JP6153067B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、改質器を備えた固体酸化物型燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell device, and more particularly to a solid oxide fuel cell device provided with a reformer.

固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, attaches electrodes on both sides thereof, and supplies fuel gas on one side, The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side.

燃料電池装置において、発電室の上部は高温雰囲気になるため、発電室内に配置された上下方向に延びる燃料電池セルは、下部よりも上部の方が熱による劣化を受けやすい。例えば、特許文献１に記載の燃料電池装置では、上下方向に延びる燃料電池セルを発電室内に複数配置し、燃料電池セルの内部をアノードガスが下部から上部にかけて流通し、燃料電池セルの外部をカソードガスが下部から上部にかけて流通する構成となっている。燃料電池セルの発電反応によって、反応熱はアノードガス及びカソードガスに熱伝達され、アノードガス及びカソードガスは昇温される。このとき、アノードガス及びカソードガスの流通方向が同じであるため、流体間の熱交換量が少なく、それぞれの流体は上部に向かうに伴い温度上昇する。この現象によって、燃料電池セルの上部は高温になる傾向にある。それゆえ、燃料電池セルの上部は熱による劣化を受けやすい。   In the fuel cell device, since the upper part of the power generation chamber is in a high temperature atmosphere, the upper part of the fuel cell arranged in the power generation chamber and extending in the vertical direction is more easily deteriorated by heat than the lower part. For example, in the fuel cell device described in Patent Document 1, a plurality of fuel cells extending in the vertical direction are arranged in the power generation chamber, the anode gas circulates from the bottom to the top inside the fuel cells, and the outside of the fuel cells is The cathode gas flows from the lower part to the upper part. By the power generation reaction of the fuel cell, the reaction heat is transferred to the anode gas and the cathode gas, and the anode gas and the cathode gas are heated. At this time, since the flow directions of the anode gas and the cathode gas are the same, the amount of heat exchange between the fluids is small, and the temperature of each fluid rises toward the top. Due to this phenomenon, the upper part of the fuel cell tends to become high temperature. Therefore, the upper part of the fuel cell is easily deteriorated by heat.

特開２０１０−２３８４３０号JP 2010-238430 A

上述のように、発電室内の燃料電池セルは、熱によって劣化が進行していく。また、劣化の進行に伴って、燃料電池セルの発熱量が増加する。そのため、発電室の温度は上昇する。発電室の温度上昇により、さらに燃料電池セルの上部の劣化が促進される。これにより、燃料電池セルの上部が早期に破損してしまうおそれがある。   As described above, the fuel cell in the power generation chamber is deteriorated by heat. Further, as the deterioration proceeds, the amount of heat generated by the fuel cell increases. Therefore, the temperature of the power generation chamber rises. Due to the temperature rise of the power generation chamber, the deterioration of the upper part of the fuel cell is further promoted. Thereby, there exists a possibility that the upper part of a fuel cell may be damaged early.

従って、本発明は、燃料電池セルの上部の温度を簡易な構成で低減することが可能な固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell device capable of reducing the temperature of the upper part of the fuel cell with a simple configuration.

上述した課題を解決するために、本発明は、固体酸化物型燃料電池であって、上下方向に延びるように配置された複数の燃料電池セルと、燃料電池セルの側方で周囲を囲むように燃料電池セルを収容するモジュールケースと、モジュールケースの外側において上下方向に沿って配置された改質器と、を備え、改質器は、燃料電池セルのうち、その上側部分の側方にのみ位置すると共に、燃料電池セルの上端よりも上方に突出した位置まで延びており、改質器は、改質器の上方から下方に向けて原燃料と水蒸気の混合ガスが通過するように構成されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention is a solid oxide fuel cell, and includes a plurality of fuel cells arranged so as to extend in the vertical direction and surrounding the fuel cells at the sides. And a reformer disposed along the vertical direction outside the module case, and the reformer is located on the side of the upper portion of the fuel cell. The reformer is configured so that a mixed gas of raw fuel and steam passes from the upper side to the lower side of the reformer from above the upper end of the fuel cell. It is characterized by being.

燃料電池セルは、経年劣化に伴って発電性能が劣化していくので、発熱量が増加し作動温度が上昇する。この作動温度の上昇により、更に劣化が促進されてしまう。燃料電池セルの反応熱は改質ガス及び空気に熱伝達され、燃料電池セルの下部から上部に向かって昇温していくので、特に、燃料電池セルの上端部付近が高温雰囲気になる。このため、燃料電池セルの上端部は劣化がより進行し易く、劣化が進行し続けると、セルユニットの上端部の電極が破損してしまう。複数のセルユニットは電気的に直列に接続されるので、１つのセルユニットの上端部で電極破損が生じると、モジュール全体が破損することになる。   Since the fuel cell has a power generation performance that deteriorates with age, the calorific value increases and the operating temperature rises. This increase in operating temperature further promotes deterioration. The reaction heat of the fuel battery cell is transferred to the reformed gas and air, and the temperature rises from the lower part to the upper part of the fuel battery cell. In particular, the vicinity of the upper end part of the fuel battery cell becomes a high temperature atmosphere. For this reason, deterioration of the upper end portion of the fuel cell is more likely to proceed, and if the deterioration continues, the electrode at the upper end portion of the cell unit will be damaged. Since the plurality of cell units are electrically connected in series, if an electrode breakage occurs at the upper end of one cell unit, the entire module is broken.

そこで、本発明においては、改質器での改質反応が吸熱反応であることを利用して、燃料電池セルの上端部の温度上昇を抑制している。その際、改質器の改質触媒の劣化に伴って吸熱位置が移動していくことを利用し、劣化が最も進行し易い燃料電池セルの上端部の温度上昇を効果的に抑制可能とするように、燃料電池セルに対する改質器の配置を最適化している。具体的には、上下方向に延びる改質器は、燃料電池セルの上側部分の側方に位置する第１部分と、第１部分の上側に位置し、燃料セルユニットの上端よりも上方に突出するように配置された第２部分とを有している。また、改質器は、上側から下側に向けて（すなわち、第２部分から第１部分へ向けて）、原燃料と水蒸気の混合ガスが通過するように構成されている。   Therefore, in the present invention, the temperature increase at the upper end of the fuel cell is suppressed by utilizing the fact that the reforming reaction in the reformer is an endothermic reaction. At that time, utilizing the fact that the endothermic position moves with the deterioration of the reforming catalyst of the reformer, it is possible to effectively suppress the temperature rise at the upper end portion of the fuel cell where deterioration is most likely to proceed. Thus, the arrangement of the reformer with respect to the fuel cell is optimized. Specifically, the reformer extending in the vertical direction is located on the side of the upper part of the fuel cell, on the upper side of the first part, and protrudes above the upper end of the fuel cell unit. And a second portion arranged to do so. The reformer is configured so that a mixed gas of raw fuel and water vapor passes from the upper side to the lower side (that is, from the second part to the first part).

本発明では、燃料電池セルの上端よりも上方に第２部分を突出させ、使用初期には、この第２部分で改質触媒に吸熱反応を生じさせることにより、改質器の吸熱反応による温度低減作用が燃料電池セルに大きく作用しないように構成されている。劣化が進行していない状態で燃料電池セルの上端部の温度を低下させてしまうと、むしろ温度低下による破損のおそれがあるため、使用初期は改質器によって燃料電池セルが冷却され難くなるようにしている。   In the present invention, the second portion protrudes above the upper end of the fuel cell, and in the initial stage of use, the endothermic reaction is generated in the reforming catalyst in the second portion. It is comprised so that a reduction effect may not act largely on a fuel cell. If the temperature of the upper end portion of the fuel cell is lowered in a state where the deterioration has not progressed, there is a risk of damage due to the temperature decrease, so that it is difficult for the fuel cell to be cooled by the reformer at the initial stage of use. I have to.

一方、使用に伴って改質触媒が劣化してくると吸熱位置が下方に移動してくるので、吸熱位置が燃料電池セルの上端部の側方に近づき（すなわち、吸熱位置が第２部分の下側部分に移動）、又は、燃料電池セルの上端部の側方に位置する（すなわち、吸熱位置が第１部分に移動）。これにより、劣化が進行しつつある燃料電池セルの上端部の温度が低下し、上端部の劣化の進行を抑制することができる。なお、改質器は、燃料電池セルの上側部分より下方の部分の側方には配置されておらず、使用開始から製品寿命が終了するまでの間に吸熱位置が、燃料電池セルの上側部分までしか移動せずに、使用中期から後期に掛けて、燃料電池セル１６の上端部に対して温度低減作用を及ぼし続けるように設計されることが好ましい。
このように、本発明では、燃料電池セルの上端部の劣化進行を、燃料電池セルに対する改質器の配置の変更のみによって簡易に実現することができる。 On the other hand, if the reforming catalyst deteriorates with use, the endothermic position moves downward, so that the endothermic position approaches the side of the upper end of the fuel cell (that is, the endothermic position is the second part). It moves to the lower part) or is located on the side of the upper end of the fuel cell (that is, the endothermic position moves to the first part). Thereby, the temperature of the upper end part of the fuel cell in which the deterioration is progressing decreases, and the progress of the deterioration of the upper end part can be suppressed. Note that the reformer is not disposed on the side of the portion below the upper portion of the fuel cell, and the endothermic position is located between the start of use and the end of the product life until the upper end portion of the fuel cell. It is preferable that it is designed so as to continue to exert a temperature reducing action on the upper end portion of the fuel battery cell 16 from the middle period of use to the latter stage.
Thus, in the present invention, the progress of deterioration of the upper end portion of the fuel cell can be easily realized only by changing the arrangement of the reformer with respect to the fuel cell.

本発明において、好ましくは、燃料電池セルは、複数の円筒型セルが上下方向に電気的に直列に接続されて構成されており、改質器は、燃料電池セルの複数の円筒型セルのうち、上端部から中央部までの複数の円筒型セルの側方に位置する。   In the present invention, preferably, the fuel battery cell is configured such that a plurality of cylindrical cells are electrically connected in series in the vertical direction, and the reformer includes a plurality of cylindrical cells of the fuel battery cell. , Located on the side of a plurality of cylindrical cells from the upper end to the center.

円筒型セル（横縞型セル）を上下方向に直列接続して構成した燃料電池セルでは、１つの円筒型セルの電極破損が、燃料電池セル全体の破損につながる。本発明によれば、上端部から中央部までの円筒型セルの側方に改質器の第１部分を配置することにより、劣化が進行し易い部位に配置された円筒型セルを効果的に冷却すると共に、下端部の円筒型セルの過冷却を防止することができる。   In a fuel cell configured by connecting cylindrical cells (horizontal stripe cells) in series in the vertical direction, the electrode breakage of one cylindrical cell leads to the failure of the entire fuel cell. According to the present invention, by disposing the first portion of the reformer on the side of the cylindrical cell from the upper end portion to the central portion, the cylindrical cell disposed at a site where deterioration is likely to proceed effectively While cooling, it is possible to prevent overcooling of the cylindrical cell at the lower end.

本発明において、好ましくは、燃料電池セルの上部に燃料電池セル内の燃料ガス用通路を通過した燃料ガスを受け入れるための排気マニホールドを備え、排気マニホールドの上面には排気マニホールドが受け入れた燃料ガスを燃焼させるための燃焼部が設けられており、改質器の上側部分が、排気マニホールドの側方に位置する。   In the present invention, preferably, an exhaust manifold for receiving the fuel gas that has passed through the fuel gas passage in the fuel battery cell is provided on the upper part of the fuel battery cell, and the fuel gas received by the exhaust manifold is provided on the upper surface of the exhaust manifold. A combustion section for burning is provided, and the upper portion of the reformer is located on the side of the exhaust manifold.

排気マニホールド上面の燃焼部での燃料ガスの燃焼熱が、排気マニホールドを介して燃料電池セルの上端部へ伝わると、燃料電池セルの上端部で部分的に過昇温が生じて、燃料電池セルが破損するおそれがある。本発明では、排気マニホールドの側方に改質器の上側部分を位置させることにより、劣化が進行していない使用初期において、排気マニホールドを伝わる燃焼熱を改質器の吸熱反応で遮断又は抑制することができる。これにより、使用初期において、燃焼熱によって燃料電池セルの上端部の劣化が促進されることを防止することができる。   When the combustion heat of the fuel gas in the combustion part on the upper surface of the exhaust manifold is transmitted to the upper end part of the fuel cell through the exhaust manifold, a partial overheating occurs at the upper end part of the fuel cell, and the fuel battery cell May be damaged. In the present invention, by positioning the upper part of the reformer on the side of the exhaust manifold, the heat of combustion transmitted through the exhaust manifold is blocked or suppressed by the endothermic reaction of the reformer in the initial stage of use when deterioration has not progressed. be able to. Thereby, it can prevent that deterioration of the upper end part of a fuel battery cell is accelerated | stimulated by the combustion heat in the initial stage of use.

本発明において、好ましくは、モジュールケースは、上下方向に延びる環状部材を備え、改質器は、燃料電池セルの周囲を囲むように、環状部材の全周にわたって配置されている。   In the present invention, preferably, the module case includes an annular member extending in the vertical direction, and the reformer is disposed over the entire circumference of the annular member so as to surround the periphery of the fuel cell.

