JP2024046541A - Hot module for fuel cell system - Google Patents

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Abstract

【課題】セルスタックの動作温度を適正範囲に維持することが容易となる燃料電池システムのホットモジュールを提供する。【解決手段】燃料電池セルスタックと、冷却用空気が流通する冷却体と、を備え、前記冷却体を前記セルスタックの近傍に設置すると共に、前記冷却体に導入する冷却用空気の流量を調整することにより、ホットモジュール内部の熱量を制御する燃料電池システムのホットモジュールとする。【選択図】図1[Problem] To provide a hot module for a fuel cell system that makes it easy to maintain the operating temperature of a cell stack within an appropriate range. [Solution] The hot module for a fuel cell system includes a fuel cell stack and a cooling body through which cooling air flows, and the cooling body is installed near the cell stack, and the amount of heat inside the hot module is controlled by adjusting the flow rate of the cooling air introduced into the cooling body. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムのホットモジュールに関する。 The present invention relates to a hot module for a fuel cell system.

従来、ガスタービン発電機やガスエンジン発電機に比べて環境有害物質の放出が少なく発電効率に優れる発電装置として、様々なタイプの燃料電池が開発されてきた。特に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は50%以上の高い発電効率が得られるため、産業用から家庭用まで広範な出力範囲の発電に利用される。 Traditionally, various types of fuel cells have been developed as power generation devices that emit less environmentally harmful substances and have superior power generation efficiency compared to gas turbine generators and gas engine generators. In particular, solid oxide fuel cells (SOFCs) can achieve a high power generation efficiency of over 50%, and are therefore used to generate power over a wide range of outputs, from industrial to domestic use.

燃料電池システムは、都市ガス等のメタン含有ガスを原燃料とする改質形と、水素を原燃料とする非改質形があるが、日本国内では水素供給インフラが整備途上であるため、前者が主流となっている。改質形燃料電池システムでは、発電のコアとなる燃料電池セルスタック(以下、単にセルスタックと称することがある)と燃料改質やガス予熱などに必要な補助機器をパッケージにして、熱的に自立可能なホットモジュールを構成している。ホットモジュールは、特許文献1~3に開示されるように、発電出力に応じた複数個のセルスタックを備えている。 There are two types of fuel cell systems: a reformed type that uses methane-containing gas such as city gas as the raw fuel, and a non-reformed type that uses hydrogen as the raw fuel.However, as the hydrogen supply infrastructure is still under development in Japan, the former is has become the mainstream. In a reforming fuel cell system, a fuel cell stack (hereinafter sometimes simply referred to as a cell stack), which is the core of power generation, and auxiliary equipment necessary for fuel reforming, gas preheating, etc. are packaged together, and thermally It constitutes a self-supporting hot module. As disclosed in Patent Documents 1 to 3, the hot module includes a plurality of cell stacks depending on the power generation output.

特表2014-507759号公報Special Publication No. 2014-507759 特開2021-15674号公報JP 2021-15674 Publication 特開2021-12806号公報JP 2021-12806 A

SOFCセルスタックの動作温度は、素材や製法の改良により、以前の700~900℃から近年は500~700℃まで低温化している。この動作温度の差は、主に発電セルの損失エネルギーに基因している。つまり、近年のセルスタックは、発電損失が改善されていると言える一方、発電セルを長期間使用していると、固体電解質および電極材料の活性低下、あるいはインターコネクタやガラスシール等の経年劣化が進み、損失エネルギーが初期状態よりも増大していく。すると、セルスタックの動作温度が徐々に上昇し、やがて適正範囲から外れることになる。セルスタックの動作温度が適正範囲から外れた状態で使用を続けると、燃料利用率を大幅に悪化させたり、ホットモジュールの熱バランスを損なったりするおそれがある。 Thanks to improvements in materials and manufacturing methods, the operating temperature of SOFC cell stacks has been reduced from 700-900°C to 500-700°C in recent years. This difference in operating temperature is mainly due to the energy loss of the power generation cells. In other words, while it can be said that power generation losses have been improved in recent cell stacks, when power generation cells are used for a long period of time, the activity of the solid electrolyte and electrode materials decreases, and the interconnectors and glass seals deteriorate over time, causing the energy loss to increase compared to the initial state. This causes the operating temperature of the cell stack to gradually rise and eventually go outside the appropriate range. If the cell stack is continued to be used when the operating temperature is outside the appropriate range, it may significantly deteriorate the fuel utilization rate or impair the thermal balance of the hot module.

そこで、特許文献3では、カソード空気(酸化剤含有ガス)をホットモジュールに導入する前に冷却水で冷却し、低温のカソード空気をセルスタックに供給するように構成している。この構成によれば、セルスタックの内部の過剰な熱量がカソードオフガスに同伴して排出されることになり、セルスタックの動作温度が適正範囲に維持される。しかしながら、特許文献3の構成では、次の懸念点が存在する。 In Patent Document 3, therefore, the cathode air (oxidant-containing gas) is cooled with cooling water before being introduced into the hot module, and the low-temperature cathode air is supplied to the cell stack. With this configuration, excess heat inside the cell stack is discharged together with the cathode off-gas, and the operating temperature of the cell stack is maintained within an appropriate range. However, the configuration of Patent Document 3 has the following concerns:

第1の懸念点は、カソード空気の外部冷却によりセルスタックの動作温度を間接的に制御する一方で、セルスタックからの放熱量も完全に制御しなくてはならないことである。ホットモジュールの内部に蓄積した過剰な熱量を放出する手段を持たないため、セルスタック自体を断熱材で覆うなど、ホットモジュールの組立工数や材料コストを上昇させる特別な処置を必要とする。また、セルスタックからの放射伝熱を原燃料ガスの水蒸気改質反応等の熱自立に利用しないので、大量の余剰廃熱が発生することになり、モノジェネ型のSOFCシステムが成立し難い。 The first concern is that while the operating temperature of the cell stack is indirectly controlled by external cooling of the cathode air, the amount of heat dissipated from the cell stack must also be completely controlled. As there is no means of releasing the excess heat accumulated inside the hot module, special measures are required, such as covering the cell stack itself with insulating material, which increases the assembly labor and material costs of the hot module. In addition, as the radiant heat transfer from the cell stack is not used for thermal self-sustaining reactions such as the steam reforming reaction of the raw fuel gas, a large amount of surplus waste heat is generated, making it difficult to establish a mono-generation type SOFC system.

第2の懸念点は、セルスタックの動作温度まで予熱されていないカソード空気の供給が、固体電解質の温度を下げる側に作用することである。そのため、セルスタックの発電性能が初期状態からあまり変化しておらず発電セルの損失エネルギーが微小であったとしても、カソード空気の低い温度が固体電解質のイオン透過能に悪影響を及ぼすことにより、発電反応量の低下を招くおそれがある。 The second concern is that the supply of cathode air that has not been preheated to the operating temperature of the cell stack acts to lower the temperature of the solid electrolyte. Therefore, even if the power generation performance of the cell stack has not changed significantly from the initial state and the energy loss of the power generation cells is minimal, the low temperature of the cathode air may adversely affect the ion permeability of the solid electrolyte, resulting in a decrease in the amount of power generation reaction.

第3の懸念点は、冷却水を循環させるための付帯設備(循環ポンプやバッファタンク等)や冷却水の再冷却設備(冷却塔やチラー等)が必要になることである。そのため、システムのイニシャルコストが高額になるうえ、これら設備の電力消費によって発電効率が大幅に下がることもあり得る。また、大気開放型の水循環では、水中での細菌(特に、レジオネラ属菌)の繁殖を抑制するため、殺菌剤の添加やブローダウン等、適切な水質管理も必須となろう。 The third point of concern is that incidental equipment for circulating cooling water (circulation pump, buffer tank, etc.) and cooling water re-cooling equipment (cooling tower, chiller, etc.) are required. As a result, the initial cost of the system is high, and the power consumption of these facilities can significantly reduce power generation efficiency. In addition, in a water cycle that is open to the atmosphere, appropriate water quality management, such as adding disinfectants and blowdowns, is essential in order to suppress the proliferation of bacteria (particularly Legionella bacteria) in the water.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、セルスタックの動作温度を適正範囲に維持することが容易な燃料電池システムのホットモジュールを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a hot module for a fuel cell system that makes it easy to maintain the operating temperature of the cell stack within an appropriate range.

本発明に係る燃料電池システムのホットモジュールは、燃料電池セルスタックと、冷却用空気が流通する冷却体と、を備え、前記冷却体を前記セルスタックの近傍に設置すると共に、前記冷却体に導入する冷却用空気の流量を調整することにより、ホットモジュール内部の熱量を制御する構成とする。本構成によれば、ホットモジュールの内部に蓄積した過剰な熱量を放出する手段を有しているので、セルスタックの動作温度を適正範囲に維持することが容易となる。 A hot module of a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack and a cooling body through which cooling air flows, and the cooling body is installed near the cell stack and introduced into the cooling body. By adjusting the flow rate of cooling air, the amount of heat inside the hot module is controlled. According to this configuration, since there is a means for discharging excess heat accumulated inside the hot module, it becomes easy to maintain the operating temperature of the cell stack within an appropriate range.

上記構成としてより具体的には、前記燃料電池セルスタックの複数個を集積してセルスタック集合体を構成し、前記冷却体を前記セルスタック集合体の近傍に設置する構成としても良い。また上記構成としてより具体的には、前記冷却体は、当該冷却体の内部を流通する冷却用空気の流れ方向と、前記セルスタックの内部を流通するアノード燃料の流れ方向とが略同じ方向になるように、前記セルスタックないし前記セルスタック集合体の近傍に設置される構成としても良い。なおここでの「略同じ方向」であるとは、一方の流体の入口基準点と出口基準点を結ぶ直線に沿った基準流れの方向と、他方の流体の基準流れの方向とが45°以内である場合のこととする。 More specifically, the above configuration may be such that a plurality of fuel cell stacks are integrated to form a cell stack assembly, and the cooling body is installed near the cell stack assembly. Further, more specifically, in the above configuration, the cooling body is configured such that the flow direction of the cooling air flowing through the cooling body and the flow direction of the anode fuel flowing through the inside of the cell stack are substantially the same. As such, it may be installed near the cell stack or the cell stack assembly. Note that "substantially the same direction" here means that the reference flow direction along the straight line connecting the inlet reference point and outlet reference point of one fluid and the reference flow direction of the other fluid are within 45 degrees. This is the case when .

上記構成としてより具体的には、前記冷却体は、箱状または管状の形状を有する構成としても良い。上記構成としてより具体的には、前記冷却体は、その内部に冷却用空気の乱流を促進する構造物ないし充填物を有する構成としても良い。 More specifically, the cooling body may have a box-like or tubular shape. More specifically, the cooling body may have a structure or a filling therein that promotes turbulent flow of cooling air.

上記構成としてより具体的には、前記セルスタックは、一対の端板間に所定数の平板型発電セルを積層した構成であって、当該端板の少なくとも一方に、アノード燃料流入ポート、カソード空気流入ポート、アノードオフガス流出ポートおよびカソードオフガス流出ポートを有しており、前記冷却体を前記端板の板面に沿って設置した構成としても良い。 More specifically, the cell stack has a structure in which a predetermined number of flat power generating cells are stacked between a pair of end plates, and at least one of the end plates has an anode fuel inflow port, a cathode air It has an inflow port, an anode off-gas outflow port, and a cathode off-gas outflow port, and the cooling body may be installed along the plate surface of the end plate.

上記構成としてより具体的には、カソード空気の導入母管となるマニホールドと、前記カソード空気流入ポートと前記マニホールドとを接続する枝管と、を備え、前記冷却体は、前記マニホールドおよび前記枝管とは別個の構成要素である構成としても良い。 More specifically, the above configuration includes a manifold serving as a cathode air introduction main pipe, and a branch pipe connecting the cathode air inflow port and the manifold, and the cooling body is configured to It may be configured as a separate component.

上記構成としてより具体的には、前記冷却体を流通後の冷却用空気の少なくとも一部をカソード空気として前記セルスタックに供給する構成としても良い。 More specifically, the above configuration may be such that at least a portion of the cooling air after passing through the cooling body is supplied to the cell stack as cathode air.

本発明に係る燃料電池システムのホットモジュールによれば、セルスタックの動作温度を適正範囲に維持することが容易となる。 The hot module of the fuel cell system of the present invention makes it easy to maintain the operating temperature of the cell stack within an appropriate range.

第1実施形態に係る燃料電池システム100の構成を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 100 according to a first embodiment. 第1実施形態に係るホットモジュールHMの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a hot module HM according to the first embodiment. 一部を不図示としたホットモジュールHMの斜視図である。It is a perspective view of hot module HM with a part not shown. 一部を不図示としたホットモジュールHMの斜視図である。It is a perspective view of hot module HM with a part not shown. 一部を不図示としたホットモジュールHMの斜視図である。It is a perspective view of hot module HM with a part not shown. 一部を不図示としたホットモジュールHMの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a hot module HM with a portion not shown. 一部を不図示としたホットモジュールHMの側面図である。It is a side view of hot module HM with a part not shown. 一部を不図示としたホットモジュールHMの側面図である。It is a side view of hot module HM with a part not shown. 第1実施形態に係る改質ガス発生装置RGの側面図である。FIG. 2 is a side view of the reformed gas generator RG according to the first embodiment. 改質ガス発生装置RGの側方視断面図である。2 is a cross-sectional side view of the reformed gas generating device RG. FIG. 改質ガス発生装置RGにおけるバーナ近傍の構成図である。It is a block diagram of the burner vicinity in reformed gas generator RG. 一部を不図示としたホットモジュールHMの側面図である。2 is a side view of a hot module HM with a portion not shown. FIG. 第1実施形態に係るセルスタック1の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a cell stack 1 according to a first embodiment. セルスタック1の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the cell stack 1. セルスタック1のフランジ付ガスポート近傍の上方視断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the vicinity of the flanged gas port of the cell stack 1 when viewed from above. 第1実施形態に係るスタック集合体61の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a stack assembly 61 according to the first embodiment. スタック集合体61の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a stack assembly 61. 単位ラックにセルスタック1を搭載した状態の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a state in which a cell stack 1 is mounted on a unit rack. 第1実施形態に係るマニホールドから延びる枝管の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a branch pipe extending from the manifold according to the first embodiment. セルスタック1の各電力端子の接続形態に関する説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram regarding the connection configuration of each power terminal of the cell stack 1. 一部を不図示としたホットモジュールHMの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a hot module HM with a portion not shown. 一部を不図示とした第2実施形態のホットモジュールの斜視図である。It is a perspective view of the hot module of 2nd Embodiment with a part not shown. 一部を不図示とした第3実施形態のホットモジュールの斜視図である。FIG. 11 is a perspective view of a hot module according to a third embodiment, with a portion not shown. 第4実施形態に係る燃料電池システム200の構成を示す説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 200 according to a fourth embodiment. 第4実施形態に係る冷却体110の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a cooling body 110 according to a fourth embodiment. 冷却体110の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the cooling body 110. オフセットフィン117の概略的な斜視図である。FIG. 11 is a schematic perspective view of an offset fin 117. 第4実施形態に係るホットモジュール内の一構成例の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of a configuration example within a hot module according to the fourth embodiment; 第4実施形態に係るホットモジュール内の別の構成例の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of another example of the configuration inside the hot module according to the fourth embodiment. アノード燃料の流れ方向に関する説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram regarding the flow direction of anode fuel. 第5実施形態に係る冷却体110aの斜視図である。It is a perspective view of cooling body 110a concerning a 5th embodiment. 上方視による第1吸熱プレート111に関する説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the first heat absorption plate 111 when viewed from above. 上方視による第2吸熱プレート112に関する説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of the second heat absorption plate 112 when viewed from above. 第1吸熱プレートと第2吸熱プレートを一体化したものの説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of a first heat absorbing plate and a second heat absorbing plate integrated together. 第6実施形態の燃料電池システム200aの構成を示す説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 200a according to a sixth embodiment.

以下、本発明の各実施形態について各図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to each drawing.

1.第1実施形態
<燃料電池システムの構成概要>
まず本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム100の構成概要について説明する。図1は、燃料電池システム100の構成を示す説明図である。図1に示すように燃料電池システム100は、複数のセルスタック(燃料電池セルスタック)1、改質器2、バーナ3、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、CO酸化器(一酸化炭素酸化器)8、凝縮水回収タンク9、第1原燃料ブロワ10、第1空気ブロワ11、水ポンプ12、第2原燃料ブロワ13、第2空気ブロワ14、パワーコンディショナ15、システムコントローラ16、および第3空気ブロワ17を備える。
1. First embodiment <Outline of configuration of fuel cell system>
First, an outline of the configuration of a fuel cell system 100 according to a first embodiment of the present invention will be described. Fig. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell system 100. As shown in Fig. 1, the fuel cell system 100 includes a plurality of cell stacks (fuel cell stacks) 1, a reformer 2, a burner 3, an evaporator 4, an air preheater 5, an anode off-gas cooler 6, an anode off-gas condenser 7, a CO oxidizer (carbon monoxide oxidizer) 8, a condensed water recovery tank 9, a first raw fuel blower 10, a first air blower 11, a water pump 12, a second raw fuel blower 13, a second air blower 14, a power conditioner 15, a system controller 16, and a third air blower 17.

なお、本実施形態の例では、図1において図示を省略したものを含め、計8個のセルスタック1が備えられている。また以下の説明では、燃料電池システム100を単に「システム」と称することがある。 In this embodiment, a total of eight cell stacks 1 are provided, including those not shown in FIG. 1. In the following description, the fuel cell system 100 may be referred to simply as the "system."

また燃料電池システム100は、原燃料ラインLa、混合ガスラインLb、アノード燃料ラインLc、アノードオフガスラインLd、カソード空気ラインLe、カソードオフガスラインLf、燃焼ガスラインLg、バーナ冷却用空気ラインLh、改質水ラインLi、起動用空気ラインLj、冷却用空気ラインLk、および凝縮水回収ラインLwの各ライン(管路)を備える。 The fuel cell system 100 also includes the following lines (pipes): a raw fuel line La, a mixed gas line Lb, an anode fuel line Lc, an anode offgas line Ld, a cathode air line Le, a cathode offgas line Lf, a combustion gas line Lg, a burner cooling air line Lh, a reforming water line Li, a start-up air line Lj, a cooling air line Lk, and a condensed water recovery line Lw.

アノード燃料ラインLcは、アノード燃料の導入母管となる第1分配マニホールドMaを含み、カソード空気ラインLeは、カソード空気の導入母管となる第2分配マニホールドMbを含む。これらの分配マニホールドMa,Mbは、入口と各セルスタック1に対応した複数の出口とを有しており、入口に流入した流体を各出口それぞれから流出させる。 The anode fuel line Lc includes a first distribution manifold Ma that serves as the inlet pipe for the anode fuel, and the cathode air line Le includes a second distribution manifold Mb that serves as the inlet pipe for the cathode air. These distribution manifolds Ma and Mb have an inlet and multiple outlets corresponding to each cell stack 1, and the fluid that flows into the inlet flows out from each of the outlets.

アノードオフガスラインLdは、アノードオフガスの導出母管となる第1収集マニホールドMcを含み、カソードオフガスラインLfは、カソードオフガスの導出母管となる第2収集マニホールドMdを含む。これらの収集マニホールドMc,Mdは、各セルスタック1に対応した複数の入口と出口を有しており、各入口それぞれに流入した流体を出口から流出させる。 The anode off-gas line Ld includes a first collection manifold Mc that serves as a main pipe for discharging anode off-gas, and the cathode off-gas line Lf includes a second collection manifold Md that serves as a main pipe for discharging cathode off-gas. These collection manifolds Mc, Md have a plurality of inlets and outlets corresponding to each cell stack 1, and allow the fluid that has entered each inlet to flow out from the outlet.

燃焼ガスラインLgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを含む。冷却用空気ラインLkは、冷却管Zcおよび収集管Lk1を含む。 The combustion gas line Lg includes a heat radiator Za and a combustion gas pipe Zb. The cooling air line Lk includes a cooling pipe Zc and a collecting pipe Lk1.

原燃料ラインLaは、燃料取入口E1とバーナ3を接続する管路であり、この管路中には第2原燃料ブロワ13が配置されている。第2原燃料ブロワ13は、燃料取入口E1から取り入れられた原燃料ガス(例えば都市ガス13A等のメタン含有ガス)Gfを昇圧して、原燃料ラインLaの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムのスタートアップ運転時に駆動される。 The raw fuel line La is a pipe line that connects the fuel intake port E1 and the burner 3, and a second raw fuel blower 13 is arranged in this pipe line. The second raw fuel blower 13 is a device that boosts the pressure of the raw fuel gas (for example, methane-containing gas such as city gas 13A) Gf taken in from the fuel intake port E1 and sends it to the downstream side of the raw fuel line La. Generally, it is activated during system startup operation.

混合ガスラインLbは、燃料取入口E2と改質器2を接続する管路であり、この管路中には上流側から順に、第1原燃料ブロワ10、蒸発器4、および第1ベローズ形伸縮管継手B1が配置されている。第1原燃料ブロワ10は、燃料取入口E2から取り入れられた原燃料ガスGaを昇圧して、混合ガスラインLbの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムの発電運転時に駆動される。 The mixed gas line Lb is a pipe line that connects the fuel intake port E2 and the reformer 2, and in this pipe line, in order from the upstream side, there are a first raw fuel blower 10, an evaporator 4, and a first bellows type. An expansion joint B1 is arranged. The first raw fuel blower 10 is a device that boosts the pressure of the raw fuel gas Ga taken in from the fuel intake port E2 and sends it to the downstream side of the mixed gas line Lb, and is typically driven during power generation operation of the system. .

アノード燃料ラインLcは、改質器2と各セルスタック1のアノードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノード燃料ラインLcは上流側から順に、改質器2と第1分配マニホールドMaの入口とを接続する管路、第1分配マニホールドMa、および、第1分配マニホールドMaの各出口と各セルスタック1のアノードとを接続する8本の管路(第1分配マニホールドMaの枝管)を有する。 The anode fuel line Lc is a pipe line that connects the reformer 2 and the anode of each cell stack 1. More specifically, the anode fuel line Lc includes, in order from the upstream side, a pipe connecting the reformer 2 and the inlet of the first distribution manifold Ma, a first distribution manifold Ma, and a pipe line connecting the reformer 2 and the inlet of the first distribution manifold Ma. It has eight pipes (branch pipes of the first distribution manifold Ma) connecting each outlet and the anode of each cell stack 1.

アノードオフガスラインLdは、各セルスタック1のアノードとバーナ3とを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノードオフガスラインLdは上流側から順に、各セルスタック1のアノードと第1収集マニホールドMcの各入口とを接続する8本の管路(第1収集マニホールドMcの枝管)、第1収集マニホールドMc、および、第1収集マニホールドMcの出口とバーナ3の第1ガス筒31(後述)とを接続する管路(以下、「管路Ld1」と称する。)を有する。管路Ld1の途中には、上流側から順に、第2ベローズ形伸縮管継手B2、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、および気水分離部Saが配置されている。 The anode off-gas line Ld is a conduit that connects the anode of each cell stack 1 and the burner 3. More specifically, the anode off-gas line Ld consists of eight pipes (branch pipes of the first collection manifold Mc) connecting the anode of each cell stack 1 and each inlet of the first collection manifold Mc in order from the upstream side. ), a first collection manifold Mc, and a pipe line (hereinafter referred to as "pipe line Ld1") connecting the outlet of the first collection manifold Mc and the first gas cylinder 31 (described later) of the burner 3. A second bellows-type expansion pipe joint B2, an anode off-gas cooler 6, an anode off-gas condenser 7, and a steam/water separator Sa are arranged in order from the upstream side in the middle of the pipe Ld1.

カソード空気ラインLeは、空気取入口E3と各セルスタック1のカソードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソード空気ラインLeは上流側から順に、空気取入口E3と第2分配マニホールドMbの入口とを接続する管路(以下、「管路Le1」と称する。)、第2分配マニホールドMb、および、第2分配マニホールドMbの各出口と各セルスタック1のカソードとを接続する8本の管路(第2分配マニホールドMbの枝管)を有する。 The cathode air line Le is a conduit connecting the air intake port E3 and the cathode of each cell stack 1. To explain more specifically, the cathode air line Le includes, in order from the upstream side, a conduit connecting the air intake port E3 and the inlet of the second distribution manifold Mb (hereinafter referred to as "pipe line Le1"), a second It has a distribution manifold Mb and eight pipes (branch pipes of the second distribution manifold Mb) connecting each outlet of the second distribution manifold Mb and the cathode of each cell stack 1.

管路Le1の途中には、上流側から順に、第1空気ブロワ11、アノードオフガス冷却器6、空気予熱器5、および第3ベローズ形伸縮管継手B3が配置されている。第1空気ブロワ11は、空気取入口E3から取り入れられた空気Aaを昇圧して、カソード空気ラインLeの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムの発電運転時に駆動される。更に管路Le1においては、空気取入口E3とアノードオフガス冷却器6の中間点、および、空気予熱器5と第3ベローズ形伸縮管継手B3の中間点を結ぶように、アノードオフガス冷却器6と空気予熱器5を迂回するバイパス経路Le2が設けられている。 In the middle of the pipe Le1, from the upstream side, a first air blower 11, an anode off-gas cooler 6, an air preheater 5, and a third bellows type expansion joint B3 are arranged. The first air blower 11 is a device that boosts the pressure of the air Aa taken in from the air intake E3 and sends it to the downstream side of the cathode air line Le, and is typically driven during power generation operation of the system. Furthermore, in the pipe Le1, a bypass route Le2 is provided that bypasses the anode off-gas cooler 6 and the air preheater 5 so as to connect the midpoint between the air intake E3 and the anode off-gas cooler 6, and the midpoint between the air preheater 5 and the third bellows type expansion joint B3.

カソードオフガスラインLfは、各セルスタック1のカソードとバーナ3とを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソードオフガスラインLfは上流側から順に、各セルスタック1のカソードと第2収集マニホールドMdの各入口とを接続する8本の管路(第2収集マニホールドMdの枝管)、第2収集マニホールドMd、および、第2収集マニホールドMdの出口とバーナ3の第2ガス筒32(後述)とを接続する管路(以下、「管路Lf1」と称する。)を有する。 The cathode off-gas line Lf is a conduit that connects the cathode of each cell stack 1 and the burner 3. More specifically, the cathode off-gas line Lf consists of eight pipes (branch pipes of the second collection manifold Md) connecting the cathode of each cell stack 1 and each inlet of the second collection manifold Md in order from the upstream side. ), a second collection manifold Md, and a pipe line (hereinafter referred to as "pipe line Lf1") connecting the outlet of the second collection manifold Md and the second gas cylinder 32 (described later) of the burner 3.

