ion conductivity and is made of a material having excellent catalytic activity. The air electrode layer (air electrode conductive layer) on the air electrode intermediate layer may be made of a perovskite type oxide represented by Sr and Ca-doped LaMnO 3 . By doing this, the power generation performance can be further improved.
Oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% oxygen, and typically air is preferable, but besides air, mixed gas of combustion exhaust gas and air, mixed gas of oxygen and air, etc. Is available.

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1−xTiO(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る。インターコネクタ107は、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耐久性と電気導電性を備える。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、電子伝導性を備えること、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ものである。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite-type oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 . The interconnector 107 is a dense film so that the fuel gas and the oxidizing gas do not mix. Further, the interconnector 107 has stable durability and electrical conductivity under both the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel cell 105 in the adjacent fuel cells 105, and the adjacent fuel cells 105 Are connected in series. The lead film 115 is required to have electron conductivity and to have close thermal expansion coefficients with other materials constituting the cell stack 101, so that Ni and a zirconia-based electrolyte material such as Ni / YSZ can be used. It is composed of a composite material. The lead film 115 leads the direct current power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnect to the vicinity of the end of the cell stack 101.

次に、図2と図3とを参照して本実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。ここで、図2は、本実施形態に係るSOFCモジュールを示すものである。また、図3は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの断面図を示すものである。   Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. Here, FIG. 2 shows the SOFC module according to the present embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view of the SOFC cartridge according to the present embodiment.

SOFCモジュール(燃料電池モジュール)201は、図2に示すように、例えば、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とを備える。なお、図2には円筒形のSOFCのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。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、及び燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管211(図4参照)と酸化性ガス供給枝管(酸化性ガス流通管)212(図4参照)、及び酸化性ガス排出管213(図4参照)と複数の酸化性ガス排出枝管214(図4参照)とを備える。   As shown in FIG. 2, the SOFC module (fuel cell module) 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges 203 and a pressure vessel 205 for housing the plurality of SOFC cartridges 203. In addition, although the cell stack of cylindrical SOFC is illustrated in FIG. 2, it does not necessarily need to be this limitation, for example, may be a flat cell stack. The SOFC module 201 further includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas discharge pipe 209, and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. In addition, the SOFC module 201 includes an oxidizing gas supply pipe 211 (see FIG. 4), an oxidizing gas supply branch pipe (oxidizing gas flow pipe) 212 (see FIG. 4), and an oxidizing gas discharge pipe 213 (see FIG. 4). And a plurality of oxidizing gas discharge branch pipes 214 (see FIG. 4).

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 connected to a fuel gas supply unit that supplies a fuel gas of a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the amount of power generation of the SOFC module 201. It is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a. The fuel gas supply pipe 207 branches and guides the fuel gas having a predetermined flow rate supplied from the above-described fuel gas supply unit into a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. Further, the fuel gas supply branch pipe 207 a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and to the 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 substantially equal flow rates, 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 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. Further, 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, which is derived at a substantially equal flow rate from the fuel gas discharge branch pipe 209a, to the outside of the pressure vessel 205.

圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約3MPa、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 3 MPa and an internal temperature at ambient temperature to about 550 ° C., the pressure resistance and the corrosion resistance to oxidizing agents such as oxygen contained in the oxidizing gas are obtained. Used materials are used. For example, stainless steel 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に収納される態様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内に収納される態様とすることもできる。   Here, in the present embodiment, an aspect in which the plurality of SOFC cartridges 203 are collected and stored in the pressure vessel 205 is described, but the present invention is not limited thereto. For example, the pressure is not collected in the SOFC cartridges 203 It is also possible to adopt a mode in which it is housed in the container 205.

SOFCカートリッジ203は、図3に示す通り、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(燃料ガスヘッダ)219と、酸化性ガス供給室221と、酸化性ガス排出室223とを備える。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とを備える。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、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ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 (fuel gas header) 219, an oxidizing gas supply chamber 221, and oxidation. And an inert gas discharge chamber 223. The SOFC cartridge 203 further 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, in the SOFC cartridge 203, 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 are arranged as shown in FIG. Although the fuel gas and the oxidizing gas flow in such a manner that they flow opposite to each other inside and outside the cell stack 101, this is not necessarily the case, for example, flows in parallel between the inside and the outside of the cell stack Alternatively, the oxidizing gas may flow in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack.

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が配置された領域であり、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、温度センサなどで監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃〜1000℃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 a region where the fuel cells 105 of the cell stack 101 are disposed, and is a region in which the fuel gas and the oxidizing gas are electrochemically reacted to generate power. Further, the temperature near the center of the cell stack 101 in the longitudinal direction of the power generation chamber 215 is monitored by a temperature sensor or the like, and becomes a high temperature atmosphere of approximately 700 ° C. to 1000 ° C. during 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り、上部ケーシング229aの上部に設け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、複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、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, and the fuel gas supply branch pipe 207a is formed by the fuel gas supply hole 231a provided in the upper portion of the upper casing 229a. It is in communication with The plurality of cell stacks 101 are joined to the upper tube plate 225a by a seal member 237a, and the fuel gas supply chamber 217 is a fuel supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply holes 231a. The gas is introduced into the base tubes 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, and the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 is substantially uniformed.

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り、下部ケーシング229bの下部に設け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、複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、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、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 a region surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203, and the fuel gas discharge branch pipe 209a is formed by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower portion of the lower casing 229b. It is in communication with Further, the plurality of cell stacks 101 are joined to the lower tube plate 225b by the seal member 237b, and the fuel gas discharge chamber 219 passes through the inside of the base pipe 103 of the plurality of cell stacks 101 to discharge the fuel gas. The chamber 219 collects the exhaust fuel gas which passes through the inside of the base pipe 103 of the plurality of cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219, and the fuel gas discharge branch pipe 209a passes through the fuel gas discharge holes 231b. Leading to

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212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、下部ケーシング229bの側面に設け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212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(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。   An oxidizing gas having a predetermined gas composition and a predetermined flow rate is branched to the oxidizing gas supply branch pipe 212 corresponding to the amount of power generation of the SOFC module 201 and supplied to the plurality of SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply chamber 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower heat insulator 227b of the SOFC cartridge 203. Further, an oxidizing gas supply hole 233a provided on a side surface of the lower casing 229b communicates with an oxidizing gas supply branch (not shown). The oxidizing gas supply chamber 221 is provided with an oxidizing gas supply gap (an oxidizing gas described later, which is supplied with a predetermined flow rate from the oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through the oxidizing gas supply hole 233a. Feeding portion) leads to the power generation chamber 215 via 235a.

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、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、酸化性ガス排出枝管214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(酸化性ガス排出部)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第3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 229 a of the SOFC cartridge 203, the upper tube plate 225 a, and the upper heat insulator 227 a. Further, it is communicated with the oxidizing gas discharge branch pipe 214 by an oxidizing gas discharge hole 233b provided on the side surface of the upper casing 229a. The oxidizing gas discharge chamber 223 oxidizes the exhaust oxidizing gas supplied from the power generation chamber 215 to the oxidizing gas discharge chamber 223 via an oxidizing gas discharge gap (oxidizing gas discharge portion) 235b described later. It leads to the 3rd oxidizing gas discharge branch pipe which is not illustrated via gas exhaust hole 233b.

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が夫々挿入されている。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237a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 formed between the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a such that the upper tube plate 225a and the top plate of the upper casing 229a are substantially parallel to the upper heat insulator 227a. It is fixed to the side plate of. The upper tube plate 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 respectively inserted into the holes. The upper tube sheet 225a airtightly supports one end of the plurality of cell stacks 101 via one or both of the seal member 237a and the adhesive member, and at the same time, the fuel gas supply chamber 217 and the oxidizing gas discharge chamber 223 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が夫々挿入されている。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237b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 formed 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 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 plate 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 respectively inserted into the holes. The lower tube sheet 225 b airtightly supports the other end of the plurality of cell stacks 101 via one or both of the seal member 237 b and the adhesive member, and at the same time, the fuel gas discharge chamber 219 and the oxidizing gas supply chamber 221 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を備える。   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, and fixed to the side plate of the upper casing 229a There is. Further, the upper heat insulator 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of the cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set to be larger than the outer diameter of the cell stack 101. The upper heat insulator 227a includes an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted into 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 from the oxidizing gas discharge chamber 223, and the atmosphere around the upper tube plate 225a becomes high in temperature and the strength decreases and the corrosion by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas occurs. Suppress the increase. Although the upper tube sheet 225a and the like are made of a high-temperature durable metal material such as Inconel, 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. It prevents heat deformation. Further, the upper heat insulator 227 a is for guiding the exhaust oxidizing gas that has passed through the power generation chamber 215 and has been exposed to a high temperature to the oxidizing gas discharge chamber 223 through the oxidizing gas discharge gap 235 b.

