JP5239174B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガス及び水蒸気を効率的に混合することができる上部燃料熱交換器を備えた燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell including an upper fuel heat exchanger that can efficiently mix fuel gas and water vapor.

近年、上記燃料電池としては、発電効率が高く、作動温度が高いために排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有する固体酸化物形燃料電池の研究開発が進められている。   In recent years, research and development of solid oxide fuel cells having many advantages such as high power generation efficiency and effective use of exhaust heat due to high operating temperature have been promoted as the fuel cells.

このような固体酸化物形燃料電池は、一般に、外周が断熱材で覆われてなるハウジング内に、発電セルとセパレータとが交互に複数段積層されてなる燃料電池スタックが収容されており、この発電セル11は、図5に示すように、固体電解質層21の一方の表面に燃料極層22が形成されるとともに、他方の表面に空気極層23が形成されている。また、燃料極層22の外側に燃料極集電体32が配設されるとともに、空気極層23の外側に空気極集電体33が配設されており、セパレータ12には、燃料ガス流路12aと酸化剤流路12bとが形成されている。   Such a solid oxide fuel cell generally includes a fuel cell stack in which power generation cells and separators are alternately stacked in a housing whose outer periphery is covered with a heat insulating material. As shown in FIG. 5, the power generation cell 11 has a fuel electrode layer 22 formed on one surface of the solid electrolyte layer 21 and an air electrode layer 23 formed on the other surface. A fuel electrode current collector 32 is disposed outside the fuel electrode layer 22, and an air electrode current collector 33 is disposed outside the air electrode layer 23. A channel 12a and an oxidant channel 12b are formed.

そして、固体酸化物形燃料電池は、水素ガスがセパレータ12に形成された燃料ガス流路12aを通じて燃料極集電体32から燃料極層22に移動して、燃料極層22において電子を放出するとともに、酸素ガスが酸化剤流路12bを通じて空気極集電体33から空気極層23、さらには空気極層23内を固体電解質層21に向けて移動しつつ、電子を授与して酸化物イオンとなる。すると、この酸化物イオンが固体電解質層21内に達して、同電解質層21内を燃料極層22に向けて拡散移動して、水素ガスと反応して水を生成しつつ、燃料極層22に電子を放出する。これにより、固体酸化物形燃料電池は、当該電子が起電力として取り出し可能になるとともに、シールレス構造を採用しているため、上述の発電反応に使用されなかった残余のガスや上記水による水蒸気が外に放出される。(例えば、特許文献1)。   In the solid oxide fuel cell, hydrogen gas moves from the fuel electrode current collector 32 to the fuel electrode layer 22 through the fuel gas channel 12 a formed in the separator 12, and emits electrons in the fuel electrode layer 22. At the same time, the oxygen gas moves from the air electrode current collector 33 through the oxidant flow path 12b to the air electrode layer 23, and further to the solid electrolyte layer 21 in the air electrode layer 23. It becomes. Then, the oxide ions reach the solid electrolyte layer 21, diffuse in the electrolyte layer 21 toward the fuel electrode layer 22, react with hydrogen gas to generate water, and generate the fuel electrode layer 22. To emit electrons. As a result, the solid oxide fuel cell can take out the electrons as an electromotive force and employs a sealless structure. Therefore, the residual gas that has not been used in the power generation reaction described above and the water vapor due to the water are used. Is released to the outside. (For example, patent document 1).

特開2004−335164号公報JP 2004-335164 A

ところで、上記固体酸化物形燃料電池は、図6に示すように、上述の複数枚の発電セル11を具備する燃料電池スタック13が高さ方向に複数段積層されたスタックユニットを平面に複数列配設することによって、さらなる発電効率の上昇が望める。この場合の固体酸化物形燃料電池は、上記発電セル11に燃料ガスを水素ガスに改質して供給する燃料ガス供給手段9と、発電セル11に酸素等の酸化剤を供給する酸化剤供給手段5とが各列のスタックユニットの燃料電池スタック13に接続されている。   By the way, as shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell includes a plurality of rows of stack units in which fuel cell stacks 13 each including the plurality of power generation cells 11 are stacked in a height direction. By arranging it, further increase in power generation efficiency can be expected. In this case, the solid oxide fuel cell includes a fuel gas supply means 9 for supplying the power generation cell 11 with a reformed fuel gas to hydrogen gas, and an oxidant supply for supplying an oxidant such as oxygen to the power generation cell 11. Means 5 are connected to the fuel cell stack 13 of the stack unit in each row.

この燃料ガス供給手段9は、その上流部に水蒸気発生器40において発生した水蒸気を供給する水蒸気供給管41が接続されており、水素ガスへの転化率を高めるために改質温度を高くすべく、燃料電池スタック13の側方に側部燃料熱交換器93が介装されるとともに、この側部燃料熱交換器93の下流側に燃料電池スタック13の上方に配設された上部燃料熱交換器96が介装されている。そして、この上部燃料熱交換器96の下流側に改質触媒が内蔵されて、燃料ガスを水蒸気との吸熱反応により水素ガスに改質して上記各スタックユニットに分配供給する改質器92が介装されている。他方、酸化剤供給手段5は、燃料電池スタック13の上方に配設された上部空気熱交換器50と、この上部空気熱交換器50の上流側に設けられた側部空気熱交換器53とが介装されている。   The fuel gas supply means 9 is connected to a water vapor supply pipe 41 for supplying water vapor generated in the water vapor generator 40 at an upstream portion thereof, so as to increase the reforming temperature in order to increase the conversion rate to hydrogen gas. A side fuel heat exchanger 93 is interposed on the side of the fuel cell stack 13, and an upper fuel heat exchanger disposed above the fuel cell stack 13 on the downstream side of the side fuel heat exchanger 93. A device 96 is interposed. A reforming catalyst 92 is built in on the downstream side of the upper fuel heat exchanger 96. The reformer 92 reforms the fuel gas into hydrogen gas by an endothermic reaction with water vapor and distributes and supplies the hydrogen gas to the stack units. It is intervened. On the other hand, the oxidant supply means 5 includes an upper air heat exchanger 50 disposed above the fuel cell stack 13, and a side air heat exchanger 53 provided on the upstream side of the upper air heat exchanger 50. Is intervening.