燃焼ガスラインLgは、バーナ3とガス排出口D1とを接続する管路である。より具体的に説明すると、燃焼ガスラインLgは上流側から順に、熱放射筒Za、熱放射筒Zaと燃焼ガス管Zbとを接続する管路、燃焼ガス管Zb、および、燃焼ガス管Zbとガス排出口D1とを接続する管路(以下、「管路Lg1」と称する。)を有する。管路Lg1の途中には、上流側から順に、第4ベローズ形伸縮管継手B4、空気予熱器5、CO酸化器8、および、蒸発器4が配置されている。 The combustion gas line Lg is a pipeline connecting the burner 3 and the gas exhaust port D1. More specifically, the combustion gas line Lg has, in order from the upstream side, a heat radiation tube Za, a pipeline connecting the heat radiation tube Za and the combustion gas pipe Zb, the combustion gas pipe Zb, and a pipeline connecting the combustion gas pipe Zb and the gas exhaust port D1 (hereinafter referred to as "pipe Lg1"). In the middle of the pipeline Lg1, in order from the upstream side, a fourth bellows-type expansion joint B4, an air preheater 5, a CO oxidizer 8, and an evaporator 4 are arranged.

バーナ冷却用空気ラインLhは、管路Le1と起動用空気ラインLjとを接続する管路であり、この管路中には不図示の流量調整手段(オリフィス等)が設けられている。より具体的に説明すると、バーナ冷却用空気ラインLhは、第1空気ブロワ11とアノードオフガス冷却器6を接続する管路Le1の中間点で分岐し、第2空気ブロワ14の下流側で起動用空気ラインLjに合流する管路であり、第1空気ブロワ11の駆動時に微小流量の空気Abがバーナ3に向けて流通するように構成されている。なお、詳細は後述するが、バーナ3の燃焼温度によってはバーナ冷却用空気ラインLhを省略可能である。 The burner cooling air line Lh is a pipe that connects the pipe Le1 and the starting air line Lj, and a flow rate adjusting means (not shown, such as an orifice) is provided in this pipe. To explain more specifically, the burner cooling air line Lh branches at the midpoint of the pipe line Le1 connecting the first air blower 11 and the anode off-gas cooler 6, and is branched at the midpoint of the pipe line Le1 connecting the first air blower 11 and the anode off-gas cooler 6, and is branched at the downstream side of the second air blower 14 for starting. This is a conduit that joins the air line Lj, and is configured so that a minute flow rate of air Ab flows toward the burner 3 when the first air blower 11 is driven. Although details will be described later, depending on the combustion temperature of the burner 3, the burner cooling air line Lh can be omitted.

冷却用空気ラインLkは、空気取入口E5と管路Lg1の所定箇所(蒸発器4とガス排出口D1の間の箇所)とを接続する管路であり、この管路中には上流側から順に、第3空気ブロワ17および冷却管Zcが配置されている。第3空気ブロワ17は、空気取入口E5から取り入れられた冷却用空気Adを昇圧して、冷却用空気ラインLkの下流側へ送る機器である。 The cooling air line Lk is a conduit that connects the air intake port E5 and a predetermined location of the conduit Lg1 (a location between the evaporator 4 and the gas outlet D1), and there is a A third air blower 17 and a cooling pipe Zc are arranged in this order. The third air blower 17 is a device that boosts the pressure of the cooling air Ad taken in from the air intake port E5 and sends it to the downstream side of the cooling air line Lk.

改質水ラインLiは、凝縮水回収タンク9と蒸発器4とを接続する管路であり、この管路中には水ポンプ12が配置されている。水ポンプ12は、凝縮水回収タンク9に貯留した凝縮水Wbを改質水Waとして改質水ラインLiの下流側へ送る機器である。 The reforming water line Li is a pipe that connects the condensed water recovery tank 9 and the evaporator 4, and a water pump 12 is disposed in this pipe. The water pump 12 is a device that sends the condensed water Wb stored in the condensed water recovery tank 9 to the downstream side of the reforming water line Li as reforming water Wa.

起動用空気ラインLjは、空気取入口E4と管路Lf1とを接続する管路であり、この管路中には第2空気ブロワ14が配置されている。第2空気ブロワ14は、空気取入口E4から取り入れられた空気Acを昇圧して、起動用空気ラインLjの下流側へ送る機器であり、典型的にはシステムのスタートアップ運転時に駆動される。 The startup air line Lj is a pipe that connects the air intake E4 and the pipe Lf1, and a second air blower 14 is disposed in this pipe. The second air blower 14 is a device that pressurizes the air Ac taken in from the air intake E4 and sends it downstream of the startup air line Lj, and is typically driven during start-up operation of the system.

凝縮水回収ラインLwは、管路Ld1の途中に配置された気水分離部Saと凝縮水回収タンク9とを接続する管路である。気水分離部Saは、アノードオフガス凝縮器7で発生した凝縮水WbをアノードオフガスGdから分離する部材であり、凝縮水回収ラインLwには分離された凝縮水Wbが流下する。凝縮水回収ラインLwの先端は、貯留された凝縮水Wbの水温の影響を受けて凝縮量が増減しないように、凝縮水回収タンク9の水相部に没入させることなく気相部に開放される。なお凝縮水回収ラインLwの先端を水相部に没入させないのは、バーナ3に送るアノードオフガスGdの流量を変化させないためである。特に、凝縮水Wbを分離後のアノードオフガスGdをセルスタックの一次側へリサイクルしたり、後段のセルスタックで発電利用したりする場合には、本構成は有効である。気水分離部Saには、例えば直管部を水平方向に配置すると共に分岐管部を下向きに配置したT字管が用いられている。また、鉛直方向に立設した小容量の円筒容器を気水分離部Saに用いることもできる。 The condensed water recovery line Lw is a conduit that connects the steam/water separation section Sa and the condensed water recovery tank 9 arranged in the middle of the conduit Ld1. The steam/water separator Sa is a member that separates the condensed water Wb generated in the anode off-gas condenser 7 from the anode off-gas Gd, and the separated condensed water Wb flows down into the condensed water recovery line Lw. The tip of the condensed water recovery line Lw is opened to the gas phase without being immersed in the water phase of the condensed water recovery tank 9 so that the amount of condensation does not increase or decrease due to the influence of the temperature of the stored condensed water Wb. Ru. Note that the reason why the tip of the condensed water recovery line Lw is not immersed in the water phase portion is to keep the flow rate of the anode off gas Gd sent to the burner 3 unchanged. In particular, this configuration is effective when the anode off-gas Gd after separating the condensed water Wb is recycled to the primary side of the cell stack or used for power generation in the subsequent cell stack. For example, a T-shaped pipe in which a straight pipe section is arranged horizontally and a branch pipe section is arranged downward is used for the steam/water separation section Sa. Further, a small-capacity cylindrical container vertically arranged can also be used as the steam/water separation section Sa.

セルスタック1は、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)で構成された発電体である。固体酸化物形燃料電池は、発電セルを構成する固体電解質、アノードおよびカソードが全てセラミックスである高温作動型の燃料電池であり、所定個数の発電セルを金属インターコネクタ材(セパレータ材ともいう)を介して集積した発電単位をセルスタックと呼んでいる。セルスタック1の電池出力は、パワーコンディショナ15で調整された後に給電される。 The cell stack 1 is a power generating unit composed of a solid oxide fuel cell (SOFC). A solid oxide fuel cell is a high-temperature operating fuel cell in which the solid electrolyte, anode, and cathode that make up the power generating cell are all made of ceramics, and a power generating unit in which a certain number of power generating cells are integrated via a metal interconnect material (also called a separator material) is called a cell stack. The battery output of the cell stack 1 is adjusted by the power conditioner 15 before being supplied.

改質器2は、水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2は水蒸気改質用の触媒を有しており、原燃料ガスGaに含まれるメタンと水蒸気を反応させ、一酸化炭素と水素を含む改質ガスGcを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であるが、バーナ3からの熱供給により、改質器2は安定的に改質ガスGcを生成することが可能である。 The reformer 2 uses steam to reform the raw fuel gas Ga, generating reformed gas Gc, which is sent to the downstream side. The reformer 2 has a catalyst for steam reforming, and reacts methane contained in the raw fuel gas Ga with steam to generate reformed gas Gc containing carbon monoxide and hydrogen. Although steam reforming is an endothermic reaction, the heat supply from the burner 3 enables the reformer 2 to stably generate reformed gas Gc.

バーナ3は、流入する気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼ガスGgを燃焼ガスラインLgへ排出する。蒸発器4は、改質水Waと燃焼ガスGg(熱源流体)を間接熱交換させる機器であり、燃焼ガスGgとの熱交換により、改質水Waを蒸発させると同時に原燃料ガスGaを加熱する役割を果たす。 The burner 3 burns the inflowing gas to generate heat, and discharges the combustion gas Gg generated by the combustion to the combustion gas line Lg. The evaporator 4 is a device that indirectly exchanges heat between the reformed water Wa and the combustion gas Gg (heat source fluid), and simultaneously evaporates the reformed water Wa and heats the raw fuel gas Ga through heat exchange with the combustion gas Gg. play a role.

空気予熱器5とアノードオフガス冷却器6は、何れも低温流体と高温流体を間接熱交換させる熱交換器である。空気予熱器5は、燃焼ガスGgとの熱交換によりカソード空気ラインLe内の空気Aaを予熱する役割を果たし、アノードオフガス冷却器6は、カソード空気ラインLe内の空気Aaとの熱交換によりアノードオフガスGdを冷却する役割を果たす。 The air preheater 5 and the anode off-gas cooler 6 are both heat exchangers that perform indirect heat exchange between low-temperature fluid and high-temperature fluid. The air preheater 5 serves to preheat the air Aa in the cathode air line Le by heat exchange with the combustion gas Gg, and the anode off-gas cooler 6 serves to cool the anode off-gas Gd by heat exchange with the air Aa in the cathode air line Le.

アノードオフガス凝縮器7は、アノードオフガスGdを冷却して、アノードオフガスGdに含まれる水蒸気を凝縮させる役割を果たす。なお、本実施形態のアノードオフガス凝縮器7は空冷熱交換器としているが、その代わりに水冷熱交換器を採用し、これにより熱回収が行われるコジェネ型のシステムとしても良い。 The anode off-gas condenser 7 plays a role of cooling the anode off-gas Gd and condensing water vapor contained in the anode off-gas Gd. Note that, although the anode off-gas condenser 7 in this embodiment is an air-cooled heat exchanger, a water-cooled heat exchanger may be used instead, and a cogeneration type system in which heat is recovered thereby may be used.

CO酸化器8は、燃焼ガスGgに含まれる有害な一酸化炭素を触媒と接触させ、無害な二酸化炭素に変換する機器である。CO酸化器8は、バーナ3での酸化反応が完全である場合は作動せず、バーナ3での酸化反応が不完全である場合にのみ動作する。 The CO oxidizer 8 is a device that brings harmful carbon monoxide contained in the combustion gas Gg into contact with a catalyst and converts it into harmless carbon dioxide. The CO oxidizer 8 does not operate if the oxidation reaction in the burner 3 is complete, and only operates if the oxidation reaction in the burner 3 is incomplete.

凝縮水回収タンク9は、気水分離部Saから排出される凝縮水Wbを回収し、これを改質水Waとして再利用可能とする役割を果たす。凝縮水回収タンク9には、貯留される改質水Waの水位を所定範囲に調整するため、水位検知器Sbおよび排水弁Scが設けられている。水位検知器Sbで上限水位を検知すると排水弁Scが開放される一方、水位検知器Sbで下限水位を検知すると排水弁Scが閉鎖される。このようにして凝縮水回収タンク9には、所要量の改質水Waが確保されるようになっている。なお改質水Waの排水動作時にアノードオフガスGdが外部に漏洩することを防止するため、排水弁Scによる排水位置は凝縮水回収タンク9の底部付近に設定される。 The condensed water recovery tank 9 recovers the condensed water Wb discharged from the water-air separation section Sa and makes it reusable as reforming water Wa. The condensed water recovery tank 9 is provided with a water level detector Sb and a drain valve Sc to adjust the water level of the stored reforming water Wa to a predetermined range. When the water level detector Sb detects the upper limit water level, the drain valve Sc is opened, whereas when the water level detector Sb detects the lower limit water level, the drain valve Sc is closed. In this way, the required amount of reforming water Wa is secured in the condensed water recovery tank 9. In addition, in order to prevent the anode off-gas Gd from leaking to the outside during the draining operation of the reforming water Wa, the drain position of the drain valve Sc is set near the bottom of the condensed water recovery tank 9.

パワーコンディショナ15は、セルスタック1で発電した電力を事業活動や社会生活の場で利用できる状態に変換するための機器である。パワーコンディショナ15は、セルスタック1から出力された直流電圧を昇圧するDC/DCコンバータ(昇圧回路)と、DC/DCコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れた交流電圧に変換する系統連系インバータ(電圧変換回路)と、セルスタック1の出力電流(掃引電流)を制御する出力電流制御部(出力制御回路)と、補機類に駆動電力を供給するための駆動電力供給部(補助回路)を有している。 The power conditioner 15 is a device for converting the power generated by the cell stack 1 into a state that can be used in business activities and social life. The power conditioner 15 has a DC/DC converter (boost circuit) that boosts the DC voltage output from the cell stack 1, a grid-connected inverter (voltage conversion circuit) that converts the DC voltage boosted by the DC/DC converter into AC voltage synchronized with the grid power supply, an output current control unit (output control circuit) that controls the output current (sweep current) of the cell stack 1, and a drive power supply unit (auxiliary circuit) for supplying drive power to auxiliary equipment.

上記の系統連系インバータは、建築物内に設置された商用電源系統の配電盤と電気的に接続される。系統連系インバータと配電盤とは、系統連系用のスイッチを介して並列・解列を切換可能である。配電盤には、商用電源および複数の分電盤が電気的に接続される。分電盤には、建築物内で使用する照明器具、動力装置、コンセント等の負荷機器が電気的に接続される。 The grid-connected inverter described above is electrically connected to a switchboard of a commercial power system installed in a building. The grid-connected inverter and the switchboard can be switched between parallel and disconnection via a grid-connection switch. A commercial power source and a plurality of distribution panels are electrically connected to the distribution panel. Load devices used within the building, such as lighting equipment, power equipment, and electrical outlets, are electrically connected to the distribution board.

上記の駆動電力供給部は、各ブロワ10,11,13,14,17、水ポンプ12およびバーナ3のスパークロッド(後述する第1電極ロッド)等と接続され、これらの補機類に駆動電力を与える。駆動電力供給部は、補機類がDC駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力をAC/DC変換した電力、商用電源からの入力をAC/DC変換した電力、またはセルスタック1の出力をDC/DC変換した電力を供給するように回路構成される。一方、駆動電力供給部は、補機類がAC駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力電力、または商用電源からの入力電力を供給するように回路構成される。なお上述の補機類は、システムのスタートアップ運転およびシャットダウン運転時は、商用電源を利用して駆動され、システムの発電運転中は、発電電力を利用して駆動される。 The drive power supply unit is connected to each of the blowers 10, 11, 13, 14, 17, the water pump 12, the spark rod (first electrode rod described later) of the burner 3, and the like, and provides drive power to these auxiliary devices. When the auxiliary devices are DC-driven, the drive power supply unit is circuit-configured to supply, for example, AC/DC converted power from the output of the grid-connected inverter, AC/DC converted power from the input from the commercial power source, or DC/DC converted power from the output of the cell stack 1. On the other hand, when the auxiliary devices are AC-driven, the drive power supply unit is circuit-configured to supply, for example, the output power of the grid-connected inverter or the input power from the commercial power source. The above-mentioned auxiliary devices are driven using the commercial power source during startup and shutdown operations of the system, and are driven using the generated power during power generation operations of the system.

システムコントローラ16は、予め作成・記憶された制御プログラムに従って、ブロワ等の補機類およびパワーコンディショナ15の動作(すなわち、システム動作)を制御する機器である。 The system controller 16 is a device that controls the operation of auxiliary equipment such as a blower and the power conditioner 15 (ie, system operation) according to a control program created and stored in advance.

また図1に破線枠で示すように、各セルスタック1、改質器2、バーナ3、各マニホールドMa~Md、熱放射筒Za、燃焼ガス管Zb、および冷却管Zcは、後述するホットモジュールHMにおける第1ボックスX1(図3を参照)の内側である第1領域R1に配置されている。一方、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、およびCO酸化器8は、第1ボックスX1の外側であって後述する第2ボックスX2(図3を参照)の内側である第2領域R2に配置されている。なお、アノードオフガス凝縮器7、凝縮水回収タンク9、各ブロワ10,11,13,14,17、水ポンプ12、パワーコンディショナ15、およびシステムコントローラ16は、ホットモジュールHMの外部(常温の領域)に配置される。 Further, as shown by the broken line frame in FIG. 1, each cell stack 1, reformer 2, burner 3, each manifold Ma to Md, heat radiation cylinder Za, combustion gas pipe Zb, and cooling pipe Zc are connected to a hot module described later. It is arranged in a first region R1 inside the first box X1 (see FIG. 3) in the HM. On the other hand, the evaporator 4, air preheater 5, anode off-gas cooler 6, and CO oxidizer 8 are located outside the first box X1 and inside a second box X2 (see FIG. 3), which will be described later. 2 area R2. Note that the anode off-gas condenser 7, condensed water recovery tank 9, blowers 10, 11, 13, 14, 17, water pump 12, power conditioner 15, and system controller 16 are installed outside the hot module HM (in the room temperature area). ).

<燃料電池システムの動作概要>
次に、燃料電池システム100の動作概要について、図1を参照しながら説明する。燃料取入口E2から混合ガスラインLb内に供給された原燃料ガスGaは、第1原燃料ブロワ10の作用により後段側へ送られる。原燃料ガスGaの供給に並行して、凝縮水回収タンク9から改質水ラインLi内に供給された改質水Waは、水ポンプ12によって水量が調節され、混合ガスラインLbへ流入する。
<Outline of fuel cell system operation>
Next, an overview of the operation of the fuel cell system 100 will be described with reference to Fig. 1. The raw fuel gas Ga supplied from the fuel inlet E2 into the mixed gas line Lb is sent to the rear stage by the action of the first raw fuel blower 10. In parallel with the supply of the raw fuel gas Ga, the reforming water Wa supplied from the condensed water recovery tank 9 into the reforming water line Li has its amount adjusted by the water pump 12 and flows into the mixed gas line Lb.

改質水Waは、混合ガスラインLb内の原燃料ガスGaとともに蒸発器4に流入し、蒸発器4において熱交換により加熱されて水蒸気(過熱蒸気)となる。当該水蒸気は加熱された原燃料ガスGaと混合し、混合ガスGbとして改質器2へ流入する。 The reforming water Wa flows into the evaporator 4 together with the raw fuel gas Ga in the mixed gas line Lb, where it is heated by heat exchange to become water vapor (superheated steam). The water vapor mixes with the heated raw fuel gas Ga and flows into the reformer 2 as mixed gas Gb.

改質器2は、混合ガスGb中の水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2から送出された改質ガスGcは、アノード燃料ラインLcを通って各セルスタック1のアノードへ分配される。 The reformer 2 reforms raw fuel gas Ga using water vapor in mixed gas Gb, generates reformed gas Gc, and sends the reformed gas Gc to the subsequent stage side. The reformed gas Gc sent out from the reformer 2 is distributed to the anode of each cell stack 1 through the anode fuel line Lc.

一方、上述した原燃料ガスGaの供給に並行して、空気取入口E3からカソード空気ラインLe内に空気Aaが供給される。カソード空気ラインLe内の空気Aaは、第1空気ブロワ11の作用により後段側へ送られる。この空気Aaは、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって加熱され、更に空気予熱器5での熱交換によって加熱された後、各セルスタック1のカソードへ分配される。なお空気Aaの温度調節等のため、空気Aaの一部である空気Aa1を、バイパス経路Le2を介して各セルスタック1のカソードへ流入させることも可能である。 Meanwhile, in parallel with the supply of the raw fuel gas Ga described above, air Aa is supplied from the air intake E3 into the cathode air line Le. The air Aa in the cathode air line Le is sent to the rear stage by the action of the first air blower 11. This air Aa is heated by heat exchange in the anode off-gas cooler 6, and is further heated by heat exchange in the air preheater 5, and then distributed to the cathodes of each cell stack 1. In addition, in order to adjust the temperature of the air Aa, it is also possible to flow a part of the air Aa, air Aa1, into the cathodes of each cell stack 1 via the bypass path Le2.

更には、カソードへの空気Aaの供給に同期して、バーナ冷却用空気ラインLh内に空気Abが供給される。バーナ冷却用空気ラインLh内の空気Abは、第1空気ブロワ11の作用によりバーナ3へ送られる。この空気Abは、バーナ3の燃焼温度を低下させる冷却剤として作用し、保炎器33(後述)の過熱および焼損を防止する。なお空気Abを供給しない状態で、保炎器33の過熱や焼損が起こらない程度に火炎温度が保たれている場合には、バーナ冷却用空気ラインLhを省略してもよい。 Furthermore, air Ab is supplied into the burner cooling air line Lh in synchronization with the supply of air Aa to the cathode. The air Ab in the burner cooling air line Lh is sent to the burner 3 by the action of the first air blower 11. This air Ab acts as a coolant that lowers the combustion temperature of the burner 3, preventing overheating and burning of the flame stabilizer 33 (described below). Note that if the flame temperature is maintained at a level that does not cause overheating or burning of the flame stabilizer 33 without supplying air Ab, the burner cooling air line Lh may be omitted.

各セルスタック1は、アノードに流入した改質ガスGcとカソードに流入した空気Aaを用いて発電するとともに、アノードからアノードオフガスラインLdへアノードオフガスGdを排出し、カソードからカソードオフガスラインLfへカソードオフガスGeを排出する。アノードオフガスGdには、アノードにおいて未反応であった燃料成分が含まれており、カソードオフガスGeには、カソードにおいて未反応であった酸素が含まれている。 Each cell stack 1 generates electricity using the reformed gas Gc that has flowed into the anode and the air Aa that has flowed into the cathode, and discharges anode off gas Gd from the anode to the anode off gas line Ld, and discharges the anode off gas Gd from the cathode to the cathode off gas line Lf. Discharge off-gas Ge. The anode off-gas Gd contains fuel components that have not reacted at the anode, and the cathode off-gas Ge contains oxygen that has not reacted at the cathode.

各セルスタック1からアノードオフガスラインLdへ排出されたアノードオフガスGdは、第1収集マニホールドMcに収集された後、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって冷却され、アノードオフガス凝縮器7へ流入する。アノードオフガス凝縮器7では、アノードオフガスGdは露点温度以下まで冷却され、アノードオフガスGdに含まれる水蒸気が凝縮する。 The anode off gas Gd discharged from each cell stack 1 to the anode off gas line Ld is collected in the first collection manifold Mc, cooled by heat exchange in the anode off gas cooler 6, and flows into the anode off gas condenser 7. . In the anode off-gas condenser 7, the anode off-gas Gd is cooled to below the dew point temperature, and water vapor contained in the anode off-gas Gd is condensed.

アノードオフガス凝縮器7を通過したアノードオフガスGdは、気水分離部Saに送られて気水分離され、凝縮水Wbが凝縮水回収タンク9に回収される。凝縮水回収タンク9に回収された凝縮水Wbは、先述のとおり改質水Waとして再利用される。なお、アノードオフガスGdにおける凝縮しなかった部分(気水分離後のアノードオフガスGd)は、バーナ3へ送られる。 The anode off-gas Gd that has passed through the anode off-gas condenser 7 is sent to the water-air separation section Sa where it is separated into water and air, and the condensed water Wb is collected in the condensed water recovery tank 9. The condensed water Wb collected in the condensed water recovery tank 9 is reused as reformed water Wa, as described above. The uncondensed portion of the anode off-gas Gd (anode off-gas Gd after water-air separation) is sent to the burner 3.

各セルスタック1からカソードオフガスラインLfへ排出されたカソードオフガスGeは、第2収集マニホールドMdに収集された後、管路Lf1でバーナ冷却用空気ラインLhを介して流入した空気Abと混合し、バーナ3へ送られる。またバーナ3には、システムの運転状態に応じて、燃料取入口E1から供給された原燃料ガスGfが、原燃料ラインLaを介して送られると共に、空気取入口E4から供給された空気Acが、起動用空気ラインLjを介して送られる。 The cathode off gas Ge discharged from each cell stack 1 to the cathode off gas line Lf is collected in the second collection manifold Md, and then mixed with the air Ab that has flowed in through the burner cooling air line Lh in the pipe Lf1, Sent to burner 3. Further, depending on the operating state of the system, the raw fuel gas Gf supplied from the fuel intake port E1 is sent to the burner 3 via the raw fuel line La, and the air Ac supplied from the air intake port E4 is sent to the burner 3. , is sent via the starting air line Lj.

バーナ3は、原燃料ガスGfおよび/またはアノードオフガスGdである第1バーナ用ガスGxと、空気Acおよび/またはカソードオフガスGeである第2バーナ用ガスGyが流入し、これらを燃焼させて熱を発生させる。すなわち第1バーナ用ガスGxは、原燃料ガスGfとアノードオフガスGdの混合気体、或いは、原燃料ガスGfとアノードオフガスGdの何れか一方の状態であり、どの状態となるかはシステムの動作状態等によって変化し得る。また第2バーナ用ガスGyは、空気AcとカソードオフガスGeの混合気体、或いは、空気AcとカソードオフガスGeの何れか一方の状態であり、どの状態となるかはシステムの動作状態等によって変化し得る。すなわち、システムのスタートアップ運転、発電運転(全負荷運転または部分負荷運転)、シャットダウン運転等に応じて、バーナ3への供給ガスは適宜状態変化する。 The burner 3 receives a first burner gas Gx, which is a raw fuel gas Gf and/or an anode off gas Gd, and a second burner gas Gy, which is air Ac and/or a cathode off gas Ge, and burns them to generate heat. to occur. In other words, the first burner gas Gx is either a mixed gas of raw fuel gas Gf and anode off gas Gd, or one of raw fuel gas Gf and anode off gas Gd, and which state it is in depends on the operating state of the system. etc. may change. In addition, the second burner gas Gy is either a mixed gas of air Ac and cathode off gas Ge, or one of air Ac and cathode off gas Ge, and which state it is in varies depending on the operating state of the system, etc. obtain. That is, the state of the gas supplied to the burner 3 changes as appropriate depending on the startup operation, power generation operation (full load operation or partial load operation), shutdown operation, etc. of the system.