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 fuel gas and the oxidizing gas flow to the inside and the outside of the cell stack 101 so as to face each other due to the above-described structure of the SOFC cartridge 203. As a result, the exhaust oxidizing gas undergoes heat exchange with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and the upper tube sheet 225a and the like made of a metallic material is buckled or the like. It is cooled to a non-deformed temperature and supplied to the oxidizing gas discharge chamber 223. Further, the fuel gas is heated by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215, and is 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を備える。   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, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b . The lower heat insulator 227 b is also 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 to be larger than the outer diameter of the cell stack 101. The lower heat insulator 227b includes an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted into 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 from the oxidizing gas supply chamber 221, and the atmosphere around the lower tube plate 225b becomes high in temperature and the strength decreases, and the corrosion by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas occurs. Suppress the increase. The lower tube sheet 225b etc. is made of a high temperature durable metal material such as Inconel, but the lower tube sheet 225 b etc. is exposed to high temperature and thermally deformed due to the temperature difference inside the lower tube sheet 225 b etc. becoming large. It is something to prevent. The lower heat insulator 227 b is configured to guide the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply chamber 221 through the oxidizing gas supply gap 235 a to the power generation chamber 215.

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 fuel gas and the oxidizing gas flow to the inside and the outside of the cell stack 101 so as to face each other due to the above-described structure of the SOFC cartridge 203. As a result, the exhaust fuel gas passing through the interior of the base tube 103 and passing through the power generation chamber 215 is subjected to heat exchange with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube sheet 225b made of a metallic material. It is cooled to a temperature that does not cause deformation such as buckling, and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219. Further, the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas, and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, the oxidizing gas heated to a 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直流電力は、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、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。集電棒には、SOFCカートリッジ203の上方に突出するもの及び下方に突出するものがある。上方に突出する集電棒は、燃料ガス供給室217及び後述のサブモジュール上部断熱材11を貫通して上方に延びている。下方に突出する集電棒は、燃料ガス排出室219及び後述のサブモジュール下部断熱材12を貫通して下方に延びている。   After the DC power generated in the power generation chamber 215 is drawn to the vicinity of the end of the cell stack 101 by lead films 115 formed of Ni / YSZ or the like provided in a plurality of fuel cells 105, the current collector of the SOFC cartridge 203 The current is collected via a current collector plate (not shown) and taken out to the outside of each SOFC cartridge 203. The DC power drawn to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collecting rod mutually connects the generated power of each SOFC cartridge 203 to a predetermined number of series and parallel numbers, and is drawn to the outside of the SOFC module 201, It is converted into predetermined AC power by a power conversion device (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown), and is supplied to a power supply destination (for example, load equipment or a power system). The current collectors include one projecting above the SOFC cartridge 203 and one projecting below. An upwardly projecting current collector extends upward through the fuel gas supply chamber 217 and a submodule upper heat insulator 11 described later. The downwardly projecting current collector extends downward through the fuel gas discharge chamber 219 and a submodule lower thermal insulator 12 described later.

SOFCモジュール201は、さらに、圧力容器側断熱材1を備えている。圧力容器側断熱材1は、圧力容器205の内周壁を覆うように配置されている。   The SOFC module 201 further includes the pressure vessel side heat insulating material 1. The pressure vessel side heat insulating material 1 is disposed so as to cover the inner circumferential wall of the pressure vessel 205.

次に、複数のSOFCカートリッジ203を組み合わせたSOFCサブモジュール(燃料電池サブモジュール)202(図2参照)の詳細について図4から図9を用いて説明する。なお、図4はSOFCモジュール201の縦断面図を模式的に示したもので、図示の関係上、複数のSOFCカートリッジ203(図2参照)をそれぞれに分割して図示せず、1つにまとめたSOFCサブモジュール202として図示している。   Next, details of the SOFC submodule (fuel cell submodule) 202 (see FIG. 2) in which a plurality of SOFC cartridges 203 are combined will be described using FIGS. 4 to 9. FIG. FIG. 4 schematically shows a longitudinal cross-sectional view of the SOFC module 201. For the sake of illustration, a plurality of SOFC cartridges 203 (see FIG. 2) are respectively divided and not shown, but are collectively shown in one. It is illustrated as a SOFC submodule 202.

図4に示すように、SOFCサブモジュール202は、複数のSOFCカートリッジ203の他に、発電室215を囲うカートリッジ断熱材(密閉部材)2と、カートリッジ断熱材2よりも外側で複数のSOFCカートリッジ203全体を囲うサブモジュール断熱材3と、SOFCサブモジュール202の側方を規定する板枠状の側方外装板4と、側方外装板4の下端の全域からSOFCサブモジュール202の中心軸方向に向かって略水平に所定の長さ延びてSOFCサブモジュール202の下方を規定する下方外装板5とを有し、圧力容器205の内部に収容されている。   As shown in FIG. 4, the SOFC submodule 202 includes a plurality of SOFC cartridges 203 as well as a cartridge heat insulating material (sealing member) 2 surrounding the power generation chamber 215 and a plurality of SOFC cartridges 203 outside the cartridge heat insulating material 2. In the central axis direction of the SOFC submodule 202 from the entire area of the lower end of the submodule heat insulator 3 surrounding the whole, the frame-like side exterior plate 4 defining the side of the SOFC submodule 202, and the lower end of the side exterior plate 4 The lower exterior plate 5 extends a predetermined length substantially horizontally toward the lower side of the SOFC submodule 202 and is accommodated inside the pressure vessel 205.

カートリッジ断熱材2は、断熱材から形成された複数のボード(もしくは板)が積層され、接合されて形成されている。また、カートリッジ断熱材2は、複数のSOFCカートリッジ203がそれぞれ備える上部断熱体227a(図3参照)が接合されたカートリッジ上部断熱材6と、複数のSOFCカートリッジ203がそれぞれ備える下部断熱体227bが接合されたカートリッジ下部断熱材7と、カートリッジ上部断熱材6の側面全域とカートリッジ下部断熱材7の側面全域とを接続する板枠状のカートリッジ側部断熱材8とを備える。カートリッジ側部断熱材8は、上下の端面がカギ状の凹凸形状を有する複数の断熱部材8aで構成され、複数の断熱部材8aは、上下に隣り合う断熱部材8a同士の凹凸が嵌め合わされるように接続されるいわゆるインロー構造となっていて、断熱部材8a同士の間に連続した隙間が発生しにくい構造として、酸化性ガスの通過を抑制している(図9参照)。カートリッジ上部断熱材6とカートリッジ下部断熱材7とカートリッジ側部断熱材8とは、内部に箱状の密閉空間を形成するように接続され、内部にはSOFCサブモジュール202が備えるすべての燃料電池セル105が配置される。すなわち、カートリッジ上部断熱材6とカートリッジ下部断熱材7とカートリッジ側部断熱材8とは、酸化性ガス供給隙間235a及び酸化性ガス排出隙間235b以外の残部を通過して圧力容器205の内部との間で酸化性ガスの流入又は漏出を抑制するように、内部に密閉された発電室215を形成している。よって、カートリッジ断熱材2は、セルスタック101のうちの、燃料電池セル105が設けられている一部分のみを囲っている。すなわち、燃料電池セル105は、セルスタック101の長手方向の略中央部分に設けられ、端部には設けられていないので、カートリッジ断熱材2は、セルスタック101の略中央部分のみを囲っていることとなる。   The cartridge heat insulating material 2 is formed by laminating and bonding a plurality of boards (or plates) formed of a heat insulating material. Further, in the cartridge heat insulating material 2, the cartridge upper heat insulating material 6 to which the upper heat insulator 227a (see FIG. 3) respectively provided to the plurality of SOFC cartridges 203 is joined and the lower heat insulator 227b respectively provided to the plurality of SOFC cartridges 203 are joined. The cartridge lower heat insulator 7 and the plate frame-shaped cartridge side heat insulator 8 connecting the entire side surface of the cartridge upper heat insulator 6 and the entire side surface of the cartridge lower heat insulator 7 are provided. The cartridge side heat insulating material 8 is composed of a plurality of heat insulating members 8a having upper and lower end surfaces having a key-like uneven shape, and the plurality of heat insulating members 8a are fitted with the unevenness of the heat insulating members 8a adjacent to each other vertically. As a structure in which a so-called inlay structure connected to the heat insulating member 8a is less likely to generate a continuous gap between the heat insulating members 8a, the passage of the oxidizing gas is suppressed (see FIG. 9). The cartridge upper heat insulator 6, the cartridge lower heat insulator 7, and the cartridge side heat insulator 8 are connected to form a box-like sealed space inside, and all the fuel cells provided in the SOFC submodule 202 inside 105 are arranged. That is, the cartridge upper heat insulator 6, the cartridge lower heat insulator 7, and the cartridge side heat insulator 8 pass through the remaining portions other than the oxidizing gas supply gap 235a and the oxidizing gas discharge gap 235b, An internally sealed power generation chamber 215 is formed so as to suppress the inflow or leakage of the oxidizing gas therebetween. Therefore, the cartridge heat insulating material 2 encloses only a part of the cell stack 101 in which the fuel cells 105 are provided. That is, since the fuel cell 105 is provided at a substantially central portion in the longitudinal direction of the cell stack 101 and is not provided at an end portion, the cartridge heat insulating material 2 surrounds only a substantially central portion of the cell stack 101 It will be.

