JP5675450B2 - Upper support structure of solid oxide fuel cell assembly - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造に関する。 The present invention relates to an upper support structure for a solid oxide fuel cell assembly.
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有する。このため、21世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。 A fuel cell is a power generation device that uses a power generation method based on an electrochemical reaction, and has excellent power generation efficiency and environmental characteristics. For this reason, research and development for practical use is progressing as an urban energy supply system for the 21st century.
従来の筒型構造を有する燃料電池、例えば、固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」と表記する。)には、表面に燃料電池セルが形成された複数の円筒状の燃料電池セルチューブが設けられている。この燃料電池セルチューブは、平行に延びる複数の直線上に並んで配置されている。例えば、100〜300本の燃料電池セルチューブが配置された列を複数(例えば4〜20列)並べた燃料電池集合体が形成されている。 A conventional fuel cell having a cylindrical structure, for example, a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) has a plurality of cylindrical fuel cell tubes each having a fuel cell formed on the surface thereof. Is provided. The fuel cell tubes are arranged side by side on a plurality of straight lines extending in parallel. For example, a fuel cell assembly is formed in which a plurality of rows (for example, 4 to 20 rows) in which 100 to 300 fuel cell tubes are arranged are arranged.
これらの燃料電池セルチューブにおける一方の端部には燃料電池セルチューブに燃料を供給する燃料室(ヘッダ)が配置され、他方の端部には燃料電池セルチューブから排出された燃料が流入する燃料排出室(ヘッダ)が配置されている。
これらヘッダには、燃料電池セルチューブに供給される空気と燃料との流路を区切るとともに、燃料電池セルチューブを支持するシール用薄板管板が設けられている。
A fuel chamber (header) for supplying fuel to the fuel cell tube is disposed at one end of these fuel cell tubes, and fuel discharged from the fuel cell tube flows into the other end. A discharge chamber (header) is arranged.
These headers are provided with a thin sheet tube for sealing that separates a flow path between air and fuel supplied to the fuel cell tube and supports the fuel cell tube.
このような燃料電池集合体は固定枠に固定され、収納容器内に格納されている。 Such a fuel cell assembly is fixed to a fixed frame and stored in a storage container.
従来においては、燃料ヘッダに設けた固定用治具を用い、モジュールチャンバーに固定している(特許文献1)。 Conventionally, it is fixed to the module chamber using a fixing jig provided on the fuel header (Patent Document 1).
ところで、SOFCの発電においては、例えば約800℃から1000℃となるような高温環境における化学反応を利用するため、その固定の際には、熱伸びに対応する必要がある。 By the way, in SOFC power generation, for example, a chemical reaction in a high temperature environment of about 800 ° C. to 1000 ° C. is used.
しかしながら、締結部材での固定は、熱伸びに対応することができず、熱伸びを許容するように締結するには一定の緩みを設けて固定する必要があり、その固定作業にバラつきが生じたり、取り付けに時間を要し、手間がかかる、という問題がある。 However, the fixing with the fastening member cannot cope with the thermal elongation, and it is necessary to provide a certain looseness for the fastening so as to allow the thermal elongation, and the fixing work may vary. There is a problem that it takes time to install and takes time.
よって、固定枠に対する燃料電池集合体の簡易な支持構造の出現が切望されている。 Therefore, the appearance of a simple support structure for the fuel cell assembly with respect to the fixed frame is desired.
本発明は、前記問題に鑑み、固定枠に対して燃料電池集合体を簡易に支持することができる固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造を提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an upper support structure for a solid oxide fuel cell assembly that can easily support the fuel cell assembly with respect to a fixed frame.
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、固体酸化物形燃料電池のセルチューブを複数収納してなる発電室を有する燃料電池集合体と、前記燃料電池集合体を固定する固定枠とを具備すると共に、前記燃料電池集合体の上部に設けた棒状の第1の支持部材が、前記固定枠の上部側で固定される梁に設けた第2の支持部材である穴部に挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、前記穴部の内径が前記棒状の第1の支持部材の外径より大きいことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造にある。 A first invention of the present invention for solving the above-described problems is a fuel cell assembly having a power generation chamber in which a plurality of cell tubes of a solid oxide fuel cell are accommodated, and the fuel cell assembly is fixed. A hole that is a second support member provided on a beam fixed on the upper side of the fixed frame, the first support member having a rod shape provided on the upper portion of the fuel cell assembly. A solid oxide fuel, which is an upper support structure of a fuel cell assembly that is supported by being inserted into the hole, wherein an inner diameter of the hole is larger than an outer diameter of the rod-shaped first support member In the upper support structure of the battery assembly.