なお、原燃料ガスGfは炭化水素含有ガスの一種である。一方、空気Acは酸化剤含有ガスの一種である。バーナ3の燃焼動作中、バーナ冷却用空気ラインLhからは空気Abが連続的に供給され、燃焼温度の調整が行われる。 The raw fuel gas Gf is a type of hydrocarbon-containing gas. On the other hand, air Ac is a type of oxidant-containing gas. During the combustion operation of the burner 3, air Ab is continuously supplied from the burner cooling air line Lh to adjust the combustion temperature.

バーナ3での燃焼により生じる燃焼ガスGgは、燃焼ガスラインLgへ送られ、熱放射筒Za、燃焼ガス管Zb、空気予熱器5、CO酸化器8、および蒸発器4を順に通過して、ガス排出口D1からホットモジュールHMの外部へ排出される。なお詳しくは後述するが、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbは、燃焼ガスGgを用いて改質器2を効果的に加熱できるよう配置されている。また、燃焼ガスラインLg内の燃焼ガスGgは、空気予熱器5および蒸発器4を通る際に熱交換に利用され、一酸化炭素が含まれる場合には、CO酸化器8を通る際に当該一酸化炭素が二酸化炭素に変換される。 The combustion gas Gg generated by combustion in the burner 3 is sent to the combustion gas line Lg, passes through the heat radiation tube Za, the combustion gas pipe Zb, the air preheater 5, the CO oxidizer 8, and the evaporator 4 in order, and is discharged from the gas exhaust port D1 to the outside of the hot module HM. As will be described in more detail later, the heat radiation tube Za and the combustion gas pipe Zb are arranged so that the reformer 2 can be effectively heated using the combustion gas Gg. In addition, the combustion gas Gg in the combustion gas line Lg is used for heat exchange as it passes through the air preheater 5 and the evaporator 4, and if it contains carbon monoxide, the carbon monoxide is converted to carbon dioxide as it passes through the CO oxidizer 8.

また、空気取入口E5から冷却用空気ラインLkに供給された冷却用空気Adは、冷却管Zcを通過する際にホットモジュールHMの内部を冷却する役割を果たす。後述するように、冷却管Zcはセルスタック1の近傍に設置されており、冷却用空気Adによって、セルスタック1および後述するメインバスバー78aとサブバスバー78bを効果的に冷却することが可能である。そして冷却用空気Adは、最終的には収集管Lk1を通って、燃焼ガスGgとともにガス排出口D1からホットモジュールHMの外部へ排出される。 The cooling air Ad supplied to the cooling air line Lk from the air intake E5 serves to cool the inside of the hot module HM as it passes through the cooling pipe Zc. As described below, the cooling pipe Zc is installed near the cell stack 1, and the cooling air Ad can effectively cool the cell stack 1 and the main bus bar 78a and sub bus bar 78b described below. The cooling air Ad then passes through the collection pipe Lk1 and is finally discharged to the outside of the hot module HM from the gas exhaust port D1 together with the combustion gas Gg.

また燃料電池システム100では、冷却管Zcに導入する冷却用空気Adの流量を調整することにより、ホットモジュールHMの内部の熱量(温度)を制御するようになっている。一例として燃料電池システム100は、ホットモジュールHMの内部の温度(例えば、各セルスタック1のエンドプレートの表面温度の最大値)が上限温度を超えると第3空気ブロワ17を駆動し、ホットモジュールHMの内部の温度が目標温度(当該上限温度よりも所定温度だけ低い温度)となるように第3空気ブロワ17の回転数を制御する。また燃料電池システム100は、下限値未満の回転数が所定時間継続すると、第3空気ブロワ17を停止させる。なお第3空気ブロワ17の回転数が増大するほど、冷却管Zcに導入される冷却用空気Adの流量が増大される。このような制御の動作は、システムコントローラ16が行うようにしても良い。 Further, in the fuel cell system 100, the amount of heat (temperature) inside the hot module HM is controlled by adjusting the flow rate of the cooling air Ad introduced into the cooling pipe Zc. As an example, the fuel cell system 100 drives the third air blower 17 when the internal temperature of the hot module HM (for example, the maximum value of the surface temperature of the end plate of each cell stack 1) exceeds the upper limit temperature. The rotation speed of the third air blower 17 is controlled so that the internal temperature of the third air blower 17 becomes the target temperature (a temperature lower than the upper limit temperature by a predetermined temperature). Further, the fuel cell system 100 stops the third air blower 17 when the rotational speed continues to be less than the lower limit value for a predetermined period of time. Note that as the rotational speed of the third air blower 17 increases, the flow rate of the cooling air Ad introduced into the cooling pipe Zc increases. Such control operations may be performed by the system controller 16.

なお、セルスタック1の近傍に設置されている冷却管Zcは、システムのスタートアップ運転時に、セルスタック1の昇温に利用することもできる。具体的には、システムのスタートアップ運転では、まず、第2原燃料ブロワ13および第2空気ブロワ14を駆動してバーナ3を燃焼させる。この燃焼により生じた燃焼ガスGgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを流通しつつ、冷態の改質器2を放射伝熱により外側から加熱して昇温する。さらに燃焼ガスGgは、蒸発器4の熱源となり、改質水Waから水蒸気を発生させる。この水蒸気は、冷態の改質器2およびセルスタック1を順に流れて、これらの機器を熱伝導により内部から加熱して昇温する。蒸発器4から排出される燃焼ガスGgに余熱がある場合、管路Lg1から収集管Lk1に燃焼ガスGgを流入させる。これにより、冷却管Zcに燃焼ガスGgが流通するので、冷態のセルスタック1を外側からも放射伝熱により加熱して昇温することができる。 Note that the cooling pipe Zc installed near the cell stack 1 can also be used to raise the temperature of the cell stack 1 during startup operation of the system. Specifically, in the startup operation of the system, first, the second raw fuel blower 13 and the second air blower 14 are driven to cause the burner 3 to burn. The combustion gas Gg produced by this combustion heats the cold reformer 2 from the outside by radiant heat transfer while flowing through the heat radiator Za and the combustion gas pipe Zb to raise its temperature. Furthermore, the combustion gas Gg becomes a heat source for the evaporator 4, and generates steam from the reformed water Wa. This water vapor sequentially flows through the cold reformer 2 and the cell stack 1, and heats these devices from the inside by thermal conduction, raising their temperature. When the combustion gas Gg discharged from the evaporator 4 has residual heat, the combustion gas Gg is caused to flow into the collection pipe Lk1 from the pipe line Lg1. As a result, the combustion gas Gg flows through the cooling pipe Zc, so that the temperature of the cold cell stack 1 can be increased by heating it from the outside by radiant heat transfer.

<ホットモジュール>
次に、ホットモジュールHMの構成等について、より詳細に説明する。図2は、ホットモジュールHMの斜視図である。図3は、ホットモジュールHMの内部構造が理解容易となるように、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53の一部を不図示としたホットモジュールHMの斜視図である。なお以下の説明における前後、左右、および上下の各方向(互いに直交する方向)は、図2等に示すように便宜的に定めたものに過ぎない。本実施形態の例では、上下方向が鉛直方向に一致する。
<Hot module>
Next, the configuration etc. of the hot module HM will be explained in more detail. FIG. 2 is a perspective view of the hot module HM. FIG. 3 is a perspective view of the hot module HM in which the first box X1, the second box X2, and a part of the plate-shaped heat insulating material 53 are not shown so that the internal structure of the hot module HM can be easily understood. . Note that the front-rear, left-right, and up-down directions (directions perpendicular to each other) in the following description are merely determined for convenience as shown in FIG. 2 and the like. In the example of this embodiment, the up-down direction coincides with the vertical direction.

図2および図3に示すようにホットモジュールHMは、第1台座X1a、第2台座X2a、第1台座X1a上に形成される第1ボックスX1、第2台座X2a上に形成される第2ボックスX2、第1台座X1aを支持する複数本(本実施形態の例では4本)の第1支柱51、および、第2台座X2aを支持する複数本(本実施形態の例では4本)の第2支柱52を備える。 As shown in FIGS. 2 and 3, the hot module HM includes a first pedestal X1a, a second pedestal X2a, a first box X1 formed on the first pedestal X1a, and a second box formed on the second pedestal X2a. X2, a plurality of (four in the example of this embodiment) first pillars 51 that support the first pedestal X1a, and a plurality of (four in the example of this embodiment) first pillars 51 that support the second pedestal X2a. Two pillars 52 are provided.

第1ボックスX1は第2ボックスX2の内部に収容されており、この状態で複数本の第1支柱51は、第2台座X2aから所定高さに第1台座X1aを支持する。第1ボックスX1は、内部の領域が高温動作領域となる第1領域R1(図1を参照)に設定されており、システムの発電動作時に内部で化学反応を伴う第1機器グループGP1が収容される。この第1機器グループGP1には、セルスタック1、改質器2、およびバーナ3が含まれる。 The first box X1 is housed inside the second box X2, and in this state, the plurality of first columns 51 support the first pedestal X1a at a predetermined height from the second pedestal X2a. The first box X1 is set as a first region R1 (see FIG. 1) whose internal region is a high-temperature operation region, and accommodates a first equipment group GP1 that internally undergoes a chemical reaction during power generation operation of the system. Ru. This first equipment group GP1 includes a cell stack 1, a reformer 2, and a burner 3.

第2ボックスX2の内部であって第1ボックスX1の外部(第1台座X1aの下側)の領域は、低温動作領域となる第2領域R2(図1を参照)に設定されており、システムの発電動作時に内部で化学反応を伴わない第2機器グループGP2が収容される。第2機器グループGP2には、蒸発器4および熱交換器(空気予熱器5とアノードオフガス冷却器6)が含まれる。 The area inside the second box X2 but outside the first box X1 (below the first pedestal X1a) is set as a second region R2 (see FIG. 1), which is a low-temperature operating region, and houses a second equipment group GP2 that does not involve chemical reactions inside during power generation operation of the system. The second equipment group GP2 includes an evaporator 4 and a heat exchanger (air preheater 5 and anode off-gas cooler 6).

また第2領域R2には、システムの発電動作時に所定の条件を満足した場合にのみ内部で化学反応を伴う第3機器グループGP3も収容される。第3機器グループGP3には、バーナ3での酸化反応が完全である場合は動作せず、バーナ3での酸化反応が不完全である場合にのみ動作するCO酸化器8が含まれる。CO酸化器8は触媒反応に伴う発熱が僅かであるので、CO酸化器8を第2領域R2(低温動作領域)に配置しても殆ど問題は無く、これにより、第1ボックスX1の容量を抑制することができる。 The second region R2 also contains a third equipment group GP3 that undergoes a chemical reaction inside only when certain conditions are satisfied during power generation operation of the system. The third equipment group GP3 includes a CO oxidizer 8 that does not operate when the oxidation reaction in the burner 3 is complete, and operates only when the oxidation reaction in the burner 3 is incomplete. Since the heat generated by the catalytic reaction of the CO oxidizer 8 is minimal, there is little problem in placing the CO oxidizer 8 in the second region R2 (low temperature operation region), which makes it possible to reduce the capacity of the first box X1.

第1ボックスX1の前後左右の各側部および頂部(上側)には、板状断熱材53が装着されている。板状断熱材53は、第1ボックスX1の前後左右および上側の各外面をほぼ全て覆っている。これにより強力な断熱効果を得ることができ、第1ボックスX1内を高温状態に保つことが容易となっている。 A plate-shaped heat insulating material 53 is attached to each of the front, rear, left and right sides and the top (upper side) of the first box X1. The plate-shaped heat insulating material 53 covers almost all of the front, rear, left, right, and upper outer surfaces of the first box X1. This allows a strong heat insulating effect to be obtained, making it easy to maintain the inside of the first box X1 at a high temperature.

第2領域R2の空間(第2機器グループGP2の配置空間)には、不図示の粒状断熱材が充填される。高温動作領域である第1ボックスX1から第1台座X1aを通じて第2領域R2への熱伝導が起こるが、当該粒状断熱材を充填することにより十分な断熱効果が得られる。そのため、第2機器グループGP2およびその接続配管を、高価な高温耐性の材料を使用せずに構成することができる。 The space of the second region R2 (the arrangement space of the second equipment group GP2) is filled with a granular heat insulating material (not shown). Although heat conduction occurs from the first box X1, which is a high temperature operation region, to the second region R2 through the first pedestal X1a, a sufficient heat insulation effect can be obtained by filling the granular heat insulating material. Therefore, the second equipment group GP2 and its connecting piping can be configured without using expensive high temperature resistant materials.

また、第1台座X1aには管挿入孔(貫通孔)が設けられており、第1領域R1と第2領域R2の境界を跨いで延びる各ライン(管路)は、この貫通孔を通るように配置される。これにより、第1機器グループGP1と第2機器グループGP2との間での流体の受け渡しは、第1台座X1aを上下方向に貫通する管路を通じて行われる。このように本実施形態では、各機器グループGP1,GP2間での流体の受け渡し用の配管は、第1台座X1aに穿設した管挿入孔に管路を取り付けるだけの構造なので、特別なシール等を必要としない。 The first pedestal X1a is provided with a pipe insertion hole (through hole), and each line (pipe) extending across the boundary between the first region R1 and the second region R2 is arranged to pass through this through hole. As a result, fluid is transferred between the first equipment group GP1 and the second equipment group GP2 through a pipe that passes through the first pedestal X1a in the vertical direction. In this manner, in this embodiment, the piping for transferring fluid between the equipment groups GP1 and GP2 is structured simply by attaching a pipe to a pipe insertion hole drilled in the first pedestal X1a, and therefore does not require special seals or the like.

更に、第2機器グループGP2を通る流体の管路には、ベローズ形伸縮管継手を設けるようにしても良い。第1台座X1aを貫通する管路と熱交換器を接続するパイプや、熱交換器どうしを接続するパイプは、システムの冷態時と運転時の温度変化により伸縮する。この伸縮により発生する熱応力は、パイプ本体および接合部の割れや破断の原因となるため、場合によっては可燃性ガスのリーク等、深刻な不具合を引き起こすことになる。第2機器グループGP2の流体接続に使用する配管機材がベローズ形伸縮管継手を含むようにすることで、熱応力の発生が極力抑えられ、このような不具合を回避することが可能となる。 Furthermore, bellows-type expansion joints may be provided in the pipelines for the fluid passing through the second equipment group GP2. The pipes connecting the pipeline penetrating the first base X1a to the heat exchanger, and the pipes connecting the heat exchangers to each other, expand and contract due to temperature changes between when the system is in a cold state and when it is operating. The thermal stress generated by this expansion and contraction can cause cracks or breaks in the pipe body and joints, which in some cases can cause serious problems such as the leakage of flammable gas. By including bellows-type expansion joints in the piping equipment used for fluid connections in the second equipment group GP2, the generation of thermal stress can be minimized, making it possible to avoid such problems.

本実施形態では図1に示すように、少なくとも、第2機器グループGP2を通る流体の管路のうち第1領域R1と第2領域R2の境界を跨いで延びる各ラインにおいて、第2領域R2の当該境界近傍に上下に伸縮可能なベローズ形伸縮管継手が設置されている。より具体的に説明すると、混合ガスラインLbの当該境界近傍には第1ベローズ形伸縮管継手B1が設置され、アノードオフガスラインLdの当該境界近傍には第2ベローズ形伸縮管継手B2が設置され、カソード空気ラインLeの当該境界近傍には第3ベローズ形伸縮管継手B3が設置され、燃焼ガスラインLgの当該境界近傍には第4ベローズ形伸縮管継手B4が設置されている。また、第2領域R2内の熱交換器どうしを接続する各パイプに、ベローズ形伸縮管継手を設置しても良い。 In this embodiment, as shown in FIG. 1, at least in each of the fluid pipelines that pass through the second equipment group GP2 and extend across the boundary between the first region R1 and the second region R2, a bellows-type expansion joint that can expand and contract up and down is installed near the boundary of the second region R2. More specifically, a first bellows-type expansion joint B1 is installed near the boundary of the mixed gas line Lb, a second bellows-type expansion joint B2 is installed near the boundary of the anode off-gas line Ld, a third bellows-type expansion joint B3 is installed near the boundary of the cathode air line Le, and a fourth bellows-type expansion joint B4 is installed near the boundary of the combustion gas line Lg. In addition, a bellows-type expansion joint may be installed in each pipe that connects the heat exchangers in the second region R2.

ホットモジュールHMは、例えば次のような工程で組み立てられる。まず第2台座X2aの上に第2機器グループGP2を配置し、所要の配管機材を用いて機器間の配管を施工する。次に、第2台座X2aの上に複数の第1支柱51を取付け、第1支柱51の先端部に第1台座X1aを載置して固定する。次に、第1台座X1aに穿設した管挿入孔に管路を取り付け、この管路と第2機器グループGP2との間で配管を施工する。次に、第2台座X2aの上に第2機器グループGP2を包囲するケーシングを取り付けて半開放の第2ボックスX2を形成し、第2ボックスX2内に粒状断熱材を充填する。 The hot module HM is assembled, for example, in the following steps. First, the second equipment group GP2 is placed on the second pedestal X2a, and the necessary piping materials are used to install the piping between the equipment. Next, multiple first supports 51 are attached to the second pedestal X2a, and the first pedestal X1a is placed and fixed on the tip of the first supports 51. Next, a pipeline is attached to a pipe insertion hole drilled in the first pedestal X1a, and piping is installed between this pipeline and the second equipment group GP2. Next, a casing that surrounds the second equipment group GP2 is attached to the second pedestal X2a to form a semi-open second box X2, and granular insulation material is filled inside the second box X2.

続いて、第1台座X1aの上に第1機器グループGP1を配置し、第1台座X1aに取り付けられた管路と第1機器グループGP1との間で配管を施工すると共に、所要の配管機材を用いて機器間の配管を施工する。次に、第1台座X1aの上に第1機器グループGP1を包囲するケーシングを取り付けて密閉型の第1ボックスX1を形成し、第1ボックスX1の側部および頂部に板状断熱材53を装着する。半開放の第2ボックスX2に対し、第1ボックスX1に装着した板状断熱材53を包囲するケーシングを取り付けて密閉型の第2ボックスX2を形成する。以上のような工程を経由することで、容易にホットモジュールHMを組み立てることができる。 Then, the first equipment group GP1 is placed on the first pedestal X1a, and piping is installed between the pipeline attached to the first pedestal X1a and the first equipment group GP1, and piping between the equipment is installed using the required piping materials. Next, a casing that surrounds the first equipment group GP1 is attached to the first pedestal X1a to form a sealed first box X1, and plate-shaped insulation material 53 is attached to the sides and top of the first box X1. A casing that surrounds the plate-shaped insulation material 53 attached to the first box X1 is attached to the semi-open second box X2 to form a sealed second box X2. By going through the above steps, the hot module HM can be easily assembled.

図4~図6は、それぞれ異なる視点によるホットモジュールHMの斜視図である。また図7および図8は、それぞれ異なる視点によるホットモジュールHMの側面図である。なおこれらの図においては、ホットモジュールHMの内部構造が理解容易となるように、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53を不図示としている。また、図5~図8に示す白抜き矢印は、各流体の流れ方向を模式的に表している。 Figures 4 to 6 are perspective views of the hot module HM from different viewpoints. Figures 7 and 8 are side views of the hot module HM from different viewpoints. In these figures, the first box X1, the second box X2, and the plate-shaped insulation material 53 are not shown so that the internal structure of the hot module HM can be easily understood. The white arrows in Figures 5 to 8 show the flow direction of each fluid.

これらの図に示すように、第1台座X1aの上側における上方視略中央位置には、上下(鉛直方向)に立設された筒状の改質器2が配置され、改質器2の上側にはバーナ3が配置されている。なお詳しくは後述するが、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaは、改質ガス発生装置として一体的に構成されている。 As shown in these figures, a cylindrical reformer 2 that stands vertically (in the vertical direction) is disposed at a substantially central position above the first pedestal X1a when viewed from above. A burner 3 is disposed at. Although details will be described later, the reformer 2, the burner 3, and the heat radiator Za are integrally configured as a reformed gas generator.

改質器2の左右それぞれには、複数個(本実施形態の例では4個)のセルスタック1を上下に集積したセルスタック集合体61が配置されている。改質器2の前側における左右のセルスタック集合体61に挟まれた領域には、図4に示すように、第1分配マニホールドMaおよび第2分配マニホールドMbのそれぞれが、上下に延びるように配置されている。第1分配マニホールドMaおよび第2分配マニホールドMbは隣接配置されるとともに、セルスタック集合体61の近傍に配置されている。 On each of the right and left sides of the reformer 2, a cell stack assembly 61 in which a plurality of (four in the present embodiment) cell stacks 1 are vertically stacked is arranged. As shown in FIG. 4, in a region sandwiched between the left and right cell stack assemblies 61 on the front side of the reformer 2, a first distribution manifold Ma and a second distribution manifold Mb are arranged to extend vertically. has been done. The first distribution manifold Ma and the second distribution manifold Mb are arranged adjacent to each other and near the cell stack assembly 61.

第1分配マニホールドMaと第2分配マニホールドMbを隣接配置することで、これら2つの分配マニホールドの表面間において放射伝熱や対流伝熱により熱交換が行われる。また、各分配マニホールドMa,Mbをセルスタック集合体61の近傍に配置することで、機器の表面間において放射伝熱や対流伝熱により熱交換が行われる。これにより、セルスタック1に供給するアノード燃料(改質ガスGc)とカソード空気(空気Aa)の温度が均一化されると共に、当該温度をセルスタック1の動作温度近くまで高められるので、発電セルの全体で効率のよい発電反応を行わせることができる。 By arranging the first distribution manifold Ma and the second distribution manifold Mb adjacent to each other, heat exchange occurs between the surfaces of these two distribution manifolds by radiation heat transfer and convection heat transfer. In addition, by arranging each distribution manifold Ma, Mb near the cell stack assembly 61, heat exchange occurs between the surfaces of the equipment by radiation heat transfer and convection heat transfer. This makes the temperatures of the anode fuel (reformed gas Gc) and cathode air (air Aa) supplied to the cell stack 1 uniform, and also raises the temperature close to the operating temperature of the cell stack 1, allowing efficient power generation reactions to occur throughout the entire power generation cell.

改質器2の後側における左右のセルスタック集合体61に挟まれた領域には、図6に示すように、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdのそれぞれが、上下に延びるように配置されている。すなわち、セルスタック集合体61、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdのそれぞれは、改質器2の外筒21を取り囲むように配置されている。 As shown in FIG. 6, in the area between the left and right cell stack assemblies 61 at the rear of the reformer 2, the first collection manifold Mc and the second collection manifold Md are arranged to extend vertically. That is, the cell stack assembly 61, the first collection manifold Mc, and the second collection manifold Md are arranged to surround the outer cylinder 21 of the reformer 2.

このように、各セルスタック1、第1収集マニホールドMcおよび第2収集マニホールドMdは改質器2の近傍に配置されており、改質器2へ発電反応に伴う廃熱を効率良く与えることが可能である。特に第1収集マニホールドMcは、アノードオフガスGdに含まれる廃熱を積極的に改質器2に与える役割を持つ。また第2収集マニホールドMdは、カソードオフガスGeに含まれる廃熱を積極的に改質器2に与える役割を持つ。これにより、改質器2における触媒層での吸熱量が大幅に増加するため、水蒸気改質反応の効率がアップし、触媒使用量が低減されて改質器2の小型化を実現できる。 In this way, each cell stack 1, the first collecting manifold Mc, and the second collecting manifold Md are arranged in the vicinity of the reformer 2, making it possible to efficiently provide the waste heat associated with the power generation reaction to the reformer 2. In particular, the first collecting manifold Mc has the role of actively providing the waste heat contained in the anode off-gas Gd to the reformer 2. The second collecting manifold Md also has the role of actively providing the waste heat contained in the cathode off-gas Ge to the reformer 2. This significantly increases the amount of heat absorbed in the catalyst layer in the reformer 2, improving the efficiency of the steam reforming reaction, reducing the amount of catalyst used, and enabling the reformer 2 to be made more compact.

<改質器、バーナ、熱放射筒>
次に、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaの構成等について、より詳細に説明する。なお本実施形態の例では、改質器2、バーナ3、および熱放射筒Zaは、改質ガス発生装置RGとして一体的に構成されている。
<Reformer, burner, heat radiator>
Next, the configurations of the reformer 2, the burner 3, the heat radiating tube Za, etc. will be explained in more detail. In the example of this embodiment, the reformer 2, the burner 3, and the heat radiator Za are integrally configured as a reformed gas generator RG.

図9は、改質ガス発生装置RGの側面図を示し、図10は、改質ガス発生装置RGの側方視による断面図を示す。また図11は、改質ガス発生装置RGにおけるバーナ3近傍の詳細構成を示す。なお図11においては、点火/火炎検知回路40の回路の構成例が模式的に示されている。 FIG. 9 shows a side view of the reformed gas generator RG, and FIG. 10 shows a cross-sectional view of the reformed gas generator RG when viewed from the side. Further, FIG. 11 shows a detailed configuration of the vicinity of the burner 3 in the reformed gas generator RG. Note that FIG. 11 schematically shows an example of the configuration of the ignition/flame detection circuit 40.

改質ガス発生装置RGにおいて、改質器2は、外筒21、内筒22、触媒充填層23、基端側蓋板24、および末端側蓋板25を有する。 In the reformed gas generator RG, the reformer 2 has an outer cylinder 21, an inner cylinder 22, a catalyst packed layer 23, a base end cover plate 24, and a terminal end cover plate 25.

外筒21と内筒22は、上下に延びる軸を共通とした円筒状に形成されており、上下方向の長さは概ね同じであるが、外筒21の直径は内筒22の直径よりも大きい。外筒21と内筒22は、内筒22が外筒21の内側に配置された二重筒構造の反応容器2aを形成している。外筒21と内筒22の間、すなわち反応容器2aの内部には、水蒸気改質用の触媒を充填した触媒充填層23が設けられている。 The outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 are formed in a cylindrical shape with a common axis extending vertically, and although their vertical lengths are roughly the same, the diameter of the outer cylinder 21 is larger than the diameter of the inner cylinder 22. The outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 form a reaction vessel 2a with a double cylinder structure in which the inner cylinder 22 is disposed inside the outer cylinder 21. Between the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22, i.e., inside the reaction vessel 2a, a catalyst packed layer 23 filled with a catalyst for steam reforming is provided.