サブモジュール断熱材3は、断熱材から形成された複数のボード(もしくは板)が積層され、接合されて形成され、複数のSOFCカートリッジ203を囲むように、圧力容器205の内部に配置されている。サブモジュール断熱材3は、内部に空間が形成された略直方体形状をしている。サブモジュール断熱材3は、直方体の上面部分にあたるサブモジュール上部断熱材11と、直方体の下面部分にあたるサブモジュール下部断熱材12と、直方体の側面部分にあたるサブモジュール側部断熱材13とを備える。   The submodule heat insulating material 3 is formed by laminating and joining a plurality of boards (or plates) formed of a heat insulating material, and is disposed inside the pressure vessel 205 so as to surround a plurality of SOFC cartridges 203. . The submodule heat insulating material 3 has a substantially rectangular parallelepiped shape in which a space is formed inside. The submodule heat insulator 3 includes a submodule upper heat insulator 11 corresponding to the upper surface of the rectangular parallelepiped, a submodule lower heat insulator 12 corresponding to the lower surface of the rectangular parallelepiped, and a submodule side heat insulator 13 corresponding to the side surface of the rectangular parallelepiped.

サブモジュール上部断熱材11の下面は、上部ケーシング229aの上面に固定されている。サブモジュール側部断熱材13は、サブモジュール上部断熱材11の四方の側端部から鉛直下方に延びる板枠状の部材であって、内周面の例えば中央部分もしくは下端部分などで熱膨張による相対位置変位や相互拘束を避けるようにカートリッジ側部断熱材8の外周面に固定されている。サブモジュール下部断熱材12の上面は、下部ケーシング229bの底面に固定されている。サブモジュール下部断熱材12の四方の側端部は、サブモジュール側部断熱材13の下端の近傍まで延び、後述のシール板15に固定されている。すなわち、サブモジュール下部断熱材12とサブモジュール側部断熱材13とはシール板15を介して接続されている。このように、サブモジュール下部断熱材12とサブモジュール側部断熱材13とは、内部に箱状の内側空間10を形成するように構成され、サブモジュール上部断熱材11はサブモジュール側部断熱材13との間で、SOFCカートリッジ203の熱膨張による上下方向変位を許容するように設置されている。   The lower surface of the submodule upper heat insulating material 11 is fixed to the upper surface of the upper casing 229a. The submodule side heat insulating material 13 is a plate-like member extending vertically downward from the side edges of the four sides of the submodule upper heat insulating material 11. The submodule side heat insulating material 13 is thermally expanded at, for example, the center or lower end of the inner peripheral surface. It is fixed to the outer peripheral surface of the cartridge side heat insulating material 8 so as to avoid relative positional displacement and mutual restraint. The top surface of the submodule lower heat insulating material 12 is fixed to the bottom surface of the lower casing 229b. The four side end portions of the submodule lower heat insulating material 12 extend to the vicinity of the lower end of the submodule side heat insulating material 13 and are fixed to a seal plate 15 described later. That is, the submodule lower heat insulator 12 and the submodule side heat insulator 13 are connected via the seal plate 15. Thus, the submodule lower thermal insulator 12 and the submodule lateral thermal insulator 13 are configured to form a box-like inner space 10 inside, and the submodule upper thermal insulator 11 is a submodule lateral thermal insulator The SOFC cartridge 203 is installed so as to allow vertical displacement due to thermal expansion.

サブモジュール断熱材3は、圧力容器205の内部を外側空間9と内側空間10とに隔てている。外側空間9は、圧力容器205とサブモジュール断熱材3との間に形成された空間である。内側空間10は、サブモジュール断熱材3に囲まれた空間であって、複数のSOFCカートリッジ203やカートリッジ断熱材2等を収容している。すなわち、内側空間10は、発電室215を含んだ空間であり、内側空間10と発電室215とはカートリッジ断熱材2によって隔てられている。   The submodule thermal insulator 3 separates the inside of the pressure vessel 205 into the outer space 9 and the inner space 10. The outer space 9 is a space formed between the pressure vessel 205 and the submodule thermal insulator 3. The inner space 10 is a space surrounded by the submodule heat insulating material 3 and accommodates a plurality of SOFC cartridges 203, the cartridge heat insulating material 2, and the like. That is, the inner space 10 is a space including the power generation chamber 215, and the inner space 10 and the power generation chamber 215 are separated by the cartridge heat insulating material 2.

側方外装板4は、厚さ2mmから5mm程度の金属板であり、耐熱性耐食性のある板材(例えば、SUS304)で形成された板枠状であって、内周面がサブモジュール側部断熱材13の周囲外周面との間で固定されている。また、側方外装板4は、下端に開口が形成され、下端の一部を後述の下方外装板5が覆っている。また、側方外装板4の上端には、側方外装板4の上縁で規定された開口が形成されている。側方外装板4の下端は、下部ケーシング229bの底面よりも下方となるように配置される。   The side exterior plate 4 is a metal plate having a thickness of about 2 mm to 5 mm, and is a plate-like shape formed of a heat-resistant and corrosion-resistant plate (for example, SUS 304). It is fixed between the peripheral outer peripheral surface of the material 13. Further, the side exterior plate 4 has an opening at the lower end, and a lower exterior plate 5 described later covers a part of the lower end. Further, at the upper end of the side exterior plate 4, an opening defined by the upper edge of the side exterior plate 4 is formed. The lower end of the side exterior plate 4 is disposed below the bottom surface of the lower casing 229b.