加えて、固体酸化物形燃料電池は、上述の発電セル11における反応に400℃〜500℃の温度が必要とされるため、スタック13の周囲に電気ヒータやバーナ等の加熱装置97が配設されている。この加熱装置97は、起動時にハウジング20内の空気が加熱されて高温加熱空気となって上昇することにより、扁平な缶体からなる上部燃料熱交換器96や上部空気熱交換器50を間接的に加熱するとともに、側部燃料熱交換器93、側部空気熱交換器53を直接的又は間接的に加熱するようになっている。これにより、固体酸化物形燃料電池は、側部燃料熱交換器93及び上部燃料熱交換器96によって又は側部空気熱交換器53及び上部空気熱交換器50によって加熱された燃料ガス又は空気の昇温や、ハウジング20内の高温加熱空気等により、上記燃料電池スタック13が上記温度まで昇温するようになっている。   In addition, since the solid oxide fuel cell requires a temperature of 400 ° C. to 500 ° C. for the reaction in the power generation cell 11 described above, a heating device 97 such as an electric heater or a burner is disposed around the stack 13. Has been. The heating device 97 indirectly heats the upper fuel heat exchanger 96 and the upper air heat exchanger 50 made of a flat can body by heating the air in the housing 20 at the time of startup and rising as high-temperature heated air. The side fuel heat exchanger 93 and the side air heat exchanger 53 are directly or indirectly heated. As a result, the solid oxide fuel cell has a fuel gas or air heated by the side fuel heat exchanger 93 and the upper fuel heat exchanger 96 or by the side air heat exchanger 53 and the upper air heat exchanger 50. The temperature of the fuel cell stack 13 is increased to the above temperature by raising the temperature, high-temperature heated air in the housing 20, or the like.

また、固体酸化物形燃料電池は、上記起動後に放出される残余のガスや水蒸気の熱も上部燃料熱交換器96や側部燃料熱交換器93等によって吸収されて、燃料ガス等が加熱されることから、改質器92において水蒸気との吸熱反応により水素ガスに改質されて、各燃料電池スタック13に供給される。   In the solid oxide fuel cell, the residual gas and water vapor released after startup are absorbed by the upper fuel heat exchanger 96, the side fuel heat exchanger 93, etc., and the fuel gas and the like are heated. Therefore, the reformer 92 is reformed into hydrogen gas by an endothermic reaction with water vapor, and is supplied to each fuel cell stack 13.

しかしながら、上部燃料熱交換器96は、扁平な缶体からなるため、燃料等が直ぐに改質器92に排出されて、加熱時間が短く、ハウジング20内の高温加熱空気等によって燃料ガス等を効果的に加熱することができず、改質器92内における燃料ガスの水素ガスへの転化率が低下してしまうため、発電効率が低下してしまう。   However, since the upper fuel heat exchanger 96 is made of a flat can body, the fuel or the like is immediately discharged to the reformer 92, the heating time is short, and the fuel gas or the like is effectively produced by the high-temperature heated air or the like in the housing 20. Heating is not possible, and the conversion rate of the fuel gas into hydrogen gas in the reformer 92 is reduced, resulting in a reduction in power generation efficiency.

さらには、燃料ガスが水蒸気と充分に混合されぬままの状態で、改質器92に供給されてしまうため、燃料ガスと水蒸気との割合が変化して、改質器92内の燃料ガスの水素ガスへの転化率に変動が生じて、水素ガスの各スタックユニットへの供給割合が変化してしまう。このため、各燃料電池スタック13における上述の発電セル11の反応効率を制御することができなくなることから、全ての燃料電池スタック13の発電効率を最大にすることができずに、結果として発電効率の低下を招いてしまうという問題があった。   Furthermore, since the fuel gas is supplied to the reformer 92 in a state where the fuel gas is not sufficiently mixed with the water vapor, the ratio of the fuel gas and the water vapor changes, and the fuel gas in the reformer 92 changes. Fluctuation occurs in the conversion rate to hydrogen gas, and the supply ratio of hydrogen gas to each stack unit changes. For this reason, since it becomes impossible to control the reaction efficiency of the above-mentioned power generation cells 11 in each fuel cell stack 13, the power generation efficiency of all the fuel cell stacks 13 cannot be maximized, resulting in the power generation efficiency. There was a problem of inviting a decline.

そこで、本発明は、ハウジング上部の高温加熱空気によって燃料ガス等を効果的に加熱することができるとともに、燃料ガスと水蒸気とを充分に混合させる上部燃料熱交換器を有し、燃料電池の発電効率の低下を防止することができる燃料電池を提供することを課題とするものである。   Therefore, the present invention has an upper fuel heat exchanger that can effectively heat the fuel gas and the like by the high-temperature heated air at the upper part of the housing, and that sufficiently mixes the fuel gas and water vapor. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can prevent a decrease in efficiency.