基端側蓋板24は、外筒21と内筒22の基端部(上端部)どうしを繋いで反応容器2aの上側を封鎖し、末端側蓋板25は、外筒21と内筒22の末端部(下端部)どうしを繋いで反応容器2aの下側を封鎖している。 The proximal cover plate 24 connects the proximal ends (upper ends) of the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 to close off the upper side of the reaction vessel 2a, and the distal side cover plate 25 connects the proximal ends (upper ends) of the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22. The ends (lower ends) of the reaction vessel 2a are connected to each other to close the lower side of the reaction vessel 2a.

なお、基端側蓋板24および末端側蓋板25は円環状鏡板であり、当該円環状鏡板は、円環の断面形状が皿形、正半楕円形または近似半楕円形となっている。反応容器2aの蓋板に円環状鏡板を使用することにより、温度変化による径方向の膨張や収縮が吸収される。そのため、熱応力による反応容器2aの損傷や破損をより効果的に回避することができる。なお、上記の鏡板の断面形状は、JIS B 8247「圧力容器用鏡板」に規定されたもののうち、平鏡板を除くものである。 The base end cover plate 24 and the distal end cover plate 25 are annular head plates, and the cross-sectional shape of the annular head plate is dish-shaped, regular semi-elliptical, or approximately semi-elliptical. By using an annular head plate as the cover plate of the reaction vessel 2a, radial expansion and contraction due to temperature changes can be absorbed. Therefore, damage or breakage of the reaction vessel 2a due to thermal stress can be more effectively avoided. The cross-sectional shapes of the above head plates are those specified in JIS B 8247 "Head plates for pressure vessels", excluding flat head plates.

また、外筒21における取入口21aよりも少し上側の部分には、ベローズ構造の伸縮吸収部21cが形成されている。伸縮吸収部21cを設けたことにより、外筒21の時間的な温度変化や位置的な温度分布による伸縮が吸収される。そのため、触媒を収容している反応容器2aの熱応力による損傷や破損を回避しつつ、反応容器2aを長期間使用することができる。なお、伸縮吸収部21cとしては、市販のベローズ形伸縮管継手を使用するのが好適であり、この管継手とストレート管を接合して外筒21を安価に製作することができる。 In addition, a bellows-structured expansion and contraction absorbing section 21c is formed in the outer cylinder 21 slightly above the intake port 21a. By providing the expansion and contraction absorbing section 21c, expansion and contraction due to temporal temperature changes and positional temperature distribution of the outer cylinder 21 are absorbed. Therefore, damage and breakage of the reaction vessel 2a containing the catalyst due to thermal stress can be avoided, and the reaction vessel 2a can be used for a long period of time. Note that it is preferable to use a commercially available bellows-type expansion pipe joint as the expansion and contraction absorbing section 21c, and the outer cylinder 21 can be manufactured inexpensively by joining this pipe joint to a straight pipe.

また改質ガス発生装置RGにおいて、バーナ3は、第1ガス筒31、第2ガス筒32、保炎器33、および熱放射筒Zaを有する。 In the reformed gas generator RG, the burner 3 has a first gas cylinder 31, a second gas cylinder 32, a flame stabilizer 33, and a heat radiation cylinder Za.

第1ガス筒31と第2ガス筒32は、上下に延びる軸を共通とした円筒状に形成されており、第2ガス筒32の直径は第1ガス筒31の直径よりも大きい。第1ガス筒31の上側寄りの部分は、第2ガス筒32の上端よりも上方へ突出しており、第1ガス筒31の下側寄りの部分は、第2ガス筒32の内側に配置されている。第1ガス筒31の上端は封鎖されており、第1ガス筒31と第2ガス筒32との隙間は、第2ガス筒32の上端において封鎖されている。 The first gas cylinder 31 and the second gas cylinder 32 are formed in a cylindrical shape with a common axis extending vertically, and the diameter of the second gas cylinder 32 is larger than the diameter of the first gas cylinder 31. The upper part of the first gas cylinder 31 protrudes upward beyond the upper end of the second gas cylinder 32, and the lower part of the first gas cylinder 31 is disposed inside the second gas cylinder 32. The upper end of the first gas cylinder 31 is sealed, and the gap between the first gas cylinder 31 and the second gas cylinder 32 is sealed at the upper end of the second gas cylinder 32.

第2ガス筒32と熱放射筒Zaは1本の管体により形成されており、第2ガス筒32の下端は熱放射筒Zaの上端に連接している。このように第2ガス筒32と熱放射筒Zaを1本の管体で形成することにより、両部材の芯合わせや接合等の作業が不要となり、バーナ3を低コストで製作できる。また図10に示すように、第1ガス筒31の上部には先述した第1バーナ用ガスGxが流入し、第2ガス筒32の上部には先述した第2バーナ用ガスGyが流入する。 The second gas cylinder 32 and the heat radiation cylinder Za are formed of one tube, and the lower end of the second gas cylinder 32 is connected to the upper end of the heat radiation cylinder Za. By forming the second gas cylinder 32 and the heat radiating cylinder Za in one tube in this way, operations such as alignment and joining of both members are unnecessary, and the burner 3 can be manufactured at low cost. Further, as shown in FIG. 10, the first burner gas Gx described above flows into the upper part of the first gas cylinder 31, and the aforementioned second burner gas Gy flows into the upper part of the second gas cylinder 32.

保炎器33は、第1ガス筒31の下端に接続されるとともに、先端部が下方(燃焼させるガスの流れの下流側)に向かって拡開する円錐台状に形成されている。また保炎器33は、拡開方向に間隔をおいた多列の貫通孔33aを有している。また、保炎器33の外径と第2ガス筒32の内径は略同径に形成されており、これによりバーナ3は、第1バーナ用ガスGxと第2バーナ用ガスGyを燃焼させ、第2ガス筒32の内径の径方向断面の全体に亘って、安定した火炎を形成することが可能である。 The flame stabilizer 33 is connected to the lower end of the first gas cylinder 31 and is formed in a truncated cone shape with its tip expanding downward (downstream of the flow of gas to be burned). The flame stabilizer 33 has multiple rows of through holes 33a spaced apart in the expanding direction. The outer diameter of the flame stabilizer 33 and the inner diameter of the second gas cylinder 32 are formed to be approximately the same diameter, so that the burner 3 can burn the first burner gas Gx and the second burner gas Gy and form a stable flame over the entire radial cross section of the inner diameter of the second gas cylinder 32.

また図11に示すように、バーナ3には、第1電極ロッド41および第2電極ロッド42からなる電極対40xが備えられており、電極対40xの先端部が保炎器33の内部に配置されている。第1電極ロッド41は、第1ガス筒31と電気的に絶縁されており、第2電極ロッド42は、第1ガス筒31と電気的に導通している。 Further, as shown in FIG. 11, the burner 3 is equipped with an electrode pair 40x consisting of a first electrode rod 41 and a second electrode rod 42, and the tip of the electrode pair 40x is disposed inside the flame stabilizer 33. has been done. The first electrode rod 41 is electrically insulated from the first gas cylinder 31, and the second electrode rod 42 is electrically connected to the first gas cylinder 31.

電極対40xは、ガス点火の動作制御と火炎検知を行う点火/火炎検知回路40に接続されており、ガス点火と火炎検知の両方に利用することが可能である。点火/火炎検知回路40は、ガス点火部40a、電流検知部40b、第1スイッチ40c1、および第2スイッチ40c2を有している。点火/火炎検知回路40は、ガス点火時には、第1スイッチ40c1を閉じて第2スイッチ40c2を開くことで電極対40xをガス点火部40aに接続させ、ガス点火部40aからの高電流を電極間に流して火花を発生させて、ガス点火を実現させる。 The electrode pair 40x is connected to an ignition/flame detection circuit 40 that performs operation control of gas ignition and flame detection, and can be used for both gas ignition and flame detection. The ignition/flame detection circuit 40 includes a gas ignition section 40a, a current detection section 40b, a first switch 40c1, and a second switch 40c2. At the time of gas ignition, the ignition/flame detection circuit 40 connects the electrode pair 40x to the gas ignition section 40a by closing the first switch 40c1 and opening the second switch 40c2, and transmits a high current from the gas ignition section 40a between the electrodes. ignite the gas by flowing it through the gas to generate a spark.

一方で点火/火炎検知回路40は、火炎検知時には、第1スイッチ40c1を開いて第2スイッチ40c2を閉じることで電極対40xを電流検知部40bに接続させ、電極間に電圧を印加して生じる電流を電流検知部40bに検知させて、火炎の有無を判断する。これにより、電極間に電圧を印加したときの火炎の導電現象を利用して、火炎の有無を検知することが可能である。 On the other hand, when detecting a flame, the ignition/flame detection circuit 40 connects the electrode pair 40x to the current detection section 40b by opening the first switch 40c1 and closing the second switch 40c2, and applies a voltage between the electrodes. The current detection unit 40b detects the current to determine the presence or absence of flame. Thereby, it is possible to detect the presence or absence of a flame by utilizing the flame conduction phenomenon when a voltage is applied between the electrodes.

このようにバーナ3は、ガス点火時においては、第1電極ロッド41をスパークロッドとして機能させるとともに、第2電極ロッド42をアースロッドとして機能させる。一方でバーナ3は、火炎検知時においては、第1電極ロッド41をフレームロッドとして機能させるとともに、第2電極ロッド42をアースロッドとして機能させる。そのためバーナ3によれば、第1電極ロッド41および第2電極ロッド42からなる電極対40xを用いて、ガス点火機構と火炎検知機構を切替可能に構成することにより、確実かつ安全な燃焼動作を行うことができる。 In this way, when gas is ignited, the burner 3 causes the first electrode rod 41 to function as a spark rod and the second electrode rod 42 to function as an earth rod. On the other hand, when flame detection is performed, the burner 3 causes the first electrode rod 41 to function as a flame rod and the second electrode rod 42 to function as an earth rod. Therefore, the burner 3 can perform reliable and safe combustion operation by configuring the gas ignition mechanism and the flame detection mechanism to be switchable using the electrode pair 40x consisting of the first electrode rod 41 and the second electrode rod 42.

熱放射筒Zaは、内筒22と軸を共通とした円筒状に形成されており、熱放射筒Zaの外径は内筒22の内径よりも小さい。また、熱放射筒Zaの上端は、内筒22の内側において第2ガス筒32の下端に連接しており、熱放射筒Zaの下端は、内筒22の下端よりも下方へ突出している。なお熱放射筒Zaは、バーナ3の一要素と見ることもできる。 The heat radiation tube Za is formed in a cylindrical shape with a common axis with the inner tube 22, and the outer diameter of the heat radiation tube Za is smaller than the inner diameter of the inner tube 22. In addition, the upper end of the heat radiation tube Za is connected to the lower end of the second gas tube 32 inside the inner tube 22, and the lower end of the heat radiation tube Za protrudes downward beyond the lower end of the inner tube 22. The heat radiation tube Za can also be considered as one element of the burner 3.

熱放射筒Zaは、バーナ3における燃焼室および燃焼ガスの流通路として機能し、表面が燃焼熱の放射部としての役割を果たす。バーナ3の燃焼炎は熱放射筒Zaの内側に位置するため、この燃焼炎による熱エネルギーを熱放射筒Zaの外面から効率良く放射させることが可能である。本実施形態では熱放射筒Zaを燃焼室筒として機能させるため、触媒を収容している反応容器2aに内側から燃焼熱を与え続けても、熱放射筒Zaの熱応力による損傷や破損を回避することができる。 The heat radiator Za functions as a combustion chamber and a flow path for combustion gas in the burner 3, and its surface serves as a radiator for combustion heat. Since the combustion flame of the burner 3 is located inside the heat radiating tube Za, it is possible to efficiently radiate the thermal energy from this combustion flame from the outer surface of the heat radiating tube Za. In this embodiment, the heat radiator tube Za functions as a combustion chamber tube, so even if combustion heat is continuously applied from the inside to the reaction vessel 2a containing the catalyst, damage or breakage of the heat radiator tube Za due to thermal stress is avoided. can do.

熱放射筒Zaは、周方向全体において内筒22と表面どうしが離れるように、内筒22に挿通されている。このように、熱放射筒Zaの外面と内筒22の内面の間に隙間が設けられている。そのため、水蒸気改質反応のために内筒22側から触媒充填層23へ熱エネルギーを与える際の熱伝達は、熱放射筒Zaからの放射伝熱によって行われ、熱伝導を伴わない。これにより、触媒を収容している反応容器2aの熱応力による損傷や破損を回避しつつ、反応容器2aを長期間使用することが可能である。 The heat radiation tube Za is inserted into the inner tube 22 so that the surfaces of the heat radiation tube Za and the inner tube 22 are separated in the entire circumferential direction. In this way, a gap is provided between the outer surface of the heat radiation tube Za and the inner surface of the inner tube 22. Therefore, when thermal energy is provided from the inner tube 22 side to the catalyst packed layer 23 for the steam reforming reaction, heat is transferred by radiation from the heat radiation tube Za, and does not involve thermal conduction. This makes it possible to use the reaction vessel 2a containing the catalyst for a long period of time while avoiding damage or breakage due to thermal stress of the reaction vessel 2a.

また改質器2において、外筒21の下端部近傍には混合ガスGb(原燃料ガスGaと水蒸気の混合ガス)の取入口21aが設けられ、外筒21の上端部近傍には改質ガスGcの取出口21bが設けられている。取入口21aから外筒21と内筒22の間に取り入れられた混合ガスGbは、触媒充填層23を通る際に改質され、改質ガスGcとして取出口21bから取り出される。このように本実施形態では、取入口21aは熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けられ、取出口21bは熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設けられている。 In the reformer 2, an inlet 21a for mixed gas Gb (mixed gas of raw fuel gas Ga and water vapor) is provided near the lower end of the outer cylinder 21, and an outlet 21b for reformed gas Gc is provided near the upper end of the outer cylinder 21. The mixed gas Gb taken in between the outer cylinder 21 and the inner cylinder 22 from the inlet 21a is reformed as it passes through the catalyst packed layer 23, and is taken out as reformed gas Gc from the outlet 21b. Thus, in this embodiment, the inlet 21a is provided on the side corresponding to the tip side of the heat radiation cylinder Za, and the outlet 21b is provided on the side corresponding to the base end side of the heat radiation cylinder Za.

ここで、燃焼ガスGgの熱エネルギーは、水蒸気改質反応に伴う吸熱に利用されるので、燃焼ガスGgの温度は、熱放射筒Zaの基端側から先端側に向かって低下していくことになる。この点を考慮し、本実施形態では取入口21aと取出口21bの配置を上記のとおりとしたため、取入口21aから流入した混合ガスGbは、温度低下した燃焼ガスGgによって予熱された後、より高温の燃焼ガスGgの熱エネルギーを使って改質される。 Here, the thermal energy of the combustion gas Gg is used to absorb heat associated with the steam reforming reaction, so the temperature of the combustion gas Gg decreases from the base end to the tip end of the heat radiation tube Za. Taking this into consideration, in this embodiment, the intake port 21a and the outlet port 21b are arranged as described above, so that the mixed gas Gb flowing in from the intake port 21a is preheated by the reduced temperature combustion gas Gg, and then reformed using the thermal energy of the higher temperature combustion gas Gg.

そして生成した改質ガスGc(水素および一酸化炭素含有ガス)は、取出口21bから連続的に排出され、各セルスタック1のアノード燃料ガスとして使用される。このように本実施形態では、混合ガスGbおよび改質ガスGcの流れと、燃焼ガスの流れを対向流としているので、効率の良い水蒸気改質反応を行わせることができる。 The generated reformed gas Gc (gas containing hydrogen and carbon monoxide) is continuously discharged from the outlet 21b and used as an anode fuel gas for each cell stack 1. In this manner, in this embodiment, the flows of the mixed gas Gb and the reformed gas Gc and the flow of the combustion gas are opposed to each other, so that an efficient steam reforming reaction can be performed.

但し、取入口21aと取出口21bの配置を本実施形態とは逆にし、取入口21aを熱放射筒Zaの基端側に対応する側に設け、取出口21bを熱放射筒Zaの先端側に対応する側に設けるようにしても良い。この場合は、取入口21aから流入した混合ガスGbは、高温の燃焼ガスGgによって瞬時に予熱された後、やや温度低下した燃焼ガスGgの熱エネルギーを使って改質される。このように、混合ガスGbおよび改質ガスGcの流れと、燃焼ガスGgの流れを並行流とすることで、混合ガスGbの予熱効果が高く、混合ガスGbを調製する蒸発器4の加熱能力(熱交換能力)を抑えた設計が可能となり、蒸発器4のコストダウンが期待できる。 However, the arrangement of the intake 21a and the outlet 21b may be reversed from that of this embodiment, with the intake 21a provided on the side corresponding to the base end of the heat radiation tube Za and the outlet 21b provided on the side corresponding to the tip end of the heat radiation tube Za. In this case, the mixed gas Gb flowing in from the intake 21a is instantly preheated by the high-temperature combustion gas Gg, and then reformed using the thermal energy of the combustion gas Gg, which has a slightly lower temperature. In this way, by making the flow of the mixed gas Gb and the reformed gas Gc parallel to the flow of the combustion gas Gg, the preheating effect of the mixed gas Gb is high, and it is possible to design the evaporator 4, which prepares the mixed gas Gb, with reduced heating capacity (heat exchange capacity), which is expected to reduce the cost of the evaporator 4.

<燃焼ガス管>
次に、燃焼ガス管Zbの構成等について、より詳細に説明する。図12は、燃焼ガス管Zbの配置形態がより理解容易となるように、各ボックスX1,X2、板状断熱材53、および各マニホールドMa~Md等を不図示としたホットモジュールHMの側面図である。
<Combustion gas pipe>
Next, the configuration of the combustion gas pipe Zb will be described in more detail. Fig. 12 is a side view of the hot module HM in which the boxes X1, X2, the plate-shaped insulating material 53, and the manifolds Ma to Md are not shown in order to make the arrangement of the combustion gas pipe Zb easier to understand.

本図に示すように燃焼ガス管Zbは、上下に延びるストレート管が左右に(つまり平行に)並ぶように上側でUターンした折り返し管路からなり、改質器2の後側に配置されている。上側で繋がる左右の当該ストレート管は、改質器2の下端近傍から上端近傍まで延びており、改質器2の外筒21の近傍に正対配置されている。なお図12に破線矢印で示すように、燃焼ガスGgは右側の当該ストレート管を上昇して、左側の当該ストレート管を下降するように流れる。 As shown in this figure, the combustion gas pipe Zb is composed of a folded pipe path that makes a U-turn at the top so that the straight pipes extending vertically are lined up on the left and right (i.e. parallel), and is arranged behind the reformer 2. The left and right straight pipes that are connected at the top extend from near the bottom end to near the top end of the reformer 2, and are arranged directly opposite each other near the outer cylinder 21 of the reformer 2. As shown by the dashed arrows in Figure 12, the combustion gas Gg flows up the straight pipe on the right side and down the straight pipe on the left side.

これにより、バーナ3の作動時に発生する燃焼ガスGgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを順に流通し、改質器2の内側と外側から同時に燃焼熱を与えることができる。そのため、触媒層での吸熱量が増加して燃焼ガスGgの温度が大幅に低下する結果、予熱用の熱交換器に温度低下した燃焼ガスGgを供給することが可能となり、熱交換器を安価な材料(例えばSUS321、SUS316L、SUS310S等)で製作することができる。 As a result, the combustion gas Gg generated when the burner 3 is activated flows through the heat radiation tube Za and the combustion gas pipe Zb in sequence, and can provide combustion heat from both the inside and outside of the reformer 2 at the same time. As a result, the amount of heat absorbed in the catalyst layer increases and the temperature of the combustion gas Gg drops significantly, making it possible to supply the combustion gas Gg with a reduced temperature to the preheating heat exchanger, and the heat exchanger can be made from inexpensive materials (e.g. SUS321, SUS316L, SUS310S, etc.).

また、触媒層での吸熱量が大幅に増加することから、水蒸気改質反応の効率がアップし、その分、触媒使用量を低減することができ、改質器2の小型化が可能となっている。なお本実施形態では、改質器2での水蒸気改質反応に必要なエネルギーは、その大部分が燃焼熱によって賄われる。そのため改質器2では、セルスタック1の動作温度に依存することなく、安定した改質ガスGcの生成を行うことができる。 In addition, since the amount of heat absorbed in the catalyst layer increases significantly, the efficiency of the steam reforming reaction increases, and the amount of catalyst used can be reduced accordingly, making it possible to downsize the reformer 2. ing. In this embodiment, most of the energy required for the steam reforming reaction in the reformer 2 is provided by combustion heat. Therefore, the reformer 2 can stably generate the reformed gas Gc without depending on the operating temperature of the cell stack 1.

また図12に示すとおり、左側の燃焼ガス管Zbは左側のセルスタック集合体61の右側近傍に正対配置されており、右側の燃焼ガス管Zbは右側のセルスタック集合体61の左側近傍に正対配置されている。これにより、燃料電池システム100はスタートアップ運転時間の短縮が可能となっている。 As shown in FIG. 12, the left combustion gas pipe Zb is disposed directly opposite the right side of the left cell stack assembly 61, and the right combustion gas pipe Zb is disposed directly opposite the left side of the right cell stack assembly 61. This allows the fuel cell system 100 to shorten its startup operation time.

つまり、水蒸気改質を利用する改質形燃料電池システムでは、当該燃料電池システムのスタートアップ運転において、改質器およびセルスタックの昇温に水蒸気(過熱蒸気)を用いることがある。この場合、バーナの燃焼により発生させた燃焼ガスを蒸発器の熱源とし、蒸発器の内部で水を加熱することにより、水蒸気の生成が行われる。しかし水蒸気のみを使った昇温では、一般的に8時間以上もの非常に長いスタートアップ運転時間を有する。この点、本実施形態では、燃焼ガス管Zbを改質器2およびセルスタック集合体61の近傍に配置しているので、バーナ燃焼時の熱放射により、冷態の改質器2およびセルスタック集合体61が間接的に加熱される。そのため、スタートアップ運転時間を例えば4時間前後まで短縮することができる。 In other words, in a reforming fuel cell system that uses steam reforming, steam (superheated steam) may be used to heat the reformer and cell stack during startup operation of the fuel cell system. In this case, the combustion gas generated by the combustion of the burner is used as the heat source for the evaporator, and water is heated inside the evaporator to generate steam. However, when using only steam to heat the evaporator, the startup operation time is generally very long, at more than eight hours. In this embodiment, the combustion gas pipe Zb is disposed near the reformer 2 and cell stack assembly 61, so that the cold reformer 2 and cell stack assembly 61 are indirectly heated by the heat radiation during burner combustion. As a result, the startup operation time can be shortened to, for example, around four hours.

なお、本実施形態では改質器2がセルスタック集合体61の近傍に配置されており、セルスタック1の発電反応に伴う廃熱も、改質器2での水蒸気改質反応に補助的に利用される。そのため、発電セルの劣化等により損失エネルギーが増加した場合でも、セルスタック1の冷却が行えることになり、セルスタック1を適切な動作温度に維持することができる。 In this embodiment, the reformer 2 is disposed near the cell stack assembly 61, and waste heat from the power generation reaction in the cell stack 1 is also used to supplement the steam reforming reaction in the reformer 2. Therefore, even if the energy loss increases due to deterioration of the power generation cells, the cell stack 1 can be cooled and maintained at an appropriate operating temperature.

また本実施形態では、燃焼ガス管Zbを折り返し管路としたことにより、改質器2の外側から繰り返し燃焼熱を与えることができ、触媒層での吸熱量が更に増加する。そのため、触媒使用量の低減と改質器2の小型化により、ホットモジュールHMの材料コストを効果的に削減できる。なお当該折り返し管路は、管路のストレート部が改質器2の軸方向に沿って敷設されても良いし、改質器2の軸方向と直交して敷設されても良い。また、本実施形態では当該折り返し管路のターン数を1としているが、当該折り返し管路のターン数を複数としても良い。 In addition, in this embodiment, by making the combustion gas pipe Zb a turn-back pipe, the heat of combustion can be repeatedly applied from the outside of the reformer 2, and the amount of heat absorbed in the catalyst layer is further increased. Therefore, by reducing the amount of catalyst used and making the reformer 2 more compact, the material costs of the hot module HM can be effectively reduced. The turn-back pipe may be laid so that the straight portion of the pipe runs along the axial direction of the reformer 2, or may be laid perpendicular to the axial direction of the reformer 2. In addition, although the turn-back pipe has one turn in this embodiment, the turn-back pipe may have multiple turns.

<セルスタック>
次に、セルスタック1の構成等について、より詳細に説明する。図13および図14はセルスタック1の斜視図であり、図14はセルスタック1の平面図である。
<Cell stack>
Next, a more detailed description will be given of the configuration of the cell stack 1. Figures 13 and 14 are perspective views of the cell stack 1, and Figure 14 is a plan view of the cell stack 1.

図13~図15に示すようにセルスタック1は、所定数の平板型発電セルが左右に積層された積層部75、積層部75の左端に設けた第1端板76a、および、積層部75の右端に設けた第2端板76bを備える。第1端板76aと第2端板76bは、積層部75を挟んで左右に対向する一対の端板として設けられており、左方視で略矩形状である。 As shown in Figures 13 to 15, the cell stack 1 comprises a stacking section 75 in which a predetermined number of flat-type power generating cells are stacked on the left and right, a first end plate 76a provided at the left end of the stacking section 75, and a second end plate 76b provided at the right end of the stacking section 75. The first end plate 76a and the second end plate 76b are provided as a pair of end plates facing each other on the left and right sides of the stacking section 75, and are approximately rectangular when viewed from the left.

第1端板76aにおける四隅それぞれの近傍には、フランジ付ガスポート72が配置されている。具体的には図14に示すように、アノード燃料流入ポート72a、カソード空気流入ポート72b、アノードオフガス流出ポート72c、およびカソードオフガス流出ポート72dからなる計4個のフランジ付ガスポート72が設けられている。各フランジ付ガスポート72は、左側(外側)の縁の全周から径方向へ張り出すフランジ部72xを有する。 A flanged gas port 72 is disposed near each of the four corners of the first end plate 76a. Specifically, as shown in FIG. 14, a total of four flanged gas ports 72 are provided, consisting of an anode fuel inlet port 72a, a cathode air inlet port 72b, an anode off-gas outlet port 72c, and a cathode off-gas outlet port 72d. Each flanged gas port 72 has a flange portion 72x that extends radially from the entire circumference of the left (outer) edge.