第2の発明は、固体酸化物形燃料電池のセルチューブを複数収納してなる発電室を有する燃料電池集合体と、前記燃料電池集合体を固定する固定枠とを具備すると共に、前記燃料電池集合体の上部に設けた穴部を有する第1の支持部材に、前記固定枠の上部側で固定される梁に設けた棒状の第2の支持部材が挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、前記穴部の内径が前記棒状の第2の支持部材の外径より大きいことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造にある。 The second invention comprises a fuel cell assembly having a power generation chamber in which a plurality of cell tubes of a solid oxide fuel cell are accommodated, and a fixing frame for fixing the fuel cell assembly, and the fuel cell. A fuel cell assembly supported by inserting a rod-like second support member provided on a beam fixed on the upper side of the fixed frame into a first support member having a hole provided in an upper portion of the assembly. An upper support structure for a solid oxide fuel cell assembly, wherein an inner diameter of the hole is larger than an outer diameter of the rod-shaped second support member.
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池集合体を簡易な構成により支持することができ、取り付けの作業性が向上する。 According to the present invention, the solid oxide fuel cell assembly can be supported with a simple configuration, and the mounting workability is improved.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
本発明による実施例に係る燃料電池集合体の支持構造について、図面を参照して説明する。図8は、固体酸化物形燃料電池モジュールを表す概略構成図である。 A fuel cell assembly support structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a solid oxide fuel cell module.
本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール(以下「燃料電池モジュール」ともいう)100は、図8に示すように、断熱材であるケーシング101と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ(燃料電池)102と、セルチューブ102の両端を支持する上下の管板(第1仕切り部材)103a、103bと、これら上下の管板103a、103bの間に配置された上下の断熱体104a、104bとから構成されている。
As shown in FIG. 8, a solid oxide fuel cell module (hereinafter also referred to as “fuel cell module”) 100 of the present embodiment includes a
上下の断熱体104a、104bに挟まれた空間には、発電室105が形成されている。ケーシング101と上管板103aとの間には、燃料供給室106が形成されている。ケーシング101と下管板103bとの間には、燃料排出室107が形成されている。下管板103bと下断熱体104bとの間には、空気供給室108が形成されている。上管板103aと上断熱体104aとの間には、空気排出室109が形成されている。
A power generation chamber 105 is formed in a space between the upper and
上管板103aは、ケーシング101の長手方向(図1の上下方向)の一方(上側)に配置された板状の部材であり、下管板103bは、ケーシング101の長手方向の他方(下側)に配置された板状の部材である。セルチューブ102は、多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管であり、長手方向(図1の上下方向)における中央部に発電を行なう複数の燃料電池セル110が設けられている。セルチューブ102は、一方の開口端が燃料供給室106に開口し、他方の開口端が燃料排出室107に開口するように、上下の管板103a、103bに支持されている。また、セルチューブ102は、燃料電池セル(発電素子)110が発電室105内にのみ位置するように配置されている。
The upper tube plate 103a is a plate-like member disposed on one side (upper side) of the
上断熱体104aは、ケーシング101の長手方向の一方(上側)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材104bは、ケーシング101の長手方向の他方(下側)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。各断熱体104a、104bには、セルチューブ102が挿通される孔111a,111bが形成され、孔111a,111bの直径はセルチューブ102の直径よりも大きく形成されている。