下方外装板5は、板枠状の側方外装板4の下端から、SOFCサブモジュール202の中心軸方向に向かって略水平に下部ケーシング229bの側方端部まで延びる板状部材であって、厚さ2mmから5mm程度の金属板(例えば、SUS304)で形成されている。下方外装板5の上面と、下部ケーシング229bの上面とは空間を形成するように離間していて、この空間には、後述するシール板15が設けられている。また、図5及び図6に示すように、下方外装板5には、貫通穴16が形成され、下方外装板5は貫通穴16と連通するように下方に延びる筒状部(筒状部材)17を有している。図5に示すように、貫通穴16及び筒状部17には、酸化性ガス供給枝管212が挿通する。筒状部17と酸化性ガス供給枝管212とは、筒状部17の下端部分でシールして固定されている。また、筒状部17の一部は、上下方向の伸縮を許容する可撓性のフレキシブル管18で形成され、酸化性ガス供給枝管212の一部も同様に、上下方向の伸縮を許容する可撓性のフレキシブル管19で形成され、筒状部17と酸化性ガス供給枝管212との温度差による熱膨張差を許容している。   The lower exterior plate 5 is a plate-like member extending substantially horizontally toward the central axial direction of the SOFC submodule 202 from the lower end of the plate-like side exterior plate 4 to the lateral end of the lower casing 229b. It is formed of a metal plate (for example, SUS304) having a thickness of about 2 mm to 5 mm. The upper surface of the lower exterior plate 5 and the upper surface of the lower casing 229 b are separated to form a space, and a seal plate 15 described later is provided in this space. Further, as shown in FIGS. 5 and 6, a through hole 16 is formed in the lower exterior plate 5, and the lower exterior plate 5 is a cylindrical portion (tubular member) extending downward so as to communicate with the through hole 16. There are seventeen. As shown in FIG. 5, the oxidizing gas supply branch pipe 212 is inserted into the through hole 16 and the cylindrical portion 17. The cylindrical portion 17 and the oxidizing gas supply branch pipe 212 are sealed and fixed at the lower end portion of the cylindrical portion 17. Further, a part of the cylindrical portion 17 is formed by a flexible flexible pipe 18 which permits expansion and contraction in the vertical direction, and a part of the oxidizing gas supply branch pipe 212 similarly permits expansion and contraction in the vertical direction. A flexible flexible tube 19 is formed, and a thermal expansion difference due to a temperature difference between the tubular portion 17 and the oxidizing gas supply branch tube 212 is allowed.

図6に示すように、下方外装板5の上面と、下部ケーシング229bの下面との間には、シール板15が設けられている。シール板15は、図7及び図8に示すように、外形がSOFCサブモジュール202の底面の面積と略同一である枠状の部材であって略中心部に開口が形成されている。シール板15は、矩形環状の水平部21と、水平部21の内周端の略全域から略鉛直上方に延びる鉛直部22とを備える。水平部21の下面は、下方外装板5の上面に溶接固定され、鉛直部22の上端は下部ケーシング229bの下面に溶接固定されている。また、シール板15の略中心部に形成された開口には、サブモジュール下部断熱材12が略全域に亘り嵌め込まれている。すなわち、鉛直部22の内周面には、サブモジュール下部断熱材12の外周面が固定されている。
カートリッジ断熱材2と金属製である酸化性ガス供給室221など周辺構造物との間は断熱膨張率の差により隙間が発生して酸化性ガスの漏出する可能性がある。このため、この間の隙間が生じ易い部分にはブランケット材(セラミックスファイバーを押し固めた弾力性のある断熱材)を設けて隙間の発生を防止しても良い。
As shown in FIG. 6, a seal plate 15 is provided between the upper surface of the lower exterior plate 5 and the lower surface of the lower casing 229b. As shown in FIGS. 7 and 8, the seal plate 15 is a frame-like member whose outer shape is substantially the same as the area of the bottom surface of the SOFC submodule 202, and an opening is formed in a substantially central portion. The seal plate 15 includes a rectangular annular horizontal portion 21 and a vertical portion 22 extending substantially vertically upward from substantially the entire inner peripheral end of the horizontal portion 21. The lower surface of the horizontal portion 21 is welded and fixed to the upper surface of the lower exterior plate 5, and the upper end of the vertical portion 22 is welded and fixed to the lower surface of the lower casing 229b. The submodule lower heat insulating material 12 is fitted over substantially the entire area of the opening formed in the substantially central portion of the seal plate 15. That is, the outer peripheral surface of the submodule lower heat insulating material 12 is fixed to the inner peripheral surface of the vertical portion 22.
A gap may be generated between the cartridge heat insulating material 2 and a peripheral structure such as the oxidizing gas supply chamber 221 made of metal due to the difference in the adiabatic expansion coefficient, and the oxidizing gas may leak. For this reason, a blanket material (elastic heat insulating material formed by pressing ceramic fiber) may be provided at a portion where a gap is likely to be generated to prevent the occurrence of the gap.

また、下部ケーシング229bの下面からは、SOFCカートリッジ203を圧力容器205内で立設させるための6本の脚部23が下方に延びている。本実施形態の例では6本の脚部23があり、各脚部23の下面は、それぞれ、シール板15の水平部21の上面に固定されている。すなわち、6本の脚部23は、それぞれ、水平部21と下方外装板5とを介して、圧力容器205内に設けた架台(不図示)の上に載置されており、SOFCカートリッジ203がSOFCサブモジュール202内で立設されている。   Further, from the lower surface of the lower casing 229b, six legs 23 for making the SOFC cartridge 203 stand up in the pressure vessel 205 extend downward. In the example of the present embodiment, there are six legs 23, and the lower surface of each leg 23 is fixed to the upper surface of the horizontal portion 21 of the seal plate 15. That is, the six legs 23 are respectively mounted on a mount (not shown) provided in the pressure vessel 205 via the horizontal portion 21 and the lower exterior plate 5, and the SOFC cartridge 203 is It is set up in the SOFC submodule 202.

次に、上述の燃料ガス供給枝管207a等とSOFCサブモジュール202との接続態様について説明する。
上部ケーシング229aの上面に形成された燃料ガス供給孔231aからは、複数(図4の記載例では2本)の燃料ガス供給枝管207aがサブモジュール上部断熱材11を貫通して上方に延びている。上方に延びた複数の燃料ガス供給枝管207aは、それぞれ曲折し、合流する。合流した燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207に接続している。また、下部ケーシング229bの下面に形成された燃料ガス排出孔231bからは、複数(図4の記載例では2本)の燃料ガス排出枝管209aがサブモジュール下部断熱材12を貫通して下方に延びている。下方に延びた複数の燃料ガス排出枝管209aは、それぞれ曲折し、合流する。合流した燃料ガス排出枝管209aは、燃料ガス排出管209に接続している。
Next, the connection aspect of the above-mentioned fuel gas supply branch pipe 207a grade | etc., And the SOFC submodule 202 is demonstrated.
From the fuel gas supply holes 231a formed on the upper surface of the upper casing 229a, a plurality (two in the example of FIG. 4) of fuel gas supply branch pipes 207a extend upward through the submodule upper heat insulator 11 There is. The plurality of fuel gas supply branch pipes 207a extending upward respectively bend and merge. The merged fuel gas supply branch pipe 207 a is connected to the fuel gas supply pipe 207. Further, from the fuel gas discharge holes 231b formed on the lower surface of the lower casing 229b, a plurality of (two in the example of FIG. 4) fuel gas discharge branch pipes 209a penetrate the submodule lower thermal insulation material 12 and go downward. It extends. The plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a extending downward respectively bend and merge. The merged fuel gas discharge branch pipe 209 a is connected to the fuel gas discharge pipe 209.

上部ケーシング229aの側面に形成された酸化性ガス排出孔233bからは、酸化性ガス排出枝管214が延びている。酸化性ガス排出枝管214は、酸化性ガス排出孔233bから水平方向にサブモジュール側部断熱材13の内周面まで延び、サブモジュール側部断熱材13の内周面に沿うように上方に曲折し、サブモジュール上部断熱材11を貫通するように上方に延びている。上方に延びた酸化性ガス排出枝管214は、サブモジュール側部断熱材13の上端付近で、外方に曲折し、酸化性ガス排出管213に接続している。また、下部ケーシング229bの側面に形成された酸化性ガス供給孔233aからは、酸化性ガス供給枝管212が延びている。酸化性ガス供給枝管212は、酸化性ガス供給孔233aから水平方向にサブモジュール側部断熱材13の内周面まで延び、サブモジュール側部断熱材13の内周面に沿うように下方に曲折している。曲折して下方に延びる酸化性ガス供給枝管212は、酸化性ガス供給管211に接続している。   An oxidizing gas discharge branch pipe 214 extends from an oxidizing gas discharge hole 233b formed on the side surface of the upper casing 229a. The oxidizing gas discharge branch pipe 214 extends from the oxidizing gas discharge hole 233 b in the horizontal direction to the inner peripheral surface of the submodule side heat insulating material 13 and extends upward along the inner peripheral surface of the submodule side heat insulating material 13. It is bent and extends upward so as to penetrate the submodule upper heat insulating material 11. The oxidizing gas discharge branch pipe 214 extending upward is bent outward near the upper end of the submodule side heat insulating material 13 and connected to the oxidizing gas discharge pipe 213. An oxidizing gas supply branch pipe 212 extends from an oxidizing gas supply hole 233a formed on the side surface of the lower casing 229b. The oxidizing gas supply branch pipe 212 extends from the oxidizing gas supply hole 233 a in the horizontal direction to the inner peripheral surface of the submodule side heat insulating material 13, and extends downward along the inner peripheral surface of the submodule side heat insulating material 13. It is bent. The oxidative gas supply branch pipe 212 which is bent and extends downward is connected to the oxidative gas supply pipe 211.