このように構成された本発明によれば、改質器を燃料電池セルの周囲を囲むように、環状のモジュールケースの全周にわたって配置することにより、燃料電池セルの上端部を含む上側部分を周方向に均等に冷却することができる。これにより、燃料電池セルの上端部付近における周方向の熱ムラを低減し、特定の燃料電池セルに集中して劣化が進行することを防止することができる。   According to the present invention configured as described above, the reformer is disposed over the entire circumference of the annular module case so as to surround the periphery of the fuel cell, so that the upper portion including the upper end portion of the fuel cell is provided. It can cool equally in the circumferential direction. Thereby, the thermal nonuniformity in the circumferential direction in the vicinity of the upper end portion of the fuel cell can be reduced, and the deterioration can be prevented from being concentrated on a specific fuel cell.

本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、改質器の吸熱反応を利用して、簡易な構成で燃料電池セルの劣化を抑制することができる。   According to the solid oxide fuel cell device of the present invention, deterioration of the fuel cell can be suppressed with a simple configuration by utilizing the endothermic reaction of the reformer.

本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている燃料電池セル収容容器の断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell storage container incorporated in the solid oxide fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。It is sectional drawing which decomposed | disassembled and showed the main member of the fuel cell storage container incorporated in the solid oxide fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている排気集約室の部分を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the part of the exhaust concentration chamber incorporated in the solid oxide fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 図２におけるV−V断面である。It is a VV cross section in FIG. （ａ）下端がカソードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）下端がアノードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図である。(A) It is sectional drawing which expands and shows the lower end part of the fuel cell by which the lower end is made into the cathode, (b) It is sectional drawing which expands and shows the lower end part of the fuel cell by which the lower end is made into the anode is there. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池セルと改質部の配置関係を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the arrangement | positioning relationship between the fuel cell of the solid oxide fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention, and a modification part. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の改質部による温度低減作用がない場合の燃料電池セルの温度分布の時間的変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the temperature distribution of a fuel cell when there is no temperature reduction effect | action by the reforming part of the solid oxide fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の改質部の温度分布の時間的変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the temperature distribution of the reforming part of the solid oxide fuel cell device by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の改質部による温度低減作用がある場合の燃料電池セルの温度分布の時間的変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the temperature distribution of a fuel cell in case there exists a temperature reduction effect | action by the reforming part of the solid oxide fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。 Next, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して燃料電池セル収容容器８が配置されている。この燃料電池セル収容容器８内の内部には発電室１０が構成され、この発電室１０の中には複数の燃料電池セル１６が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル１６により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a fuel cell storage container 8 is disposed inside the housing 6 via a heat insulating material 7. A power generation chamber 10 is configured inside the fuel cell storage container 8, and a plurality of fuel cell cells 16 are concentrically arranged in the power generation chamber 10. With these fuel cell cells 16, A power generation reaction of air, which is fuel gas and oxidant gas, is performed.

各燃料電池セル１６の上端部には、排気集約室１８が取り付けられている。各燃料電池セル１６において発電反応に使用されずに残った残余の燃料（オフガス）は、上端部に取り付けられた排気集約室１８に集められ、この排気集約室１８の天井面に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室１０内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。   An exhaust collecting chamber 18 is attached to the upper end of each fuel cell 16. The remaining fuel (off-gas) that is not used in the power generation reaction in each fuel cell 16 is collected in the exhaust collection chamber 18 attached to the upper end, and a plurality of fuel cells 16 provided on the ceiling surface of the exhaust collection chamber 18 are provided. It is discharged from the spout. The fuel that has flowed out is burned by the air remaining in the power generation chamber 10 without being used for power generation, and exhaust gas is generated.

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。   Next, the auxiliary unit 4 stores a water from a water supply source 24 such as a tap water and uses a filter to obtain pure water, and a water for adjusting the flow rate of the water supplied from the pure water tank. A water flow rate adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) as a supply device is provided. The auxiliary unit 4 also has a fuel blower 38 (a “fuel pump” driven by a motor) that is a fuel supply device that adjusts the flow rate of a hydrocarbon-based raw fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas. Etc.).

なお、燃料ブロア３８を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール２内に配置された脱硫器３６と、熱交換器３４、電磁弁３５を介して燃料電池セル収容容器８の内部に導入される。脱硫器３６は、燃料電池セル収容容器８の周囲に環状に配置されており、原燃料ガスから硫黄を除去するようになっている。また、熱交換器３４は、脱硫器３６において温度上昇した高温の原燃料ガスが直接電磁弁３５に流入し、電磁弁３５が劣化されるのを防止するために設けられている。電磁弁３５は、燃料電池セル収容容器８内への原燃料ガスの供給を停止するために設けられている。   The raw fuel gas that has passed through the fuel blower 38 is introduced into the fuel cell storage container 8 via the desulfurizer 36 disposed in the fuel cell module 2, the heat exchanger 34, and the electromagnetic valve 35. . The desulfurizer 36 is annularly arranged around the fuel cell storage container 8 and removes sulfur from the raw fuel gas. The heat exchanger 34 is provided to prevent the high temperature raw fuel gas whose temperature has risen in the desulfurizer 36 from flowing directly into the electromagnetic valve 35 and degrading the electromagnetic valve 35. The electromagnetic valve 35 is provided to stop the supply of the raw fuel gas into the fuel cell storage container 8.

補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）を備えている。   The accessory unit 4 includes an air flow rate adjustment unit 45 (such as an “air blower” driven by a motor) that is an oxidant gas supply device that adjusts the flow rate of air supplied from the air supply source 40.

さらに、補機ユニット４には、燃料電池モジュール２からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置５０が備えられている。この温水製造装置５０には、水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュール２により発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。 Further, the auxiliary unit 4 is provided with a hot water production device 50 for recovering the heat of the exhaust gas from the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module 2 to the outside.

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図２は燃料電池セル収容容器の断面図であり、図３は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
図２に示すように、燃料電池セル収容容器８内の空間には、複数の燃料電池セル１６が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、酸化剤ガス供給流路２２が順に同心円状に形成されている。ここで、排ガス排出流路２１及び酸化剤ガス供給流路２２は、酸化剤ガスを供給／排出する酸化剤ガス流路として機能する。 Next, the internal structure of the fuel cell storage container built in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device (SOFC) according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell storage container, and FIG. 3 is an exploded cross-sectional view of the main members of the fuel cell storage container.
As shown in FIG. 2, a plurality of fuel cells 16 are concentrically arranged in a space in the fuel cell storage container 8, and a fuel gas supply channel 20 that is a fuel channel so as to surround the periphery thereof. An exhaust gas discharge passage 21 and an oxidant gas supply passage 22 are formed concentrically in order. Here, the exhaust gas discharge channel 21 and the oxidant gas supply channel 22 function as an oxidant gas channel that supplies / discharges the oxidant gas.

まず、図２に示すように、燃料電池セル収容容器８は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ５６、及び排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８が接続されている。さらに、燃料電池セル収容容器８の上端面からは、排気集約室１８から流出した残余燃料に点火するための点火ヒーター６２が突出している。   First, as shown in FIG. 2, the fuel cell storage container 8 is a substantially cylindrical hermetic container, and an oxidant gas introduction pipe serving as an oxidant gas inlet for supplying air for power generation is provided on the side surface thereof. 56 and an exhaust gas exhaust pipe 58 for exhaust gas exhaust are connected. Further, an ignition heater 62 for igniting the remaining fuel that has flowed out of the exhaust collecting chamber 18 protrudes from the upper end surface of the fuel cell storage container 8.

図２及び図３に示すように、燃料電池セル収容容器８の内部には、燃料電池セル１６の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材６４、外側円筒部材６６、内側円筒容器６８、外側円筒容器７０が配置されている。上述した燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、及び酸化剤ガス供給流路２２は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、排ガス排出流路２１は燃料ガス供給流路２０を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路２２は排ガス排出流路２１を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器８の下端側の開放空間は、燃料を各燃料電池セル１６に分散させる燃料ガス分散室７６の底面を構成する概ね円形の分散室底部材７２により塞がれている。   As shown in FIGS. 2 and 3, inside the fuel cell storage container 8, an inner cylindrical member 64, which is a power generation chamber constituting member, and an outer cylindrical member in order from the inside so as to surround the periphery of the fuel cell 16. 66, an inner cylindrical container 68 and an outer cylindrical container 70 are arranged. The above-described fuel gas supply flow path 20, exhaust gas discharge flow path 21, and oxidant gas supply flow path 22 are flow paths configured between these cylindrical members and cylindrical containers, respectively, and between adjacent flow paths. Heat exchange takes place at. That is, the exhaust gas discharge passage 21 is disposed so as to surround the fuel gas supply passage 20, and the oxidant gas supply passage 22 is disposed so as to surround the exhaust gas discharge passage 21. Further, the open space on the lower end side of the fuel cell storage container 8 is closed by a substantially circular dispersion chamber bottom member 72 that constitutes the bottom surface of the fuel gas dispersion chamber 76 that disperses the fuel into each fuel cell 16. .

内側円筒部材６４は、概ね円筒状の中空体であり、その上端及び下端は開放されている。また、内側円筒部材６４の内壁面には、分散室形成板である円形の第１固定部材６３が気密的に溶接されている。この第１固定部材６３の下面と、内側円筒部材６４の内壁面と、分散室底部材７２の上面により、燃料ガス分散室７６が画定される。また、第１固定部材６３には、各々燃料電池セル１６を挿通させる複数の挿通穴６３ａが形成されており、各燃料電池セル１６は、各挿通穴６３ａに挿通された状態で、セラミック接着剤により第１固定部材６３に接着されている。このように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池モジュール２を構成する部材間相互の接合部には、セラミック接着剤が充填され、硬化されることにより、各部材が相互に気密的に接合されている。   The inner cylindrical member 64 is a substantially cylindrical hollow body, and its upper end and lower end are open. A circular first fixing member 63 that is a dispersion chamber forming plate is airtightly welded to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64. A fuel gas dispersion chamber 76 is defined by the lower surface of the first fixing member 63, the inner wall surface of the inner cylindrical member 64, and the upper surface of the dispersion chamber bottom member 72. The first fixing member 63 is formed with a plurality of insertion holes 63a through which the fuel battery cells 16 are inserted, and each fuel battery cell 16 is inserted into each insertion hole 63a in the ceramic adhesive. Is bonded to the first fixing member 63. As described above, in the solid oxide fuel cell device 1 of the present embodiment, each member constituting the fuel cell module 2 is filled with the ceramic adhesive in the joint portion between the members constituting the fuel cell module 2 and cured. Are hermetically joined to each other.

外側円筒部材６６は、内側円筒部材６４の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材６４との間に円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材６４と概ね相似形に形成されている。さらに、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間には中間円筒部材６５が配置されている。中間円筒部材６５は、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間に配置された円筒状の管であり、内側円筒部材６４の外周面と中間円筒部材６５の内周面の間には改質部９４が構成されている。また、中間円筒部材６５の外周面と、外側円筒部材６６の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路２０として機能する。このため、改質部９４及び燃料ガス供給流路２０は、燃料電池セル１６における発熱及び排気集約室１８上端における残余燃料の燃焼により熱を受ける。また、内側円筒部材６４の上端部と外側円筒部材６６の上端部は溶接により気密的に接合されており、燃料ガス供給流路２０の上端は閉鎖されている。さらに、中間円筒部材６５の下端と、内側円筒部材６４の外周面は、溶接により気密的に接合されている。   The outer cylindrical member 66 is a cylindrical tube disposed around the inner cylindrical member 64, and is generally similar to the inner cylindrical member 64 so that an annular flow path is formed between the outer cylindrical member 66 and the inner cylindrical member 64. It is formed into a shape. Further, an intermediate cylindrical member 65 is disposed between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66. The intermediate cylindrical member 65 is a cylindrical tube disposed between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66, and is modified between the outer peripheral surface of the inner cylindrical member 64 and the inner peripheral surface of the intermediate cylindrical member 65. A portion 94 is configured. An annular space between the outer peripheral surface of the intermediate cylindrical member 65 and the inner peripheral surface of the outer cylindrical member 66 functions as the fuel gas supply channel 20. Therefore, the reforming unit 94 and the fuel gas supply channel 20 receive heat due to heat generation in the fuel cell 16 and combustion of residual fuel at the upper end of the exhaust collecting chamber 18. Further, the upper end portion of the inner cylindrical member 64 and the upper end portion of the outer cylindrical member 66 are hermetically joined by welding, and the upper end of the fuel gas supply channel 20 is closed. Furthermore, the lower end of the intermediate cylindrical member 65 and the outer peripheral surface of the inner cylindrical member 64 are hermetically joined by welding.