すなわち、請求項1に記載の本発明は、外周が断熱材で覆われてなるハウジング内に、発電セル及びセパレータを交互に積層してなる複数の燃料電池スタックと、これらの燃料電池スタックに燃料ガスを水蒸気との吸熱反応により水素に改質して供給する改質器を備えた燃料ガス供給手段と、この燃料ガス供給手段に介装されて、上記燃料電池スタックの上方に配設され、内部に上記燃料ガス及び水蒸気を流動させるとともに、上記ハウジング内の熱を吸収して上記燃料ガス及び水蒸気を加熱する扁平な缶体を有する上部燃料熱交換器とが収容された燃料電池であって、上記上部燃料熱交換器内に、上記缶体内の外周部に形成され、上記燃料ガス供給手段から上記缶体の壁面に形成された供給口を通じて供給された上記燃料ガス及び上記水蒸気を周方向に旋回させることにより上記燃料ガス及び上記水蒸気が効率的に混合された混合ガスにする第1のチャンバーと、上記缶体内の中央部に形成され、上記混合ガスを上記燃料ガス供給手段の上記改質器に供給する第2のチャンバーとが隔壁部材によって区画されるとともに、上記隔壁部材には、上記第1のチャンバーの上記混合ガスを上記第2のチャンバーに流入させる連通口が形成されていることを特徴としている。 That is, the present invention described in claim 1 includes a plurality of fuel cell stacks in which power generation cells and separators are alternately stacked in a housing whose outer periphery is covered with a heat insulating material, and fuel in these fuel cell stacks. A fuel gas supply means provided with a reformer for supplying gas by reforming it into hydrogen by an endothermic reaction with water vapor; and interposed between the fuel gas supply means and disposed above the fuel cell stack; A fuel cell in which an upper fuel heat exchanger having a flat can that heats the fuel gas and water vapor by absorbing the heat in the housing and flowing the fuel gas and water vapor therein is housed In the upper fuel heat exchanger, the fuel gas and the water vapor formed on the outer periphery of the can body and supplied from the fuel gas supply means through the supply port formed on the wall surface of the can body. The by Rukoto to pivot in the circumferential direction of the first chamber to the gas mixture in which the fuel gas and the steam are mixed efficiently formed in a central portion of the can body, the fuel gas supplied to the gas mixture a second chamber supplied to the reformer unit is partitioned by the partition member Rutotomoni, in the partition member, the communication port for flowing the mixed gas of the first chamber to the second chamber It is characterized by being formed .

また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の燃料電池において、上記上部燃料熱交換器は、上記缶体が平面視矩形状に形成されるとともに、各角部に上記供給口が上記旋回方向に向けて上記燃料ガス及び上記水蒸気を供給するように形成され、上記隔壁部材は、有天筒状に形成され、下部が上記缶体の底部と一体的に形成されるとともに、天井部に上記連通口が形成されており、かつ上記第2のチャンバーは、上記隔壁部材と上記缶体の底部との間に形成されるとともに、上記缶体の底部における上記連通口に臨む位置以外に上記混合ガスを排出する開口が形成されていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the first aspect, wherein the upper fuel heat exchanger is configured such that the can body is formed in a rectangular shape in plan view and the supply to each corner portion. The mouth is formed so as to supply the fuel gas and the water vapor toward the swirl direction, the partition member is formed in the shape of a ceiling tube, and the lower part is formed integrally with the bottom of the can body. The communication port is formed in the ceiling, and the second chamber is formed between the partition member and the bottom of the can body, and faces the communication port in the bottom of the can body. Besides the position, an opening for discharging the mixed gas is formed.

また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池において、上記燃料ガス供給手段は、上記上部燃料熱交換器の下流側に上記燃料ガスを水素に改質して、上記複数の燃料電池スタックに分配供給する改質器が接続され、かつこの改質器には、上記分配供給する複数の排出口が形成されるとともに、各排出口に連通する供給口がそれぞれ形成されており、当該各供給口に対応して上記上部燃料熱交換器の開口が複数形成されていることを特徴としている。   The invention according to claim 3 is the fuel cell according to claim 2, wherein the fuel gas supply means reforms the fuel gas into hydrogen downstream of the upper fuel heat exchanger, and A reformer that distributes and supplies fuel cells to a plurality of fuel cell stacks is connected, and the reformer is formed with a plurality of discharge ports that supply and distribute, and a supply port that communicates with each of the discharge ports. The upper fuel heat exchanger has a plurality of openings corresponding to the supply ports.

請求項1ないし3の何れか一項に記載の発明によれば、第1のチャンバーに燃料ガス及び水蒸気を供給して、周方向に旋回混合させるため、効率的に燃料ガス及び水蒸気を混合させて、混合ガスにすることができるとともに、この旋回混合の間に、燃料ガス及び水蒸気を、ハウジング内の高温加熱空気によって加熱することができる。次いで、隔壁部材の連通口から流入した混合ガスを、第2のチャンバーの内圧によって燃料ガス供給手段を介して燃料電池スタックに供給することができる。
その結果、燃料ガスと水蒸気とが充分に混合されるために改質器内の燃料ガスの転化率に変動が生ずることなく、その上、旋回混合の間の充分な加熱時間により燃料ガスの改質温度を高くして、充分な高転化率を得ることができるため、発電効率を高めることができる。
According to the invention described in any one of claims 1 to 3, the fuel gas and the water vapor are supplied to the first chamber and swirled and mixed in the circumferential direction. Thus, the gas mixture can be made into a mixed gas, and the fuel gas and water vapor can be heated by the high-temperature heated air in the housing during the swirl mixing. Next, the mixed gas flowing in from the communication port of the partition wall member can be supplied to the fuel cell stack through the fuel gas supply means by the internal pressure of the second chamber.
As a result, since the fuel gas and water vapor are sufficiently mixed, there is no fluctuation in the conversion rate of the fuel gas in the reformer, and in addition, the fuel gas is improved by sufficient heating time during swirl mixing. Since the material temperature can be increased and a sufficiently high conversion rate can be obtained, the power generation efficiency can be increased.

特に、請求項2に記載の本発明によれば、上部燃料熱交換器の各角部に供給口を燃料ガス及び水蒸気が旋回方向に向けて供給されるように形成したため、燃料ガス等の旋回流を乱すことなく、上記燃料ガス及び水蒸気を効率的に混合させることができる。また、連通口を有天筒状の隔壁部材の天井部に形成するとともに、隔壁部材の下部を缶体の底部と一体的に設けたため、第1のチャンバーにおいて燃料ガス等が周方向に充分に旋回混合され、混合ガスとなって、平面方向中央の天井側に流動した際に初めて、連通口から第2のチャンバーに流入するため、より混合時間を長くすることができる上に、より長時間、燃料ガス等を加熱することができる。このため、より確実に転化率の変動を阻止し、かつ転化率の上昇を促すことができる。   In particular, according to the second aspect of the present invention, the supply port is formed at each corner of the upper fuel heat exchanger so that the fuel gas and the water vapor are supplied in the swirling direction. The fuel gas and water vapor can be mixed efficiently without disturbing the flow. In addition, the communication port is formed in the ceiling portion of the celestial tubular partition member, and the lower portion of the partition member is integrally provided with the bottom portion of the can body, so that the fuel gas or the like is sufficiently circumferentially provided in the first chamber. Only when swirled and mixed to form a mixed gas flows to the ceiling in the center in the plane direction, it flows into the second chamber from the communication port. Fuel gas etc. can be heated. For this reason, the fluctuation | variation of a conversion rate can be prevented more reliably and the raise of a conversion rate can be promoted.