SOFCモジュール201は、GTCC(Gas Turbine Combined Cycle:ガスタービンコンバインドサイクル発電)またはMGT(Micro Gas Turbine:マイクロガスタービン)と組み合わされて利用される複合発電システムに適用されることがある。このような複合発電システムでは、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がガスタービンの燃焼器(不図示)に供給されて高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスをガスタービンで断熱膨張させることにより生成される回転動力により、圧縮機を駆動して圧縮された圧縮ガスが酸化性ガスとしてSOFCモジュール201の酸化性ガス供給管211に供給される。なお、酸化性ガスとは、酸素を略15%〜30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用できる。   The SOFC module 201 may be applied to a combined power generation system utilized in combination with GTCC (Gas Turbine Combined Cycle: gas turbine combined cycle power generation) or MGT (Micro Gas Turbine: micro gas turbine). In such a combined power generation system, the exhaust fuel gas and the exhaust oxidizing gas exhausted from the SOFC module 201 are supplied to the combustor (not shown) of the gas turbine to generate high-temperature combustion gas, and the combustion gas is The compressed gas that is compressed by driving the compressor is supplied as the oxidizing gas to the oxidizing gas supply pipe 211 of the SOFC module 201 by the rotational power generated by the adiabatic expansion by the gas turbine. The oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% of oxygen, and typically air is preferable, but in addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air, and a mixture of oxygen and air Gas can be used.

本実施形態に係るSOFCサブモジュール202の組立て方法について図9を用いて説明する。
まず、側方外装板4と下方外装板5を接続し、この側方外装板4と下方外装板5を接続したもの(以下、この段落において単に「外装板」という。)を所定の位置に配置する。次に、サブモジュール下部断熱材12とサブモジュール側部断熱材13とを接続したもの(以下、この段落において単に「サブモジュール断熱材」という。)を上方から外装板の内部にはめ込み、外装板の内部に配設する。次に、SOFCカートリッジ203の組立てを行う。具体的には、セルスタック101の配設、複数の断熱部材8aの組立て、複数の断熱部材8aを組立てたカートリッジ側部断熱材8の配設等を行う。次に、組立てたSOFCカートリッジ203を上方からサブモジュール断熱材の内部にはめ込み、サブモジュール断熱材の内部に配設する。そして、最後にサブモジュール上部断熱材11をSOFCカートリッジ203の上方からサブモジュール断熱材の内部にはめ込む。なお、SOFCサブモジュール202を解体する際には、この逆の手順により行われる。
A method of assembling the SOFC submodule 202 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, the side exterior plate 4 and the lower exterior plate 5 are connected, and the one obtained by connecting the side exterior plate 4 and the lower exterior plate 5 (hereinafter simply referred to as "exterior plate" in this paragraph) is placed at a predetermined position. Deploy. Next, the submodule lower thermal insulator 12 and the submodule side thermal insulator 13 connected (hereinafter simply referred to as "submodule thermal insulator" in this paragraph) is fitted into the interior of the exterior plate from above, and the exterior plate Arranged inside the Next, the SOFC cartridge 203 is assembled. Specifically, arrangement of the cell stack 101, assembly of the plurality of heat insulating members 8a, arrangement of the cartridge side heat insulating material 8 in which the plurality of heat insulating members 8a are assembled, and the like are performed. Next, the assembled SOFC cartridge 203 is inserted from above into the interior of the submodule insulation, and disposed inside the submodule insulation. Finally, the submodule upper heat insulator 11 is inserted into the submodule heat insulator from above the SOFC cartridge 203. When disassembling the SOFC sub module 202, the reverse procedure is performed.

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、カートリッジ上部断熱材6とカートリッジ下部断熱材7とカートリッジ側部断熱材8とが、発電室215を囲っている。発電室215は、酸化性ガス供給隙間235a及び酸化性ガス排出隙間235b以外の残部では、カートリッジ上部断熱材6とカートリッジ下部断熱材7とカートリッジ側部断熱材8とによって、酸化性ガスの流入及び漏出が妨げられているので、圧力容器205の内部と発電室215との間で意図しない酸化性ガスの流入及び漏出を抑制することができる。したがって、圧力容器205内で発生する可能性のある、発電室215の内部と圧力容器205内の空間における発電室215の外部を上方から下方に向かい循環する酸化性ガスの自然対流循環の発生を抑制することができる。よって、酸化性ガスの自然対流循環に起因した圧力容器205外への放熱を抑制することができ、SOFCモジュール201の発電効率の低下を抑制することができる。
According to the present embodiment, the following effects are achieved.
In the present embodiment, the cartridge upper heat insulator 6, the cartridge lower heat insulator 7, and the cartridge side heat insulator 8 surround the power generation chamber 215. In the remaining part of the power generation chamber 215 other than the oxidizing gas supply gap 235a and the oxidizing gas discharge gap 235b, the inflow of the oxidizing gas by the cartridge upper heat insulator 6, the cartridge lower heat insulator 7, and the cartridge side heat insulator 8 Since the leakage is prevented, it is possible to suppress the inflow and leakage of the unintended oxidizing gas between the inside of the pressure vessel 205 and the power generation chamber 215. Therefore, the natural convection circulation of oxidizing gas which circulates from the top to the bottom of the inside of the power generation chamber 215 and the space outside the power generation chamber 215 in the space in the pressure container 205 may occur. It can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the heat radiation to the outside of the pressure vessel 205 due to the natural convection circulation of the oxidizing gas, and it is possible to suppress the decrease in the power generation efficiency of the SOFC module 201.

また、カートリッジ側部断熱材8が、上下の端面がカギ状の凹凸形状を有する複数の断熱部材8aで構成されている。したがって、カートリッジ側部断熱材8の組立て時の位置決めと密着化する作業を簡易にすることができる。また、複数の断熱部材8aは、上下に隣り合う断熱部材8a同士の凹凸が嵌め合わされるように接続されるいわゆるインロー構造となっていて、断熱部材8a同士の間に連続した隙間が発生しにくい構造として、酸化性ガスの通過を抑制しているので、断熱部材8a同士の隙間を流れる酸化性ガスの流通するためには圧損が高くなる。したがって、断熱部材8a同士の隙間からの酸化性ガスの流入及び漏出を抑制することができる。   Further, the cartridge side heat insulating material 8 is constituted by a plurality of heat insulating members 8 a whose upper and lower end surfaces have a key-like uneven shape. Therefore, the operation of positioning and intimately attaching the cartridge side heat insulating material 8 at the time of assembly can be simplified. Further, the plurality of heat insulating members 8a have a so-called inlay structure connected so that the concavities and convexities of the heat insulating members 8a adjacent to each other in the upper and lower sides are fitted together, and a continuous gap is less likely to occur between the heat insulating members 8a. As a structure, since the passage of the oxidizing gas is suppressed, the pressure loss becomes high in order to flow the oxidizing gas flowing through the gap between the heat insulating members 8a. Therefore, the inflow and leakage of the oxidizing gas from the gap between the heat insulating members 8a can be suppressed.