内側円筒容器６８は、外側円筒部材６６の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材６６との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材６６と概ね相似形に形成されている。この内側円筒容器６８は、内側円筒部材６４の上端の開放部を覆うように配置される。外側円筒部材６６の外周面と、内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路２１（図２）として機能する。この排ガス排出流路２１は、内側円筒部材６４の上端部に設けられた複数の小穴６４ａを介して内側円筒部材６４の内側の空間と連通している。また、内側円筒容器６８の下部側面には、排ガス流出口である排ガス排出パイプ５８が接続されており、排ガス排出流路２１が排ガス排出パイプ５８に連通される。   The inner cylindrical container 68 is a cup-shaped member having a circular cross section disposed around the outer cylindrical member 66, and an annular flow path having a substantially constant width is formed between the inner cylindrical container 68 and the outer cylindrical member 66. The side surface is formed in a generally similar shape to the outer cylindrical member 66. The inner cylindrical container 68 is disposed so as to cover the open portion at the upper end of the inner cylindrical member 64. An annular space between the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 functions as the exhaust gas discharge passage 21 (FIG. 2). The exhaust gas discharge passage 21 communicates with the space inside the inner cylindrical member 64 through a plurality of small holes 64 a provided in the upper end portion of the inner cylindrical member 64. Further, an exhaust gas discharge pipe 58 that is an exhaust gas outlet is connected to the lower side surface of the inner cylindrical container 68, and the exhaust gas discharge passage 21 is communicated with the exhaust gas discharge pipe 58.

排ガス排出流路２１の下部には、燃焼触媒６０及びこれを加熱するためのシースヒーター６１が配置されている。
燃焼触媒６０は、排ガス排出パイプ５８よりも上方に、外側円筒部材６６の外周面と内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路２１を下降した排気ガスは、燃焼触媒６０を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８から排出される。
シースヒーター６１は、燃焼触媒６０の下方の、外側円筒部材６６の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置１の起動時において、シースヒーター６１に通電することにより、燃焼触媒６０が活性温度まで加熱される。 A combustion catalyst 60 and a sheath heater 61 for heating the combustion catalyst 60 are disposed below the exhaust gas discharge passage 21.
The combustion catalyst 60 is a catalyst filled in an annular space between the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 above the exhaust gas discharge pipe 58. Exhaust gas descending the exhaust gas discharge passage 21 passes through the combustion catalyst 60 to remove carbon monoxide and is discharged from the exhaust gas discharge pipe 58.
The sheath heater 61 is an electric heater attached so as to surround the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 below the combustion catalyst 60. When the solid oxide fuel cell device 1 is started, the combustion catalyst 60 is heated to the activation temperature by energizing the sheath heater 61.

外側円筒容器７０は、内側円筒容器６８の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器６８との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器６８と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器６８の外周面と、外側円筒容器７０の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路２２として機能する。また、外側円筒容器７０の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ５６が接続されており、酸化剤ガス供給流路２２が酸化剤ガス導入パイプ５６に連通される。   The outer cylindrical container 70 is a cup-shaped member having a circular cross section disposed around the inner cylindrical container 68, and an annular channel having a substantially constant width is formed between the outer cylindrical container 70 and the inner cylindrical container 68. The side surface is formed in a substantially similar shape to the inner cylindrical container 68. An annular space between the outer peripheral surface of the inner cylindrical container 68 and the inner peripheral surface of the outer cylindrical container 70 functions as the oxidant gas supply channel 22. Further, an oxidant gas introduction pipe 56 is connected to the lower side surface of the outer cylindrical container 70, and the oxidant gas supply flow path 22 communicates with the oxidant gas introduction pipe 56.

分散室底部材７２は、概ね円形の皿状の部材であり、内側円筒部材６４の内壁面にセラミック接着剤により気密的に固定される。これにより、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に、燃料ガス分散室７６が構成される。また、分散室底部材７２の中央には、バスバー８０（図２）を挿通させるための挿通管７２ａが設けられている。各燃料電池セル１６に電気的に接続されたバスバー８０は、この挿通管７２ａを通して燃料電池セル収容容器８の外部に引き出される。また、挿通管７２ａには、セラミック接着剤が充填され、燃料ガス分散室７６の気密性が確保されている。さらに、挿通管７２ａの周囲には、断熱材７２ｂ（図２）が配置されている。   The dispersion chamber bottom member 72 is a substantially circular dish-like member, and is hermetically fixed to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64 with a ceramic adhesive. Thereby, a fuel gas dispersion chamber 76 is formed between the first fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72. In addition, an insertion tube 72 a for inserting the bus bar 80 (FIG. 2) is provided at the center of the dispersion chamber bottom member 72. The bus bar 80 electrically connected to each fuel cell 16 is drawn out of the fuel cell storage container 8 through the insertion tube 72a. Further, the insertion tube 72a is filled with a ceramic adhesive, and the airtightness of the fuel gas dispersion chamber 76 is ensured. Further, a heat insulating material 72b (FIG. 2) is disposed around the insertion tube 72a.

内側円筒容器６８の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ７４が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ７４は、内側円筒容器６８の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル１６が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ７４の上端が内側円筒容器６８の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器６８と外側円筒容器７０の間に形成されている酸化剤ガス供給流路２２と酸化剤ガス噴射用パイプ７４が連通される。酸化剤ガス供給流路２２を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の先端から下方に噴射され、第１固定部材６３の上面に当たって、発電室１０内全体に広がる。   An oxidant gas injection pipe 74 having a circular cross section for injecting air for power generation is attached so as to hang down from the ceiling surface of the inner cylindrical container 68. The oxidant gas injection pipe 74 extends in the vertical direction on the central axis of the inner cylindrical container 68, and each fuel cell 16 is disposed on a concentric circle around it. By attaching the upper end of the oxidant gas injection pipe 74 to the ceiling surface of the inner cylindrical container 68, the oxidant gas supply flow path 22 and the oxidant gas formed between the inner cylindrical container 68 and the outer cylindrical container 70 are formed. An injection pipe 74 is communicated. The air supplied through the oxidant gas supply channel 22 is injected downward from the tip of the oxidant gas injection pipe 74, hits the upper surface of the first fixing member 63, and spreads throughout the power generation chamber 10.

燃料ガス分散室７６は、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル１６が林立されている。第１固定部材６３の上面に取り付けられた各燃料電池セル１６は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室７６の内部と連通されている。各燃料電池セル１６の下端部は、第１固定部材６３の挿通穴６３ａを貫通して燃料ガス分散室７６の内部に突出し、各燃料電池セル１６は第１固定部材６３に、接着により固定されている。   The fuel gas dispersion chamber 76 is a cylindrical airtight chamber formed between the first fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72, and each fuel cell 16 is forested on the upper surface thereof. Each fuel cell 16 attached to the upper surface of the first fixing member 63 has an inner fuel electrode communicating with the inside of the fuel gas dispersion chamber 76. The lower end portion of each fuel cell 16 penetrates the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and protrudes into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell 16 is fixed to the first fixing member 63 by adhesion. ing.

図２に示すように、内側円筒部材６４には、第１固定部材６３よりも下方に複数の小穴６４ｂが設けられている。内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間は、複数の小穴６４ｂを介して燃料ガス分散室７６内に連通されている。供給された燃料は、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間を下降し、複数の小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６内に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料は、燃料ガス分散室７６の天井面（第１固定部材６３）に取り付けられた各燃料電池セル１６の燃料極に分配される。   As shown in FIG. 2, the inner cylindrical member 64 is provided with a plurality of small holes 64 b below the first fixing member 63. A space between the outer periphery of the inner cylindrical member 64 and the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 is communicated with the fuel gas dispersion chamber 76 through a plurality of small holes 64b. The supplied fuel once rises in the space between the inner circumference of the outer cylindrical member 66 and the outer circumference of the intermediate cylindrical member 65, and then descends in the space between the outer circumference of the inner cylindrical member 64 and the inner circumference of the intermediate cylindrical member 65. Then, it flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the plurality of small holes 64b. The fuel that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 is distributed to the fuel electrode of each fuel cell 16 attached to the ceiling surface (first fixing member 63) of the fuel gas dispersion chamber 76.

さらに、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６の下端部は、燃料ガス分散室７６内でバスバー８０に電気的に接続され、挿通管７２ａを通して電力が外部に引き出される。バスバー８０は、各燃料電池セル１６により生成された電力を、燃料電池セル収容容器８の外部へ取り出すための細長い金属導体であり、碍子７８を介して分散室底部材７２の挿通管７２ａに固定されている。バスバー８０は、燃料ガス分散室７６の内部において、各燃料電池セル１６に取り付けられた集電体８２と電気的に接続されている。また、バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の外部において、インバータ５４（図１）に接続される。なお、集電体８２は、排気集約室１８内に突出している各燃料電池セル１６の上端部にも取り付けられている（図４）。これら上端部及び下端部の集電体８２により、複数の燃料電池セル１６が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル１６が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー８０に接続される。   Further, the lower end portion of each fuel cell 16 projecting into the fuel gas dispersion chamber 76 is electrically connected to the bus bar 80 in the fuel gas dispersion chamber 76, and electric power is drawn out through the insertion tube 72a. The bus bar 80 is an elongated metal conductor for taking out the electric power generated by each fuel battery cell 16 to the outside of the fuel battery cell container 8, and is fixed to the insertion pipe 72 a of the dispersion chamber bottom member 72 via the insulator 78. Has been. The bus bar 80 is electrically connected to a current collector 82 attached to each fuel cell 16 inside the fuel gas dispersion chamber 76. The bus bar 80 is connected to the inverter 54 (FIG. 1) outside the fuel cell storage container 8. The current collector 82 is also attached to the upper end portion of each fuel cell 16 projecting into the exhaust collection chamber 18 (FIG. 4). The current collectors 82 at the upper end and the lower end connect the plurality of fuel cells 16 in parallel electrically, and connect the plurality of sets of fuel cells 16 connected in parallel electrically in series. The both ends of this series connection are connected to the bus bar 80, respectively.

次に、図４及び図５を参照して、排気集約室の構成を説明する。
図４は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図５は、図２におけるV−V断面である。
図４に示すように、排気集約室１８は、各燃料電池セル１６の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室１８の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４が貫通して延びている。 Next, the configuration of the exhaust gas collecting chamber will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
4 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the exhaust gas collecting chamber, and FIG. 5 is a VV cross section in FIG.
As shown in FIG. 4, the exhaust concentration chamber 18 is a donut-shaped cross-section chamber attached to the upper end of each fuel cell 16, and an oxidant gas injection pipe 74 is provided at the center of the exhaust concentration chamber 18. Extends through.

図５に示すように、内側円筒部材６４の内壁面には、排気集約室１８支持用の３つのステー６４ｃが等間隔に取り付けられている。図４に示すように、各ステー６４ｃは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、排気集約室１８を各ステー６４ｃの上に載置することにより、排気集約室１８は内側円筒部材６４と同心円上に位置決めされる。これにより、排気集約室１８の外周面と内側円筒部材６４の内周面の間の隙間、及び排気集約室１８の内周面と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面との間の隙間は、全周で均一になる（図５）。   As shown in FIG. 5, three stays 64 c for supporting the exhaust collecting chamber 18 are attached to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64 at equal intervals. As shown in FIG. 4, each stay 64 c is a small piece obtained by bending a thin metal plate. By placing the exhaust collection chamber 18 on each stay 64 c, the exhaust collection chamber 18 is concentric with the inner cylindrical member 64. Positioned above. As a result, the gap between the outer peripheral surface of the exhaust collecting chamber 18 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical member 64 and the gap between the inner peripheral surface of the exhaust collecting chamber 18 and the outer peripheral surface of the oxidizing gas injection pipe 74 are as follows. , Uniform over the entire circumference (FIG. 5).

排気集約室１８は、集約室上部材１８ａ及び集約室下部材１８ｂが気密的に接合されることにより構成されている。
集約室下部材１８ｂは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材１８ａは、下方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材１８ａは、集約室下部材１８ｂの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。 The exhaust collecting chamber 18 is configured by hermetically joining the collecting chamber upper member 18a and the collecting chamber lower member 18b.
The aggregation chamber lower member 18b is a circular dish-shaped member opened upward, and a cylindrical portion for allowing the oxidant gas injection pipe 74 to pass therethrough is provided at the center thereof.
The aggregation chamber upper member 18a is a circular dish-shaped member that is open at the bottom, and an opening for allowing the oxidant gas injection pipe 74 to pass therethrough is provided at the center thereof. The aggregation chamber upper member 18a is configured to be fitted into a donut-shaped cross-sectional area opened above the aggregation chamber lower member 18b.

集約室下部材１８ｂの周囲の壁の内周面と集約室上部材１８ａの外周面の間の隙間にはセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング１９ａが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング１９ａは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。   The gap between the inner peripheral surface of the wall around the aggregation chamber lower member 18b and the outer peripheral surface of the aggregation chamber upper member 18a is filled with a ceramic adhesive and cured, so that the airtightness of the joint is ensured. Yes. Further, a large-diameter seal ring 19a is disposed on the ceramic adhesive layer formed of the ceramic adhesive filled in the joint portion, and covers the ceramic adhesive layer. The large-diameter seal ring 19a is an annular thin plate, is disposed so as to cover the filled ceramic adhesive after being filled with the ceramic adhesive, and is fixed to the exhaust collecting chamber 18 by curing of the adhesive.