また、上記上部燃料熱交換器は、上述のように改質器内の燃料ガスの転化率の変動が防止されて、充分な高転化率が得られるように燃料ガス等を混合・加熱するため、請求項3に記載の発明のように下流側に接続された改質器が燃料ガスを水素に改質して、複数の燃料電池スタックに分配供給する複数の排出口を有するとともに、各排出口に連通する供給口をそれぞれ有し、かつ各供給口に対応して上部燃料熱交換器の開口を複数形成する場合にも、水素を各燃料電池スタックに均一に供給して、全ての燃料電池スタックの発電効率を最大にすることができる。このため、燃料ガスの供給量の増加や加熱温度の上昇等により、各燃料電池スタックから得られる起電力を全体的に増加させることができる。   Further, the upper fuel heat exchanger mixes and heats the fuel gas and the like so that the change in the conversion rate of the fuel gas in the reformer is prevented and a sufficiently high conversion rate is obtained as described above. The reformer connected downstream as in the invention described in claim 3 reforms the fuel gas into hydrogen and has a plurality of discharge ports for distribution and supply to the plurality of fuel cell stacks. Even when each of the supply ports connected to the outlet has a plurality of openings of the upper fuel heat exchanger corresponding to each supply port, hydrogen is uniformly supplied to each fuel cell stack, The power generation efficiency of the battery stack can be maximized. For this reason, the electromotive force obtained from each fuel cell stack can be increased as a whole by increasing the supply amount of fuel gas, increasing the heating temperature, or the like.

次ぎに、本発明に係る上部燃料熱交換器を具備する固体酸化物形燃料電池の最良の実施形態について、図1〜図4を用いて説明する。なお、上述の一般的な燃料電池と同一のものについては、同一符号を用いることにより、説明を省略する。   Next, the best embodiment of the solid oxide fuel cell including the upper fuel heat exchanger according to the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same thing as the above-mentioned general fuel cell, description is abbreviate | omitted by using the same code | symbol.

本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、下部が開口した平面視矩形状の外部缶体2内に、燃料電池スタック13等の発電要素を収容したハウジング20が内設されており、このハウジング20と外部缶体2との間に断熱部材(断熱材)10が介装されている。   In the solid oxide fuel cell according to the present embodiment, a housing 20 containing a power generation element such as a fuel cell stack 13 is provided in an external can body 2 having a rectangular shape in plan view with an open bottom. A heat insulating member (heat insulating material) 10 is interposed between 20 and the outer can body 2.

そして、燃料電池スタック13は、間に架台18を介在させて、高さ方向に複数段(本実施形態においては4段)積層されることによりスタックユニットを構成しており、当該スタックユニットは、ハウジング20内の中央部に平面視において縦横2列に配設されて、各燃料電池スタック13がハウジング20の各側壁面に沿って高さ方向中央部の燃料電池スタック13に望む位置に配設された4基の加熱装置7によって加熱されるようになっている。   The fuel cell stack 13 constitutes a stack unit by stacking a plurality of stages (four stages in the present embodiment) in the height direction with the mount 18 interposed therebetween, and the stack unit is The fuel cell stacks 13 are arranged in two rows in the center in the housing 20 in a plan view, and the fuel cell stacks 13 are arranged at desired positions along the side wall surfaces of the housing 20 at the center of the fuel cell stack 13 in the height direction. The four heating devices 7 are heated.

この燃料電池スタック13の発電セル11を構成する固体電解質層21は、イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層22はNi等の金属あるいはNi−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層23はLaMnO3 、LaCoO3 等で構成され、燃料極集電体32はNi等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体33はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ12はステンレス等で構成されている。   The solid electrolyte layer 21 constituting the power generation cell 11 of the fuel cell stack 13 is made of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 22 is made of a metal such as Ni or a cermet such as Ni-YSZ. The air electrode layer 23 is made of LaMnO 3, LaCoO 3 or the like, the fuel electrode current collector 32 is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as Ni, and the air electrode current collector 33 is made of a sponge such as Ag. The separator 12 is made of stainless steel or the like.

そして、この発電セル11に燃料ガスを水素ガスにして供給する燃料ガス供給手段4は、その上流部に燃料ガスを導入する燃料ガス供給管49を具備しており、この燃料ガス供給管49は、ハウジング20の外方からハウジング20内に配設されて、4本に分枝されている。そして、燃料ガス供給管49は、各分枝配管に水蒸気を供給する水蒸気供給管41が接合されるとともに、その下流端部に、それぞれハウジング20内に配設された側部燃料熱交換器43が接続されている。   The fuel gas supply means 4 for supplying the fuel gas to the power generation cell 11 as hydrogen gas is provided with a fuel gas supply pipe 49 for introducing the fuel gas upstream thereof, and the fuel gas supply pipe 49 The outer side of the housing 20 is disposed in the housing 20 and is branched into four branches. The fuel gas supply pipe 49 is joined to a water vapor supply pipe 41 for supplying water vapor to each branch pipe, and a side fuel heat exchanger 43 disposed in the housing 20 at the downstream end thereof. Is connected.