また、側方外装板4を設けているので、SOFCサブモジュール202の側方から、発電室215内に流入しようとする酸化性ガスは、まず、側方外装板4によって妨げられ、発電室215から圧力容器205の内部に漏出する酸化性ガスは最終的には側方外装板4によって妨げられる。また、下方からSOFCサブモジュール202内に流入しようとする酸化性ガスは、まず、下方外装板5または下部ケーシング229bの底面によって妨げられる。このように、カートリッジ断熱材2よりも、外側でも酸化性ガスの流入を防止しているので、より確実に、発電室215内と圧力容器205の内部との間で意図しない酸化性ガスの流入や漏出を抑制することができる。したがって、より確実に発電室215の内部から漏出し、圧力容器205内の空間における発電室215の外部を上方から下方に向かい循環する酸化性ガスの自然対流循環を抑制することができる。よって、酸化性ガスの自然対流循環に起因した圧力容器205外への放熱を抑制することができ、SOFCモジュール201の発電効率の低下を抑制することができる。   In addition, since the side exterior plate 4 is provided, the oxidizing gas which is going to flow into the power generation chamber 215 from the side of the SOFC submodule 202 is first blocked by the side exterior plate 4, and the power generation chamber 215 The oxidizing gas which leaks from the pressure vessel 205 into the interior of the pressure vessel 205 is eventually blocked by the side cladding 4. Further, the oxidizing gas which is going to flow into the SOFC submodule 202 from below is first blocked by the bottom surface of the lower exterior plate 5 or the lower casing 229b. As described above, since the inflow of the oxidizing gas is prevented even outside the cartridge heat insulating material 2, the inflow of the unintended oxidizing gas between the inside of the power generation chamber 215 and the inside of the pressure vessel 205 is ensured more reliably. And leakage can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress natural convection circulation of oxidizing gas which leaks from the inside of the power generation chamber 215 more reliably and circulates downward from the top of the power generation chamber 215 in the space in the pressure vessel 205 from above. Therefore, it is possible to suppress the heat radiation to the outside of the pressure vessel 205 due to the natural convection circulation of the oxidizing gas, and it is possible to suppress the decrease in the power generation efficiency of the SOFC module 201.

また、下部ケーシング229bの底面が下方外装板5で覆われていない。燃料ガス排出枝管209aや集電棒等が下方外装板5を貫通する構造とした場合、下方外装板5の内側に酸化性ガスが流入しないように、燃料ガス排出枝管209aや集電棒の貫通箇所を個々に密閉構造とする必要があり、構造が複雑となる。特に、集電棒は、絶縁性を確保しつつ密閉構造とする必要があり、構造が複雑になる。本実施形態では、下部ケーシング229bの底面が下方外装板5で覆われていなく、シール板15を用いて下部ケーシング229bの底面と下方外装板5を接続し、シール板15の略中心部に形成された開口を形成しているので、燃料ガス排出室219に連通する燃料ガス排出枝管209aや集電棒等について、下方外装板5を貫通しない簡易な構造とすることができる。   Further, the bottom surface of the lower casing 229 b is not covered by the lower exterior plate 5. In the case where the fuel gas discharge branch pipe 209a or the current collection rod penetrates the lower exterior plate 5, the fuel gas discharge branch pipe 209a or the current collection rod penetrates so that the oxidizing gas does not flow into the lower exterior plate 5 The locations need to be individually sealed, which makes the structure complicated. In particular, the current collector needs to have a sealed structure while securing insulation, and the structure becomes complicated. In the present embodiment, the bottom surface of the lower casing 229 b is not covered with the lower exterior plate 5, and the bottom surface of the lower casing 229 b and the lower exterior plate 5 are connected using the seal plate 15. Since the formed opening is formed, the fuel gas discharge branch pipe 209a communicating with the fuel gas discharge chamber 219, the current collecting rod, and the like can have a simple structure that does not penetrate the lower exterior plate 5.

また、SOFCサブモジュール202の組立てを行う際に、側方の位置決めについては、側方外装板4を基準として組み立てることができ、上下方向の位置決めは、下方外装板5を基準として組み立てを行うことができる。したがって、組立てを行う際の位置決め作業を容易にすることができる。   Further, when the SOFC sub-module 202 is assembled, the lateral positioning can be assembled with the side exterior plate 4 as a reference, and the vertical positioning can be assembled with the lower exterior plate 5 as a reference Can. Therefore, the positioning operation at the time of assembling can be facilitated.

また、下方外装板5の上面と下部ケーシング229bの底面とを接続するシール板15が設けられている。これにより、図7の矢印に示すように、燃料ガス排出枝管209aがサブモジュール下部断熱材12を貫通する箇所から、酸化性ガスが流入した場合であっても、流入した酸化性ガスは、シール板15に阻まれ、発電室215までは至らない。したがって、下方外装板5の上面と下部ケーシング229bの底面との間に空間を形成し、脚部23を設けた構成であっても、SOFCサブモジュール202内に酸化性ガスが流入することを防止することができる。   In addition, a seal plate 15 is provided which connects the upper surface of the lower exterior plate 5 and the bottom surface of the lower casing 229b. As a result, as shown by the arrows in FIG. 7, even if the oxidizing gas flows in from the location where the fuel gas discharge branch pipe 209 a penetrates the submodule lower heat insulating material 12, the oxidizing gas that has flowed in is It is blocked by the seal plate 15 and does not reach the power generation chamber 215. Therefore, even if the space is formed between the upper surface of the lower exterior plate 5 and the bottom surface of the lower casing 229 b and the leg portion 23 is provided, the oxidizing gas is prevented from flowing into the SOFC submodule 202 can do.

また、側方外装板4の上端には、SOFCサブモジュール202の上方を覆い、側方外装板4の上端と接続して固定する蓋材が設けられていないので、SOFCサブモジュール202を構成する部材が高温により熱膨張した場合であっても、熱膨張を上方に許容することができる。   Further, since the lid of the upper side of the side exterior plate 4 covers the upper side of the SOFC sub-module 202 and is connected and fixed to the upper end of the side exterior plate 4 is not provided, the SOFC sub-module 202 is configured. Even when the member thermally expands due to high temperature, the thermal expansion can be allowed upward.

また、下方外装板5に貫通穴16が形成され、貫通穴16に連通する筒状部17が設けられている。これにより、下部ケーシング229bの下側に向かい配設が必要な配管、すなわち下部ケーシング229bの側方から下方に向かって延びる酸化性ガス供給枝管212を貫通穴16及び筒状部17の内部を挿通されることで、酸化性ガス供給枝管212をSOFCサブモジュール202の外部に配置されている酸化性ガス供給管211と連通させることができる。また、筒状部17の内部を挿通させているので、挿通部分が二重管構造として一端をシール固定する構造とすることで、酸化性ガス供給枝管212が下方外装板5を貫通する構造としても、貫通部分からSOFCサブモジュール202の内部に酸化性ガスが流入や、圧力容器205内の空間へ漏出することを抑制することができる。   Further, a through hole 16 is formed in the lower exterior plate 5, and a cylindrical portion 17 communicating with the through hole 16 is provided. As a result, the piping that needs to be disposed toward the lower side of the lower casing 229b, that is, the oxidizing gas supply branch pipe 212 extending downward from the side of the lower casing 229b, is inserted into the through hole 16 and the tubular portion 17 By being inserted, the oxidizing gas supply branch pipe 212 can be communicated with the oxidizing gas supply pipe 211 disposed outside the SOFC submodule 202. Further, since the inside of the cylindrical portion 17 is inserted, the oxidizing gas supply branch pipe 212 penetrates the lower exterior plate 5 by making the insertion part a double pipe structure and sealing one end thereof. Also, the oxidizing gas can be suppressed from flowing into the interior of the SOFC submodule 202 from the penetrating portion and leaking into the space in the pressure vessel 205.