一方、集約室下部材１８ｂ中央の円筒部の外周面と、集約室上部材１８ａ中央の開口部の縁の間にもセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、小径シールリング１９ｂが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。小径シールリング１９ｂは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。   On the other hand, the ceramic adhesive is also filled and hardened between the outer peripheral surface of the cylindrical portion at the center of the aggregation chamber lower member 18b and the edge of the opening at the center of the aggregation chamber upper member 18a. It is secured. Further, a small-diameter seal ring 19b is disposed on the ceramic adhesive layer formed of the ceramic adhesive filled in the joint portion, and covers the ceramic adhesive layer. The small-diameter seal ring 19b is an annular thin plate, is disposed so as to cover the filled ceramic adhesive after being filled with the ceramic adhesive, and is fixed to the exhaust collecting chamber 18 by curing of the adhesive.

集約室下部材１８ｂの底面には複数の円形の挿通穴１８ｃが設けられている。各挿通穴１８ｃには燃料電池セル１６の上端部が夫々挿通され、各燃料電池セル１６は各挿通穴１８ｃを貫通して延びている。各燃料電池セル１６が貫通している集約室下部材１８ｂの底面上にはセラミック接着剤が流し込まれ、これが硬化されることにより、各燃料電池セル１６の外周と各挿通穴１８ｃの間の隙間が気密的に充填されると共に、各燃料電池セル１６が集約室下部材１８ｂに固定されている。   A plurality of circular insertion holes 18c are provided on the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b. The upper end portions of the fuel cells 16 are respectively inserted into the insertion holes 18c, and the fuel cells 16 extend through the insertion holes 18c. A ceramic adhesive is poured onto the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b through which each fuel cell 16 penetrates, and is cured, whereby a gap between the outer periphery of each fuel cell 16 and each insertion hole 18c. Are hermetically filled, and each fuel cell 16 is fixed to the aggregation chamber lower member 18b.

さらに、集約室下部材１８ｂの底面上に流し込まれたセラミック接着剤の上には、円形薄板状のカバー部材１９ｃが配置され、セラミック接着剤の硬化により集約室下部材１８ｂに固定されている。カバー部材１９ｃには、集約室下部材１８ｂの各挿通穴１８ｃと同様の位置に複数の挿通穴が設けられており、各燃料電池セル１６の上端部はセラミック接着剤の層及びカバー部材１９ｃを貫通して延びている。   Further, a circular thin plate-like cover member 19c is disposed on the ceramic adhesive poured on the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b, and is fixed to the aggregation chamber lower member 18b by hardening of the ceramic adhesive. The cover member 19c is provided with a plurality of insertion holes at positions similar to the insertion holes 18c of the aggregation chamber lower member 18b, and the upper end portion of each fuel cell 16 has a ceramic adhesive layer and the cover member 19c. It extends through.

一方、排気集約室１８の天井面には、集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口１８ｄが設けられている（図５）。各噴出口１８ｄは、集約室上部材１８ａに、円周上に配置されている。発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル１６の上端から排気集約室１８内に流出し、排気集約室１８内で集約された燃料は各噴出口１８ｄから流出し、そこで燃焼される。   On the other hand, a plurality of jet outlets 18d for jetting the collected fuel gas are provided on the ceiling surface of the exhaust collecting chamber 18 (FIG. 5). Each ejection port 18d is arranged on the circumference of the aggregation chamber upper member 18a. The remaining fuel that is not used for power generation flows into the exhaust collecting chamber 18 from the upper end of each fuel battery cell 16, and the fuel collected in the exhaust collecting chamber 18 flows out from each jet outlet 18d, where it is burned. The

次に、図２を参照して、燃料供給源３０から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側円筒部材６６の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板８６ａ及び水供給パイプ８８から構成されている。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８よりも上方に配置されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材６６の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板８６ａの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板８６ａの内周縁と、内側円筒部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。 Next, a configuration for reforming the raw fuel gas supplied from the fuel supply source 30 will be described with reference to FIG.
First, an evaporating portion 86 for evaporating water for steam reforming is provided in the lower portion of the fuel gas supply flow path 20 configured by a space between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66. . The evaporation unit 86 includes a ring-shaped inclined plate 86 a attached to the lower inner periphery of the outer cylindrical member 66 and a water supply pipe 88. The evaporator 86 is disposed below the oxidant gas introduction pipe 56 for introducing power generation air and above the exhaust gas discharge pipe 58 that discharges exhaust gas. The inclined plate 86 a is a metal thin plate formed in a ring shape, and its outer peripheral edge is attached to the inner wall surface of the outer cylindrical member 66. On the other hand, the inner peripheral edge of the inclined plate 86 a is positioned above the outer peripheral edge, and a gap is provided between the inner peripheral edge of the inclined plate 86 a and the outer wall surface of the inner cylindrical member 64.

水供給パイプ８８は内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット２８から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ８８を介して蒸発部８６に供給される。水供給パイプ８８の上端は、傾斜板８６ａを貫通して傾斜板８６ａの上面側まで延び、傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、傾斜板８６ａの上面と外側円筒部材６６の内壁面の間に留まる。傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。   The water supply pipe 88 is a pipe that extends in the vertical direction from the lower end of the inner cylindrical member 64 into the fuel gas supply flow path 20, and the water for steam reforming supplied from the water flow rate adjustment unit 28 passes through the water supply pipe 88. To the evaporation unit 86. The upper end of the water supply pipe 88 passes through the inclined plate 86a and extends to the upper surface side of the inclined plate 86a, and the water supplied to the upper surface side of the inclined plate 86a is the upper surface of the inclined plate 86a and the inner wall surface of the outer cylindrical member 66. Stay between. The water supplied to the upper surface side of the inclined plate 86a is evaporated there to generate water vapor.

また、蒸発部８６の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路２０内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０を介して燃料ガス供給流路２０に導入される。燃料ガス供給パイプ９０は内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプである。また、燃料ガス供給パイプ９０の上端は、傾斜板８６ａよりも下方に位置している。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、傾斜板８６ａの下側に導入され、傾斜板８６ａの傾斜により流路を絞られながら傾斜板８６ａの上側へ上昇する。傾斜板８６ａの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部８６で生成された水蒸気と共に上昇する。   A fuel gas introduction part for introducing the raw fuel gas into the fuel gas supply channel 20 is provided below the evaporation part 86. The raw fuel gas sent from the fuel blower 38 is introduced into the fuel gas supply channel 20 via the fuel gas supply pipe 90. The fuel gas supply pipe 90 is a pipe extending vertically from the lower end of the inner cylindrical member 64 into the fuel gas supply flow path 20. Further, the upper end of the fuel gas supply pipe 90 is positioned below the inclined plate 86a. The raw fuel gas sent from the fuel blower 38 is introduced to the lower side of the inclined plate 86a and rises to the upper side of the inclined plate 86a while the flow path is restricted by the inclination of the inclined plate 86a. The raw fuel gas that has risen to the upper side of the inclined plate 86 a rises together with the water vapor generated in the evaporation section 86.

燃料ガス供給流路２０内の蒸発部８６上方には、燃料ガス供給流路隔壁９２が設けられている。燃料ガス供給流路隔壁９２は、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の円環状の空間を上下に隔てるように設けられた円環状の金属板である。この燃料ガス供給流路隔壁９２の円周上には等間隔に複数の噴射口９２ａが設けられており、これらの噴射口９２ａにより燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間と下側の空間が連通されている。燃料ガス供給パイプ９０から導入された原燃料ガス及び蒸発部８６で生成された水蒸気は、一旦、燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留した後、各噴射口９２ａを通って燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間に噴射される。各噴射口９２ａから燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の広い空間に噴射されると、原燃料ガス及び水蒸気は急激に減速され、ここで十分に混合される。   A fuel gas supply channel partition wall 92 is provided above the evaporation portion 86 in the fuel gas supply channel 20. The fuel gas supply channel partition wall 92 is an annular metal plate provided so as to vertically separate an annular space between the inner periphery of the outer cylindrical member 66 and the outer periphery of the intermediate cylindrical member 65. A plurality of injection ports 92a are provided at equal intervals on the circumference of the fuel gas supply channel partition wall 92, and the upper space and the lower space of the fuel gas supply channel partition wall 92 are formed by these injection ports 92a. Is communicated. The raw fuel gas introduced from the fuel gas supply pipe 90 and the water vapor generated in the evaporation portion 86 once stay in the space below the fuel gas supply flow path partition wall 92 and then pass through each injection port 92a to become fuel. It is injected into the space above the gas supply channel partition wall 92. When injected from each injection port 92a into a wide space above the fuel gas supply flow path partition wall 92, the raw fuel gas and water vapor are rapidly decelerated and mixed sufficiently here.

さらに、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の、円環状の空間の上部には、改質部９４が設けられている。改質部９４は、各燃料電池セル１６の上部と、その上方の排気集約室１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた触媒保持板（図示せず）と、これにより保持された改質触媒９６によって構成されている。   Further, a reforming portion 94 is provided in the upper part of the annular space between the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 and the outer periphery of the inner cylindrical member 64. The reforming part 94 is arranged so as to surround the upper part of each fuel battery cell 16 and the periphery of the exhaust collecting chamber 18 above it. The reforming unit 94 includes a catalyst holding plate (not shown) attached to the outer wall surface of the inner cylindrical member 64 and a reforming catalyst 96 held thereby.

このように、改質部９４内に充填された改質触媒９６に、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間で混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部９４内においては、式（１）に示す水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１） As described above, when the raw fuel gas and water vapor mixed in the space above the fuel gas supply passage partition wall 92 come into contact with the reforming catalyst 96 filled in the reforming unit 94, The steam reforming reaction SR shown in the formula (1) proceeds.
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)

改質部９４において改質された燃料ガスは、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入して、各燃料電池セル１６に供給される。水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室１８から流出するオフガスの燃焼熱、及び各燃料電池セル１６において発生する発熱により供給される。   The fuel gas reformed in the reforming section 94 flows downward in the space between the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 and the outer periphery of the inner cylindrical member 64, flows into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell. 16 is supplied. Although the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the heat required for the reaction is supplied by the combustion heat of the offgas flowing out from the exhaust collecting chamber 18 and the heat generated in each fuel cell 16.

次に、図６を参照して、燃料電池セル１６について説明する。
本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池セル１６として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル１６上には、複数の単セル１６ａが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより１本の燃料電池セル１６が構成されている。各燃料電池セル１６は、その一端がアノード（陽極）、他端がカソード（陰極）となるように構成され、複数の燃料電池セル１６のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。 Next, the fuel battery cell 16 will be described with reference to FIG.
In the solid oxide fuel cell device 1 according to the embodiment of the present invention, a cylindrical horizontal stripe cell using a solid oxide is adopted as the fuel cell 16. On each fuel cell 16, a plurality of single cells 16a are formed in a horizontal stripe shape, and one fuel cell 16 is configured by electrically connecting them in series. Each fuel cell 16 is configured such that one end thereof is an anode (anode) and the other end is a cathode (cathode), and half of the plurality of fuel cells 16 has an upper end as an anode and a lower end as a cathode. The other half are arranged so that the upper end is a cathode and the lower end is an anode.

図６（ａ）は、下端がカソードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図であり、図６（ｂ）は、下端がアノードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図である。   FIG. 6A is an enlarged cross-sectional view showing a lower end portion of the fuel battery cell 16 whose lower end is a cathode, and FIG. 6B is a cross-sectional view of the fuel battery cell 16 whose lower end is an anode. It is sectional drawing which expands and shows a lower end part.

図６に示すように、燃料電池セル１６は、細長い円筒状の多孔質支持体９７と、この多孔質支持体９７の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。多孔質支持体９７の周囲には、内側から順に、燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、空気極層１０１が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料ガス分散室７６を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１６の多孔質支持体９７の内部を流れ、酸化剤ガス噴射用パイプ７４から噴射された空気は、空気極層１０１の外側を流れる。燃料電池セル１６上に形成された各単セル１６ａは、一組の燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、及び空気極層１０１から構成されている。１つの単セル１６ａの燃料極層９８は、インターコネクタ層１０２を介して、隣接する単セル１６ａの空気極層１０１に電気的に接続されている。これにより、１本の燃料電池セル１６上に形成された複数の単セル１６ａが、電気的に直列に接続される。   As shown in FIG. 6, the fuel cell 16 is formed of an elongated cylindrical porous support body 97 and a plurality of layers formed in a horizontal stripe pattern on the outside of the porous support body 97. Around the porous support 97, a fuel electrode layer 98, a reaction suppression layer 99, a solid electrolyte layer 100, and an air electrode layer 101 are formed in a horizontal stripe shape in order from the inside. For this reason, the fuel gas supplied through the fuel gas dispersion chamber 76 flows inside the porous support body 97 of each fuel battery cell 16, and the air injected from the oxidant gas injection pipe 74 is the air electrode. It flows outside the layer 101. Each single cell 16 a formed on the fuel cell 16 is composed of a set of fuel electrode layer 98, reaction suppression layer 99, solid electrolyte layer 100, and air electrode layer 101. The fuel electrode layer 98 of one single cell 16 a is electrically connected to the air electrode layer 101 of the adjacent single cell 16 a via the interconnector layer 102. Thereby, the several single cell 16a formed on the one fuel cell 16 is electrically connected in series.