この側部燃料熱交換器43は、ハウジング20の各側部に沿って配設されており、上記燃料ガス供給管49に連続的に設けられて、各加熱装置7の近傍に垂直に配設された配管43aと、各配管43aに連続的に形成されるとともに、ハウジング20内の上部にハウジング20の各側部に沿って垂直に配設された外観視矩形平板状の筺体43bとによって構成されている。そして、筺体43bの上部にそれぞれ接続管44が接続されるとともに、各接続管44がハウジング20内の上部に水平に配設された上部燃料熱交換器6に接続されている。   The side fuel heat exchanger 43 is disposed along each side of the housing 20, is continuously provided in the fuel gas supply pipe 49, and is vertically disposed in the vicinity of each heating device 7. The pipes 43a are continuously formed in the pipes 43a, and the casing 43b has a rectangular plate-like appearance as viewed from the top along the sides of the housing 20 at the top of the housing 20. Has been. The connecting pipes 44 are connected to the upper parts of the housings 43b, and the connecting pipes 44 are connected to the upper fuel heat exchanger 6 disposed horizontally at the upper part in the housing 20.

この上部燃料熱交換器6は、図3及び図4に示すように、燃料ガス等が流動するチャンバーが気密的に形成された外観視矩形平板状の扁平な缶体60を有しており、缶体60の細長状の側壁における各角部に接続管44が時計方向に向けて燃料ガス及び水蒸気を流入させるべくそれぞれ接続されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the upper fuel heat exchanger 6 has a flat can body 60 having a rectangular plate shape in appearance, in which a chamber in which fuel gas or the like flows is formed in an airtight manner. A connecting pipe 44 is connected to each corner of the elongated side wall of the can body 60 so that fuel gas and water vapor can flow in in a clockwise direction.

そして、缶体60内には、缶体60を構成する水平な矩形板からなる天板60a及び底板60bの間に、これらの天板60a及び底板60bよりも一回り小さく形成されて水平に配設された隔壁板61と、この隔壁板61の外周から下方に突出して、底板60bと一体的に設けられた側面板62とを具備した隔壁部材63が設けられている。   In the can body 60, a horizontal rectangular plate constituting the can body 60 is formed between the top plate 60a and the bottom plate 60b so as to be slightly smaller than the top plate 60a and the bottom plate 60b. A partition wall member 63 including a partition wall plate 61 provided and a side plate 62 that protrudes downward from the outer periphery of the partition wall plate 61 and is provided integrally with the bottom plate 60 b is provided.

さらに、上部燃料熱交換器6は、隔壁板61の中央部に連通口61aが形成されるとともに、隔壁板61を貫通する4本のピン状の強度保持部材64を有しており、これらの強度保持部材64は、両端部が天板60a及び底板60bと一体的に設けられて、隔壁部材63の外周より一回り小さい外法を有する矩形角部に配設されている。   Further, the upper fuel heat exchanger 6 has a communication port 61a formed in the central portion of the partition plate 61 and has four pin-shaped strength holding members 64 penetrating the partition plate 61. Both ends of the strength holding member 64 are provided integrally with the top plate 60 a and the bottom plate 60 b, and are disposed at rectangular corners having an outer method that is slightly smaller than the outer periphery of the partition wall member 63.

これにより、上部燃料熱交換器6は、隔壁部材63と天板60aとの間に、燃料ガス及び水蒸気を周方向に旋回混合させて混合ガスにする第1のチャンバー65が形成されており、この第1のチャンバー65は、缶体60の側壁に沿って周方向に形成された矩形環状の旋回流路65aと、この旋回流路65aに連続して、缶体60の天板60aと隔壁板61との隙間に形成された流路65bとを有している。   Thus, in the upper fuel heat exchanger 6, a first chamber 65 is formed between the partition wall member 63 and the top plate 60a to swirl and mix the fuel gas and water vapor in the circumferential direction to form a mixed gas, The first chamber 65 includes a rectangular annular swirl passage 65a formed in the circumferential direction along the side wall of the can body 60, and the top plate 60a and the partition wall of the can body 60 continuously to the swirl passage 65a. And a flow path 65b formed in a gap with the plate 61.

また、上部燃料熱交換器6は、その内部に第1のチャンバー65から隔離されて、隔壁部材63と底板60bとの間に混合ガス等を一次的に貯留する第2のチャンバー66が形成されており、第1のチャンバー65と第2のチャンバー66とが隔壁部材63によって気密的に区画されている。そして、第2のチャンバー66は、底板60bにおける連通口61aに臨む位置以外に開口66a〜66dが形成されるとともに、各開口66a〜66dに通じる供給管45a〜45dがそれぞれ接続されている。
これにより、第2のチャンバー66は、その内圧によって混合ガス等を、供給管45a〜45dを通じて、同供給管45a〜45dの下流端部に接続された改質器42に排出するようになっている。
Further, the upper fuel heat exchanger 6 is isolated from the first chamber 65 inside thereof, and a second chamber 66 for temporarily storing a mixed gas or the like is formed between the partition wall member 63 and the bottom plate 60b. The first chamber 65 and the second chamber 66 are airtightly partitioned by the partition wall member 63. In the second chamber 66, openings 66a to 66d are formed at positions other than the position facing the communication port 61a in the bottom plate 60b, and supply pipes 45a to 45d communicating with the openings 66a to 66d are connected to the second chamber 66, respectively.
As a result, the second chamber 66 discharges the mixed gas or the like through the supply pipes 45a to 45d to the reformer 42 connected to the downstream end of the supply pipes 45a to 45d due to the internal pressure. Yes.