また、筒状部17の一部が可撓性を有して上下方向への伸縮を許容するフレキシブル管18で形成されている。これにより、筒状部17または酸化性ガス供給枝管212が高温にさらされて筒状部17と酸化性ガス供給枝管212との温度差による熱膨張差を発生しても、フレキシブル管18が上下方向の伸縮を吸収するので、筒状部17と酸化性ガス供給枝管212との固定部分を拘束しないので配管に発生する応力を低減することができる。また、酸化性ガス供給枝管212の一部も可撓性を有するフレキシブル管19で形成されている。したがって、酸化性ガス供給枝管212側でも上下方向の伸縮を吸収することができるので、筒状部17と酸化性ガス供給枝管212との固定部分を拘束しないので配管に発生する応力を、より低減することができる。   Further, a part of the cylindrical portion 17 is formed of a flexible pipe 18 which has flexibility and allows expansion and contraction in the vertical direction. Thereby, even if the cylindrical portion 17 or the oxidizing gas supply branch pipe 212 is exposed to a high temperature and a thermal expansion difference is generated due to the temperature difference between the cylindrical portion 17 and the oxidizing gas supply branch pipe 212, the flexible pipe 18 Since the expansion and contraction in the vertical direction is absorbed, the fixed part between the cylindrical portion 17 and the oxidizing gas supply branch pipe 212 is not restrained, so that the stress generated in the pipe can be reduced. Further, a part of the oxidizing gas supply branch pipe 212 is also formed of a flexible pipe 19 having flexibility. Therefore, since expansion and contraction in the vertical direction can be absorbed even on the side of the oxidizing gas supply branch pipe 212, stress generated in the piping is not restricted because the fixed portion between the cylindrical portion 17 and the oxidizing gas supply branch pipe 212 is not restricted. It can be further reduced.

また、酸化性ガス供給枝管212及び酸化性ガス排出枝管214が、側方外装板4及びサブモジュール側部断熱材13の内側で上下方向に延在しているので、酸化性ガス供給枝管212及び酸化性ガス排出枝管214と側方外装板4及びサブモジュール側部断熱材13とが干渉しない。これにより、側方外装板4に酸化性ガス供給枝管212及び酸化性ガス排出枝管214を貫通させるための構造を形成する必要がないので、簡易な構成とすることができる。   Further, since the oxidizing gas supply branch pipe 212 and the oxidizing gas discharge branch pipe 214 extend in the vertical direction inside the side exterior plate 4 and the submodule side heat insulating material 13, the oxidizing gas supply branch The pipe 212 and the oxidizing gas discharge branch pipe 214 do not interfere with the side armor plate 4 and the submodule side heat insulating material 13. As a result, there is no need to form a structure for causing the oxidizing gas supply branch pipe 212 and the oxidizing gas discharge branch pipe 214 to pass through the side exterior plate 4, and thus the configuration can be simplified.

また、酸化性ガス供給枝管212及び酸化性ガス排出枝管214と側方外装板4及びサブモジュール側部断熱材13とが干渉しない構造となっているので、SOFCサブモジュール202の組立てを行う際に、側方外装板4及びサブモジュール側部断熱材13と、SOFCカートリッジ203とを別々に組立てることができる。側方外装板4及びサブモジュール側部断熱材13と、SOFCカートリッジ203とを別々に組立てたのちに、側方外装板4及びサブモジュール側部断熱材13に対して、SOFCカートリッジ203を上方からはめ込むことで、簡易にSOFCサブモジュール202の組立てることができる。また、分解する際も側方外装板4及びサブモジュール側部断熱材13からSOFCカートリッジ203を上方から引き抜くことで、簡易にSOFCサブモジュール202の分解を行うことができる。また、酸化性ガス供給枝管212及び酸化性ガス排出枝管214がサブモジュール側部断熱材13を貫通していないので、SOFCサブモジュール202を分解する際にサブモジュール側部断熱材13を破損させることなく分解することができる。   In addition, since the oxidizing gas supply branch pipe 212 and the oxidizing gas discharge branch pipe 214 do not interfere with the side exterior plate 4 and the submodule side heat insulating material 13, the SOFC submodule 202 is assembled. In this case, the side exterior plate 4 and the submodule side thermal insulator 13 and the SOFC cartridge 203 can be assembled separately. After separately assembling the side exterior plate 4 and the submodule side heat insulating material 13 and the SOFC cartridge 203, the SOFC cartridge 203 is placed on the side exterior plate 4 and the submodule side heat insulating material 13 from above. By fitting, the SOFC submodule 202 can be easily assembled. Also in disassembling, the SOFC sub module 202 can be easily disassembled by pulling out the SOFC cartridge 203 from the upper side from the side exterior plate 4 and the sub module side heat insulating material 13. Further, since the oxidizing gas supply branch pipe 212 and the oxidizing gas discharge branch pipe 214 do not penetrate the submodule side heat insulating material 13, the submodule side heat insulating material 13 is broken when disassembling the SOFC submodule 202. It can be disassembled without

なお、本発明は、上記各実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、下方外装板5が、SOFCサブモジュール202の下方の一部のみを覆っているが、下方外装板は、SOFCサブモジュール202の下方の全部を覆っていてもよい。すなわち、下方外装板は、枠状に形成されている側方外装板4の下端に形成されている開口を全て覆うように設けてもよい。
このような構成とすれば、側方からSOFCサブモジュール202内に流入しようとする酸化性ガスは、側方外装板4によって妨げられるとともに、SOFCサブモジュール202の下方全体が下方外装板5で覆われているので、下方からSOFCサブモジュール202内に流入しようとする酸化性ガスは、確実に下方外装板5によって妨げられる。したがって、意図しない酸化性ガスが圧力容器205の内部と発電室215との間で流入や漏出するのをより確実に抑制することができる。
The present invention is not limited to the invention according to the above-described embodiments, and appropriate modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, although the lower exterior plate 5 covers only a part of the lower part of the SOFC submodule 202 in the above embodiment, the lower exterior plate may cover the entire lower part of the SOFC submodule 202. That is, the lower exterior plate may be provided so as to cover all the openings formed at the lower end of the side exterior plate 4 formed in a frame shape.
With such a configuration, the oxidizing gas that tends to flow into the SOFC submodule 202 from the side is blocked by the side exterior plate 4, and the entire lower part of the SOFC submodule 202 is covered with the lower exterior plate 5. The lower exterior plate 5 reliably prevents the oxidizing gas from flowing into the SOFC submodule 202 from below. Therefore, it is possible to more reliably suppress the inflow and leakage of unintended oxidizing gas between the inside of pressure vessel 205 and power generation chamber 215.

また、上記実施形態では、下方外装板5と下部ケーシング229bとをシール板15を介して固定しているが、下方外装板5と下部ケーシング229bとを離間しないように配置し、下方外装板5と下部ケーシング229bとを直接固定してもよい。   In the above embodiment, the lower exterior plate 5 and the lower casing 229 b are fixed via the seal plate 15, but the lower exterior plate 5 and the lower casing 229 b are disposed so as not to be separated. And the lower casing 229b may be fixed directly.

2 カートリッジ断熱材(密閉部材)
3 サブモジュール断熱材
4 側方外装板
5 下方外装板
6 カートリッジ上部断熱材
7 カートリッジ下部断熱材
8 カートリッジ側部断熱材
11 サブモジュール上部断熱材
12 サブモジュール下部断熱材
13 サブモジュール側部断熱材
15 シール板
16 貫通穴
17 筒状部(筒状部材)
23 脚部
101 セルスタック
103 基体管
105 燃料電池セル
201 SOFCモジュール(燃料電池モジュール)
202 SOFCサブモジュール(燃料電池サブモジュール)
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
211 酸化性ガス供給管
212 酸化性ガス供給枝管(酸化性ガス流通管)
213 酸化性ガス排出管
214 酸化性ガス排出枝管
215 発電室
217 燃料ガス供給室
219 燃料ガス排出室(燃料ガスヘッダ)
221 酸化性ガス供給室
223 酸化性ガス排出室
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
235a 酸化性ガス供給隙間(酸化性ガス供給部)
235b 酸化性ガス排出隙間(酸化性ガス排出部)
2 Cartridge insulation (sealing member)
3 submodule heat insulator 4 side exterior plate 5 lower exterior plate 6 cartridge upper heat insulator 7 cartridge lower heat insulator 8 cartridge side heat insulator 11 submodule upper heat insulator 12 submodule lower heat insulator 13 submodule side heat insulator 15 Seal plate 16 through hole 17 cylindrical portion (cylindrical member)
23 leg part 101 cell stack 103 base tube 105 fuel cell 201 SOFC module (fuel cell module)
202 SOFC submodule (fuel cell submodule)
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 211 oxidizing gas supply pipe 212 oxidizing gas supply branch pipe (oxidizing gas flow pipe)
213 Oxidizing gas discharge pipe 214 Oxidizing gas discharge branch pipe 215 Power generation chamber 217 Fuel gas supply chamber 219 Fuel gas discharge chamber (fuel gas header)
221 Oxidizing gas supply chamber 223 Oxidizing gas discharge chamber 227a Upper heat insulator 227b Lower heat insulator 229a Upper casing 229b Lower casing 235a Oxidizing gas supply gap (oxidizing gas supply part)
235b Oxidizing gas discharge gap (oxidizing gas discharge part)