図６（ａ）に示すように、燃料電池セル１６のカソード側端部には、多孔質支持体９７の外周に電極層１０３ａが形成され、この電極層１０３ａの外側にリード膜層１０４ａが形成されている。カソード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１と電極層１０３ａが、インターコネクタ層１０２により電気的に接続されている。これらの電極層１０３ａ及びリード膜層１０４ａは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ａは、リード膜層１０４ａよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ａに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１がインターコネクタ層１０２、電極層１０３ａを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ａの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ａの外周で第１固定部材６３に固定される。   As shown in FIG. 6A, an electrode layer 103a is formed on the outer periphery of the porous support 97 at the cathode side end of the fuel battery cell 16, and a lead film layer 104a is formed outside the electrode layer 103a. Has been. At the cathode side end, the air electrode layer 101 and the electrode layer 103a of the single cell 16a located at the end are electrically connected by the interconnector layer 102. The electrode layer 103 a and the lead film layer 104 a are formed so as to penetrate the first fixing member 63 at the end portion of the fuel cell 16 and protrude downward from the first fixing member 63. The electrode layer 103a is formed below the lead film layer 104a, and the current collector 82 is electrically connected to the electrode layer 103a exposed to the outside. As a result, the air electrode layer 101 of the single cell 16a located at the end is connected to the current collector 82 via the interconnector layer 102 and the electrode layer 103a, and current flows as shown by the arrows in the figure. Further, a gap between the edge of the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and the lead film layer 104a is filled with a ceramic adhesive, and the fuel cell 16 is fixed first on the outer periphery of the lead film layer 104a. It is fixed to the member 63.

図６（ｂ）に示すように、燃料電池セル１６のアノード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が延長されており、燃料極層９８の延長部が電極層１０３ｂとして機能する。電極層１０３ｂの外側にはリード膜層１０４ｂが形成されている。これらの電極層１０３ｂ及びリード膜層１０４ｂは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ｂは、リード膜層１０４ｂよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ｂに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が、一体的に形成された電極層１０３ｂを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ｂの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ｂの外周で第１固定部材６３に固定される。   As shown in FIG. 6B, at the anode side end of the fuel battery cell 16, the fuel electrode layer 98 of the single cell 16a located at the end is extended, and the extension of the fuel electrode layer 98 is the electrode. It functions as the layer 103b. A lead film layer 104b is formed outside the electrode layer 103b. The electrode layer 103 b and the lead film layer 104 b are formed so as to penetrate the first fixing member 63 at the end portion of the fuel cell 16 and protrude downward from the first fixing member 63. The electrode layer 103b is formed below the lead film layer 104b, and the current collector 82 is electrically connected to the electrode layer 103b exposed to the outside. As a result, the fuel electrode layer 98 of the single cell 16a located at the end is connected to the current collector 82 via the electrode layer 103b formed integrally, and a current flows as shown by an arrow in the figure. Further, a gap between the edge of the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and the lead film layer 104b is filled with a ceramic adhesive, and the fuel cell 16 is first fixed on the outer periphery of the lead film layer 104b. It is fixed to the member 63.

図６（ａ）（ｂ）においては、各燃料電池セル１６の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル１６の上端部における構成も同様である。なお、上端部においては、各燃料電池セル１６は、排気集約室１８の集約室下部材１８ｂに固定されているが、固定部分の構成は下端部における第１固定部材６３に対する固定と同様である。   6A and 6B, the configuration of the lower end portion of each fuel cell 16 has been described, but the configuration of the upper end portion of each fuel cell 16 is also the same. In the upper end portion, each fuel cell 16 is fixed to the aggregation chamber lower member 18b of the exhaust aggregation chamber 18, but the configuration of the fixed portion is the same as the fixing to the first fixing member 63 in the lower end portion. .

次に、多孔質支持体９７及び各層の構成を説明する。
多孔質支持体９７は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層９８は、本実施形態においては、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ2）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。 Next, the structure of the porous support body 97 and each layer is demonstrated.
In the present embodiment, the porous support body 97 is formed by extruding and sintering a mixture of forsterite powder and a binder.
In this embodiment, the fuel electrode layer 98 is a conductive thin film composed of a mixture of NiO powder and 10YSZ (10 mol% Y 2 O 3 -90 mol% ZrO 2 ) powder.

反応抑制層９９は、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物（ＬＤＣ４０。すなわち、４０ｍｏｌ％のＬａ2Ｏ3−６０ｍｏｌ％のＣｅＯ2）等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層９８と固体電解質層１００の間の化学反応を抑制している。
固体電解質層１００は、本実施形態においては、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3の組成のＬＳＧＭ粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層１００を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。 In the present embodiment, the reaction suppression layer 99 is a thin film composed of a cerium-based composite oxide (LDC 40, that is, 40 mol% La 2 O 3 -60 mol% CeO 2 ). The chemical reaction between the layer 98 and the solid electrolyte layer 100 is suppressed.
In the present embodiment, the solid electrolyte layer 100 is a thin film made of LSGM powder having a composition of La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . Electric energy is generated by the reaction between oxide ions and hydrogen or carbon monoxide through the solid electrolyte layer 100.

空気極層１０１は、本実施形態においては、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.8Ｆｅ0.2Ｏ3の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層１０２は、本実施形態においては、ＳＬＴ（ランタンドープストロンチウムチタネート）により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル１６上の隣接する単セル１６ａはインターコネクタ層１０２を介して接続される。
電極層１０３ａ、１０３ｂは、本実施形態においては、燃料極層９８と同一の材料で形成されている。
リード膜層１０４ａ、１０４ｂは、本実施形態においては、固体電解質層１００と同一の材料で形成されている。 In this embodiment, the air electrode layer 101 is a conductive thin film made of powder having a composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 .
In this embodiment, the interconnector layer 102 is a conductive thin film made of SLT (lanthanum-doped strontium titanate). Adjacent single cells 16 a on the fuel cell 16 are connected via the interconnector layer 102.
The electrode layers 103a and 103b are formed of the same material as the fuel electrode layer 98 in the present embodiment.
In this embodiment, the lead film layers 104a and 104b are made of the same material as that of the solid electrolyte layer 100.

次に、図１及び図２を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の作用を説明する。
まず、固体酸化物型燃料電池装置１の起動工程において、燃料ブロア３８が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター６１への通電が開始される。シースヒーター６１への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒６０が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部８６も加熱される。燃料ブロア３８により供給された燃料は、脱硫器３６、熱交換器３４、電磁弁３５を介して、燃料ガス供給パイプ９０から燃料電池セル収容容器８の内部に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路２０内を上端まで上昇した後、改質部９４内を下降し、内側円筒部材６４の下部に設けられた小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１の起動直後においては、改質部９４内の改質触媒９６の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。 Next, with reference to FIG.1 and FIG.2, the effect | action of the solid oxide fuel cell apparatus 1 is demonstrated.
First, in the starting process of the solid oxide fuel cell device 1, the fuel blower 38 is started, fuel supply is started, and energization to the sheath heater 61 is started. When energization of the sheath heater 61 is started, the combustion catalyst 60 disposed above the sheath heater 61 is heated, and the evaporator 86 disposed inside is also heated. The fuel supplied by the fuel blower 38 flows from the fuel gas supply pipe 90 into the fuel cell storage container 8 through the desulfurizer 36, the heat exchanger 34, and the electromagnetic valve 35. The inflowed fuel rises to the upper end in the fuel gas supply flow path 20, then descends in the reforming portion 94, and flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the small hole 64 b provided in the lower part of the inner cylindrical member 64. To do. Immediately after the solid oxide fuel cell device 1 is started, the temperature of the reforming catalyst 96 in the reforming unit 94 has not risen sufficiently, so that fuel reforming is not performed.

燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室７６の第１固定部材６３に取り付けられた各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）を通って排気集約室１８に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１の起動直後においては、各燃料電池セル１６の温度が十分に上昇しておらず、また、インバータ５４への電力の取り出しも行われていないため、発電反応は発生しない。   The fuel gas that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 flows into the exhaust collection chamber 18 through the inside (fuel electrode side) of each fuel cell 16 attached to the first fixing member 63 of the fuel gas dispersion chamber 76. Immediately after the start of the solid oxide fuel cell device 1, the temperature of each fuel cell 16 has not risen sufficiently, and power is not taken out to the inverter 54. Does not occur.

排気集約室１８に流入した燃料は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出される。噴出口１８ｄから噴出された燃料は、点火ヒーター６２により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、排気集約室１８の周囲に配置された改質部９４が加熱される。また、燃焼により生成された排気ガスは、内側円筒部材６４の上部に設けられた小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。高温の排気ガスは、排ガス排出流路２１内を下降し、その内側に設けられた燃料ガス供給流路２０を流れる燃料、外側に設けられた酸化剤ガス供給流路２２内を流れる発電用の空気を加熱する。さらに、排気ガスは、排ガス排出流路２１内に配置された燃焼触媒６０を通ることにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池セル収容容器８から排出される。   The fuel that has flowed into the exhaust aggregation chamber 18 is ejected from the ejection port 18 d of the exhaust aggregation chamber 18. The fuel ejected from the ejection port 18d is ignited by the ignition heater 62 and burned there. Due to this combustion, the reforming section 94 disposed around the exhaust aggregation chamber 18 is heated. Further, the exhaust gas generated by the combustion flows into the exhaust gas discharge passage 21 through the small hole 64 a provided in the upper part of the inner cylindrical member 64. The high-temperature exhaust gas descends in the exhaust gas discharge passage 21 and is used for power generation that flows in the fuel gas supply passage 20 provided on the inside and the oxidant gas supply passage 22 provided on the outside. Heat the air. Further, the exhaust gas passes through the combustion catalyst 60 disposed in the exhaust gas discharge passage 21 to remove carbon monoxide and is discharged from the fuel cell storage container 8 through the exhaust gas discharge pipe 58.

排気ガス及びシースヒーター６１により蒸発部８６が加熱されると、蒸発部８６に供給された水蒸気改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。水蒸気改質用の水は、水流量調整ユニット２８により、水供給パイプ８８を介して燃料電池セル収容容器８内の蒸発部８６に供給される。蒸発部８６で生成された水蒸気と、燃料ガス供給パイプ９０を介して供給された燃料は、一旦、燃料ガス供給流路２０内の燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留し、燃料ガス供給流路隔壁９２に設けられた複数の噴射口９２ａから噴射される。噴射口９２ａから勢いよく噴射された燃料及び水蒸気は、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間内で減速されることにより、十分に混合される。   When the evaporation section 86 is heated by the exhaust gas and the sheath heater 61, the water for steam reforming supplied to the evaporation section 86 is evaporated and steam is generated. The water for steam reforming is supplied by the water flow rate adjusting unit 28 to the evaporation unit 86 in the fuel cell storage container 8 through the water supply pipe 88. The water vapor generated in the evaporation unit 86 and the fuel supplied via the fuel gas supply pipe 90 are temporarily retained in the space below the fuel gas supply flow path partition wall 92 in the fuel gas supply flow path 20. The fuel gas is supplied from a plurality of injection ports 92 a provided in the fuel gas supply channel partition wall 92. The fuel and water vapor that are vigorously injected from the injection port 92 a are sufficiently mixed by being decelerated in the space above the fuel gas supply flow path partition wall 92.

混合された燃料及び水蒸気は、燃料ガス供給流路２０内を上昇し、改質部９４に流入する。改質部９４の改質触媒９６が改質可能な温度まで上昇している状態においては、燃料及び水蒸気の混合ガスが改質部９４を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合ガスが水素を多く含む燃料に改質される。改質された燃料は、小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。小穴６４ｂは燃料ガス分散室７６の周囲に多数設けられ、燃料ガス分散室７６として十分な容積が確保されているため、改質された燃料は、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６に均等に流入する。   The mixed fuel and water vapor rise in the fuel gas supply channel 20 and flow into the reforming unit 94. In a state where the reforming catalyst 96 of the reforming unit 94 has risen to a temperature at which reforming is possible, when the mixed gas of fuel and steam passes through the reforming unit 94, a steam reforming reaction occurs, and the mixed gas Is reformed into a fuel rich in hydrogen. The reformed fuel flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the small hole 64b. A large number of small holes 64 b are provided around the fuel gas dispersion chamber 76, and a sufficient volume is secured as the fuel gas dispersion chamber 76, so that the reformed fuel protrudes into the fuel gas dispersion chamber 76. Evenly flows into the battery cells 16.

一方、空気流量調整ユニット４５により供給された酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス導入パイプ５６を介して酸化剤ガス供給流路２２に流入する。酸化剤ガス供給流路２２に流入した空気は、内側を流れる排気ガスにより加熱されながら酸化剤ガス供給流路２２内を上昇する。酸化剤ガス供給流路２２内を上昇した空気は、燃料電池セル収容容器８内の上端部で中央に集められ、酸化剤ガス供給流路２２に連通された酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入した空気は下端から発電室１０内に噴射され、噴射された空気は第１固定部材６３の上面に当たって発電室１０内全体に広がる。発電室１０内に流入した空気は、排気集約室１８の外周壁と内側円筒部材６４の内周壁の間の隙間、及び排気集約室１８の内周壁と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面の間の隙間を通って上昇する。   On the other hand, the air, which is the oxidant gas supplied by the air flow rate adjusting unit 45, flows into the oxidant gas supply passage 22 through the oxidant gas introduction pipe 56. The air flowing into the oxidant gas supply channel 22 rises in the oxidant gas supply channel 22 while being heated by the exhaust gas flowing inside. The air rising in the oxidant gas supply passage 22 is collected at the center at the upper end portion in the fuel cell storage container 8 and flows into the oxidant gas injection pipe 74 communicated with the oxidant gas supply passage 22. To do. The air flowing into the oxidant gas injection pipe 74 is injected into the power generation chamber 10 from the lower end, and the injected air hits the upper surface of the first fixing member 63 and spreads throughout the power generation chamber 10. The air that has flowed into the power generation chamber 10 flows into the gap between the outer peripheral wall of the exhaust collecting chamber 18 and the inner peripheral wall of the inner cylindrical member 64, and between the inner peripheral wall of the exhaust collecting chamber 18 and the outer peripheral surface of the oxidizing gas injection pipe 74. Ascend through the gaps in between.