この改質器42は、上述の縦横2列に配設された各スタックユニットの対向側面間にそれぞれ改質触媒が内蔵された扁平箱形の翼部42a、42b、42c、42dを有する十字型の燃料改質器30が最上段の燃料電池スタック13から最下段の燃料電池スタック13に近接する位置まで配設されている。これらの翼部42a〜42dは、それぞれ上端部の供給口に連通する上記供給管45a〜45dが接続されるとともに、それぞれハウジング20側の先端部に上記供給口に連通する排出口が形成されており、各排出口に上下方向に向けて配設された細長状の燃料バッファタンク47a〜47dが連通するように接続されている。これにより、翼部42a〜42dは、各供給管45a〜45dから供給された混合ガスを水素ガスに改質して、各燃料バッファタンク47a〜47dに供給するようになっており、これらの燃料バッファタンク47a〜47dは、マニホールド48を介して上述の燃料電池スタック13に接続されている。   The reformer 42 has a cross shape having flat box-shaped wing portions 42a, 42b, 42c, and 42d each containing a reforming catalyst between opposing side surfaces of the stack units arranged in two rows. The fuel reformer 30 is disposed from the uppermost fuel cell stack 13 to a position close to the lowermost fuel cell stack 13. The wing portions 42a to 42d are connected to the supply pipes 45a to 45d communicating with the supply ports at the upper end portions, respectively, and the discharge ports communicating with the supply ports are formed at the distal end portions on the housing 20 side. In addition, elongated fuel buffer tanks 47a to 47d disposed in the vertical direction are connected to the respective discharge ports so as to communicate with each other. Thereby, the blade parts 42a to 42d reform the mixed gas supplied from the supply pipes 45a to 45d into hydrogen gas and supply the hydrogen gas to the fuel buffer tanks 47a to 47d. The buffer tanks 47a to 47d are connected to the fuel cell stack 13 via the manifold 48.

これにより、燃料ガス供給手段4は、上述の燃料ガス供給管49の下流側に、上流側から下流側に向けて順に、側部燃料熱交換器43、接続管44、上部燃料熱交換器6、供給管45a〜45d及び改質器42が介装されている。   As a result, the fuel gas supply means 4 is arranged on the downstream side of the fuel gas supply pipe 49 in this order from the upstream side to the downstream side, in order, from the side fuel heat exchanger 43, the connecting pipe 44, and the upper fuel heat exchanger 6. The supply pipes 45a to 45d and the reformer 42 are interposed.

他方、発電セル11に酸素ガスを供給する酸化剤供給手段5は、ハウジング20の外方からハウジング20内に配設された空気供給管59を具備しており、この空気供給管59の下流部が4本に分枝して、それぞれ側部空気熱交換器53に接続されている。   On the other hand, the oxidant supply means 5 for supplying oxygen gas to the power generation cell 11 includes an air supply pipe 59 disposed in the housing 20 from the outside of the housing 20, and a downstream portion of the air supply pipe 59. Are branched into four and connected to the side air heat exchanger 53 respectively.

これらの側部空気熱交換器53は、各加熱装置7の近傍にハウジング20の各角部に沿って垂直に配設された配管によって概略構成されており、これらの配管の上端部にそれぞれ接続管51を介して、上部空気熱交換器50が接続されている。
この上部空気熱交換器50は、概観視矩形平板状の扁平な缶体からなり、その下流側がバッファタンク52を介して燃料電池スタック13に接続されている。
These side air heat exchangers 53 are roughly constituted by pipes arranged vertically along the respective corners of the housing 20 in the vicinity of each heating device 7, and are connected to the upper ends of these pipes, respectively. An upper air heat exchanger 50 is connected via a pipe 51.
The upper air heat exchanger 50 is formed of a flat can body having a rectangular flat plate shape as viewed from the outside, and the downstream side thereof is connected to the fuel cell stack 13 via a buffer tank 52.

また、縦横2列に配設されスタックユニットの外周には、加熱装置7との間に、ハウジング20の各側面に沿って、それぞれ遮熱板8がハウジング20内の高さ方向中央部に積層された上から2段目及び3段目の各燃料電池スタック13と同1段目の各燃料電池スタック13の下部とを覆うように6枚ずつ配設されている。   Further, on the outer periphery of the stack unit, which is arranged in two rows in the vertical and horizontal directions, the heat shield plate 8 is laminated at the center in the height direction in the housing 20 along the respective side surfaces of the housing 20 between the heating device 7 and the outer periphery. Six pieces are arranged so as to cover the second and third fuel cell stacks 13 and the lower part of the first fuel cell stack 13 from the top.

さらには、ハウジング20は、その上部中央に発電セル11からの残余のガスや水蒸気等を外部に放出する細管81が断熱部材10及び外部缶体2を貫通して接続されており、その下部中央に上記残余のガスや水蒸気等を全体的に下方に流動させ、放出する極太の排気管82が接続されている。   Further, the housing 20 has a thin tube 81 that discharges the remaining gas, water vapor, and the like from the power generation cell 11 to the outside at the center of the housing 20 connected through the heat insulating member 10 and the external can body 2. A very thick exhaust pipe 82 is connected to discharge and discharge the remaining gas, water vapor and the like as a whole.

次いで、上述の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作用について、説明する。
まず、加熱装置7及び水蒸気発生器40を作動させるとともに、燃料ガス供給管49に燃料ガスとして都市ガスを、空気供給管59に空気をそれぞれ供給する。
Next, the operation of the solid oxide fuel cell in the above embodiment will be described.
First, the heating device 7 and the steam generator 40 are operated, and city gas is supplied to the fuel gas supply pipe 49 as fuel gas, and air is supplied to the air supply pipe 59.

すると、都市ガスは、燃料ガス供給管49を通じて、水蒸気供給管41から供給された水蒸気とともに、加熱装置7によって直接的及び間接的に加熱される側部燃料熱交換器43内に供給されて、昇温しつつ上昇し、接続管44を介して上部燃料熱交換器6に供給される。   Then, the city gas is supplied through the fuel gas supply pipe 49 together with the steam supplied from the steam supply pipe 41 into the side fuel heat exchanger 43 that is directly and indirectly heated by the heating device 7. The temperature rises while raising the temperature, and is supplied to the upper fuel heat exchanger 6 through the connection pipe 44.