またセルスタック1には、各フランジ付ガスポート72のフランジ部72xの縁部に固定される支持板71が設けられる。支持板71は、各フランジ付ガスポート72のフランジ部72xそれぞれの位置とサイズに合わせた貫通孔が形成されており、当該貫通孔それぞれの内周面に各フランジ部72xの外周面が密着する。 The cell stack 1 is also provided with a support plate 71 that is fixed to the edge of the flange portion 72x of each flanged gas port 72. The support plate 71 has through holes formed therein that correspond to the position and size of each flange portion 72x of each flanged gas port 72, and the outer circumferential surface of each flange portion 72x is in close contact with the inner circumferential surface of each through hole.

積層部75の前側には、積層部75の発電セルによって発電された電力を出力する端子として、上下を幅方向とした板状の第1電力端子74aおよび第2電力端子74bが配置されている。なお、第1電力端子74aと第2電力端子74bは、互いに極性が異なる電力端子である。第1電力端子74aは、積層部75の前側から前方へ突出して、端部74a1が左側に折り曲げられている。第2電力端子74bは、積層部75の前側における第1電力端子74aよりも左下寄りの位置から前方へ突出して、端部74b1が右側に折り曲げられている。 A plate-shaped first power terminal 74a and a second power terminal 74b with the top and bottom in the width direction are arranged on the front side of the stacked portion 75 as terminals for outputting the power generated by the power generation cells of the stacked portion 75. The first power terminal 74a and the second power terminal 74b are power terminals with different polarities. The first power terminal 74a protrudes forward from the front side of the stacked portion 75, and the end 74a1 is bent to the left. The second power terminal 74b protrudes forward from a position on the front side of the stacked portion 75 that is lower and to the left of the first power terminal 74a, and the end 74b1 is bent to the right.

このように、第1電力端子74aおよび第2電力端子74bは、積層部75における平板型発電セルの積層面(左右方向と直交する平面)に略平行かつ同一方向(本実施形態の例では前方)に突出している。各電力端子の端部74a1,74b1は、何れも前方を向いた平面を構成しており、前後方向および左右方向の位置が同じである。 In this way, the first power terminal 74a and the second power terminal 74b are arranged substantially parallel to and in the same direction (in the example of this embodiment, in the front ) stands out. The ends 74a1 and 74b1 of each power terminal form a plane facing forward, and are located at the same position in the front-rear direction and the left-right direction.

<セルスタック集合体>
次に、セルスタック集合体61の構成等について、より詳細に説明する。図16および図17は、それぞれ異なる視点から見た左側のセルスタック集合体61の斜視図である。なお本実施形態の例では、右側のセルスタック集合体61におけるセルスタック1は、左側のセルスタック集合体61におけるセルスタック1とは上下逆向きに配置される。これにより改質器2を挟んで左右に設けられる各セルスタック集合体61は、各電力端子74a,74bが前方に位置しながら、フランジ付ガスポート72が左右方向内側に位置するように構成される。
<Cell stack assembly>
Next, the configuration of the cell stack assembly 61 will be described in more detail. Figures 16 and 17 are perspective views of the left cell stack assembly 61 as viewed from different viewpoints. In this embodiment, the cell stack 1 in the right cell stack assembly 61 is arranged upside down compared to the cell stack 1 in the left cell stack assembly 61. As a result, the cell stack assemblies 61 provided on the left and right sides of the reformer 2 are configured such that the power terminals 74a, 74b are located forward, and the flanged gas port 72 is located inside in the left-right direction.

セルスタック集合体61は、オープンラック62を用いて複数のセルスタック1を上下方向に積み上げた構成となっている。これにより、セルスタック集合体61の設置面積、ひいてはホットモジュールHMの設置面積を極力小さくすることが可能である。そのため本実施形態によれば、既設設備の空きスペース等、狭い場所に設置しやすい燃料電池システム100を構築することができる。また、複数基のセルスタック集合体61をホットモジュールHMに搭載することにより、燃料電池システム100の発電出力の大容量化も容易である。 The cell stack assembly 61 is configured by stacking multiple cell stacks 1 vertically using an open rack 62. This makes it possible to minimize the installation area of the cell stack assembly 61, and therefore the installation area of the hot module HM. Therefore, according to this embodiment, it is possible to construct a fuel cell system 100 that can be easily installed in a narrow space, such as the empty space of an existing facility. In addition, by mounting multiple cell stack assemblies 61 on the hot module HM, it is also easy to increase the capacity of the power generation output of the fuel cell system 100.

オープンラック62は、上下に延びる柱部64が上方視四隅それぞれに設けられ、この4本の柱部64に固定支持されるようにして、複数のステージ盤63が上下方向へ略等間隔に配置されている。ステージ盤63に挟まれるスペースのサイズは、セルスタック1のサイズに合うように設定されている。 The open rack 62 has pillars 64 extending vertically provided at each of the four corners when viewed from above, and a plurality of stage boards 63 are arranged at approximately equal intervals in the vertical direction so as to be fixedly supported by the four pillars 64. has been done. The size of the space sandwiched between the stage boards 63 is set to match the size of the cell stack 1.

個々のセルスタック1は、ステージ盤63の上に載置されるとともに、例えばネジ止めによって支持板71が右側の柱部64に固定されて、オープンラック62に収容される。そのためセルスタック集合体61の組み立ては、セルスタック1をステージ盤63に載置し、支持板71を柱部64に固定する作業を繰り返すだけでよい。これにより、セルスタック集合体61を容易に組み立てることができる。また、個々のセルスタック1は、ステージ盤63により安定的に自重が支えられ、上下方向の適正位置に保持されるとともに運転中の脱落が防止される。 The individual cell stacks 1 are placed on the stage board 63 and housed in the open rack 62 with the support plate 71 fixed to the right column 64 by, for example, screws. Therefore, to assemble the cell stack assembly 61, it is only necessary to repeat the operations of placing the cell stack 1 on the stage board 63 and fixing the support plate 71 to the column part 64. Thereby, the cell stack assembly 61 can be easily assembled. Furthermore, the individual cell stacks 1 have their own weight stably supported by the stage board 63, are held at appropriate positions in the vertical direction, and are prevented from falling off during operation.

また、上述したオープンラック62は、規定数量(本実施形態の例では4個)のセルスタック1を搭載可能に設計されているが、当該オープンラックの代わりに、1個のセルスタック1に対応する単位ラックの複数個を組み立てたオープンラックを採用しても良い。図18は、このようなオープンラックを形成し得る単位ラック62aにセルスタック1を搭載した状態を例示している。 The above-mentioned open rack 62 is designed to be capable of mounting a specified number of cell stacks 1 (four in this embodiment), but instead of the open rack, an open rack assembled from multiple unit racks corresponding to one cell stack 1 may be used. Figure 18 shows an example of a cell stack 1 mounted on a unit rack 62a that can form such an open rack.

単位ラック61aは、オープンラック62におけるステージ盤63の1段分と同等の構成であるステージ盤63aと、オープンラック62における4本の柱部64の1段分と同等の構成である4本の柱部64aと、を備え、単位ラック61aどうしを上下方向に段積みして固定することが可能となっている。これにより、オープンラック62の場合と同様にして、所要数量のセルスタック1それぞれを各単位ラック61aに収容しておき、収容済みの単位ラック61a(スタック保持体)それぞれを段積みして固定することにより、先述したセルスタック集合体61と同等のものを得ることができる。 The unit rack 61a has a stage plate 63a having a configuration equivalent to one stage of the stage plate 63 in the open rack 62, and four pillars 64a having a configuration equivalent to one stage of the four pillars 64 in the open rack 62, and it is possible to stack and fix the unit racks 61a vertically. As a result, in the same manner as in the case of the open rack 62, the required number of cell stacks 1 can be accommodated in each unit rack 61a, and by stacking and fixing each of the accommodated unit racks 61a (stack holders), it is possible to obtain something equivalent to the cell stack assembly 61 described above.

この場合のオープンラックは、セルスタック1ごとに分割された単位ラック61aによって形成されることになる。このように単位ラック61aを利用する場合は、例えばホットモジュールHMの発電出力に応じて、セルスタック1の搭載数を容易に調節することができる。また、オープンラックにセルスタック1を搭載しない空き部分が生じないので、ラックの材料コストを削減することもできる。 The open rack in this case is formed by unit racks 61a divided into each cell stack 1. When the unit rack 61a is used in this manner, the number of cell stacks 1 mounted can be easily adjusted depending on, for example, the power generation output of the hot module HM. Further, since there is no vacant space in the open rack where the cell stack 1 is not mounted, the material cost of the rack can be reduced.

<マニホールドの枝管>
全てのセルスタック1における各フランジ付ガスポート72は、対応するマニホールドから延びる枝管に接続されている。具体的には、アノード燃料流入ポート72aは第1分配マニホールドMaから延びる枝管に接続され、カソード空気流入ポート72bは第2分配マニホールドMbから延びる枝管に接続され、アノードオフガス流出ポート72cは第1収集マニホールドMcから延びる枝管に接続され、カソードオフガス流出ポート72dは第2収集マニホールドMdから延びる枝管に接続されている。本実施形態では8個のセルスタック1を有しているため、それぞれのマニホールドから各々8本の枝管が延びる構成である。
<Manifold branch pipe>
Each flanged gas port 72 in all cell stacks 1 is connected to a branch pipe extending from the corresponding manifold. Specifically, the anode fuel inflow port 72a is connected to a branch pipe extending from the first distribution manifold Ma, the cathode air inflow port 72b is connected to a branch pipe extending from the second distribution manifold Mb, and the anode off-gas outflow port 72c is connected to the branch pipe extending from the first distribution manifold Ma. The cathode off-gas outlet port 72d is connected to a branch pipe extending from the second collection manifold Md. In this embodiment, since there are eight cell stacks 1, eight branch pipes extend from each manifold.

各マニホールドMa~Mdから延びる枝管は、対応するフランジ付ガスポート72と当該マニホールドを結ぶ最短距離よりも長い管長を有し、かつ湾曲部を含んで構成されている。また、何れの枝管にも先端にフランジが設けられており、当該フランジを、対応するフランジ付ガスポート72のフランジ部72xに連結させることが可能である。 The branch pipes extending from each manifold Ma to Md have a pipe length longer than the shortest distance connecting the corresponding flanged gas port 72 and the manifold, and are configured to include a curved portion. Further, each branch pipe is provided with a flange at its tip, and the flange can be connected to the flange portion 72x of the corresponding flanged gas port 72.

ここで図19に、各マニホールドMa~Md(便宜的に「マニホールドMx」と総称する。)から延びる枝管の構成例を示す。本図に示す何れの枝管BPも、マニホールドMxから延びて先端にフランジFgが設けられている。 Figure 19 shows an example of the configuration of branch pipes extending from each manifold Ma to Md (collectively referred to as "manifold Mx" for convenience). Each branch pipe BP shown in this figure extends from the manifold Mx and has a flange Fg at its tip.

図19(A)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV1が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV2が含まれている。これらの湾曲部CV1,CV2は何れも、平面的な(つまり二次元的な)パイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV1の全領域で枝管BPの断面視中心(枝管BPの延びる方向に直交する平面で切断した場合の断面視中心)は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれており、湾曲部CV2の全領域でも枝管BPの断面視中心は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれている。 In the example shown in FIG. 19(A), a state in which two branch pipes BP extend from the manifold Mx to two cell stacks 1 is partially shown, and one branch pipe BP has a curved portion. CV1 is included, and the other branch pipe BP includes a curved portion CV2. Both of these curved portions CV1 and CV2 have a planar (that is, two-dimensional) pipe structure. That is, in the entire region of the curved portion CV1, the cross-sectional center of the branch pipe BP (the cross-sectional center when cut along a plane perpendicular to the extending direction of the branch pipe BP) is the same plane (a plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx). ), and the cross-sectional center of the branch pipe BP is included in the same plane (a plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx) in the entire region of the curved portion CV2.

図19(B)に示す例では、マニホールドMxから1個のセルスタック1に対して1本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、この枝管BPには湾曲部CV3が含まれている。この湾曲部CV3も、平面的なパイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV3の全領域で枝管BPの断面視中心は同一の平面(マニホールドMxの軸方向と直交する平面)に含まれている。また当該枝管BPには途中にベローズ形伸縮管継手Bp1が設けられており、枝管BPの伸縮を吸収させることが可能となっている。 The example shown in Figure 19 (B) partially illustrates a state in which one branch pipe BP extends from the manifold Mx to one cell stack 1, and this branch pipe BP includes a curved section CV3. This curved section CV3 also has a planar pipe structure. In other words, the center of the cross-sectional view of the branch pipe BP throughout the entire area of the curved section CV3 is included in the same plane (a plane perpendicular to the axial direction of the manifold Mx). In addition, a bellows-type expansion joint Bp1 is provided midway in the branch pipe BP, making it possible to absorb the expansion and contraction of the branch pipe BP.

図19(C)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV4が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV5が含まれている。これらの湾曲部CV4,CV5は何れも、立体的な(つまり三次元的な)パイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV4,CV5の何れにおいても、全領域で枝管BPの断面視中心が同一の平面に含まれるようにはなっていない。 The example shown in Figure 19 (C) partially illustrates the state in which two branch pipes BP extend from a manifold Mx to two cell stacks 1, with one branch pipe BP including a curved portion CV4 and the other branch pipe BP including a curved portion CV5. Both of these curved portions CV4 and CV5 have a three-dimensional pipe structure. In other words, in both curved portions CV4 and CV5, the cross-sectional center of the branch pipe BP is not contained in the same plane over the entire area.

図19(D)に示す例では、マニホールドMxから2個のセルスタック1に対して2本の枝管BPが延びている状態を部分的に示しており、一方の枝管BPには湾曲部CV6が含まれ、他方の枝管BPには湾曲部CV7が含まれている。これらの湾曲部CV6,CV7は何れも、立体的なパイプ構造となっている。すなわち、湾曲部CV6,CV7の何れにおいても、全領域で枝管BPの断面視中心が同一の平面に含まれるようにはなっていない。 In the example shown in FIG. 19(D), a state in which two branch pipes BP extend from the manifold Mx to two cell stacks 1 is partially shown, and one branch pipe BP has a curved portion. CV6 is included, and the other branch pipe BP includes a curved portion CV7. Both of these curved portions CV6 and CV7 have a three-dimensional pipe structure. That is, in either of the curved portions CV6 and CV7, the cross-sectional center of the branch pipe BP is not included in the same plane in the entire area.

図19(A)或いは(B)に示す例のように、マニホールドMxの枝管BPに平面的なパイプ構造を有する湾曲部を設けるようにすると、主に枝管BPの水平方向(ホットモジュールHMの上下方向と直交する方向)に生じるパイプの伸縮を、効果的に吸収することができる。これにより、フランジ付ガスポート72との接合部に作用するストレスに基因するガスリークの問題が解消される。 As shown in the example of Figure 19 (A) or (B), by providing a curved section with a planar pipe structure in the branch pipe BP of the manifold Mx, the expansion and contraction of the pipe that occurs mainly in the horizontal direction of the branch pipe BP (the direction perpendicular to the vertical direction of the hot module HM) can be effectively absorbed. This solves the problem of gas leaks caused by stress acting on the joint with the flanged gas port 72.

一方で図19(C)或いは(D)に示す例のように、マニホールドMxの枝管BPに立体的なパイプ構造を有する湾曲部を設けるようにすると、枝管BPの水平方向に加えて高さ方向(ホットモジュールHMの上下方向)に生じるパイプの伸縮も、効果的に吸収することができる。これにより、フランジ付ガスポート72との接合部に作用するストレスに基因するガスリークの問題が解消される。各マニホールドMa~Mdの枝管にどのパイプ構造の湾曲部を設けるかは、例えばホットモジュールHMの仕様等に応じて決めることができる。 On the other hand, as in the example shown in Figure 19 (C) or (D), if a curved section with a three-dimensional pipe structure is provided in the branch pipe BP of the manifold Mx, expansion and contraction of the pipe that occurs in the vertical direction (up and down direction of the hot module HM) as well as the horizontal direction of the branch pipe BP can be effectively absorbed. This solves the problem of gas leaks caused by stress acting on the joint with the flanged gas port 72. The type of pipe structure to be provided in the branch pipe of each manifold Ma to Md can be determined according to, for example, the specifications of the hot module HM.

<電力端子およびその接続形態>
また左右両方のセルスタック集合体61において、各セルスタック1における各電力端子74a,74bは何れも前方に突出しており、これらの電力端子の端部74a1,74b1は、前後方向および左右方向の位置が同じとなるように揃えられている。また、同じセルスタック集合体61におけるセルスタック1どうしでは、第1電力端子74aおよび第2電力端子74bの上下の位置関係が揃えられている。すなわち、右側のセルスタック集合体61では、何れのセルスタック1においても第1電力端子74aが第2電力端子74bよりも上側にあり、左側のセルスタック集合体61では、何れのセルスタック1においても第1電力端子74aが第2電力端子74bよりも下側にある。
<Power terminal and its connection form>
Further, in both the left and right cell stack assemblies 61, the respective power terminals 74a and 74b in each cell stack 1 protrude forward, and the ends 74a1 and 74b1 of these power terminals are located at positions in the front-rear direction and the left-right direction. are arranged so that they are the same. Moreover, in the cell stacks 1 in the same cell stack assembly 61, the vertical positional relationship of the first power terminal 74a and the second power terminal 74b is aligned. That is, in the cell stack assembly 61 on the right side, the first power terminal 74a is located above the second power terminal 74b in any cell stack 1, and in the cell stack assembly 61 on the left side, the first power terminal 74a is located above the second power terminal 74b in any cell stack 1. Also, the first power terminal 74a is located below the second power terminal 74b.

そして近接するセルスタック1どうしの各電力端子74a,74bは、図5や図7等に示すように、メインバスバー78aおよびサブバスバー78bを用いて電気的に接続されるようにし、各セルスタック1の発電電力を纏めて外部へ出力させることが可能となっている。なお各バスバー78a,78bは、例えば、各電力端子の端部74a1,74b1にネジ止め等によって接続固定される。 The power terminals 74a and 74b of adjacent cell stacks 1 are electrically connected using a main bus bar 78a and a sub bus bar 78b, as shown in FIGS. It is possible to collect the generated power and output it to the outside. Note that each bus bar 78a, 78b is connected and fixed to the end portion 74a1, 74b1 of each power terminal, for example, by screwing or the like.

ここで図20は、各電力端子74a,74bの接続形態を模式的に示している。本図に示すように、右側のセルスタック集合体61の各セルスタック1においては、第1電力端子74aが第2電力端子74bより上側に設けられており、左側のセルスタック集合体61の各セルスタック1においては、第1電力端子74aが第2電力端子74bより下側に設けられている。 Here, Figure 20 shows a schematic diagram of the connection of each power terminal 74a, 74b. As shown in this figure, in each cell stack 1 of the cell stack assembly 61 on the right side, the first power terminal 74a is provided above the second power terminal 74b, and in each cell stack 1 of the cell stack assembly 61 on the left side, the first power terminal 74a is provided below the second power terminal 74b.

右側のセルスタック集合体61では、最上段のセルスタック1の第2電力端子74bと上から2段目のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続、上から2段目のセルスタック1の第2電力端子74bと上から3段目のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続、および、上から3段目のセルスタック1の第2電力端子74bと最下段のセルスタック1の第1電力端子74aとの接続のそれぞれが、メインバスバー78aにより実現されている。 In the cell stack assembly 61 on the right side, the second power terminal 74b of the topmost cell stack 1 is connected to the first power terminal 74a of the second cell stack 1 from the top, and the second power terminal 74a of the second cell stack 1 from the top is connected. connection between the second power terminal 74b of the cell stack 1 in the third row from the top and the first power terminal 74a of the cell stack 1 in the third row from the top, and the connection between the second power terminal 74b of the cell stack 1 in the third row from the top and the cell stack 1 in the bottom row Each of the connections with the first power terminal 74a is realized by a main bus bar 78a.

左側のセルスタック集合体61では、最上段のセルスタック1の第1電力端子74aと上から2段目のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続、上から2段目のセルスタック1の第1電力端子74aと上から3段目のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続、および、上から3段目のセルスタック1の第1電力端子74aと最下段のセルスタック1の第2電力端子74bとの接続のそれぞれが、メインバスバー78aにより実現されている。 In the cell stack assembly 61 on the left side, the first power terminal 74a of the cell stack 1 at the top level and the second power terminal 74b of the cell stack 1 at the second level from the top are connected, and the cell stack 1 at the second level from the top is connected. connection between the first power terminal 74a of the cell stack 1 in the third row from the top and the second power terminal 74b of the cell stack 1 in the third row from the top, and the connection between the first power terminal 74a of the cell stack 1 in the third row from the top and the cell stack 1 in the bottom row The connection with the second power terminal 74b is realized by the main bus bar 78a.

更に、右側のセルスタック集合体61における最下段のセルスタック1の第2電力端子74bと、左側のセルスタック集合体61における最下段のセルスタック1の第1電力端子74aとが、サブバスバー78bにより実現されている。また、右側のセルスタック集合体61における最上段のセルスタック1の第1電力端子74a、および、左側のセルスタック集合体61における最上段のセルスタック1の第2電力端子74bは、それぞれ別の電力線79に接続されている。これらの電力線79は、それぞれ別の電力線保護管79aに保護されており、ホットモジュールHMの外部に延出する。 Furthermore, the second power terminal 74b of the lowest cell stack 1 in the cell stack assembly 61 on the right side and the first power terminal 74a of the lowest cell stack 1 in the cell stack assembly 61 on the left side are connected by the sub-bus bar 78b. It has been realized. Further, the first power terminal 74a of the uppermost cell stack 1 in the cell stack assembly 61 on the right side and the second power terminal 74b of the uppermost cell stack 1 in the cell stack assembly 61 on the left side are connected to different terminals. It is connected to power line 79. These power lines 79 are protected by separate power line protection tubes 79a, and extend to the outside of the hot module HM.

メインバスバー78aは、ホットモジュールHMの冷態時と発電動作時の温度差による鉛直方向の伸縮に伴う不具合を防ぐため、伸縮吸収部78a1を有する金属板で構成されている。伸縮吸収部78a1は、本実施形態の例では、図8等に示すように左右方向視でU字状の湾曲部としているが、V字状の折曲部等としても良い。伸縮吸収部78a1を有するメインバスバー78aを採用することで、熱応力が緩和され、安定した発電動作が実現可能であるとともに、各段のセルスタック1に過剰な力が作用するのを防止することもできる。 The main bus bar 78a is made of a metal plate having an expansion/contraction absorbing portion 78a1 to prevent malfunctions caused by vertical expansion/contraction due to the temperature difference between when the hot module HM is in a cold state and when it is in a power generating state. In this embodiment, the expansion/contraction absorbing portion 78a1 is a U-shaped curved portion when viewed from the left and right as shown in FIG. 8, etc., but it may also be a V-shaped bent portion or the like. By employing a main bus bar 78a having an expansion/contraction absorbing portion 78a1, thermal stress is alleviated, making it possible to realize stable power generating operation and also preventing excessive force from acting on the cell stack 1 of each stage.

サブバスバー78bは、ホットモジュールHMの冷態時と発電動作時の温度差による水平方向の伸縮に伴う不具合を防ぐため、伸縮吸収部78b1を有する金属板で構成されている。伸縮吸収部78b1は、本実施形態の例では、図5等に示すように上下方向視でU字状の湾曲部としているが、V字状の折曲部等としても良い。伸縮吸収部78b1を有するサブバスバー78bを採用することで、熱応力が緩和され、安定した発電動作が実現可能であるとともに、最上段のセルスタック1に過剰な力が作用するのを防止することもできる。 The sub-busbar 78b is made of a metal plate having an expansion/contraction absorbing portion 78b1 to prevent malfunctions caused by horizontal expansion/contraction due to the temperature difference between when the hot module HM is in a cold state and when it is in a power generating state. In this embodiment, the expansion/contraction absorbing portion 78b1 is a curved portion that is U-shaped when viewed from the top and bottom as shown in FIG. 5, etc., but it may also be a V-shaped bent portion or the like. By employing the sub-busbar 78b having the expansion/contraction absorbing portion 78b1, thermal stress is alleviated, making it possible to realize stable power generating operation and also preventing excessive force from acting on the uppermost cell stack 1.

<冷却体>
次に、冷却管Zcを含む冷却用空気ラインLkの構成について詳細に説明する。図21は、冷却用空気ラインLkの設置例を示すホットモジュールHMの斜視図である。なお図21においては、図5と同様に、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53を不図示としており、さらに、冷却用空気ラインLkの主要部以外の部分を薄く表示し、冷却用空気Adの出入り方向を着色矢印で概略的に示している。
<Cooling body>
Next, the configuration of the cooling air line Lk including the cooling pipe Zc will be described in detail. Fig. 21 is a perspective view of a hot module HM showing an example of the installation of the cooling air line Lk. In Fig. 21, the first box X1, the second box X2, and the plate-shaped insulation material 53 are not shown, as in Fig. 5, and further, the parts other than the main parts of the cooling air line Lk are shown lightly, and the inflow and outflow directions of the cooling air Ad are roughly indicated by colored arrows.

図21に示すように、改質器2および左右のセルスタック集合体61の前側には、冷却用空気ラインLkにおける冷却管Zcと収集管Lk1が配置されている。より具体的に説明すると、左右のセルスタック集合体61それぞれの前側には、上下に延びる冷却管Zcがメインバスバー78aの近傍に配置されている。これら左右2本の冷却管Zcの下端部どうしは、左右に延びる連結管Lkxにより連結されており、この連結管Lkxはサブバスバー78bの近傍に配置されている。そして連結管Lkxの略中央部には、上方へ延びる延出管Lkyが延出しており、連結管Lkxと延出管Lkyが一体となって収集管Lk1が構成されている。 As shown in FIG. 21, the cooling pipe Zc and collection pipe Lk1 in the cooling air line Lk are arranged in front of the reformer 2 and the left and right cell stack assemblies 61. More specifically, the cooling pipe Zc extending vertically is arranged near the main bus bar 78a in front of each of the left and right cell stack assemblies 61. The lower ends of these two left and right cooling pipes Zc are connected to each other by a connecting pipe Lkx extending horizontally, and this connecting pipe Lkx is arranged near the sub-bus bar 78b. An extension pipe Lky extending upward extends from approximately the center of the connecting pipe Lkx, and the connecting pipe Lkx and the extension pipe Lky are integrated to form the collection pipe Lk1.