Claims (14)

圧力容器内に収容される燃料電池サブモジュールであって、
燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発電する燃料電池セルを備える少なくとも1つのセルスタックと、
前記セルスタックの囲むように配置され、側方を規定する側方外装板と、を備える燃料電池サブモジュール。
A fuel cell submodule housed in a pressure vessel, comprising:
At least one cell stack comprising a fuel cell generating electricity by supplying a fuel gas and an oxidizing gas;
A fuel cell submodule including a side covering plate disposed so as to surround the cell stack and defining a side.
前記側方外装板は、上端に、当該側方外装板の上縁で規定される開口を有する請求項1に記載の燃料電池サブモジュール。   The fuel cell submodule according to claim 1, wherein the side armoring plate has an opening at an upper end thereof defined by an upper edge of the side armoring plate. 前記側方外装板の下端に接続し、該側方外装板の下端に形成される開口を塞ぐ下方外装板を備える請求項1に記載の燃料電池サブモジュール。   The fuel cell submodule according to claim 1, further comprising a lower exterior plate connected to the lower end of the side exterior plate and closing an opening formed in the lower end of the side exterior plate. 前記下方外装板には、貫通穴が形成され、
前記下方外装板は、前記貫通穴と連通し、鉛直下方に延びる筒状部材を備えている請求項3に記載の燃料電池サブモジュール。
A through hole is formed in the lower exterior plate,
The fuel cell submodule according to claim 3, wherein the lower exterior plate includes a cylindrical member which communicates with the through hole and extends vertically downward.
前記筒状部材の内部を挿通する配管を備え、
前記筒状部材の一部は、可撓性を備えるフレキシブル管で形成され、
前記フレキシブル管で形成された部分は、前記筒状部材と前記配管とをシール固定する部分よりも鉛直上方に位置している請求項4に記載の燃料電池サブモジュール。
It has piping which penetrates the inside of the above-mentioned cylindrical member,
A portion of the tubular member is formed of a flexible tube having flexibility,
5. The fuel cell submodule according to claim 4, wherein the portion formed of the flexible pipe is vertically above a portion for sealing and fixing the cylindrical member and the pipe.
複数の前記セルスタックが接続され、複数の該セルスタックに前記燃料ガスの供給または複数の該セルスタックから前記燃料ガスの排出を行う燃料ガスヘッダと、
一端が前記側方外装板の下端に接続され、他端が前記燃料ガスヘッダの側方端部に対して接続される下方外装板と、を備えた請求項1に記載の燃料電池サブモジュール。
A fuel gas header connected to the plurality of cell stacks and supplying the fuel gas to the plurality of cell stacks or discharging the fuel gas from the plurality of cell stacks;
The fuel cell submodule according to claim 1, further comprising: a lower armor plate connected at one end to the lower end of the side armor plate and connected at the other end to the side end of the fuel gas header.
前記下方外装板の鉛直方向上面と前記燃料ガスヘッダの底面とは、鉛直上下方向に離間し、
前記下方外装板の鉛直方向上面と前記燃料ガスヘッダの底面とは、鉛直上下方向に延びるシール板を介して接続されている請求項6に記載の燃料電池サブモジュール。
The upper surface of the lower exterior plate in the vertical direction and the bottom surface of the fuel gas header are vertically separated from each other,
7. The fuel cell submodule according to claim 6, wherein the upper surface of the lower exterior plate in the vertical direction and the bottom surface of the fuel gas header are connected via a seal plate extending in the vertical direction.
前記セルスタックの少なくとも一部分を囲う密閉部材と、を備え、
複数の前記セルスタックは、それぞれ、前記燃料電池セルが設けられる中央部と、前記燃料電池セルが設けられていない端部とを含み、
前記密閉部材が囲う前記セルスタックの一部分は、前記燃料電池セルが設けられる前記中央部であり、
前記密閉部材は、該密閉部材の内部の複数の前記セルスタック周囲に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、該内部から前記酸化性ガスを排出する酸化性ガス排出部とを備え、前記酸化性ガス供給部及び前記酸化性ガス排出部以外の残部では、該内部への前記酸化性ガスの流入及び該内部からの前記酸化性ガスの漏出を抑制する請求項1に記載の燃料電池サブモジュール。
A sealing member surrounding at least a portion of the cell stack;
Each of the plurality of cell stacks includes a central portion in which the fuel cells are provided, and an end portion in which the fuel cells are not provided.
The part of the cell stack surrounded by the sealing member is the central portion where the fuel cell is provided,
The sealing member includes an oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas around the plurality of cell stacks inside the sealing member, and an oxidizing gas discharge unit that discharges the oxidizing gas from the inside. The fuel according to claim 1, wherein in the remaining portion other than the oxidizing gas supply unit and the oxidizing gas discharge unit, the inflow of the oxidizing gas into the inside and the leakage of the oxidizing gas from the inside are suppressed. Battery sub module.
前記酸化性ガス供給部または前記酸化性ガス排出部と連通する酸化性ガス流通管を備え、
前記酸化性ガス流通管は、前記側方外装板の内側で、鉛直上下方向に延在している請求項8に記載の燃料電池サブモジュール。
An oxidizing gas flow pipe communicating with the oxidizing gas supply unit or the oxidizing gas discharge unit;
The fuel cell submodule according to claim 8, wherein the oxidizing gas flow pipe extends vertically in the vertical direction inside the side armor plate.
圧力容器と、
前記圧力容器内に収容される請求項1から請求項9のいずれかに記載の燃料電池サブモジュールと、を備えた燃料電池モジュール。
A pressure vessel,
A fuel cell module comprising: the fuel cell submodule according to any one of claims 1 to 9 housed in the pressure vessel.
請求項10に記載の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュール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を備え、
前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、
複数の前記セルスタックは、前記燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電する複合発電システム。
A fuel cell module according to claim 10,
A gas turbine generating rotational power using exhaust fuel gas exhausted from the fuel cell module and exhaust oxidizing gas;
The oxidizing gas compressed using the rotational power is supplied to the fuel cell module,
A combined power generation system, wherein a plurality of the cell stacks generate power using the fuel gas and the oxidizing gas.
燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発電する燃料電池セルを備える少なくとも1つのセルスタックと、
前記セルスタックの囲むように配置され、側方を規定する側方外装板と、前記側方外装板の下端に接続し、該側方外装板の下端に形成される開口を塞ぐ下方外装板とを備える燃料電池サブモジュールの組立方法であって、
前記側方外装板と前記下方外装板を接続する接続工程と、
前記接続工程で接続した前記側方外装板に対して、鉛直上方から前記セルスタックを挿入するセルスタック挿入工程と、を備えたサブモジュールの組み立て方法。
At least one cell stack comprising a fuel cell generating electricity by supplying a fuel gas and an oxidizing gas;
A side exterior plate disposed so as to surround the cell stack and defining a side, and a lower exterior plate connected to the lower end of the side exterior plate and closing an opening formed in the lower end of the side exterior plate A method of assembling a fuel cell sub-module comprising
A connecting step of connecting the side exterior plate and the lower exterior plate;
And a cell stack inserting step of inserting the cell stack vertically from above with respect to the side armoring plate connected in the connecting step.
前記セルスタックを囲うように密閉部材を配設する密閉部材配設工程をさらに備えた請求項12に記載のサブモジュールの組み立て方法。   The method of assembling a submodule according to claim 12, further comprising a sealing member disposing step of disposing a sealing member so as to surround the cell stack. 前記側方外装板及び前記下方外装板の内部にサブモジュール断熱材を嵌め込むサブモジュール断熱材嵌め込み工程をさらに備えた請求項12または請求項13に記載のサブモジュールの組み立て方法。   The method of assembling a submodule according to claim 12 or 13, further comprising a submodule heat insulator fitting step of fitting a submodule heat insulator into the inside of the side exterior plate and the lower exterior plate.
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