その際、都市ガスは、缶体60の各角部から第1のチャンバー65に時計方向に供給されることにより、旋回流路65aにおいて水蒸気と混合されて混合ガスになりつつ、漸次、缶体60の外周側から内周側に向けて流動し、さらに流路65bに向けて流動するため、充分に加熱される。   At that time, the city gas is gradually supplied to the first chamber 65 from each corner of the can body 60, thereby being mixed with water vapor in the swirling flow path 65a to become a mixed gas, and gradually the can body. Since the fluid flows from the outer peripheral side of the 60 toward the inner peripheral side and further toward the flow path 65b, it is sufficiently heated.

そして、混合ガスは、流路65bの中央部まで流動すると、漸次、連通口61aから第2のチャンバー66に流入して、同チャンバー66において流動し、その後、内圧によって各開口66a〜66dから排出されるため、各供給管45a〜45dを通じて、改質器42の各翼部42a〜42dに均等的に流入する。   When the mixed gas flows to the central portion of the flow path 65b, the mixed gas gradually flows into the second chamber 66 from the communication port 61a, flows in the chamber 66, and is then discharged from the openings 66a to 66d by the internal pressure. Therefore, it flows equally into the blades 42a to 42d of the reformer 42 through the supply pipes 45a to 45d.

すると、混合ガスは、燃料ガスと水蒸気との混合割合に変動がなく、充分に昇温しているため、改質器42の各翼部42a〜42dにおいて高転化率かつ均一転化率で水素ガスに改質された後に、燃料バッファタンク47a〜47dに供給されて、マニホールド48を介して各燃料電池スタック13に供給される。   As a result, the mixed gas has no change in the mixing ratio of the fuel gas and the water vapor, and is sufficiently heated, so that the hydrogen gas has a high conversion rate and a uniform conversion rate in each of the blade portions 42a to 42d of the reformer 42. After being reformed, the fuel buffer tanks 47 a to 47 d are supplied to the fuel cell stacks 13 via the manifolds 48.

他方、空気は、側部空気熱交換器53に供給されて、昇温しつつ上昇し、接続管51を介して上部空気熱交換器50に供給される。そして、上部空気熱交換器50内において流動しつつ昇温した後に、バッファタンク52を介し、各燃料電池スタック13に供給される。   On the other hand, the air is supplied to the side air heat exchanger 53, rises while raising the temperature, and is supplied to the upper air heat exchanger 50 through the connection pipe 51. The temperature is raised while flowing in the upper air heat exchanger 50, and then supplied to each fuel cell stack 13 through the buffer tank 52.

これにより、各燃料電池スタック13が上述の水素ガスや空気によって内部から加熱されるとともに、加熱装置7によっても加熱されて、400℃〜500℃に昇温しており、上述の水素ガスは、燃料ガス流路12aを通じて燃料極集電体32から燃料極層22に移動して、電子を放出するとともに、酸素ガスは、酸化剤流路12bを通じて空気極集電体33から空気極層23内を固体電解質層21に向けて移動しつつ、酸化物イオンとなり、発電反応が生じる。   As a result, each fuel cell stack 13 is heated from the inside by the above-described hydrogen gas and air, and also heated by the heating device 7, and the temperature is raised to 400 ° C. to 500 ° C. It moves from the anode current collector 32 to the anode layer 22 through the fuel gas channel 12a to release electrons, and the oxygen gas passes from the cathode current collector 33 to the inside of the cathode layer 23 through the oxidant channel 12b. While moving toward the solid electrolyte layer 21, it becomes oxide ions and a power generation reaction occurs.

上述の固体酸化物形燃料電池用の上部燃料熱交換器6によれば、缶体60内に連通口61aが形成された隔壁板61及びこの隔壁板61の外周から下方に突出して底板60bと一体的に設けられた側面板62を具備した隔壁部材63を設けることによって、第1のチャンバー65と第2のチャンバー66とを気密的に区画したため、燃料ガス及び水蒸気の流入直後の排出を防止して、燃料ガス等を旋回混合させるとともに、この旋回混合の間におけるハウジング上部の高温加熱空気による加熱によって燃料ガス等を充分に加熱することができる。   According to the above-described upper fuel heat exchanger 6 for a solid oxide fuel cell, the partition plate 61 having the communication port 61a formed in the can body 60, and the bottom plate 60b protruding downward from the outer periphery of the partition plate 61 By providing the partition wall member 63 having the side plate 62 provided integrally, the first chamber 65 and the second chamber 66 are hermetically partitioned, so that discharge immediately after the inflow of fuel gas and water vapor is prevented. Thus, the fuel gas or the like can be swirled and mixed, and the fuel gas or the like can be sufficiently heated by heating with high-temperature heated air at the top of the housing during the swirling and mixing.

加えて、各接続管44を、缶体60の側壁の各角部に上記旋回方向に向けて接続したため、燃料ガス等の旋回流を乱すことなく、上記燃料ガス及び水蒸気を効率的に混合させることができる。また、底板60bにおける連通口61aに臨む位置以外に開口66a〜66dを形成したため、燃料ガスを充分に加熱した混合ガスとして一次的に第2のチャンバー66に貯留して、内圧によって同開口66a〜66dから供給管45a〜45dを通じて改質器42の各翼部42a〜42dに均等に供給することができる。   In addition, since each connecting pipe 44 is connected to each corner of the side wall of the can body 60 in the swirling direction, the fuel gas and water vapor are efficiently mixed without disturbing the swirling flow of the fuel gas or the like. be able to. Further, since the openings 66a to 66d are formed at positions other than the position facing the communication port 61a in the bottom plate 60b, the fuel gas is temporarily stored in the second chamber 66 as a sufficiently heated mixed gas, and the openings 66a to 66d are caused by internal pressure. 66d can be supplied to the blade portions 42a to 42d of the reformer 42 through the supply pipes 45a to 45d.

このため、燃料ガスを、各翼部42a〜42dにおいて高い転化率で均等に水素ガスに改質することができ、その結果、所望量の水素ガスを各燃料電池スタック13に均等に供給して、全ての燃料電池スタック13の発電効率を最大にすることができる。   Therefore, the fuel gas can be uniformly reformed to hydrogen gas at a high conversion rate in each of the blade portions 42a to 42d. As a result, a desired amount of hydrogen gas is evenly supplied to each fuel cell stack 13. The power generation efficiency of all the fuel cell stacks 13 can be maximized.