The
なお、孔111a,111bの内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、螺旋状または直線状の凹部(溝)または凸部(畝状突起)が形成されていてもよく、特に限定するものではない。このような構成にすることで、セルチューブ102と孔111bとの間を通って発電室105に流入する空気に、排出燃焼ガス121a及び下断熱体104bの熱が伝達されやすくなり、発電室105の温度を高温に保ちやすくすることができる。同様に、セルチューブ102と孔111aとの間を通って発電室105から排出される排出空気122aの熱を伝達することでセルチューブ102に導入される燃料ガス121を高温とすることができる。
The inner peripheral surfaces of the
また、セルチューブ102の上端開口部及び下端開口部には熱交換用上部中子10、下部中子20が挿入されており、これら上部中子又は下部中子10、20の外周壁とセルチューブ102内壁との隘路間に燃料ガス121を供給させて、セルチューブ102の外周を流れる酸化剤ガスである空気122との熱交換を良好としている。
すなわち、上断熱体104a領域が上部熱交換部123aを形成し、下断熱体104b領域が下部熱交換部123bを形成している。そして、上部熱交換部123aでは導入される燃料ガス121と排出される排出空気122aとの熱交換がなされ、下部熱交換部123bでは、導入される空気122と排出燃料ガス121aとの熱交換がなされる。
Further, the upper core opening 10 and the
That is, the upper
ここで、上記構成からなる燃料電池モジュール100の動作の概要を説明する。
Here, an outline of the operation of the
燃料電池モジュール100の空気供給室108には空気122が流入する。該空気122は下断熱材104bの孔111bとセルチューブ102との隙間を通って、発電室105内に供給される。
一方、燃料供給室106には燃料ガス121が流入する。該燃料ガス121はセルチューブ102の基体管の内部を通って発電室105内に供給される。空気122と燃料ガス121とは、燃料電池セル110において発電に利用される。その後排出空気122aは空気排出室109に流入し、排出燃料ガス121aは燃料排出室107に流入し、それぞれ燃料電池モジュール100の外部に排出口101a、101bからそれぞれ排出される。
On the other hand, the
この時、空気122と燃料ガス121とは、セルチューブ102の内面または外面を互いに逆向きに流れている。このことにより、発電に利用され高温となった燃料ガスおよび空気が、発電に利用される前の空気および燃料ガスとそれぞれ熱交換される。すなわち、セルチューブ102の軸方向両端部であって燃料電池セル110が形成されていない上部熱交換部123a、下部熱交換部123bの熱交換領域において、燃料ガス121と空気122とが熱交換される。
At this time, the
上述したように燃料電池モジュール100では、反応に利用されて高温となった排出燃料ガス121aおよび排出空気122aが熱交換により冷却された後、燃料排出室107および空気排出室109に供給される。このことにより、金属部材を有する上管板103aと下管板103bとが高温雰囲気に晒されることを抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール100では、燃料電池セル110における運転温度を高温化、例えば800℃から950℃にすることを可能にしている。
As described above, in the
次に、上述した燃料電池システムの燃料電池モジュール100の固定構造について詳細に説明する。
Next, the fixing structure of the
図1−1は、固定枠に燃料電池モジュールを固定している状態の概略図である。図1−2及び図1−3は、各々の固定状態の平面図である。
図3〜7は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図1−1に示すように、本実施例の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造は、固体酸化物形燃料電池のセルチューブ102を複数収納してなる発電室105を有する燃料電池モジュール100の燃料電池集合体と、前記燃料電池集合体を固定する固定枠200とを具備すると共に、前記燃料電池集合体の燃料供給室106の上部106aに設けた棒状の第1の支持部材(棒状体)201が、前記固定枠200の上部側で固定される梁200aに設けた第2の支持部材である穴部202に挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、前記穴部202の内径が前記棒状の第1の支持部材(棒状体)201の外径より大きいものとしており、穴部202に裕度をもって棒状体201が挿入されている。なお、燃料電池モジュール100の下端部側では、図示しない締結手段により固定枠基台200b側に固定されている。
FIG. 1-1 is a schematic view of a state in which a fuel cell module is fixed to a fixed frame. FIGS. 1-2 and 1-3 are plan views of the respective fixed states.
3 to 7 are schematic views of the upper support structure of another solid oxide fuel cell assembly.