2本の冷却管Zcおよび収集管Lk1(連結管Lkx,延出管Lky)は、例えば、「コ」の字状(或いはU字状)に折り曲げ加工された大径管体の略中央部に小径管体(大径管体よりも径方向サイズが小さい管体)を溶接して形成することが可能であり、この場合、大径管体の両端それぞれの部分が冷却管Zcとなり、その他の部分が収集管Lk1となる。このように、折り返すように曲げられている大径管体の両端側部分それぞれを冷却管Zcとし、当該大径管体における冷却管Zcどうしの間の部分である連結管Lkx、および、連結管Lkxから延出するように配置された小径管体(延出管Lky)を、収集管Lk1とすることができる。収集管Lk1は、2本の冷却管Zcを流通した後の冷却用空気Adを合流させて導出する役割を果たす。 The two cooling pipes Zc and the collecting pipe Lk1 (connecting pipe Lkx, extension pipe Lky) are, for example, placed approximately in the center of a large diameter pipe body bent into a U-shape (or U-shape). It is possible to form a small-diameter tube (a tube whose radial size is smaller than a large-diameter tube) by welding.In this case, each end of the large-diameter tube becomes the cooling pipe Zc, and the other This part becomes the collection tube Lk1. In this way, both end portions of the large-diameter pipe body that are bent back are defined as cooling pipes Zc, and a connecting pipe Lkx, which is a portion between the cooling pipes Zc in the large-diameter pipe body, and a connecting pipe A small diameter tube body (extension tube Lky) arranged to extend from Lkx can be used as collection tube Lk1. The collection pipe Lk1 plays a role of merging and guiding the cooling air Ad that has passed through the two cooling pipes Zc.

更に、冷却管Zcを流れる冷却用空気Adは、メインバスバー78aの冷却にも利用されると共に、連結管Lkxを流れる冷却用空気Adは、サブバスバー78bの冷却にも利用される。これにより、メインバスバー78aおよびサブバスバー78bの電気抵抗が減少し、発電電力の送電損失が抑制される。 Furthermore, the cooling air Ad flowing through the cooling pipe Zc is also used to cool the main bus bar 78a, and the cooling air Ad flowing through the connecting pipe Lkx is also used to cool the sub-bus bar 78b. This reduces the electrical resistance of the main bus bar 78a and the sub-bus bar 78b, suppressing the transmission loss of the generated power.

第1実施形態ではセルスタック1の積重方向へ伸びるようにセルスタック集合体61の近傍に冷却管Zcが設置されており、冷却用空気Adを下降流で流すことで、ホットモジュールHMが上層部から下層部に向かって冷却されるようにしている。なお冷却能力を増強する場合は、背面側(セルスタック集合体61の後側)にも冷却管を設置するようにしても良い。 In the first embodiment, a cooling pipe Zc is installed near the cell stack assembly 61 so as to extend in the stacking direction of the cell stack 1, and by flowing the cooling air Ad in a downward flow, the hot module HM is The cooling is done from the top to the bottom. Note that in order to increase the cooling capacity, cooling pipes may also be installed on the back side (rear side of the cell stack assembly 61).

この場合、ホットモジュールHMの内部温度に応じて、前後の一方もしくは両方の冷却管を作動させるようにしても良い。一例としては、ホットモジュールHMの内部温度が所定の閾値以下であるときは、前側の冷却管Zcにだけ冷却用空気Adを流すようにし、所定の閾値を超えたときは、前後両方の冷却管Zcに冷却用空気Adを流すようにしても良い。 In this case, one or both of the front and rear cooling pipes may be operated depending on the internal temperature of the hot module HM. As an example, when the internal temperature of the hot module HM is below a predetermined threshold, cooling air Ad may be made to flow only through the front cooling pipe Zc, and when it exceeds the predetermined threshold, cooling air Ad may be made to flow through both the front and rear cooling pipes Zc.

以上に説明したとおり、本実施形態のホットモジュールHMは、セルスタック1と、冷却用空気Adが流通する冷却管Zcと、を備え、冷却管Zcをセルスタック1の近傍に設置すると共に、冷却管Zcに導入する冷却用空気Adの流量を調整することにより、ホットモジュールHM内部の熱量を制御するようになっている。そのためホットモジュールHMは、セルスタック1の動作温度を適正範囲に維持することが容易となっている。なお冷却管Zcは、本発明に係る冷却体(管状の形状を有する冷却体)の一形態に相当する。 As described above, the hot module HM of this embodiment includes a cell stack 1 and a cooling pipe Zc through which cooling air Ad flows. The cooling pipe Zc is installed near the cell stack 1, and the amount of heat inside the hot module HM is controlled by adjusting the flow rate of the cooling air Ad introduced into the cooling pipe Zc. Therefore, the hot module HM can easily maintain the operating temperature of the cell stack 1 within an appropriate range. The cooling pipe Zc corresponds to one form of the cooling body (a cooling body having a tubular shape) according to the present invention.

なお、冷却管Zcの配置形態は、第1実施形態のものに限定されるものではなく、種々の目的等に応じて他の配置形態を採用することも可能である。冷却管Zcの配置形態を別の形態とした場合のホットモジュールHMの具体例について、以下、第2実施形態および第3実施形態として説明する。 Note that the arrangement of the cooling pipes Zc is not limited to that of the first embodiment, and other arrangements may be adopted depending on various purposes. Specific examples of the hot module HM in which the cooling pipes Zc are arranged in a different manner will be described below as a second embodiment and a third embodiment.

2.第2実施形態
次に本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態は、冷却用空気ラインLkの形態(特に冷却管Zcの配置形態)を除いて、基本的に第1実施形態と同様である。以下の説明では、第1実施形態と異なる点の説明に重点をおき、第1実施形態と共通する点については説明を省略することがある。
2. Second embodiment Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is basically the same as the first embodiment, except for the configuration of the cooling air line Lk (particularly the arrangement of the cooling pipes Zc). In the following description, the emphasis will be placed on the differences from the first embodiment, and the description of the commonalities with the first embodiment may be omitted.

図22は、第2実施形態に係るホットモジュールHMの斜視図であり、冷却用空気ラインLkの主要部を着色して模式的に表したものである。なお図22においては、図21と同様に、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53を不図示としており、冷却用空気ラインLkの主要部以外の部分を薄く表示し、冷却用空気Adの出入り方向を着色矢印で概略的に示している。 Figure 22 is a perspective view of the hot module HM according to the second embodiment, and shows the main parts of the cooling air line Lk in color. In Figure 22, as in Figure 21, the first box X1, the second box X2, and the plate-shaped insulation material 53 are not shown, and the parts other than the main parts of the cooling air line Lk are shown in a lighter color, and the inflow and outflow directions of the cooling air Ad are shown roughly with colored arrows.

図22に示すように第2実施形態では、上方視で複数のセルスタック集合体61の全体を囲むように、冷却管Zcが上下方向を軸方向とする螺旋状に設置されている。また、前後左右の各方向から見て、当該螺旋状は最上段のセルスタック1から最下段のセルスタック1まで及んでいる。 As shown in FIG. 22, in the second embodiment, the cooling pipes Zc are installed in a spiral shape with the vertical direction as the axial direction so as to entirely surround the plurality of cell stack aggregates 61 when viewed from above. Moreover, the spiral shape extends from the uppermost cell stack 1 to the lowermost cell stack 1 when viewed from the front, back, left, and right directions.

更に冷却管Zcは、全てのセルスタック1の第2端板76b(エンドプレート)それぞれに対応して前後に伸びる対応部それぞれを有している。当該対応部それぞれは対応する第2端板76bに近接しており、これにより冷却管Zcは各セルスタック1を効率良く冷却することが可能となっている。なお第2実施形態においても、冷却用空気Adを下降流で流すことで、ホットモジュールHMが上層部から下層部に向かって冷却されるようにしている。 Furthermore, the cooling pipe Zc has corresponding parts extending forward and backward corresponding to the second end plates 76b (end plates) of all the cell stacks 1. Each of the corresponding parts is close to the corresponding second end plate 76b, which enables the cooling pipe Zc to efficiently cool each cell stack 1. Note that in the second embodiment as well, the hot module HM is cooled from the upper layer toward the lower layer by flowing the cooling air Ad in a downward flow.

3.第3実施形態
次に本発明の第3実施形態について説明する。第3実施形態は、冷却用空気ラインLkの形態(特に冷却管Zcの配置形態)を除いて、基本的に第1実施形態と同様である。以下の説明では、第1実施形態と異なる点の説明に重点をおき、第1実施形態と共通する点については説明を省略することがある。
3. Third Embodiment Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment is basically the same as the first embodiment except for the configuration of the cooling air line Lk (particularly the arrangement configuration of the cooling pipe Zc). In the following description, emphasis will be placed on the explanation of points different from the first embodiment, and explanations of points common to the first embodiment may be omitted.

図23は、第3実施形態に係るホットモジュールHMの斜視図であり、冷却用空気ラインLkの主要部を着色して模式的に表したものである。なお図23においては、図21と同様に、第1ボックスX1、第2ボックスX2、および板状断熱材53を不図示としており、冷却用空気ラインLkの主要部以外の部分を薄く表示し、冷却用空気Adの出入り方向を着色矢印で概略的に示している。 FIG. 23 is a perspective view of the hot module HM according to the third embodiment, in which the main part of the cooling air line Lk is schematically illustrated in color. Note that in FIG. 23, as in FIG. 21, the first box X1, the second box X2, and the plate-shaped heat insulating material 53 are not shown, and parts other than the main part of the cooling air line Lk are shown in a lighter manner. The direction of inflow and outflow of cooling air Ad is schematically shown with colored arrows.

図23に示すように第3実施形態では、上方視で複数のセルスタック集合体61の全体を囲むように、冷却管Zcが上下方向を軸方向とする螺旋状に設置されている。但し第3実施形態では、前後左右の各方向から見て、当該螺旋状は最上段のセルスタック1の周囲に留まっており、最上段のセルスタック1の第2端板76b(エンドプレート)が重点的に冷却されるようになっている。 As shown in FIG. 23, in the third embodiment, the cooling pipes Zc are installed in a spiral shape with the vertical direction as the axial direction so as to entirely surround the plurality of cell stack aggregates 61 when viewed from above. However, in the third embodiment, when viewed from the front, back, left, and right directions, the spiral shape remains around the top cell stack 1, and the second end plate 76b (end plate) of the top cell stack 1 is It is designed to be intensively cooled.

なお冷却管Zcは、最上段の左右のセルスタック1の第2端板76bそれぞれに対応して前後に伸びる対応部それぞれを有しており、当該対応部それぞれは対応する第2端板76bに近接している。これにより冷却管Zcは最上段のセルスタック1を効率良く冷却することが可能となっている。 Note that the cooling pipe Zc has respective corresponding portions extending back and forth corresponding to the second end plates 76b of the left and right cell stacks 1 at the top, and each of the corresponding portions is connected to the corresponding second end plate 76b. Close to each other. This allows the cooling pipe Zc to efficiently cool the uppermost cell stack 1.

第3実施形態によれば、ホットモジュールHMの上層部を重点的に冷却することで、ホットモジュールHMの内部に温度差が生まれる。これにより、断熱材で閉じ込められているホットモジュールHM内部の空気の対流を促すことで、温度の均一化を図ることが可能となっている。また、上層部の温度が高い場合は、空気の対流により上層部に位置するセルスタック1が積極的に冷やされる。これにより、積層されたセルスタック1の上下方向の温度分布を解消することが可能となっている。なお第1~第3実施形態の各冷却管Zcは、その内部に冷却用空気Adの乱流を促進する構造物ないし充填物を有する構成としても良い。これにより、冷却用空気Adの乱流が促進され、吸熱効果の向上が期待できる。 According to the third embodiment, by intensively cooling the upper layer of the hot module HM, a temperature difference is created inside the hot module HM. This makes it possible to equalize the temperature by promoting convection of air inside the hot module HM, which is confined by the heat insulating material. Furthermore, when the temperature of the upper layer is high, the cell stack 1 located in the upper layer is actively cooled by air convection. This makes it possible to eliminate temperature distribution in the vertical direction of the stacked cell stack 1. Note that each of the cooling pipes Zc in the first to third embodiments may have a structure or a filling therein that promotes turbulent flow of the cooling air Ad. This promotes the turbulent flow of the cooling air Ad, and can be expected to improve the heat absorption effect.

また、セルスタック1のアノードでは水素濃度が高い上流側ほど発電反応が進むので、発熱量が多くなる。そこで第1~第3実施形態の各冷却管Zcは、冷却管Zcの内部を流通する冷却用空気Adの流れ方向と、セルスタック1の内部を流通するアノード燃料の流れ方向とが略同じ方向になるように、セルスタック1ないしセルスタック集合体61の近傍に設置しても良い。これにより、アノードでの発熱量が多い側に対してより低温の冷却用空気Adを流すことができ、冷却用空気Adの吸熱量を増やして冷却効率の向上が期待できる。 In addition, in the anode of the cell stack 1, the power generation reaction proceeds more upstream where the hydrogen concentration is higher, resulting in a greater amount of heat generation. Therefore, each cooling pipe Zc in the first to third embodiments may be installed near the cell stack 1 or the cell stack assembly 61 so that the flow direction of the cooling air Ad flowing inside the cooling pipe Zc and the flow direction of the anode fuel flowing inside the cell stack 1 are approximately the same direction. This allows lower temperature cooling air Ad to flow toward the side where the amount of heat generated at the anode is greater, which is expected to increase the amount of heat absorbed by the cooling air Ad and improve cooling efficiency.

なお、第1~第3実施形態のセルスタック1は、一対の端板(第1端板76aと第2端板76b)の間に所定数の平板型発電セルを積層した構成(積層部75を有した構成)であって、第1端板76aに、アノード燃料流入ポート72a、カソード空気流入ポート72b、アノードオフガス流出ポート72c、およびカソードオフガス流出ポート72dを有している。そして第2および第3実施形態の冷却管Zcは、一部が第2端板76bの板面に沿うように設置されている。これにより、セルスタック1を効果的に冷却することが可能となっている。 The cell stack 1 of the first to third embodiments has a configuration (having a stacking portion 75) in which a predetermined number of flat-type power generation cells are stacked between a pair of end plates (first end plate 76a and second end plate 76b), and the first end plate 76a has an anode fuel inlet port 72a, a cathode air inlet port 72b, an anode off-gas outlet port 72c, and a cathode off-gas outlet port 72d. The cooling pipe Zc of the second and third embodiments is installed so that a portion of it runs along the plate surface of the second end plate 76b. This makes it possible to effectively cool the cell stack 1.

また第1~第3実施形態の冷却管Zcは、第2分配マニホールドMbを含む各マニホールド、および、カソード空気流入ポート72bと第2分配マニホールドMbとを接続する枝管を含む各枝管とは、別個の構成要素として設けられている。そのため、例えば各マニホールドや各枝管において仕様変更等が生じても、冷却管Zcへの影響は極力抑えられ、ホットモジュールHMの内部を安定的に冷却することが可能である。 In addition, the cooling pipe Zc in the first to third embodiments is provided as a separate component from each manifold including the second distribution manifold Mb, and each branch pipe including the branch pipe connecting the cathode air inlet port 72b and the second distribution manifold Mb. Therefore, even if there is a change in the specifications of each manifold or each branch pipe, the effect on the cooling pipe Zc is minimized, and the inside of the hot module HM can be stably cooled.

4.第4実施形態
次に本発明の第4実施形態について説明する。以下の説明では、第1実施形態と異なる点の説明に重点をおき、第1実施形態と共通する点については説明を省略することがある。
4. Fourth Embodiment Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the following description, emphasis will be placed on the explanation of points different from the first embodiment, and explanations of points common to the first embodiment may be omitted.

図24は、第4実施形態に係る燃料電池システム200の構成を示す説明図である。図24に示すように燃料電池システム200は、6個の前段側セルスタック1a、2個の後段側セルスタック1b、改質器2、バーナ3、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、凝縮水回収タンク9、第1原燃料ブロワ10、第1空気ブロワ11、水ポンプ12、第3空気ブロワ17、再熱器18、および2個の冷却体110を備える。なお以下の説明では、前段側セルスタック1aおよび後段側セルスタック1bを、セルスタック1と総称することがある。 Figure 24 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 200 according to the fourth embodiment. As shown in Figure 24, the fuel cell system 200 includes six front-stage cell stacks 1a, two rear-stage cell stacks 1b, a reformer 2, a burner 3, an evaporator 4, an air preheater 5, an anode off-gas cooler 6, an anode off-gas condenser 7, a condensed water recovery tank 9, a first raw fuel blower 10, a first air blower 11, a water pump 12, a third air blower 17, a reheater 18, and two cooling bodies 110. In the following description, the front-stage cell stacks 1a and rear-stage cell stacks 1b may be collectively referred to as cell stacks 1.

また燃料電池システム200は、混合ガスラインLb、アノード燃料ラインLc、第1アノードオフガスラインLda、第2アノードオフガスラインLdb、カソード空気ラインLe、カソードオフガスラインLf、燃焼ガスラインLg、冷却用空気ラインLk、および改質水ラインLiの各ライン(管路)を備える。 The fuel cell system 200 also includes the following lines (pipes): a mixed gas line Lb, an anode fuel line Lc, a first anode offgas line Lda, a second anode offgas line Ldb, a cathode air line Le, a cathode offgas line Lf, a combustion gas line Lg, a cooling air line Lk, and a reforming water line Li.

混合ガスラインLbは、燃料取入口E2と改質器2を接続する管路であり、この管路中には上流側から順に、第1原燃料ブロワ10、および蒸発器4が配置されている。第1原燃料ブロワ10は、燃料取入口E2から取り入れられた原燃料ガス(例えば都市ガス13A等のメタン含有ガス)Gaを昇圧して、混合ガスラインLbの下流側へ送る機器である。 The mixed gas line Lb is a pipe line that connects the fuel intake port E2 and the reformer 2, and in this pipe line, a first raw fuel blower 10 and an evaporator 4 are arranged in order from the upstream side. . The first raw fuel blower 10 is a device that boosts the pressure of raw fuel gas (for example, methane-containing gas such as city gas 13A) Ga taken in from the fuel intake port E2, and sends it to the downstream side of the mixed gas line Lb.

アノード燃料ラインLcは、改質器2と各前段側セルスタック1aのアノードとを接続する管路である。第1アノードオフガスラインLdaは、各前段側セルスタック1aのアノードと各後段側セルスタック1bのアノードとを接続する管路である。第1アノードオフガスラインLdaは、上流側から順に、再熱器18、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、凝縮水回収タンク9、および再熱器18を通るように配置されている。 The anode fuel line Lc is a pipe line that connects the reformer 2 and the anode of each previous cell stack 1a. The first anode off-gas line Lda is a conduit that connects the anode of each front-stage cell stack 1a and the anode of each rear-stage cell stack 1b. The first anode off-gas line Lda is arranged to pass through the reheater 18, the anode off-gas cooler 6, the anode off-gas condenser 7, the condensed water recovery tank 9, and the reheater 18 in order from the upstream side.

第2アノードオフガスラインLdbは、各後段側セルスタック1bのアノードとバーナ3とを接続する管路である。カソード空気ラインLeは、空気取入口E3と各セルスタック1のカソードとを接続する管路である。カソード空気ラインLeは、上流側から順に、アノードオフガス冷却器6および空気予熱器5を通るように配置されている。 The second anode off-gas line Ldb is a conduit that connects the anode of each subsequent cell stack 1b and the burner 3. The cathode air line Le is a conduit connecting the air intake port E3 and the cathode of each cell stack 1. The cathode air line Le is arranged to pass through the anode off-gas cooler 6 and the air preheater 5 in order from the upstream side.

カソードオフガスラインLfは、各セルスタック1のカソードとバーナ3とを接続する管路である。燃焼ガスラインLgは、バーナ3とガス排出口(燃焼ガスの排出口)とを接続する管路である。燃焼ガスラインLgは、上流側から順に、空気予熱器5および蒸発器4を通るように配置されている。 The cathode offgas line Lf is a pipe that connects the cathode of each cell stack 1 to the burner 3. The combustion gas line Lg is a pipe that connects the burner 3 to the gas exhaust port (combustion gas exhaust port). The combustion gas line Lg is arranged to pass through the air preheater 5 and the evaporator 4, in that order from the upstream side.

冷却用空気ラインLkは、空気取入口E5と各冷却体110とを接続する管路である。冷却用空気ラインLkは途中に第3空気ブロワ17が配置されており、その後段側の所定位置αにおいて、第1冷却用空気ラインLkaと第2冷却用空気ラインLkbに分岐して伸びている。第3空気ブロワ17は、空気取入口E5から取り入れられた冷却用空気Adを昇圧して、冷却用空気ラインLkの下流側へ送る機器である。 The cooling air line Lk is a pipe that connects the air intake E5 and each cooling body 110. The cooling air line Lk has a third air blower 17 disposed midway, and at a predetermined position α on the rear side, it branches off into a first cooling air line Lka and a second cooling air line Lkb. The third air blower 17 is a device that pressurizes the cooling air Ad taken in from the air intake E5 and sends it downstream of the cooling air line Lk.

第1冷却用空気ラインLkaは、2個の冷却体110の一方の入口側(後述する冷却用空気導入管115)に繋がり、第2冷却用空気ラインLkbは、2個の冷却体110の他方の入口側に繋がっている。各冷却体110の出口側(後述する冷却用空気導出管116)から伸びる管路は、所定位置βにおいて合流して一本化され、空気排出口に繋がっている。 The first cooling air line Lka is connected to the inlet side of one of the two cooling bodies 110 (cooling air introduction pipe 115 described later), and the second cooling air line Lkb is connected to the other of the two cooling bodies 110. It is connected to the entrance side. Pipe lines extending from the outlet side of each cooling body 110 (cooling air outlet pipe 116 to be described later) join together at a predetermined position β and are connected to an air outlet.

改質水ラインLiは、凝縮水回収タンク9と混合ガスラインLbの所定位置(第1原燃料ブロワ10と蒸発器4の間の位置)とを接続する管路であり、この管路中には水ポンプ12が配置されている。水ポンプ12は、凝縮水回収タンク9に貯留した水を改質水Waとして改質水ラインLiの下流側へ送る機器である。 The reformed water line Li is a pipe line that connects the condensed water recovery tank 9 and a predetermined position of the mixed gas line Lb (a position between the first raw fuel blower 10 and the evaporator 4). A water pump 12 is installed. The water pump 12 is a device that sends water stored in the condensed water recovery tank 9 to the downstream side of the reformed water line Li as reformed water Wa.

次に、燃料電池システム200の動作概要について、図24を参照しながら説明する。燃料取入口E2から混合ガスラインLb内に供給された原燃料ガスGaは、第1原燃料ブロワ10の作用により後段側へ送られる。原燃料ガスGaの供給に並行して、凝縮水回収タンク9から改質水ラインLi内に供給された改質水Waは、水ポンプ12によって水量が調節され、混合ガスラインLbへ流入する。 Next, an overview of the operation of the fuel cell system 200 will be described with reference to FIG. 24. The raw fuel gas Ga supplied into the mixed gas line Lb from the fuel intake port E2 is sent to the rear stage side by the action of the first raw fuel blower 10. In parallel with the supply of the raw fuel gas Ga, the reformed water Wa supplied from the condensed water recovery tank 9 into the reformed water line Li has its water volume adjusted by the water pump 12 and flows into the mixed gas line Lb.

改質水Waは、混合ガスラインLb内の原燃料ガスGaとともに蒸発器4に流入し、蒸発器4において熱交換により加熱されて水蒸気(過熱蒸気)となる。当該水蒸気は加熱された原燃料ガスGaと混合し、混合ガスGbとして改質器2へ流入する。 The reforming water Wa flows into the evaporator 4 together with the raw fuel gas Ga in the mixed gas line Lb, where it is heated by heat exchange to become water vapor (superheated steam). The water vapor mixes with the heated raw fuel gas Ga and flows into the reformer 2 as mixed gas Gb.

改質器2は、混合ガスGb中の水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2から送出された改質ガスGcは、アノード燃料ラインLcを通って各前段側セルスタック1aのアノードへ分配される。 The reformer 2 reforms raw fuel gas Ga using water vapor in mixed gas Gb, generates reformed gas Gc, and sends the reformed gas Gc to the subsequent stage side. The reformed gas Gc sent out from the reformer 2 is distributed to the anodes of each previous cell stack 1a through the anode fuel line Lc.

一方、上述した原燃料ガスGaの供給に並行して、空気取入口E3からカソード空気ラインLe内に空気Aaが供給される。カソード空気ラインLe内の空気Aaは、第1空気ブロワ11の作用により後段側へ送られる。この空気Aaは、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって加熱され、更に空気予熱器5での熱交換によって加熱された後、各セルスタック1のカソードへ分配される。 Meanwhile, in parallel with the supply of the raw fuel gas Ga described above, air Aa is supplied from the air intake E3 into the cathode air line Le. The air Aa in the cathode air line Le is sent to the rear stage by the action of the first air blower 11. This air Aa is heated by heat exchange in the anode off-gas cooler 6, and is further heated by heat exchange in the air preheater 5, after which it is distributed to the cathodes of each cell stack 1.

前段側セルスタック1aは、アノードに流入した改質ガスGcとカソードに流入した空気Aaを用いて発電するとともに、アノードから第1アノードオフガスラインLdaへ第1アノードオフガスGd1を排出し、カソードからカソードオフガスラインLfへカソードオフガスGeを排出する。第1アノードオフガスGd1には、アノードにおいて未反応であった燃料成分が含まれており、カソードオフガスGeには、カソードにおいて未反応であった酸素が含まれている。 The front-stage cell stack 1a generates electricity using the reformed gas Gc that flows into the anode and the air Aa that flows into the cathode, and discharges the first anode offgas Gd1 from the anode to the first anode offgas line Lda and the cathode offgas Ge from the cathode to the cathode offgas line Lf. The first anode offgas Gd1 contains fuel components that have not reacted at the anode, and the cathode offgas Ge contains oxygen that has not reacted at the cathode.