なお、本発明は、上述の実施の形態に何ら限定されるものではなく、例えば、上述の連通口61aが隔壁板61の中央部に複数形成されていてもよい。   In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment at all, For example, the above-mentioned communicating port 61a may be formed in multiple numbers in the center part of the partition plate 61. FIG.

本発明に係る上部燃料熱交換器を具備する固体酸化物形燃料電池を示す縦断面模式図である。It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram which shows the solid oxide fuel cell which comprises the upper fuel heat exchanger which concerns on this invention. 図1のII−II線矢示図である。It is the II-II line arrow figure of FIG. 上部燃料熱交換器の一部破断平面模式図である。It is a partially broken schematic plan view of the upper fuel heat exchanger. 上部燃料熱交換器の一部破断側面模式図である。It is a partially broken side view of the upper fuel heat exchanger. 燃料電池スタック13の要部説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a main part of a fuel cell stack 13. 一般的な固体酸化物形燃料電池を示す縦断面模式図である。It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram which shows a common solid oxide fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

4 燃料ガス供給手段
6 上部燃料熱交換器
10 断熱部材(断熱材)
13 燃料電池スタック
20 ハウジング
60 缶体
61 隔壁部材
61a 連通口
65 第1のチャンバー
66 第2のチャンバー
4 Fuel gas supply means 6 Upper fuel heat exchanger 10 Heat insulation member (heat insulation material)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 Fuel cell stack 20 Housing 60 Can body 61 Partition member 61a Communication port 65 1st chamber 66 2nd chamber

Claims (3)

外周が断熱材で覆われてなるハウジング内に、発電セル及びセパレータを交互に積層してなる複数の燃料電池スタックと、これらの燃料電池スタックに燃料ガスを水蒸気との吸熱反応により水素に改質して供給する改質器を備えた燃料ガス供給手段と、この燃料ガス供給手段に介装されて、上記燃料電池スタックの上方に配設され、内部に上記燃料ガス及び水蒸気を流動させるとともに、上記ハウジング内の熱を吸収して上記燃料ガス及び水蒸気を加熱する扁平な缶体を有する上部燃料熱交換器とが収容された燃料電池であって、
上記上部燃料熱交換器内に、上記缶体内の外周部に形成され、上記燃料ガス供給手段から上記缶体の壁面に形成された供給口を通じて供給された上記燃料ガス及び上記水蒸気を周方向に旋回させることにより上記燃料ガス及び上記水蒸気が効率的に混合された混合ガスにする第1のチャンバーと、上記缶体内の中央部に形成され、上記混合ガスを上記燃料ガス供給手段の上記改質器に供給する第2のチャンバーとが隔壁部材によって区画されるとともに、上記隔壁部材には、上記第1のチャンバーの上記混合ガスを上記第2のチャンバーに流入させる連通口が形成されていることを特徴とする燃料電池。
A plurality of fuel cell stacks in which power generation cells and separators are alternately stacked in a housing whose outer periphery is covered with a heat insulating material, and the fuel gas in these fuel cell stacks is reformed to hydrogen by an endothermic reaction with water vapor. A fuel gas supply means provided with a reformer to be supplied , and the fuel gas supply means, disposed above the fuel cell stack, and flowing the fuel gas and water vapor therein, An upper fuel heat exchanger having a flat can body that absorbs heat in the housing and heats the fuel gas and water vapor;
In the upper fuel heat exchanger, the fuel gas and the water vapor formed in the outer peripheral portion of the can body and supplied from the fuel gas supply means through the supply port formed on the wall surface of the can body in the circumferential direction. the Rukoto pivoted a first chamber to a gas mixture which the fuel gas and the steam are mixed efficiently formed in a central portion of the can body, the reforming of the fuel gas supply means to the gas mixture Rutotomoni a second chamber for supplying the quality unit is partitioned by a partition member, in the partition member, the communication port for flowing the mixed gas of said first chamber to said second chamber is formed The fuel cell characterized by the above-mentioned.
上記上部燃料熱交換器は、上記缶体が平面視矩形状に形成されるとともに、各角部に上記供給口が上記旋回方向に向けて上記燃料ガス及び上記水蒸気を供給するように形成され、
上記隔壁部材は、有天筒状に形成され、下部が上記缶体の底部と一体的に形成されるとともに、天井部に上記連通口が形成されており、かつ
上記第2のチャンバーは、上記隔壁部材と上記缶体の底部との間に形成されるとともに、上記缶体の底部における上記連通口に臨む位置以外に上記混合ガスを排出する開口が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
The upper fuel heat exchanger is formed such that the can body is formed in a rectangular shape in plan view, and the supply port supplies the fuel gas and the water vapor to the corners in the turning direction,
The partition member is formed in a cylindrical shape, the lower part is integrally formed with the bottom of the can body, the communication port is formed in the ceiling, and the second chamber is An opening for discharging the mixed gas is formed between the partition wall member and the bottom of the can body and at a position other than the position facing the communication port in the bottom of the can body. 2. The fuel cell according to 1.
上記燃料ガス供給手段は、上記上部燃料熱交換器の下流側に上記燃料ガスを水素に改質して、上記複数の燃料電池スタックに分配供給する改質器が接続され、かつ
この改質器には、上記分配供給する複数の排出口が形成されるとともに、各排出口に連通する供給口がそれぞれ形成されており、当該各供給口に対応して上記上部燃料熱交換器の開口が複数形成されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。
The fuel gas supply means is connected to a reformer that reforms the fuel gas into hydrogen and distributes and distributes the fuel gas to the plurality of fuel cell stacks downstream of the upper fuel heat exchanger, and the reformer Are formed with a plurality of outlets for distributing and supplying, and a supply port communicating with each of the outlets is formed, and a plurality of openings of the upper fuel heat exchanger are provided corresponding to the respective outlets. The fuel cell according to claim 2, wherein the fuel cell is formed.
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