As shown in FIG. 1A, the upper support structure of the solid oxide fuel cell assembly of the present embodiment has a power generation chamber 105 that houses a plurality of
これにより、燃料電池モジュール100の運転時における高温による熱伸びが発生した場合であっても、裕度をもって棒状体201が穴部202に挿入支持されているので、上方側への熱伸びに対応することができる。また、燃料電池モジュール100の下端部側が固体枠基台200b側に固定されており、梁200aと固定枠基台200bの熱伸びが同等となるため。横方向の熱伸びにも対応することができる。
As a result, even when thermal expansion due to high temperature occurs during operation of the
これに対し、例えば図9−1、図9−2に示すような燃料供給室106の上面106aに2枚の板301a、301bに挟まれるように設けられた固定板302を用いて、固定することが提案される。しかしながら、このような構成とする場合には、固定板302に形成された長穴302a内をボルト304がスライドすることで熱伸びを吸収することができるものの、2枚の板301a、301bをボルト304とナット305とを用いて締結する場合、その締結の加減が難しく、弱く締結する場合は当該ボルトがゆるみ脱落してしまうおそれがあり、逆に強く締結する場合には、スライドすることができず、熱伸びに対して対応することができない、という問題がる。
また、固定枠200への固定を締結手段で行うような場合には、その締結作業の時間と熟練を要するという問題があるが、本発明では、棒状体201を穴部202に挿入するという簡易な操作で良いので、その作業性及びメンテナンス性が大幅に向上する。
On the other hand, for example, fixing is performed using a fixing
Further, when fixing to the fixing
図1−2は、固定枠200内に4本の燃料電池モジュール100−1〜100−4を配設して燃料電池集合体を構成しており、この集合体の固定において、4本の梁200a―1〜200a―4に設けた穴部202で各々棒状体201を支持するようにしている。
In FIG. 1-2, four fuel cell modules 100-1 to 100-4 are arranged in a fixed
これに対し、図1−3では、固定枠200内に4本の燃料電池カートリッジ100−1〜100−4を配設し、燃料電池モジュール100の長手方向と直交する方向に1本の梁200aを設け、この梁200aに穴部202を四箇所設け、燃料電池カートリッジ100−1〜100−4に設けた各々の棒状体201を挿入して支持するようにしている。
本例では、1本の梁200aを用いて固定することが可能となり、部品点数の削減及び固定枠200への固定の時間の短縮を図ることができる。
On the other hand, in FIG. 1-3, four fuel cell cartridges 100-1 to 100-4 are arranged in the fixed
In this example, it is possible to fix using one
なお、本実施例では4本の燃料電池カートリッジを固定枠200内に固定することを説明しているが、本発明では、燃料電池カートリッジの収納本数は何等限定されるものではなく、カートリッジやモジュールと称される燃料電池集合体を保管容器内に収納する際の上部固定手段として適用することができる。
In this embodiment, four fuel cell cartridges are described as being fixed in the fixed
本実施例によれば、燃料電池集合体を簡易な構成により支持することができ、取り付けの作業性が向上すると共に、熱伸びや横方向の揺れの防止を図ることができる。
また、締結による固定に対して、約30%程度の組み立て時間の短縮を図ることができる。
According to the present embodiment, the fuel cell assembly can be supported with a simple configuration, the mounting workability can be improved, and thermal expansion and lateral shaking can be prevented.
Further, the assembly time can be shortened by about 30% with respect to fixing by fastening.
図2は、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図2に示すように、燃料電池モジュール100を構成する燃料供給室106の上面106aに設けられた棒状体201と、固定枠200の上部に亙って設けられた梁200aに設けられた穴部202とから構成され、穴部202に裕度をもって棒状体201が挿入されている。なお、図2に示す梁200aはL字型のアングルを示している。
FIG. 2 is a schematic view of the upper support structure of the solid oxide fuel cell assembly.
As shown in FIG. 2, a rod-
図3は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図3に示すように、燃料電池モジュール100を構成する燃料供給室106の上面106aに設けられた棒状体201と、固定枠200の上部に亙って設けられたL字型の梁200aの背面に設けられた穴部202を形成する板部材203とから構成され、穴部202に裕度をもって棒状体201が挿入されている。
板部材203は穴部202を構成するようにその一部を湾曲状としており、溶接により取り付けられている。
FIG. 3 is a schematic view of the upper support structure of another solid oxide fuel cell assembly.
As shown in FIG. 3, the rod-
A part of the
図4は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図4に示すように、燃料電池モジュール100を構成する燃料供給室106の上面106aに設けられた棒状体201と、固定枠200の上部に亙って設けられたL字型の梁200aに設けられたU字型の穴部202とから構成され、穴部202に裕度をもって棒状体201が挿入され、挿入後、板部材203を用いて穴部202を塞ぐように溶接により取り付け、棒状体201の脱落を防止している。
FIG. 4 is a schematic view of the upper support structure of another solid oxide fuel cell assembly.