この際、各燃料電池セル１６の外側（空気極側）を通って流れる空気の一部は発電反応に利用される。また、排気集約室１８の上方に上昇した空気の一部は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出する燃料の燃焼に利用される。燃焼により生成された排気ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った空気は、小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。排ガス排出流路２１に流入した排気ガス及び空気は、燃焼触媒６０により一酸化炭素が除去された後、排出される。   At this time, a part of the air flowing through the outside (air electrode side) of each fuel cell 16 is used for the power generation reaction. Further, a part of the air that has risen above the exhaust aggregation chamber 18 is used for the combustion of fuel ejected from the ejection port 18d of the exhaust aggregation chamber 18. Exhaust gas generated by the combustion and air remaining without being used for power generation and combustion flow into the exhaust gas discharge passage 21 through the small hole 64a. The exhaust gas and air that have flowed into the exhaust gas discharge passage 21 are discharged after carbon monoxide is removed by the combustion catalyst 60.

このように、各燃料電池セル１６が発電可能な温度である６５０℃程度まで上昇し、各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）に改質された燃料が流れ、外側（空気極側）に空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池セル収容容器８から引き出されているバスバー８０にインバータ５４が接続されると、各燃料電池セル１６から電力が取り出され、発電が行われる。   In this way, the temperature rises to about 650 ° C., which is the temperature at which each fuel cell 16 can generate electricity, and the reformed fuel flows inside each fuel cell 16 (fuel electrode side) and outside (air electrode side). When air flows through the chamber, an electromotive force is generated by a chemical reaction. In this state, when the inverter 54 is connected to the bus bar 80 drawn out from the fuel cell storage container 8, electric power is taken out from each fuel cell 16 to generate power.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、発電用の空気は、発電室１０の中央に配置された酸化剤ガス噴射用パイプ７４から噴射され、発電室１０内を排気集約室１８と内側円筒部材６４の間の均等な隙間及び排気集約室１８と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の間の均等な隙間を通って上昇する。このため、発電室１０内の空気の流れは、ほぼ完全に軸対称の流れとなり、各燃料電池セル１６の周囲には、ムラなく空気が流れる。これにより、各燃料電池セル１６間の温度差が抑制され、各燃料電池セル１６で均等な起電力を発生することができる。   Further, in the solid oxide fuel cell device 1 of the present embodiment, the power generation air is injected from the oxidant gas injection pipe 74 disposed in the center of the power generation chamber 10, and the inside of the power generation chamber 10 is exhausted. Ascending through the uniform gap between the chamber 18 and the inner cylindrical member 64 and the uniform gap between the exhaust collecting chamber 18 and the oxidant gas injection pipe 74. For this reason, the air flow in the power generation chamber 10 is almost completely axisymmetric, and the air flows uniformly around each fuel cell 16. Thereby, the temperature difference between each fuel cell 16 is suppressed, and an equal electromotive force can be generated in each fuel cell 16.

次に、図７を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の燃料電池セル１６と改質部９４の配置関係について詳細に説明する。
図７は、固体酸化物型燃料電池装置１の燃料電池セル１６と改質部９４の配置関係を示す断面図である。環状部材である内側円筒部材６４内に形成された発電室１０は、略円筒形状の上下方向に延びる複数の燃料電池セル１６を収容している。内側円筒部材６４の外側には、同心円状に流路形成部材である中間円筒部材６５及び外側円筒部材６６が内側から順に配置され、これら流路形成部材の間に円環状の燃料ガス供給流路２０が形成されている。燃料ガス供給流路２０の流路方向は、中間円筒部材６５と外側円筒部材６６の間では下側から上側に向かい、上端部で折り返して、内側円筒部材６４と中間円筒部材６５の間では上側から下側に向かっている。 Next, with reference to FIG. 7, the arrangement relationship between the fuel cell 16 and the reforming unit 94 of the solid oxide fuel cell device 1 will be described in detail.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the positional relationship between the fuel cell 16 and the reforming unit 94 of the solid oxide fuel cell device 1. The power generation chamber 10 formed in the inner cylindrical member 64 that is an annular member accommodates a plurality of fuel cells 16 that are substantially cylindrical and extend in the vertical direction. On the outer side of the inner cylindrical member 64, an intermediate cylindrical member 65 and an outer cylindrical member 66, which are concentric circles, are sequentially arranged from the inner side, and an annular fuel gas supply channel is provided between the channel forming members. 20 is formed. The flow direction of the fuel gas supply flow path 20 is from the lower side to the upper side between the intermediate cylindrical member 65 and the outer cylindrical member 66, folded back at the upper end portion, and the upper side between the inner cylindrical member 64 and the intermediate cylindrical member 65. From the bottom to the bottom.

改質部９４は、内側円筒部材６４と中間円筒部材６５の間に設けられており、上下方向に延びるように円環状に改質触媒９６を保持している。原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質部９４を上側から下側へ通過し、通過時に改質触媒９６によって改質される。
改質触媒９６は、燃料電池セル１６の中央部付近から排気集約室１８のやや上方までの高さ方向の範囲に対応して、上下方向に延びるよう配置されている。改質触媒９６の第１部分が、上下方向に延びる燃料電池セル１６のうち、その中央部と上端部に位置し、改質触媒９６の第２部分が、排気集約室１８の側方及び斜め上方に位置する。改質触媒９６は、発電室の１０の下方に位置する燃料電池セル１６の下端部の側方には配置されていない。
また、排気集約室１８の天面及び複数の噴出口１８ｄは、未反応の燃料ガスを燃焼させるオフガス燃焼部として機能する。改質触媒９６の第２部分は、このオフガス燃焼部の側方にも位置する。 The reforming portion 94 is provided between the inner cylindrical member 64 and the intermediate cylindrical member 65, and holds the reforming catalyst 96 in an annular shape so as to extend in the vertical direction. The mixed gas of raw fuel gas and water vapor passes through the reforming section 94 from the upper side to the lower side, and is reformed by the reforming catalyst 96 when passing.
The reforming catalyst 96 is disposed so as to extend in the vertical direction corresponding to the range in the height direction from the vicinity of the center of the fuel battery cell 16 to slightly above the exhaust collecting chamber 18. The first portion of the reforming catalyst 96 is located at the center and the upper end of the fuel cell 16 extending in the up-down direction, and the second portion of the reforming catalyst 96 is located laterally and obliquely to the exhaust collecting chamber 18. Located above. The reforming catalyst 96 is not disposed on the side of the lower end portion of the fuel cell 16 positioned below the power generation chamber 10.
In addition, the top surface of the exhaust collecting chamber 18 and the plurality of jet outlets 18d function as an off-gas combustion unit that burns unreacted fuel gas. The second portion of the reforming catalyst 96 is also located on the side of this off-gas combustion section.

次に、図８〜図１０を参照して、改質部９４による燃料電池セル１６の温度低減作用について説明する。
図８は改質部９４による温度低減作用がない場合の燃料電池セル１６の温度分布の時間変化を示すグラフ、図９は改質部９４の温度分布の時間変化を示すグラフ、図１０は改質部９４による温度低減作用がある場合の燃料電池セル１６の温度分布の時間変化を示すグラフである。 Next, with reference to FIGS. 8 to 10, the temperature reduction action of the fuel cell 16 by the reforming unit 94 will be described.
FIG. 8 is a graph showing the time change of the temperature distribution of the fuel cell 16 when there is no temperature reducing action by the reforming unit 94, FIG. 9 is a graph showing the time change of the temperature distribution of the reforming unit 94, and FIG. It is a graph which shows the time change of the temperature distribution of the fuel cell 16 when there exists a temperature reduction effect | action by the mass part 94. FIG.

燃料電池セル１６は、複数の円筒型の単セル１６ａが実質的に上下方向に連結されると共に、電気的に直列に接続されたものである。作動時に各単セル１６ａで発電反応が起こると発電熱が発生し、各単セル１６ａは高温状態に保持される。外部から発電室１０内に供給された空気は発電熱により加熱され、発電室１０内の上部に溜り易く、また、加熱された空気は排気集約室１８の側方を通過して発電室１０の上部から外部へ排出される。このため、発電室１０は、下部よりも上部の方が高温雰囲気となる。
また、燃料電池セル１６の内部の燃料ガス用通路を改質ガスが下方から上方へ向けて流れ、一方、燃料電池セル１６の外部では酸化剤ガス（空気）が概ね下方から上方へ向けて流れるようになっている。つまり、改質ガスと空気とが同一方向へ流れる。したがって、燃料電池セル１６における反応熱は、改質ガスと空気へ熱伝達された後、改質ガスと空気によって上方へ伝達されるため、燃料電池セル１６の上部は高温になり易い。
さらに、オフガス燃焼部でのオフガスの燃焼熱が、排気集約室１８を介して燃料電池セル１６の上端部に伝達され、上端部付近の単セル１６ａが局所的に加熱され易い。 In the fuel cell 16, a plurality of cylindrical single cells 16a are substantially vertically connected and electrically connected in series. When a power generation reaction occurs in each unit cell 16a during operation, power generation heat is generated, and each unit cell 16a is maintained in a high temperature state. The air supplied from the outside into the power generation chamber 10 is heated by the power generation heat and easily accumulates in the upper portion of the power generation chamber 10, and the heated air passes through the side of the exhaust collection chamber 18 and passes through the side of the power generation chamber 10. It is discharged from the top to the outside. For this reason, the upper part of the power generation chamber 10 has a higher temperature atmosphere than the lower part.
In addition, the reformed gas flows from the lower side to the upper side through the fuel gas passage inside the fuel cell 16, while the oxidant gas (air) flows from the lower side to the upper side outside the fuel cell 16. It is like that. That is, the reformed gas and air flow in the same direction. Therefore, since the reaction heat in the fuel battery cell 16 is transferred to the reformed gas and air and then transferred upward by the reformed gas and air, the upper part of the fuel battery cell 16 tends to become high temperature.
Further, the combustion heat of off gas in the off gas combustion part is transmitted to the upper end part of the fuel cell 16 through the exhaust collecting chamber 18, and the single cell 16a in the vicinity of the upper end part is easily heated locally.

このため、図８に示すように、燃料電池セル１６は、下側部分の単セル１６ａの温度よりも上側部分の単セル１６ａの温度の方が高くなる。図８の破線ａ，ｂ，ｃは、それぞれ燃料電池装置１の製品寿命の初期，中期，後期における代表的な燃料電池セル１６の温度分布を示している。図８では、各曲線において、燃料電池セル１６の最下端部の単セル１６ａの温度よりも最上端部の単セル１６ａの温度が、６０℃以上高くなっている。   Therefore, as shown in FIG. 8, in the fuel cell 16, the temperature of the upper unit cell 16a is higher than the temperature of the lower unit cell 16a. The broken lines a, b, and c in FIG. 8 indicate the temperature distributions of typical fuel cells 16 in the initial, middle, and late stages of the product life of the fuel cell device 1, respectively. In FIG. 8, in each curve, the temperature of the uppermost single cell 16a is 60 ° C. or more higher than the temperature of the lowermost single cell 16a of the fuel battery cell 16.

燃料電池セル１６は、使用と共に発電性能が劣化していく。発電性能が劣化した燃料電池セル１６で、劣化が進行していない使用開始当初と同一の発電量を維持するには、燃料電池セル１６の温度を高めにして作動させなければならない。したがって、図８では、使用期間が経過するに連れて燃料電池セル１６の温度分布曲線が高温側へシフトしている。例えば、燃料電池セル１６の上端付近の温度は、曲線ａでは７６０℃であり、曲線ｃでは８０５℃であり、製品寿命の初期から後期にかけて４５℃の温度上昇が生じる。
このように温度上昇が生じると、上側部分の単セル１６ａの劣化がさらに進行し易くなり、遂には最上端部の単セル１６ａが破損してしまう。 The power generation performance of the fuel cell 16 deteriorates with use. In order to maintain the same amount of power generation as that at the beginning of use in the fuel battery cell 16 in which the power generation performance has deteriorated, the temperature of the fuel battery cell 16 must be raised to operate. Therefore, in FIG. 8, the temperature distribution curve of the fuel cell 16 is shifted to the high temperature side as the use period elapses. For example, the temperature in the vicinity of the upper end of the fuel cell 16 is 760 ° C. in the curve a and 805 ° C. in the curve c, and a temperature increase of 45 ° C. occurs from the beginning to the end of the product life.
When the temperature rises as described above, the deterioration of the unit cell 16a in the upper part is further facilitated, and the unit cell 16a at the uppermost end is eventually damaged.