第1アノードオフガスラインLdaへ排出された第1アノードオフガスGd1は、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって冷却され、アノードオフガス凝縮器7へ流入する。アノードオフガス凝縮器7では、第1アノードオフガスGd1は露点温度以下まで冷却され、第1アノードオフガスGd1に含まれる水蒸気が凝縮する。 The first anode offgas Gd1 discharged to the first anode offgas line Lda is cooled by heat exchange in the anode offgas cooler 6, and then flows into the anode offgas condenser 7. In the anode off-gas condenser 7, the first anode off-gas Gd1 is cooled to below the dew point temperature, and the water vapor contained in the first anode off-gas Gd1 is condensed.

アノードオフガス凝縮器7を通過した第1アノードオフガスGd1は気水分離され、凝縮水が凝縮水回収タンク9に回収される。凝縮水回収タンク9に回収された凝縮水は、改質水Waとして再利用される。なお、気水分離後の第1アノードオフガスGd1は、再熱器18で加熱された後、各後段側セルスタック1bのアノードへ送られる。 The first anode off-gas Gd1 that has passed through the anode off-gas condenser 7 is separated into water and steam, and the condensed water is collected in the condensed water recovery tank 9. The condensed water collected in the condensed water recovery tank 9 is reused as reformed water Wa. The first anode off-gas Gd1 after separation is heated in the reheater 18 and then sent to the anode of each downstream cell stack 1b.

後段側セルスタック1bは、アノードに流入した第1アノードオフガスGd1とカソードに流入した空気Aaを用いて発電するとともに、アノードから第2アノードオフガスラインLdbへ第2アノードオフガスGd2を排出し、カソードからカソードオフガスラインLfへカソードオフガスGeを排出する。第2アノードオフガスGd2には、アノードにおいて未反応であった燃料成分が含まれており、カソードオフガスGeには、カソードにおいて未反応であった酸素が含まれている。 The rear-stage cell stack 1b generates electricity using the first anode offgas Gd1 that flows into the anode and the air Aa that flows into the cathode, and discharges the second anode offgas Gd2 from the anode to the second anode offgas line Ldb and the cathode offgas Ge from the cathode to the cathode offgas line Lf. The second anode offgas Gd2 contains fuel components that have not reacted at the anode, and the cathode offgas Ge contains oxygen that has not reacted at the cathode.

バーナ3は、第2アノードオフガスGd2とカソードオフガスGeが流入し、これらを燃焼させて熱を発生させる。バーナ3での燃焼により生じる燃焼ガスGgは、燃焼ガスラインLgへ送られ、空気予熱器5、および蒸発器4を順に通過して、ガス排出口からホットモジュールの外部へ排出される。 The burner 3 receives the second anode offgas Gd2 and the cathode offgas Ge, and burns them to generate heat. Combustion gas Gg generated by combustion in burner 3 is sent to combustion gas line Lg, passes through air preheater 5 and evaporator 4 in this order, and is discharged from the gas outlet to the outside of the hot module.

また、空気取入口E5から冷却用空気ラインLkに供給された冷却用空気Adは、一部が第1冷却用空気ラインLkaを介して一方の冷却体110に流入し、残りが第2冷却用空気ラインLkbを介して他方の冷却体110に流入する。これらの冷却体110に流入した冷却用空気Adは、冷却体110を流れる際にホットモジュール内部の冷却に利用された後、空気排出口からホットモジュールHMの外部へ排出される。 Also, part of the cooling air Ad supplied from the air intake port E5 to the cooling air line Lk flows into one cooling body 110 via the first cooling air line Lka, and the rest flows into the second cooling air line Lk. It flows into the other cooling body 110 via the air line Lkb. The cooling air Ad flowing into these cooling bodies 110 is used for cooling the inside of the hot module while flowing through the cooling bodies 110, and then is discharged to the outside of the hot module HM from the air outlet.

次に冷却体110の構成等について説明する。図25は冷却体110の斜視図を示し、図26は冷却体110の断面図(冷却体110を幅方向に二分する平面で切断した場合の断面図)を示している。なお説明の便宜上、冷却体110についての長さ方向、幅方向、および高さ方向は図25に示すとおりとする。また、燃料電池システム200に設けられた2個の冷却体110それぞれの構成や機能は同等である。 Next, the configuration of the cooling body 110 will be described. Figure 25 shows a perspective view of the cooling body 110, and Figure 26 shows a cross-sectional view of the cooling body 110 (a cross-sectional view when the cooling body 110 is cut along a plane that divides the cooling body 110 in the width direction). For ease of explanation, the length, width, and height directions of the cooling body 110 are as shown in Figure 25. Furthermore, the two cooling bodies 110 provided in the fuel cell system 200 have the same configuration and function.

これらの図に示す冷却体110は、第1吸熱プレート111、第2吸熱プレート112、2本の第1サイドバー113、2本の第2サイドバー114、冷却用空気導入管115、および冷却用空気導出管116の各部材をロウ付けにより接合して形成した箱状体の内部に、オフセットフィン117を封入した形態となっている。なおこれらの部材の材料としては、一例として、Alを2%以上含むフェライト系ステンレス鋼(例えば、NCA-1等の高温耐酸化ステンレス鋼)を使用することが可能である。 The cooling body 110 shown in these figures has an offset fin 117 enclosed inside a box-shaped body formed by brazing together the following components: a first heat absorbing plate 111, a second heat absorbing plate 112, two first side bars 113, two second side bars 114, a cooling air inlet pipe 115, and a cooling air outlet pipe 116. As an example of the material for these components, ferritic stainless steel containing 2% or more Al (for example, high-temperature oxidation-resistant stainless steel such as NCA-1) can be used.

より詳細に説明すると、冷却体110は、外面が高さ方向の一方を向いた略板状の第1吸熱プレート111、外面が高さ方向の他方を向いた略板状の第2吸熱プレート112、外面が幅方向両側それぞれを向いた2本の略板状の第1サイドバー113、および、外面が長さ方向両側それぞれを向いた2本の略板状の第2サイドバー114によって形成された内部が空洞である略直方体の構造部を有し、この空洞にオフセットフィン117が配置されている。 Explaining in more detail, the cooling body 110 has a roughly rectangular parallelepiped structure with an interior cavity formed by a roughly plate-shaped first heat absorption plate 111 with an outer surface facing one side in the height direction, a roughly plate-shaped second heat absorption plate 112 with an outer surface facing the other side in the height direction, two roughly plate-shaped first side bars 113 with outer surfaces facing both sides in the width direction, and two roughly plate-shaped second side bars 114 with outer surfaces facing both sides in the length direction, and the offset fins 117 are arranged in this cavity.

なお、各吸熱プレート111,112の厚さは1~2mm程度、各サイドバー113,114の高さ方向寸法は8~12mm程度であることが好ましい。また、第2サイドバー114の幅方向寸法は、各サイドバー113,114の高さ方向寸法に対して2~8倍程度であることが好ましい。第1サイドバー113の長さ方向寸法は、発熱源であるセルスタック1の数や配置を考慮して設定される。本実施形態の例では、冷却体110の長さ方向寸法は、その幅方向寸法に比べて十分に大きくなっている。 The thickness of each heat absorbing plate 111, 112 is preferably about 1 to 2 mm, and the height dimension of each side bar 113, 114 is preferably about 8 to 12 mm. The width dimension of the second side bar 114 is preferably about 2 to 8 times the height dimension of each side bar 113, 114. The length dimension of the first side bar 113 is set taking into consideration the number and arrangement of the cell stacks 1, which are the heat source. In this embodiment, the length dimension of the cooling body 110 is sufficiently larger than its width dimension.

第1吸熱プレート111の外面には、長さ方向の一端近傍において筒状の冷却用空気導入管115の端部が固定されており、長さ方向の他端近傍において筒状の冷却用空気導出管116の端部が固定されている。第1吸熱プレート111におけるこれらの管115,116の内部に対応する箇所には貫通孔が設けられており、冷却用空気導入管115および冷却用空気導出管116の内部は、上記構造部の内部と連通している。 An end of a cylindrical cooling air introduction pipe 115 is fixed to the outer surface of the first heat absorption plate 111 near one end in the length direction, and a cylindrical cooling air guide pipe 115 is fixed near the other end in the length direction. The end of tube 116 is fixed. A through hole is provided in the first heat absorption plate 111 at a location corresponding to the inside of these pipes 115, 116, and the inside of the cooling air introduction pipe 115 and the cooling air outlet pipe 116 are inside the above-mentioned structure. It communicates with

第1冷却用空気ラインLkaおよび第2冷却用空気ラインLkbを流れる冷却用空気Adは、冷却用空気導入管115から冷却体110の内部に流入し、オフセットフィン117が配置されている当該内部をその長さ方向へ流れた後、冷却用空気導出管116から冷却体110の外部へ流出する。この際、冷却用空気Adが冷却体110の熱を奪いながら流れることにより、冷却体110が冷却されることになる。 The cooling air Ad flowing through the first cooling air line Lka and the second cooling air line Lkb flows into the inside of the cooling body 110 from the cooling air introduction pipe 115 and passes through the inside where the offset fins 117 are arranged. After flowing in the length direction, the air flows out from the cooling air outlet pipe 116 to the outside of the cooling body 110 . At this time, the cooling air Ad flows while removing heat from the cooling body 110, thereby cooling the cooling body 110.

ここで図27に、冷却体110内部に配置されたオフセットフィン117の概略的な斜視図を例示する。なお図27に示す太線矢印は、冷却用空気Adの概略的な流れ方向を示している。本図に示すオフセットフィン117は、長さ方向に伸びる4列のフィン部材117a~117dが幅方向に並べられた形態となっている。各フィン部材117a~117dは、高さ方向へ一定周期で蛇行しながら長さ方向へ延びるように、帯状の板材が折り曲げられた形態となっている。なお、オフセットフィンは周知のように薄板金属加工により製作され、典型的には第1曲げ加工、切断加工、および第2曲げ加工からなる3つの工程を経て製作される。 Figure 27 shows a schematic perspective view of an offset fin 117 arranged inside the cooling body 110. The thick arrows in Figure 27 indicate the general flow direction of the cooling air Ad. The offset fin 117 shown in this figure has four rows of fin members 117a-117d extending in the length direction, arranged in the width direction. Each of the fin members 117a-117d is formed by bending a strip-shaped plate material so that it extends in the length direction while meandering at a constant interval in the height direction. As is well known, offset fins are manufactured by sheet metal processing, and are typically manufactured through three steps consisting of a first bending process, a cutting process, and a second bending process.

各フィン部材117a~117dは、基本的な形状およびサイズは同等であるが、隣合うフィン部材どうしにおいて、蛇行の位置が長さ方向にずれるよう配置されている。図27に示す例では、フィン部材117aおよびフィン部材117cと、フィン部材117bおよびフィン部材117dとの間には、蛇行の1周期分の概ね1/4に相当する長さ方向の位置ずれがある。 The fin members 117a to 117d have the same basic shape and size, but are arranged so that the meandering positions of adjacent fin members are shifted in the length direction. In the example shown in FIG. 27, there is a positional shift in the length direction between the fin members 117a and 117c and the fin members 117b and 117d, which corresponds to approximately 1/4 of one cycle of meandering. .

このようにオフセットフィン117を配置したことにより、冷却体110内部を流れる冷却用空気Adの乱流が促進され、冷却体110の吸熱効率が高められるようになっている。本実施形態の例では、冷却用空気Adの流れを幅方向および高さ方向に蛇行させるためフィンの立ち上げ面に空気流が当たるように、オフセットフィン117の形状や配置等が工夫されている。 By arranging the offset fins 117 in this manner, the turbulence of the cooling air Ad flowing inside the cooling body 110 is promoted, and the heat absorption efficiency of the cooling body 110 is improved. In this embodiment, the shape and arrangement of the offset fins 117 are designed so that the air flow hits the raised surfaces of the fins to make the flow of the cooling air Ad meander in the width and height directions.

なお冷却体110の内部にオフセットフィン117を封入する代わりに、ラシヒリングやボール等を、冷却用空気Adの乱流を促進させる充填物として冷却体110の内部に充填するようにしても良い。これらの充填物としては、例えばステンレス製またはセラミックス製のものを使用することができる。また、冷却体110の幅が小さく、オフセットフィン、ラシヒリング、或いはボール等の封入が困難である場合は、ステンレス製のウール(繊維状金属)を、冷却用空気Adの乱流を促進させる充填物として冷却体110の内部に充填しても良い。 Instead of sealing the offset fins 117 inside the cooling body 110, Raschig rings, balls, etc. may be filled inside the cooling body 110 as a filler that promotes turbulence of the cooling air Ad. For example, stainless steel or ceramics may be used as these fillers. Also, if the width of the cooling body 110 is small and it is difficult to seal offset fins, Raschig rings, balls, etc., stainless steel wool (fibrous metal) may be filled inside the cooling body 110 as a filler that promotes turbulence of the cooling air Ad.

なお、本実施形態に係る燃料電池システム200もホットモジュールを有しており、当該ホットモジュールは第1実施例と同様に第1領域と第2領域に区画され、それぞれ断熱材で包囲されている。当該第1領域には、セルスタック1、改質器2、バーナ3、および冷却体110が設置され、当該第2領域には、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、および再熱器18が設置される。 Note that the fuel cell system 200 according to this embodiment also has a hot module, and the hot module is divided into a first region and a second region, each of which is surrounded by a heat insulating material, as in the first embodiment. . In the first area, a cell stack 1, a reformer 2, a burner 3, and a cooling body 110 are installed, and in the second area, an evaporator 4, an air preheater 5, an anode off-gas cooler 6, and A reheater 18 is installed.

なおバーナ3の燃焼熱を改質反応(吸熱)に利用できるように、改質器2とバーナ3は熱的に統合されていることが望ましい。また、ホットモジュール外部(断熱領域の外部)には、アノードオフガス凝縮器7(空冷ラジエータ)、凝縮水回収タンク9、水ポンプ12、および各種ブロワ10,11,17が設置される。本実施形態に係るホットモジュールの他の基本的な構成等については、以下に説明する事項を除き、第1実施形態に係るホットモジュールHMと同等またはこれに準じたものとすることができる。 Note that it is desirable that the reformer 2 and the burner 3 be thermally integrated so that the combustion heat of the burner 3 can be used for the reforming reaction (endothermic). Furthermore, an anode off-gas condenser 7 (air-cooled radiator), a condensed water recovery tank 9, a water pump 12, and various blowers 10, 11, and 17 are installed outside the hot module (outside the heat insulation area). Other basic configurations of the hot module according to the present embodiment can be the same as or based on the hot module HM according to the first embodiment, except for the matters described below.

次に、本実施形態のホットモジュールにおける冷却体110等の配置例について説明する。図28(a)は、セルスタック1を水平方向に集積する場合のホットモジュール内の一構成例を示す平面図であり、図28(b)は、ホットモジュール内の当該構成例を示す側面図である。 Next, an example of the arrangement of the cooling body 110 and the like in the hot module of this embodiment will be described. FIG. 28(a) is a plan view showing an example of a configuration in a hot module when the cell stack 1 is integrated in the horizontal direction, and FIG. 28(b) is a side view showing the same configuration in the hot module.

図28に示す例では、ホットモジュール内部の第1領域を囲うように断熱材120が配置されており、断熱材120の内部(断熱領域)の前後方向中央領域において、少なくとも左右に伸びるように改質器2が配置され、その右側にバーナ3が配置されている。断熱領域における改質器2の前後両側それぞれの領域には、平板型の4個のセルスタック1が左右に並ぶように配置されている。 In the example shown in FIG. 28, the insulation material 120 is arranged to surround the first region inside the hot module, and the reformer 2 is arranged in the central region in the front-to-rear direction inside the insulation material 120 (insulated region) so as to extend at least left and right, with the burner 3 arranged to the right of it. Four flat cell stacks 1 are arranged side by side on both the front and rear sides of the reformer 2 in the insulated region.

各セルスタック1は、一対の端板(第1端板76aと第2端板76b)の間に所定数の平板型発電セルを積層した構成であって、当該端板の一方である第1端板76aには、第1実施形態の第1端板76aと同様に、アノード燃料流入ポート、カソード空気流入ポート、アノードオフガス流出ポートおよびカソードオフガス流出ポートが設けられている。なお各セルスタック1において、第1端板76aは、これらの各ガスポートの形成面であるエンドプレートに相当し、第2端板76bは、これらの各ガスポートの非形成面であるエンドプレートに相当する。各セルスタック1は、第1端板76aが上側を向くように配置されている。 Each cell stack 1 has a configuration in which a predetermined number of flat power generation cells are stacked between a pair of end plates (a first end plate 76a and a second end plate 76b), and one of the end plates is a first Like the first end plate 76a of the first embodiment, the end plate 76a is provided with an anode fuel inflow port, a cathode air inflow port, an anode off-gas outflow port, and a cathode off-gas outflow port. In each cell stack 1, the first end plate 76a corresponds to an end plate on which these gas ports are formed, and the second end plate 76b corresponds to an end plate on which these gas ports are not formed. corresponds to Each cell stack 1 is arranged so that the first end plate 76a faces upward.

2個の冷却体110は、何れも長さ方向が左右方向に一致するように配置されている。2個の冷却体110の一方は、改質器2の前側に配置された4個のセルスタック1全ての上側をカバーするように配置され、第2吸熱プレート112の下面がこれらのセルスタック1の第1端板76aの上面と平行になっており、当該下面と当該上面は近接している。 The two cooling bodies 110 are both arranged so that their length directions coincide with the left-right direction. One of the two cooling bodies 110 is arranged so as to cover the upper sides of all four cell stacks 1 arranged in front of the reformer 2, and the lower surface of the second heat absorption plate 112 is parallel to the upper surfaces of the first end plates 76a of these cell stacks 1, and the lower surface and the upper surface are close to each other.

2個の冷却体110の他方は、改質器2の後側に配置された4個のセルスタック1全ての上側をカバーするように配置され、第2吸熱プレート112の下面がこれらのセルスタック1の第1端板76aの上面と平行になっており、当該下面と当該上面は近接している。なお、各冷却体110の上側の領域SPは、ガスの分配マニホールドおよび収集マニホールドの両方または一方の配置領域である。また図28に示す例では、冷却体110を各セルスタック1の第1端板76aの板面に沿って設置しており、各セルスタック1を効果的に冷却することができる。 The other of the two cooling bodies 110 is arranged so as to cover the upper sides of all four cell stacks 1 arranged at the rear side of the reformer 2, and the lower surface of the second heat absorption plate 112 covers these cell stacks. It is parallel to the upper surface of the first end plate 76a of No. 1, and the lower surface and the upper surface are close to each other. Note that the upper region SP of each cooling body 110 is a region where both or one of a gas distribution manifold and a gas collection manifold is arranged. Moreover, in the example shown in FIG. 28, the cooling body 110 is installed along the plate surface of the first end plate 76a of each cell stack 1, so that each cell stack 1 can be effectively cooled.

ホットモジュール内部において、セルスタック1(放熱源)の動作温度が高温になるほど、内部空気の対流により断熱領域の上層部に向かって高温になる。この点、図28に示す配置例によれば、冷却体110をセルスタック1の上方に配置しており、断熱領域内の上層部から中層部を効果的に冷却することが可能である。 Inside the hot module, as the operating temperature of the cell stack 1 (heat radiation source) increases, the temperature increases toward the upper layer of the heat insulation area due to internal air convection. In this regard, according to the arrangement example shown in FIG. 28, the cooling body 110 is arranged above the cell stack 1, and it is possible to effectively cool the upper layer to the middle layer in the heat insulation region.

なお、図28に示す冷却体110は、上述のように4個のセルスタック1全ての上側をカバーするように配置する以外に、前段側セルスタック1aのみ、あるいは後段側セルスタック1bのみの上側をカバーするように配置することもできる。 Note that the cooling body 110 shown in FIG. 28 is arranged not only to cover the upper side of all four cell stacks 1 as described above, but also to cover the upper side of only the front cell stack 1a or only the rear cell stack 1b. It can also be placed to cover the

また図29(a)は、セルスタック1を鉛直方向に集積する場合のホットモジュール内の一構成例を示す平面図であり、図29(b)は、ホットモジュール内の当該構成例を示す側面図である。 Further, FIG. 29(a) is a plan view showing an example of the configuration inside the hot module when cell stacks 1 are integrated in the vertical direction, and FIG. 29(b) is a side view showing the example of the configuration inside the hot module. It is a diagram.

図29に示す例では、ホットモジュール内部の第1領域を囲うように断熱材120が配置されており、断熱材120内部(断熱領域)の左右方向中央領域において、少なくとも上下に伸びるように改質器2が配置され、その上側にバーナ3が配置されている。断熱領域における改質器2の左右両側それぞれの領域には、平板型の4個のセルスタック1が上下に並ぶように配置されている。なお各セルスタック1は、第1端板76aが左右方向内側を向くように配置されている。 In the example shown in FIG. 29, the insulation material 120 is arranged to surround the first region inside the hot module, and the reformer 2 is arranged in the left-right central region inside the insulation material 120 (insulated region) so as to extend at least vertically, with the burner 3 arranged above it. Four flat cell stacks 1 are arranged vertically in each of the regions on either side of the reformer 2 in the insulated region. Each cell stack 1 is arranged so that the first end plate 76a faces inward in the left-right direction.

2個の冷却体110は何れも、冷却用空気導入管115が冷却用空気導出管116よりも上側に位置するように、長さ方向を上下方向に一致させて配置されている。これにより、冷却体110内部の冷却用空気Adは下方へ流れることになる。2個の冷却体110の一方は、改質器2の左側に配置された4個のセルスタック1全ての左側をカバーするように配置され、第2吸熱プレート112の右面がこれらのセルスタック1の第2端板76bの左面と近接するとともに平行になっている。 The two cooling bodies 110 are both arranged with their length directions aligned vertically so that the cooling air inlet pipe 115 is located above the cooling air outlet pipe 116. This causes the cooling air Ad inside the cooling body 110 to flow downward. One of the two cooling bodies 110 is arranged to cover the left side of all four cell stacks 1 arranged on the left side of the reformer 2, and the right surface of the second heat absorption plate 112 is close to and parallel to the left surfaces of the second end plates 76b of these cell stacks 1.

2個の冷却体110の他方は、改質器2の右側に配置された4個のセルスタック1全ての右側をカバーするように配置され、第2吸熱プレート112の左面がこれらのセルスタック1の第2端板76bの右面と近接するとともに平行になっている。なお、断熱領域内の前後両側それぞれの領域SPは、ガスの分配マニホールドおよび収集マニホールドの両方または一方の配置領域である。 The other of the two cooling bodies 110 is arranged to cover the right side of all four cell stacks 1 arranged on the right side of the reformer 2, and the left surface of the second heat absorption plate 112 is close to and parallel to the right surfaces of the second end plates 76b of these cell stacks 1. Note that the areas SP on both the front and rear sides of the insulating area are areas where both or either of the gas distribution manifold and collection manifold are arranged.

ホットモジュール内部において、セルスタック1(放熱源)の動作温度が高温になるほど、内部空気の対流により断熱領域の上層部に向かって高温になる。この点、図29に示す配置例によれば、冷却体110の内部において冷却用空気Adを上方から下方に向かって流し、断熱領域内の上層部から中層部を効果的に冷却することが可能である。また、上層部の温度が高い場合は、空気の対流により上層部に位置するセルスタック1が積極的に冷やされる。これにより、積層されたセルスタック1の上下方向の温度分布を解消することが可能となっている。特に図29に示す例では、冷却体110を各セルスタック1の第2端板76bの板面に沿って設置しており、各セルスタック1を効果的に冷却することができる。 Inside the hot module, the higher the operating temperature of the cell stack 1 (heat dissipation source), the higher the temperature becomes toward the upper part of the thermal insulation area due to the convection of the internal air. In this regard, according to the arrangement example shown in FIG. 29, it is possible to effectively cool the upper to middle parts of the thermal insulation area by flowing the cooling air Ad from top to bottom inside the cooling body 110. Furthermore, when the temperature of the upper part is high, the cell stack 1 located in the upper part is actively cooled by the air convection. This makes it possible to eliminate the temperature distribution in the vertical direction of the stacked cell stacks 1. In particular, in the example shown in FIG. 29, the cooling body 110 is installed along the plate surface of the second end plate 76b of each cell stack 1, and each cell stack 1 can be effectively cooled.

なお、図29に示す冷却体110は、上述のように4個のセルスタック1全ての右側をカバーするように配置する以外に、前段側セルスタック1aのみ、あるいは後段側セルスタック1bのみの右側をカバーするように配置することもできる。 In addition, the cooling body 110 shown in FIG. 29 can be positioned to cover the right side of all four cell stacks 1 as described above, or can be positioned to cover the right side of only the front-stage cell stack 1a or only the rear-stage cell stack 1b.

また、冷却体110による冷却効率をより向上させるため、冷却体110の内部を流通する冷却用空気Adの流れ方向と、セルスタック1の内部を流通するアノード燃料の流れ方向とが、略同じ方向となるようにすることが望ましい。そのため冷却体110は、冷却体110の内部を流通する冷却用空気Adの流れ方向と、各セルスタック1の内部を流通するアノード燃料の流れ方向とが略同じ方向になるように、各セルスタック1の近傍に設置される。なおここでの「略同じ方向」であるとは、一方の流体の入口基準点と出口基準点を結ぶ直線に沿った基準流れの方向と、他方の流体の基準流れの方向とが45°以内である場合のこととする。 Furthermore, in order to further improve the cooling efficiency of the cooling body 110, the flow direction of the cooling air Ad flowing inside the cooling body 110 and the flow direction of the anode fuel flowing inside the cell stack 1 are approximately the same direction. It is desirable to do so. Therefore, the cooling body 110 is arranged in each cell stack so that the flow direction of the cooling air Ad flowing inside the cooling body 110 and the flow direction of the anode fuel flowing inside each cell stack 1 are approximately the same direction. It is installed near 1. Note that "substantially the same direction" here means that the reference flow direction along the straight line connecting the inlet reference point and outlet reference point of one fluid and the reference flow direction of the other fluid are within 45 degrees. This is the case when .

図30は、このように冷却用空気Adの流れ方向とアノード燃料の流れ方向とを略同じ方向とした3パターンの具体例を模式的に示している。なお図30において、一点鎖線の矢印は冷却体110の内部を流通する冷却用空気Adの流れ方向を示し、実線矢印はセルスタック1の内部を流通するアノード燃料の流れ方向を示し、破線矢印はセルスタック1の内部を流通するカソード空気の流れ方向の流れ方向を示している。 Figure 30 shows three typical examples in which the flow direction of the cooling air Ad and the flow direction of the anode fuel are substantially the same. In Figure 30, the dashed arrow indicates the flow direction of the cooling air Ad flowing inside the cooling body 110, the solid arrow indicates the flow direction of the anode fuel flowing inside the cell stack 1, and the dashed arrow indicates the flow direction of the cathode air flowing inside the cell stack 1.