As shown in FIG. 4, the rod-shaped
図5は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図5に示すように、燃料電池モジュール100を構成する燃料供給室106の上面106aに設けられた棒状体201と、固定枠200の上部に亙って設けられたL字型の梁200aに設けられた鈎状の穴部202とから構成され、穴部202に裕度をもって棒状体201が挿入されている。なお、挿入後、板部材203を溶接により取り付け、棒状体201の脱落を防止するようにしてもよい。
FIG. 5 is a schematic view of the upper support structure of another solid oxide fuel cell assembly.
As shown in FIG. 5, the rod-shaped
図6は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図6に示すように、燃料電池モジュール100を構成する燃料供給室106の上面106aに設けられた棒状体201と、固定枠200の上部に亙って設けられた梁200aから垂下する穴部202を有する筒体205とから構成され、穴部202に裕度をもって棒状体201が挿入されている。
FIG. 6 is a schematic view of the upper support structure of another solid oxide fuel cell assembly.
As shown in FIG. 6, a rod-
図7は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図2乃至図6に示す支持構造は、棒状体201を燃料供給室106の上面106aに設けているが、本発明はこれに限定されず、梁200a側に棒状体201を設け、その棒状体201が挿入される穴部202を有する固定部材を燃料供給室106の上面106aに設けるようにしてもよい。
FIG. 7 is a schematic view of the upper support structure of another solid oxide fuel cell assembly.
2 to 6, the rod-
図7に示すように、前記燃料電池集合体の燃料供給室106の上部106aに設けた穴部202を有する第1の支持部材204に、前記固定枠200の上部側で固定される梁200aに設けた棒状の第2の支持部材(棒状体)201が挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、前記穴部202の内径が前記第2の支持部材(棒状体)201の外径より大きいものとしており、穴部202に裕度をもって棒状体201が挿入されている。
As shown in FIG. 7, the
このように、本発明によれば、簡易な構成の支持構造で燃料電池集合体の熱伸びを吸収しつつ上部を支持することができる。また、簡易な構成による支持構造であるので、作業性が向上する。 Thus, according to the present invention, the upper portion can be supported while absorbing the thermal elongation of the fuel cell assembly with a support structure having a simple configuration. Moreover, since it is a support structure by a simple structure, workability | operativity improves.
100 燃料電池モジュール
102 セルチューブ
200 固定枠
200a 梁
201 棒状体
202 穴部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記燃料電池集合体を固定する固定枠とを具備すると共に、
前記燃料電池集合体の上部に設けた棒状の第1の支持部材が、
前記固定枠の上部側で固定される梁に設けた第2の支持部材である穴部に挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、
前記穴部の内径が前記棒状の第1の支持部材の外径より大きいことを特徴とする、
固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造。 A fuel cell assembly having a power generation chamber containing a plurality of cell tubes of a solid oxide fuel cell;
A fixing frame for fixing the fuel cell assembly;
A rod-shaped first support member provided on the upper part of the fuel cell assembly,
An upper support structure of a fuel cell assembly that is supported by being inserted into a hole that is a second support member provided on a beam fixed on an upper side of the fixed frame,
The inner diameter of the hole is larger than the outer diameter of the rod-shaped first support member,
An upper support structure of a solid oxide fuel cell assembly.
前記燃料電池集合体を固定する固定枠とを具備すると共に、
前記燃料電池集合体の上部に設けた穴部を有する第1の支持部材に、
前記固定枠の上部側で固定される梁に設けた棒状の第2の支持部材が挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、
前記穴部の内径が前記棒状の第2の支持部材の外径より大きいことを特徴とする、
固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造。 A fuel cell assembly having a power generation chamber containing a plurality of cell tubes of a solid oxide fuel cell;
A fixing frame for fixing the fuel cell assembly;
In the first support member having a hole provided in the upper part of the fuel cell assembly,
An upper support structure of a fuel cell assembly that is supported by inserting a rod-like second support member provided on a beam fixed on the upper side of the fixed frame,
The inner diameter of the hole is larger than the outer diameter of the rod-shaped second support member,
An upper support structure of a solid oxide fuel cell assembly.
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