一方、図９に示すように、上下方向に延びる改質触媒９６の温度分布は、極小部を有する曲線となる。図９の曲線ａ，ｂ，ｃは、図８と同様に、それぞれ燃料電池装置１の製品寿命の初期，中期，後期における改質触媒９４の温度分布を示している。改質部９４は、排ガス排出流路２１を通る排気ガス、発電室１０からの伝導熱、オフガス燃焼部の燃焼熱によって、活性温度まで昇温される。しかしながら、改質触媒９６における水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、水蒸気改質反応が生じる部分で温度低下が生じる。   On the other hand, as shown in FIG. 9, the temperature distribution of the reforming catalyst 96 extending in the vertical direction is a curve having a minimum portion. Curves a, b, and c in FIG. 9 indicate the temperature distribution of the reforming catalyst 94 in the initial, middle, and late stages of the product life of the fuel cell device 1, as in FIG. 8. The reforming part 94 is heated to the activation temperature by the exhaust gas passing through the exhaust gas discharge passage 21, the conduction heat from the power generation chamber 10, and the combustion heat of the off-gas combustion part. However, since the steam reforming reaction in the reforming catalyst 96 is an endothermic reaction, the temperature is lowered at the portion where the steam reforming reaction occurs.

改質部９４の上下方向位置において、製品寿命の初期，中期，後期に、それぞれ上端部Ｌ１，中央部Ｌ２，下端部Ｌ３で水蒸気改質反応が主に生じる。上端部Ｌ１及び中央部Ｌ２が改質触媒９６の第２部分であり、下端部Ｌ３が第１部分に相当する。すなわち、原燃料と水蒸気の混合ガスが改質部９４に導入されると、使用初期には、混合ガスが上端部Ｌ１の改質触媒９６と接触して改質され、改質された混合ガスは、中央部Ｌ２及び下端部Ｌ３の改質触媒９６とほとんど反応せずに通り抜ける。したがって、使用初期には、主として上端部Ｌ１で改質反応が起こり、中央部Ｌ２及び下端部Ｌ３ではあまり改質反応が起こらない。   At the vertical position of the reforming portion 94, steam reforming reaction mainly occurs at the upper end L1, the center portion L2, and the lower end portion L3 in the initial stage, middle stage, and late stage of the product life. The upper end portion L1 and the center portion L2 are the second portion of the reforming catalyst 96, and the lower end portion L3 corresponds to the first portion. That is, when a mixed gas of raw fuel and water vapor is introduced into the reforming section 94, the mixed gas is reformed in contact with the reforming catalyst 96 at the upper end L1 in the initial stage of use. Passes through with little reaction with the reforming catalyst 96 at the center L2 and the lower end L3. Therefore, in the initial stage of use, the reforming reaction mainly occurs at the upper end L1, and the reforming reaction hardly occurs at the center L2 and the lower end L3.

一方、使用期間の経過に伴って、上端部Ｌ１の改質触媒９６は徐々に劣化していく。このため、使用初期から使用中期に掛けて、混合ガスは、上端部Ｌ１で改質され難くなり、中央部Ｌ２で主として改質されるようになる。さらに、使用中期から使用後期に掛けて、混合ガスは、上端部Ｌ１及び中央部Ｌ２で改質され難くなり、下端部Ｌ３で主として改質されるようになる。このように、使用期間の経過に伴って、改質触媒９６の反応する部位（すなわち、吸熱位置）が徐々に下方へ移動していく。換言すると、製品寿命の長さに対応させて、改質触媒９６の上下方向長さが規定されており、使用初期から使用後期に掛けて吸熱位置が、改質部９４の上端付近から下端付近へ徐々に移動するように設定されている。
図９では、曲線ａでは吸熱位置（極小位置）が上端部Ｌ１に存在し、４００〜５００℃まで温度低下している。曲線ｂでは吸熱位置が中央部Ｌ２に存在し、曲線ｃでは吸熱位置が下端部Ｌ３に存在する。 On the other hand, the reforming catalyst 96 at the upper end L1 gradually deteriorates as the usage period elapses. For this reason, from the beginning of use to the middle of use, the mixed gas is hardly reformed at the upper end L1, and is mainly reformed at the center L2. Further, from the middle of use to the later stage of use, the mixed gas is hardly reformed at the upper end L1 and the center L2, and is mainly reformed at the lower end L3. In this way, as the service period elapses, the site where the reforming catalyst 96 reacts (that is, the endothermic position) gradually moves downward. In other words, the vertical length of the reforming catalyst 96 is defined corresponding to the length of the product life, and the endothermic position from the beginning of use to the end of use changes from the vicinity of the upper end of the reforming portion 94 to the vicinity of the lower end. Is set to move gradually.
In FIG. 9, the endothermic position (minimum position) exists in the upper end L1 in the curve a, and the temperature is lowered to 400 to 500 ° C. In the curve b, the endothermic position is present at the central portion L2, and in the curve c, the endothermic position is present at the lower end L3.

本実施形態では、改質触媒９６を燃料電池セル１６の側方に配置している。このため、温度低下した吸熱位置の改質触媒９６は、燃料電池セル１６の温度を低減するように作用する。図１０は、この改質触媒９６の吸熱反応により温度が低減された燃料電池セル１６の温度分布が示されている。曲線Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ製品寿命の初期，中期，後期における燃料電池セル１６の温度分布である。なお、図１０には、図８に示した破線ａ，ｂ，ｃも併せて示されている。   In the present embodiment, the reforming catalyst 96 is disposed on the side of the fuel battery cell 16. For this reason, the reforming catalyst 96 at the endothermic position where the temperature has decreased acts to reduce the temperature of the fuel cell 16. FIG. 10 shows the temperature distribution of the fuel battery cell 16 in which the temperature is reduced by the endothermic reaction of the reforming catalyst 96. Curves A, B, and C are temperature distributions of the fuel cell 16 at the initial stage, middle stage, and late stage of the product life, respectively. In FIG. 10, broken lines a, b, and c shown in FIG. 8 are also shown.

使用初期には、改質部９４の上端部Ｌ１で改質反応が主に生じており、吸熱位置が上端部Ｌ１に存在する。上端部Ｌ１は、排気集約室１８の上端部の側方位置及びそれよりも上方に位置しており、燃料電池セル１６の側方位置には位置していない。このため、改質触媒９６の上端部Ｌ１は、燃料電池セル１６に対して吸熱作用をほとんど及ぼさない。したがって、曲線Ａは、曲線ａからほとんど変化が生じていない。すなわち、使用初期には、燃料電池セル１６に対する改質触媒９６による温度低減作用は機能しない。これにより、使用初期には、燃料電池セル１６の温度を低下させることなく、燃料電池セル１６で発電反応を生じさせている。   In the initial stage of use, the reforming reaction mainly occurs at the upper end portion L1 of the reforming portion 94, and the endothermic position exists at the upper end portion L1. The upper end portion L1 is located at a side position of the upper end portion of the exhaust collecting chamber 18 and above it, and is not located at a side position of the fuel cell 16. For this reason, the upper end portion L <b> 1 of the reforming catalyst 96 hardly exerts an endothermic effect on the fuel battery cell 16. Therefore, the curve A hardly changes from the curve a. That is, in the initial use, the temperature reduction action by the reforming catalyst 96 on the fuel battery cell 16 does not function. Thereby, in the initial stage of use, the fuel cell 16 generates a power generation reaction without lowering the temperature of the fuel cell 16.

一方、使用中期には、改質部９４の中央部Ｌ２で改質反応が主に生じており、吸熱位置が中央部Ｌ２に存在する。中央部Ｌ２は排気集約室１８の側部付近に位置している。このため、排気集約室１８付近の温度を低下するように作用し、オフガス燃焼部から排気集約室１８を介して燃料電池セル１６の上端にオフガス燃焼熱が伝わり難くなる。したがって、燃料電池セル１６の上端付近の単セル１６ａの温度が低下する。   On the other hand, in the middle period of use, the reforming reaction mainly occurs in the central portion L2 of the reforming portion 94, and the endothermic position exists in the central portion L2. The central portion L2 is located near the side portion of the exhaust collecting chamber 18. For this reason, it acts so as to lower the temperature in the vicinity of the exhaust aggregation chamber 18, and it becomes difficult for offgas combustion heat to be transmitted from the offgas combustion section to the upper end of the fuel cell 16 through the exhaust aggregation chamber 18. Therefore, the temperature of the single cell 16a near the upper end of the fuel cell 16 is lowered.

しかしながら、温度が低下した上端付近の単セル１６ａは、発電量が低下する。このため、制御装置（図示せず）は、燃料電池セル１６全体による総発電量を維持するため、燃料電池セル１６の温度又は発電室１０の温度を高めに設定する。これにより、上端付近の単セル１６ａの温度は低下するが、他の単セル１６ａの温度は高くなる。すなわち、図１０の曲線Ｂでは、曲線ｂと比較して、上端部付近の温度が下がり、それよりも下方の部位の温度が僅かに上昇し、全体的に上下方向での温度差が小さくなっている。これにより、使用中期には、発電性能又は発電量を維持したまま、上端部付近の単セル１６ａの劣化促進を低減することができる。   However, the power generation amount of the single cell 16a near the upper end where the temperature has decreased decreases. For this reason, the control device (not shown) sets the temperature of the fuel cell 16 or the temperature of the power generation chamber 10 higher to maintain the total amount of power generated by the entire fuel cell 16. As a result, the temperature of the single cell 16a near the upper end decreases, but the temperature of the other single cells 16a increases. That is, in the curve B in FIG. 10, the temperature near the upper end is lowered, the temperature in the lower part is slightly increased, and the temperature difference in the vertical direction is generally reduced as compared with the curve b. ing. Thereby, in the middle period of use, the deterioration promotion of the single cell 16a near the upper end can be reduced while maintaining the power generation performance or the power generation amount.

また、使用後期には、改質部９４の下端部Ｌ３で改質反応が主に生じており、吸熱位置が下端部Ｌ３に存在する。下端部Ｌ３は燃料電池セル１６の上端部の側部付近から中央部の側部付近に位置している。このため、燃料電池セル１６の上端部から中央部の単セル１６ａの温度が低下する。
この温度低下により、上端部から中央部の単セル１６ａの発電量が低下するので、制御装置は、総発電量の維持のため、燃料電池セル１６の温度又は発電室１０の温度を高めに設定する。これにより、上端部から中央部の単セル１６ａの温度は低下するが、それよりも下方の単セル１６ａの温度は高くなる。すなわち、図１０の曲線Ｃでは、曲線ｃと比較して、上端部及び中央部付近の温度が下がり、下端部の温度が上昇している。これにより、使用後期においても、発電性能又は発電量を維持したまま、上端部付近の単セル１６ａの劣化促進を低減することができる。 Further, in the later stage of use, the reforming reaction mainly occurs at the lower end L3 of the reforming portion 94, and the endothermic position exists at the lower end L3. The lower end L3 is located from the vicinity of the side of the upper end of the fuel cell 16 to the vicinity of the side of the center. For this reason, the temperature of the single unit cell 16a in the central portion decreases from the upper end portion of the fuel battery cell 16.
Due to this temperature decrease, the power generation amount of the single unit cell 16a from the upper end portion decreases, so that the control device sets the temperature of the fuel cell 16 or the temperature of the power generation chamber 10 higher to maintain the total power generation amount. To do. Thereby, although the temperature of the single cell 16a of a center part falls from an upper end part, the temperature of the single cell 16a below it becomes high. That is, in the curve C of FIG. 10, the temperature near the upper end and the center is lowered and the temperature at the lower end is increased compared to the curve c. Thereby, even in the latter period of use, the deterioration promotion of the single cell 16a near the upper end can be reduced while maintaining the power generation performance or the power generation amount.

本実施形態では、改質器９４の改質反応が吸熱反応であることを利用して、燃料電池セル１６の上端部の温度上昇を抑制している。その際、改質部９４の改質触媒９６の劣化に伴って吸熱位置が移動していくことを利用し、劣化が最も進行し易い燃料電池セル１６の上端部の温度上昇を効果的に抑制可能とするように、燃料電池セル１６に対する改質部９４の配置を最適化している。具体的には、上下方向に延びる改質部９４は、燃料電池セル１６の上側部分の側方に位置する第１部分と、第１部分の上側に位置し、燃料電池セル１６の上端よりも上方に突出するように配置された第２部分とを有している。また、改質部９４は、上側から下側に向けて（すなわち、第２部分から第１部分へ向けて）、原燃料と水蒸気の混合ガスが通過するように構成されている。   In the present embodiment, the temperature increase at the upper end of the fuel cell 16 is suppressed by utilizing the fact that the reforming reaction of the reformer 94 is an endothermic reaction. At that time, utilizing the fact that the endothermic position moves with the deterioration of the reforming catalyst 96 of the reforming part 94, the temperature rise at the upper end of the fuel cell 16 where the deterioration is most likely to proceed is effectively suppressed. The arrangement of the reforming portion 94 with respect to the fuel battery cell 16 is optimized so as to be possible. Specifically, the reforming portion 94 extending in the vertical direction is located on the side of the upper portion of the fuel cell 16 and on the upper side of the first portion, and is higher than the upper end of the fuel cell 16. And a second portion arranged so as to protrude upward. The reforming unit 94 is configured so that a mixed gas of raw fuel and water vapor passes from the upper side to the lower side (that is, from the second part to the first part).