図30(a)は、並行流(コフロー)型のセルスタック1を適用した場合の一例を示している。この例では、冷却用空気Adの流れ方向が左方であるのに対し、アノード燃料の流れ方向は斜め左前方(左方とのなす角度は45°以内)であり、カソード空気の流れ方向は斜め左後方となっている。 FIG. 30(a) shows an example of a case where a parallel flow (coflow) type cell stack 1 is applied. In this example, the flow direction of the cooling air Ad is to the left, the flow direction of the anode fuel is diagonally forward to the left (the angle with the left is within 45 degrees), and the flow direction of the cathode air is It is diagonally to the left rear.

図30(b)は、対向流(カウンターフロー)型のセルスタック1を適用した場合の一例を示している。この例では、冷却用空気Adの流れ方向が左方であるのに対し、アノード燃料の流れ方向は斜め左前方(左方とのなす角度は45°以内)であり、カソード空気の流れ方向は斜め右前方となっている。 Figure 30 (b) shows an example of the application of a counterflow type cell stack 1. In this example, the flow direction of the cooling air Ad is to the left, while the flow direction of the anode fuel is diagonally forward left (within a 45° angle with the left), and the flow direction of the cathode air is diagonally forward right.

図30(c)は、直交流(クロスフロー)型のセルスタック1を適用した場合の一例を示している。この例では、冷却用空気Adの流れ方向が左方であるのに対し、アノード燃料の流れ方向は冷却用空気Adと同じ左方であり、カソード空気の流れ方向は後方となっている。 Figure 30 (c) shows an example of a cross-flow type cell stack 1. In this example, the flow direction of the cooling air Ad is to the left, while the flow direction of the anode fuel is also to the left, like the cooling air Ad, and the flow direction of the cathode air is backward.

アノード燃料においては、水素濃度が高い上流側ほど発電反応が進むので発熱量が多くなる。そこで図30に示した各例のように、冷却用空気Adの流れ方向とアノード燃料の流れ方向とを略同じ方向とすることにより、発熱量が多い側に対してより低温の冷却用空気Adを流すことができ、その結果、吸熱量を増やして冷却体110による冷却効率をより向上させることができる。 In the anode fuel, the higher the hydrogen concentration is on the upstream side, the more the power generation reaction progresses, so the calorific value increases. Therefore, by making the flow direction of the cooling air Ad and the flow direction of the anode fuel substantially the same as in each example shown in FIG. As a result, the amount of heat absorbed can be increased and the cooling efficiency by the cooling body 110 can be further improved.

また燃料電池システム200では、冷却体110に導入する冷却用空気Adの流量を調整することにより、ホットモジュールの内部の熱量(温度)を制御するようになっている。一例として燃料電池システム200は、ホットモジュールの内部の温度(例えば、各セルスタック1のエンドプレートの表面温度の最大値)が上限温度を超えると第3空気ブロワ17を駆動し、ホットモジュールの内部の温度が目標温度(当該上限温度よりも所定温度だけ低い温度)となるように第3空気ブロワ17の回転数を制御する。また燃料電池システム200は、下限値未満の回転数が所定時間継続すると、第3空気ブロワ17を停止させる。なお第3空気ブロワ17の回転数が増大するほど、冷却体110に導入される冷却用空気Adの流量が増大される。 Furthermore, in the fuel cell system 200, the amount of heat (temperature) inside the hot module is controlled by adjusting the flow rate of the cooling air Ad introduced into the cooling body 110. As an example, the fuel cell system 200 drives the third air blower 17 when the temperature inside the hot module (for example, the maximum surface temperature of the end plate of each cell stack 1) exceeds the upper limit temperature, and controls the rotation speed of the third air blower 17 so that the temperature inside the hot module becomes a target temperature (a temperature that is a predetermined temperature lower than the upper limit temperature). Furthermore, the fuel cell system 200 stops the third air blower 17 when the rotation speed is below the lower limit value for a predetermined period of time. Note that the flow rate of the cooling air Ad introduced into the cooling body 110 increases as the rotation speed of the third air blower 17 increases.

5.第5実施形態
次に本発明の第5実施形態について説明する。なお第5実施形態は、冷却体の構成に関する点を除き、基本的に第4実施形態と同様である。以下の説明では、第4実施形態と異なる点の説明に重点をおき、第4実施形態と共通する点については説明を省略することがある。
5. Fifth embodiment Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The fifth embodiment is basically the same as the fourth embodiment, except for the configuration of the cooling body. In the following description, the emphasis will be placed on the differences from the fourth embodiment, and the description of the commonalities with the fourth embodiment may be omitted.

図31は第5実施形態に係る冷却体110aの斜視図を示している。なお説明の便宜上、冷却体110aについての長さ方向、幅方向、および高さ方向は図31に示すとおりとし、更に本図に示すように、高さ方向の一方側を上側とし、他方側を下側とする。本実施形態の燃料電池システム200では、第4実施形態の2個の冷却体110の代わりに2個の冷却体110aが設けられ、2個の冷却体110aそれぞれの構成や機能は同等である。 FIG. 31 shows a perspective view of a cooling body 110a according to the fifth embodiment. For convenience of explanation, the length direction, width direction, and height direction of the cooling body 110a are as shown in FIG. Lower side. In the fuel cell system 200 of this embodiment, two cooling bodies 110a are provided instead of the two cooling bodies 110 of the fourth embodiment, and the configurations and functions of the two cooling bodies 110a are equivalent.

本図に示すように冷却体110aは、第1吸熱プレート111、第2吸熱プレート112、冷却用空気導入管115、および冷却用空気導出管116の各部材をロウ付けにより接合して形成されている。なおこれら部材の材料としては、一例として、Alを2%以上含むフェライト系ステンレス鋼(例えば、NCA-1等の高温耐酸化ステンレス鋼)を使用することが可能である。 As shown in this figure, the cooling body 110a is formed by brazing together the first heat absorption plate 111, the second heat absorption plate 112, the cooling air inlet pipe 115, and the cooling air outlet pipe 116. As an example of the material for these members, ferritic stainless steel containing 2% or more Al (for example, high-temperature oxidation-resistant stainless steel such as NCA-1) can be used.

また、図32は上方視による第1吸熱プレート111を概略的に示し、図33は上方視による第2吸熱プレート112を概略的に示している。なお、図32では、各凸部111bの位置(ヘリンボーンの模様)が実線で示されており、図33では、各凸部112bの位置(ヘリンボーンの模様)が点線で示されている。 Furthermore, Fig. 32 shows a schematic diagram of the first heat absorbing plate 111 as viewed from above, and Fig. 33 shows a schematic diagram of the second heat absorbing plate 112 as viewed from above. Note that in Fig. 32, the position of each convex portion 111b (herringbone pattern) is indicated by a solid line, and in Fig. 33, the position of each convex portion 112b (herringbone pattern) is indicated by a dotted line.

第1吸熱プレート111は、複数の凸部111bを形成した外縁が矩形状のプレート部111aと、プレス加工によってプレート部111aの外縁全体から下方へ延出するように形成されたフランジ部111cを有する。複数の凸部111bは、プレート部111aへのプレス加工によって下方へ突出するように形成されており、上方視でヘリンボーンの模様となるように(複数の「く」の字が長さ方向へ等間隔に並ぶように)設けられている。また、フランジ部111cの下方への延出量(フランジ部111cの高さ)と各凸部111bの下方への突出量は同じであり、例えば4~6mm程度とするのが好ましい。 The first heat absorption plate 111 has a plate portion 111a with a rectangular outer edge on which multiple protrusions 111b are formed, and a flange portion 111c formed by press working so as to extend downward from the entire outer edge of the plate portion 111a. The multiple protrusions 111b are formed by press working the plate portion 111a so as to protrude downward, and are arranged so as to form a herringbone pattern when viewed from above (multiple "L" shapes lined up at equal intervals in the length direction). In addition, the amount of downward extension of the flange portion 111c (the height of the flange portion 111c) and the amount of downward protrusion of each protrusion 111b are the same, and are preferably about 4 to 6 mm, for example.

第2吸熱プレート112は、複数の凸部112bを形成した外縁が矩形状のプレート部112aと、プレス加工によってプレート部112aの外縁全体から下方へ延出するように形成されたフランジ部112cを有する。複数の凸部112bは、プレート部111aへのプレス加工によって上方へ突出するように形成されており、下方視でヘリンボーンの模様となるように設けられている。また、フランジ部112cの上方への延出量(フランジ部112cの高さ)と各凸部112bの上方への突出量は同じであり、例えば4~6mm程度とするのが好ましい。 The second heat absorption plate 112 includes a plate portion 112a having a rectangular outer edge and a plurality of convex portions 112b, and a flange portion 112c formed by press working so as to extend downward from the entire outer edge of the plate portion 112a. . The plurality of convex portions 112b are formed by pressing the plate portion 111a so as to protrude upward, and are provided in a herringbone pattern when viewed from below. Further, the amount of upward extension of the flange portion 112c (height of the flange portion 112c) and the amount of upward protrusion of each convex portion 112b are preferably the same, and are preferably about 4 to 6 mm, for example.

第1吸熱プレート111と第2吸熱プレート112は、フランジ部111cの下面とフランジ部112cの上面をロウ付けにより接合して一体化される。また、このように一体化された状態では、第1吸熱プレート111側の各凸部111bと第2吸熱プレート112側の各凸部112bとが、上方視で重なる位置において点接触することになる。 The first heat absorption plate 111 and the second heat absorption plate 112 are integrated by joining the lower surface of the flange portion 111c and the upper surface of the flange portion 112c by brazing. In addition, in this integrated state, each convex portion 111b on the first heat absorption plate 111 side and each convex portion 112b on the second heat absorption plate 112 side are in point contact at a position where they overlap when viewed from above.

この一体化されたものは、長さ方向のサイズが幅方向のサイズに比べて十分に大きく、高さ方向のサイズは幅方向のサイズよりも小さい。第1吸熱プレート111の外面には、長さ方向の一端近傍において筒状の冷却用空気導入管115の端部が固定されており、長さ方向の他端近傍において筒状の冷却用空気導出管116の端部が固定されている。
第1吸熱プレート111におけるこれらの管115,116の内部に対応する箇所には貫通孔111d,111eが設けられており(図32を参照)、冷却用空気導入管115および冷却用空気導出管116の内部は、第1吸熱プレート111と第2吸熱プレート112の間に形成された冷却体110aの内部と連通している。
In this integrated structure, the size in the length direction is sufficiently larger than the size in the width direction, and the size in the height direction is smaller than the size in the width direction. An end of a cylindrical cooling air introduction pipe 115 is fixed to the outer surface of the first heat absorption plate 111 near one end in the length direction, and a cylindrical cooling air guide pipe 115 is fixed near the other end in the length direction. The end of tube 116 is fixed.
Through holes 111d and 111e are provided in the first heat absorption plate 111 at locations corresponding to the insides of these tubes 115 and 116 (see FIG. 32), and cooling air inlet tubes 115 and cooling air outlet tubes 116 are provided. The inside communicates with the inside of a cooling body 110a formed between the first heat absorption plate 111 and the second heat absorption plate 112.

図34は、第1吸熱プレート111と第2吸熱プレート112を一体化したものを、上方視により概略的に示している。なお図34では、各吸熱プレートの凸部の位置関係を理解容易とするため、第2吸熱プレート112側の各凸部112bの位置を点線で示している。本図に示すように、第2吸熱プレート112におけるヘリンボーンの模様は、第1吸熱プレート111におけるヘリンボーンの模様をそのまま長さ方向に反転させたものとなっている。また、第1吸熱プレート111側の各凸部111bは、計5か所の位置(上方視での中央位置、両端位置の2か所、および中央位置と両端位置それぞれの中間位置の2か所)において、第2吸熱プレート112側の凸部112bと上方視で重なっており点接触している。 FIG. 34 schematically shows an integrated structure of the first heat absorption plate 111 and the second heat absorption plate 112 when viewed from above. In addition, in FIG. 34, the position of each convex part 112b on the second heat absorbing plate 112 side is shown by a dotted line in order to make it easy to understand the positional relationship of the convex parts of each heat absorbing plate. As shown in this figure, the herringbone pattern on the second heat-absorbing plate 112 is the same as the herringbone pattern on the first heat-absorbing plate 111 inverted in the length direction. Furthermore, each convex portion 111b on the side of the first heat absorption plate 111 is located at five positions in total (the center position when viewed from above, two positions at both ends, and two positions intermediate between the center position and both end positions). ), it overlaps with the convex portion 112b on the second heat absorption plate 112 side when viewed from above and is in point contact.

本実施形態の冷却体110aによれば、各吸熱プレート111,112に凸部111b,112bを形成したことにより、各吸熱プレート111,112の表面の吸熱面積が増えるとともに、冷却体110a内部の乱流促進効果も高まるため、冷却効果を向上させることができる。なお第4実施形態に係る冷却体110および第5実施形態に係る冷却体110aは、本発明に係る冷却体(箱状の形状を有する冷却体)の一形態に相当する。 According to the cooling body 110a of this embodiment, by forming the convex parts 111b, 112b on each of the heat absorbing plates 111, 112, the heat absorbing area of the surface of each of the heat absorbing plates 111, 112 is increased, and the turbulence promotion effect inside the cooling body 110a is also enhanced, so that the cooling effect can be improved. The cooling body 110 according to the fourth embodiment and the cooling body 110a according to the fifth embodiment correspond to one form of the cooling body (a cooling body having a box-like shape) according to the present invention.

6.第6実施形態
次に本発明の第6実施形態について説明する。なお第6実施形態は、主に、冷却体から流出する冷却用空気をカソード空気として利用するようにした点、およびこれに関する点において第4実施形態と異なる。以下の説明では、第4実施形態と異なる点の説明に重点をおき、第4実施形態と共通する点については説明を省略することがある。
6. Sixth embodiment Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. The sixth embodiment differs from the fourth embodiment mainly in that the cooling air flowing out from the cooling body is used as cathode air, and in points related to this. In the following description, the emphasis will be placed on the points that differ from the fourth embodiment, and the points that are common to the fourth embodiment may be omitted.

図35は、第6実施形態に係る燃料電池システム200aの構成を示す説明図である。図35に示すように燃料電池システム200aにおいては、各冷却体110の出口側から伸びる管路は所定位置βで一本化されて、カソード空気ラインLeとして伸びている。カソード空気ラインLeは空気予熱器5を通って、各セルスタック1のカソードに繋がっている。なお第6実施形態においては、空気Aaを各セルスタック1のカソードに供給する必要が無いため、第4実施形態で設置されていた空気取入口E3、第1空気ブロワ11、およびアノードオフガス冷却器6は省略されている。 FIG. 35 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 200a according to the sixth embodiment. As shown in FIG. 35, in the fuel cell system 200a, the pipes extending from the outlet side of each cooling body 110 are unified at a predetermined position β and extend as a cathode air line Le. The cathode air line Le passes through the air preheater 5 and is connected to the cathode of each cell stack 1. Note that in the sixth embodiment, since it is not necessary to supply air Aa to the cathode of each cell stack 1, the air intake port E3, the first air blower 11, and the anode off-gas cooler installed in the fourth embodiment are 6 is omitted.

燃料電池システム200aでは、冷却用空気ラインLkを介して各冷却体110に供給された冷却用空気Adは、各冷却体110を通った後にカソード空気ラインLeを介して各セルスタック1のカソードに供給され、カソード空気として利用される。これにより第6実施形態の冷却体110は、ホットモジュール内部の冷却とカソード空気の予熱の両方の役割を果たすことが可能となっている。 In the fuel cell system 200a, the cooling air Ad supplied to each cooling body 110 via the cooling air line Lk passes through each cooling body 110 and then reaches the cathode of each cell stack 1 via the cathode air line Le. It is supplied and used as cathode air. Thereby, the cooling body 110 of the sixth embodiment can play the role of both cooling the inside of the hot module and preheating the cathode air.

なお、第3空気ブロワ17は、カソード空気の必要流量に応じて回転数を調整するよう設定される。そのため図35に破線で示すように、各冷却体110に対するバイパス路BYを設けておき、各冷却体110を流通する冷却用空気Adの流量を調整可能とすることが好ましい。なおバイパス路BYは、冷却体110の入口近傍の管路と出口近傍の管路を繋ぐように設置される。 The third air blower 17 is set to adjust its rotation speed according to the required flow rate of the cathode air. For this reason, as shown by the dashed lines in FIG. 35, it is preferable to provide a bypass path BY for each cooling body 110 so that the flow rate of the cooling air Ad flowing through each cooling body 110 can be adjusted. The bypass path BY is installed to connect the pipe near the inlet and the pipe near the outlet of the cooling body 110.

バイパス路BYを設ける場合、ホットモジュール内部の温度が高くなるほど、バイパス路BYを通る冷却用空気Adの流量(バイパス流量)を減少させ、冷却体110への冷却用空気Adの供給流量を増加させるようにすれば良い。具体的には、例えば、ホットモジュール内部の温度が所定の目標温度(上限温度よりも所定温度だけ低い温度)になるように、バイパス流量を調整すれば良い。 When a bypass path BY is provided, the flow rate of the cooling air Ad passing through the bypass path BY (bypass flow rate) can be reduced and the supply flow rate of the cooling air Ad to the cooling body 110 can be increased as the temperature inside the hot module increases. Specifically, for example, the bypass flow rate can be adjusted so that the temperature inside the hot module reaches a predetermined target temperature (a temperature that is a predetermined temperature lower than the upper limit temperature).

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the configuration of the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the gist of the invention. That is, the above embodiments are illustrative in all respects, and should not be considered restrictive. It is understood that the technical scope of the present invention is indicated by the claims rather than the description of the above embodiments, and includes all changes that fall within the meaning and range equivalent to the claims. Should.

本発明は、燃料電池システムに利用可能である。 The present invention can be used in fuel cell systems.

1 セルスタック
2 改質器
2a 反応容器
3 バーナ
4 蒸発器
5 空気予熱器
6 アノードオフガス冷却器
7 アノードオフガス凝縮器
8 CO酸化器
9 凝縮水回収タンク
10 第1原燃料ブロワ
11 第1空気ブロワ
12 水ポンプ
13 第2原燃料ブロワ
14 第2空気ブロワ
15 パワーコンディショナ
16 システムコントローラ
17 第3空気ブロワ
51 第1支柱
52 第2支柱
53 板状断熱材
61 セルスタック集合体
62 オープンラック
63 ステージ盤
64 柱部
71 支持板
72 フランジ付ガスポート
72a アノード燃料流入ポート
72b カソード空気流入ポート
72c アノードオフガス流出ポート
72d カソードオフガス流出ポート
74a 第1電力端子
74b 第2電力端子
75 積層部
76a 第1端板
76b 第2端板
78a メインバスバー
78a1 伸縮吸収部
78b サブバスバー
78b1 伸縮吸収部
79 電力線
79a 電力線保護管
100、200、200a 燃料電池システム
110、110a 冷却体
111 第1吸熱プレート
111a プレート部
111b 凸部
111c フランジ部
111d、111e 貫通孔
112 第2吸熱プレート
112a プレート部
112b 凸部
112c フランジ部
113 第1サイドバー
114 第2サイドバー
115 冷却用空気導入管
116 冷却用空気導出管
120 断熱材
Aa~Ac 空気
Ad 冷却用空気
B1 第1ベローズ形伸縮管継手
B2 第2ベローズ形伸縮管継手
B3 第3ベローズ形伸縮管継手
B4 第4ベローズ形伸縮管継手
D1 ガス排出口
E1、E2 燃料取入口
E3、E4、E5 空気取入口
Ga 原燃料ガス
Gb 混合ガス
Gc 改質ガス
Gd アノードオフガス
Ge カソードオフガス
Gf 原燃料ガス
Gg 燃焼ガス
La 原燃料ライン
Lb 混合ガスライン
Lc アノード燃料ライン
Ld アノードオフガスライン
Le カソード空気ライン
Lf カソードオフガスライン
Lg 燃焼ガスライン
Lh バーナ冷却用空気ライン
Li スタック冷却用空気ライン
Lj 改質水ライン
Lk 冷却用空気ライン
Lka 第1冷却用空気ライン
Lkb 第2冷却用空気ライン
Ma 第1分配マニホールド
Mb 第2分配マニホールド
Mc 第1収集マニホールド
Md 第2収集マニホールド
RG 改質ガス発生装置
Wa 改質水
X1 第1ボックス
X1a 第1台座
X2 第2ボックス
X2a 第2台座
Za 熱放射筒
Zb 燃焼ガス管
Zc 冷却管
LIST OF SYMBOLS 1 Cell stack 2 Reformer 2a Reaction vessel 3 Burner 4 Evaporator 5 Air preheater 6 Anode off-gas cooler 7 Anode off-gas condenser 8 CO oxidizer 9 Condensed water recovery tank 10 First raw fuel blower 11 First air blower 12 Water pump 13 Second raw fuel blower 14 Second air blower 15 Power conditioner 16 System controller 17 Third air blower 51 First support 52 Second support 53 Plate-shaped insulation material 61 Cell stack assembly 62 Open rack 63 Stage board 64 Column section 71 Support plate 72 Flanged gas port 72a Anode fuel inlet port 72b Cathode air inlet port 72c Anode off-gas outlet port 72d Cathode off-gas outlet port 74a First power terminal 74b Second power terminal 75 Stack section 76a First end plate 76b Second end plate 78a Main bus bar 78a1 Expansion absorbing section 78b Sub bus bar 78b1 Expansion absorbing section 79 Power line 79a Power line protection tube 100, 200, 200a Fuel cell system 110, 110a Cooling body 111 First heat absorption plate 111a Plate portion 111b Convex portion 111c Flange portion 111d, 111e Through hole 112 Second heat absorption plate 112a Plate portion 112b Convex portion 112c Flange portion 113 First side bar 114 Second side bar 115 Cooling air inlet pipe 116 Cooling air outlet pipe 120 Thermal insulation material Aa to Ac Air Ad Cooling air B1 First bellows type expansion joint B2 Second bellows type expansion joint B3 Third bellows type expansion joint B4 Fourth bellows type expansion joint D1 Gas exhaust port E1, E2 Fuel inlet E3, E4, E5 Air inlet Ga Raw fuel gas Gb Mixed gas Gc Reformed gas Gd Anode offgas Ge Cathode offgas Gf Raw fuel gas Gg Combustion gas La Raw fuel line Lb Mixed gas line Lc Anode fuel line Ld Anode offgas line Le Cathode air line Lf Cathode offgas line Lg Combustion gas line Lh Burner cooling air line Li Stack cooling air line Lj Reformed water line Lk Cooling air line Lka First cooling air line Lkb Second cooling air line Ma First distribution manifold Mb Second distribution manifold Mc First collection manifold Md Second collection manifold RG Reformed gas generator Wa: Reformed water X1: First box X1a: First base X2: Second box X2a: Second base Za: Heat radiation tube Zb: Combustion gas pipe Zc: Cooling pipe

Claims (8)

燃料電池セルスタックと、
冷却用空気が流通する冷却体と、を備え、
前記冷却体を前記セルスタックの近傍に設置すると共に、前記冷却体に導入する冷却用空気の流量を調整することにより、ホットモジュール内部の熱量を制御することを特徴とする燃料電池システムのホットモジュール。
A fuel cell stack;
a cooling body through which cooling air flows,
A hot module of a fuel cell system, characterized in that the cooling body is installed near the cell stack, and the amount of heat inside the hot module is controlled by adjusting the flow rate of cooling air introduced into the cooling body.
前記燃料電池セルスタックの複数個を集積してセルスタック集合体を構成し、
前記冷却体を前記セルスタック集合体の近傍に設置することを特徴とする請求項1に記載のホットモジュール。
A plurality of the fuel cell stacks are integrated to form a cell stack assembly,
The hot module according to claim 1, wherein the cooling body is installed near the cell stack assembly.
前記冷却体は、当該冷却体の内部を流通する冷却用空気の流れ方向と、前記セルスタックの内部を流通するアノード燃料の流れ方向とが略同じ方向になるように、前記セルスタックないし前記セルスタック集合体の近傍に設置されることを特徴とする請求項2に記載のホットモジュール。 The cooling body is arranged in the cell stack or the cells so that the flow direction of the cooling air flowing through the cooling body and the flow direction of the anode fuel flowing inside the cell stack are substantially the same direction. The hot module according to claim 2, wherein the hot module is installed near the stack assembly. 前記冷却体は、箱状または管状の形状を有することを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載のホットモジュール。 4. The hot module according to claim 1, wherein the cooling body has a box-like or tubular shape. 前記冷却体は、その内部に冷却用空気の乱流を促進する構造物ないし充填物を有することを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載のホットモジュール。 4. The hot module according to claim 1, wherein the cooling body has a structure or a filling therein for promoting turbulent flow of cooling air. 前記セルスタックは、一対の端板間に所定数の平板型発電セルを積層した構成であって、当該端板の少なくとも一方に、アノード燃料流入ポート、カソード空気流入ポート、アノードオフガス流出ポートおよびカソードオフガス流出ポートを有しており、
前記冷却体を前記端板の板面に沿って設置したことを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載のホットモジュール。
The cell stack has a structure in which a predetermined number of flat power generation cells are stacked between a pair of end plates, and at least one of the end plates has an anode fuel inflow port, a cathode air inflow port, an anode off-gas outflow port, and a cathode. Has an off-gas outflow port,
4. The hot module according to claim 1, wherein the cooling body is installed along a plate surface of the end plate.
カソード空気の導入母管となるマニホールドと、
前記カソード空気流入ポートと前記マニホールドとを接続する枝管と、を備え、
前記冷却体は、前記マニホールドおよび前記枝管とは別個の構成要素であることを特徴とする請求項6に記載のホットモジュール。
A manifold that serves as a cathode air inlet pipe;
a branch pipe connecting the cathode air inlet port and the manifold;
7. The hot module of claim 6, wherein the cooling body is a separate component from the manifold and the branch pipes.
前記冷却体を流通後の冷却用空気の少なくとも一部をカソード空気として前記セルスタックに供給することを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載のホットモジュール。
4. The hot module according to claim 1, wherein at least a part of the cooling air after flowing through the cooling body is supplied to the cell stack as cathode air.
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