本実施形態では、燃料電池セル１６の上端よりも上方に第２部分を突出させ、使用初期には、この第２部分で改質触媒９６に吸熱反応を生じさせることにより、改質部９４の吸熱反応による温度低減作用が燃料電池セル１６に大きく作用しないように構成されている。劣化が進行していない状態で燃料電池セル１６の上端部の温度を低下させてしまうと、むしろ温度低下による破損のおそれがあるため、使用初期は改質部９４によってセルユニット１６が冷却され難くなるようにしている。   In the present embodiment, the second portion protrudes above the upper end of the fuel battery cell 16, and in the initial stage of use, an endothermic reaction is caused in the reforming catalyst 96 in the second portion, thereby The temperature reducing action by the endothermic reaction is configured not to act greatly on the fuel battery cell 16. If the temperature of the upper end portion of the fuel battery cell 16 is lowered in a state where the deterioration has not progressed, the cell unit 16 is hardly cooled by the reforming portion 94 in the initial stage of use because there is a risk of damage due to the temperature drop. It is trying to become.

一方、使用に伴って改質触媒９６が劣化してくると吸熱位置が下方に移動してくるので、吸熱位置が燃料電池セル１６の上端部の側方に近づき（すなわち、吸熱位置が第２部分の下側部分に移動）、又は、燃料電池セル１６の上端部の側方に位置する（すなわち、吸熱位置が第１部分に移動）。これにより、劣化が進行しつつある燃料電池セル１６の上端部の温度が低下し、上端部の劣化の進行を抑制することができる。なお、改質部９４は、燃料電池セル１６の上側部分より下方の部分の側方には配置されておらず、使用開始から製品寿命が終了するまでの間に吸熱位置が、燃料電池セル１６の上側部分までしか移動せずに、使用中期から後期に掛けて、燃料電池セル１６の上端部に対して温度低減作用を及ぼし続けるように設計されることが好ましい。このように、本実施形態では、燃料電池セル１６の上端部の劣化進行を、燃料電池セル１６に対する改質部９４の配置の変更のみによって簡易に実現することができる。   On the other hand, when the reforming catalyst 96 deteriorates with use, the endothermic position moves downward, so that the endothermic position approaches the side of the upper end of the fuel cell 16 (that is, the endothermic position is the second end). Or move to the lower part of the part) or beside the upper end of the fuel cell 16 (that is, the endothermic position moves to the first part). Thereby, the temperature of the upper end part of the fuel cell 16 in which the deterioration is progressing decreases, and the progress of the deterioration of the upper end part can be suppressed. The reforming portion 94 is not disposed on the side of the portion below the upper portion of the fuel cell 16, and the endothermic position is located between the start of use and the end of the product life. It is preferable that it is designed so as to continue to exert a temperature reducing action on the upper end portion of the fuel cell 16 from the middle stage to the later stage of use, while moving only to the upper part of the fuel cell. As described above, in the present embodiment, the progress of deterioration of the upper end portion of the fuel battery cell 16 can be easily realized only by changing the arrangement of the reforming part 94 with respect to the fuel battery cell 16.

円筒型セル（横縞型セル）である単セル１６ａを上下方向に直列接続して構成した燃料電池セル１６では、１つの単セル１６ａの電極破損が、燃料電池セル１６全体の破損につながる。本実施形態では、上端部から中央部までの単セル１６ａの側方に改質部９４を配置することにより、劣化が進行し易い部位に配置された単セル１６ａを効果的に冷却すると共に、下端部の単セル１６ａの過冷却を防止することができる。   In the fuel cell 16 configured by connecting the single cells 16a that are cylindrical cells (horizontal stripe cells) in series in the vertical direction, the electrode breakage of one single cell 16a leads to the damage of the entire fuel cell 16. In the present embodiment, by disposing the reforming portion 94 on the side of the single cell 16a from the upper end portion to the center portion, the single cell 16a disposed in a portion where deterioration is likely to proceed is effectively cooled, Overcooling of the single cell 16a at the lower end can be prevented.

排気集約室１８上面のオフガス燃焼部での燃料ガスの燃焼熱が、排気集約室１８を介して燃料電池セル１６の上端部へ伝わると、燃料電池セル１６の上端部で部分的に過昇温が生じて、燃料電池セル１６が破損するおそれがある。本実施形態によれば、排気集約室１８の側方に改質部９４の上側部分を位置させることにより、劣化が進行していない使用初期において、排気集約室１８を伝わる燃焼熱を改質部９４の吸熱反応で遮断することができる。これにより、使用初期において、燃焼熱によってセルユニット１６の劣化が促進されることを防止することができる。   When the heat of combustion of the fuel gas in the off-gas combustion section on the upper surface of the exhaust aggregation chamber 18 is transmitted to the upper end portion of the fuel cell 16 through the exhaust aggregation chamber 18, the temperature of the fuel cell 16 is partially overheated. May occur and the fuel cell 16 may be damaged. According to the present embodiment, by positioning the upper portion of the reforming portion 94 on the side of the exhaust concentration chamber 18, the combustion heat transmitted through the exhaust concentration chamber 18 is converted to the reforming portion in the initial stage of use when deterioration has not progressed. It can be blocked by 94 endothermic reactions. Thereby, it is possible to prevent the deterioration of the cell unit 16 from being accelerated by the combustion heat in the initial use.

本実施形態では、改質部９４を燃料電池セル１６の周囲を囲むように、環状の内側円筒部材６４の全周にわたって配置することにより、燃料電池セル１６の上端部を含む上側部分を周方向に均等に冷却することができる。これにより、燃料電池セル１６の上端部付近における周方向の熱ムラを低減し、特定の燃料電池セル１６に集中して劣化が進行することを防止することができる。   In the present embodiment, the reforming portion 94 is disposed over the entire circumference of the annular inner cylindrical member 64 so as to surround the periphery of the fuel battery cell 16, so that the upper portion including the upper end portion of the fuel battery cell 16 is circumferential. Can be cooled evenly. Thereby, the thermal unevenness in the circumferential direction in the vicinity of the upper end portion of the fuel battery cell 16 can be reduced, and the deterioration can be prevented from being concentrated on the specific fuel battery cell 16.

１ 固体酸化物型燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 断熱材
８ 燃料電池セル収容容器
１０ 発電室
１１ 混合室
１２ａ 第１空気排出通路
１２ｂ 第２空気排出通路
１６ 燃料電池セル
１６ａ 単セル
１８ 排気集約室（排気マニホールド）
１８ａ 集約室上部材
１８ｂ 集約室下部材
１８ｃ 挿通穴
１８ｄ 噴出口
１８ｅ 接着剤充填枠
１９ａ 大径シールリング
１９ｂ 小径シールリング
１９ｃ カバー部材
２０ 燃料ガス供給流路
２１ 排ガス排出流路
２２ 酸化剤ガス供給流路
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３４ 熱交換器
３５ 電磁弁
３６ 脱硫器
３８ 燃料ブロア
４０ 空気供給源
４５ 空気流量調整ユニット
５０ 温水製造装置
５４ インバータ
５６ 酸化剤ガス導入パイプ
５８ 排ガス排出パイプ
６０ 燃焼触媒（排気浄化触媒）
６１ シースヒーター
６２ 点火ヒーター
６３ 第１固定部材
６３ａ 挿通穴
６３ｂ 接着剤充填枠
６４ 内側円筒部材（モジュールケース）
６４ａ 小穴
６４ｂ 小穴
６４ｃ ステー
６４ｄ 棚部材
６５ 中間円筒部材
６６ 外側円筒部材
６６ａ 棚部材
６７ カバー部材
６８ 内側円筒容器
６８ａ 出口ポート
７０ 外側円筒容器
７２ 分散室底部材
７２ａ 挿通管
７２ｂ 断熱材
７２ｃ フランジ部
７４ 酸化剤ガス噴射用パイプ
７４ａ 空気噴出口
７６ 燃料ガス分散室
７８ 碍子
８０ バスバー
８２ 集電体
８６ 蒸発部
８６ａ 傾斜板
８８ 水供給パイプ
８８ａ 水供給ポート
９０ 燃料ガス供給パイプ
９２ 燃料ガス供給流路隔壁
９２ａ 噴射口
９４ 改質部
９６ 改質触媒
９７ 多孔質支持体
９８ 燃料極層
９９ 反応抑制層
１００ 固体電解質層
１０１ 空気極層
１０２ インターコネクタ層
１０３ａ 電極層
１０３ｂ 電極層
１０４ａ リード膜層
１０４ｂ リード膜層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell apparatus 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 7 Heat insulating material 8 Fuel cell storage container 10 Power generation chamber 11 Mixing chamber 12a 1st air exhaust passage 12b 2nd air exhaust passage 16 Fuel cell 16a Single cell 18 Exhaust gas collection chamber (exhaust manifold)
18a Aggregation chamber upper member 18b Aggregation chamber lower member 18c Insertion hole 18d Spout 18e Adhesive filling frame 19a Large diameter seal ring 19b Small diameter seal ring 19c Cover member 20 Fuel gas supply flow path 21 Exhaust gas discharge flow path 22 Oxidant gas supply flow Path 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 34 Heat exchanger 35 Solenoid valve 36 Desulfurizer 38 Fuel blower 40 Air supply source 45 Air flow rate adjustment unit 50 Hot water production device 54 Inverter 56 Oxidant gas Introduction pipe 58 Exhaust gas discharge pipe 60 Combustion catalyst (exhaust gas purification catalyst)
61 Sheath heater 62 Ignition heater 63 First fixing member 63a Insertion hole 63b Adhesive filling frame 64 Inner cylindrical member (module case)
64a Small hole 64b Small hole 64c Stay 64d Shelf member 65 Intermediate cylindrical member 66 Outer cylindrical member 66a Shelf member 67 Cover member 68 Inner cylindrical container 68a Outlet port 70 Outer cylindrical container 72 Dispersion chamber bottom member 72a Insertion pipe 72b Heat insulating material 72c Flange part 74 Oxidation Agent gas injection pipe 74a Air outlet 76 Fuel gas dispersion chamber 78 Insulator 80 Bus bar 82 Current collector 86 Evaporating part 86a Inclined plate 88 Water supply pipe 88a Water supply port 90 Fuel gas supply pipe 92 Fuel gas supply channel partition wall 92a Injection Port 94 Reforming part 96 Reforming catalyst 97 Porous support 98 Fuel electrode layer 99 Reaction suppression layer 100 Solid electrolyte layer 101 Air electrode layer 102 Interconnector layer 103a Electrode layer 103b Electrode layer 104a Lead film layer 104b Lead film layer

Claims (4)

固体酸化物型燃料電池であって、
上下方向に延びるように配置された複数の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの側方で周囲を囲むように前記燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
前記モジュールケースの外側において上下方向に沿って配置された改質器と、を備え、
前記改質器は、前記燃料電池セルのうち、その上側部分の側方にのみ位置すると共に、前記燃料電池セルの上端よりも上方に突出した位置まで延びており、
前記改質器は、前記改質器の上方から下方に向けて原燃料と水蒸気の混合ガスが通過するように構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 A solid oxide fuel cell,
A plurality of fuel cells arranged to extend in the vertical direction;
A module case for housing the fuel cell so as to surround the side of the fuel cell, and
A reformer disposed along the vertical direction outside the module case, and
The reformer is located only on the side of the upper part of the fuel cell, and extends to a position protruding upward from the upper end of the fuel cell,
The reformer is configured so that a mixed gas of raw fuel and water vapor passes from above to below the reformer, and is a solid oxide fuel cell. 前記燃料電池セルは、複数の円筒型セルが上下方向に電気的に直列に接続されて構成されており、
前記改質器は、前記燃料電池セルの複数の円筒型セルのうち、上端部から中央部までの複数の前記円筒型セルの側方に位置することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。 The fuel cell is composed of a plurality of cylindrical cells electrically connected in series in the vertical direction,
2. The solid according to claim 1, wherein the reformer is located on a side of the plurality of cylindrical cells from an upper end portion to a central portion among the plurality of cylindrical cells of the fuel battery cell. Oxide fuel cell. 前記燃料電池セルの上部に前記燃料電池セル内の燃料ガス用通路を通過した燃料ガスを受け入れるための排気マニホールドを備え、
前記排気マニホールドの上面には前記排気マニホールドが受け入れた燃料ガスを燃焼させるための燃焼部が設けられており、
前記改質器の上側部分が、前記排気マニホールドの側方に位置することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。 An exhaust manifold for receiving the fuel gas that has passed through the fuel gas passage in the fuel cell at the top of the fuel cell;
A combustion portion for burning the fuel gas received by the exhaust manifold is provided on the upper surface of the exhaust manifold,
The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein an upper portion of the reformer is located on a side of the exhaust manifold. 前記モジュールケースは、上下方向に延びる環状部材を備え、
前記改質器は、前記燃料電池セルの周囲を囲むように、前記環状部材の全周にわたって配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池。 The module case includes an annular member extending in the vertical direction,
The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the reformer is disposed over the entire circumference of the annular member so as to surround the periphery of the fuel cell.
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