JP6394871B2 - 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、複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースの外部に蒸発器が設けられ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 in which an evaporator is provided outside a module case that houses a plurality of fuel cells.

固体酸化物型燃料電池装置(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 device (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.

特開2012−221659号公報(特許文献1)には、モジュールケース内に複数の燃料電池セルを配置し、これらの複数の燃料電池セルの上方において、発電に利用されずに残った燃料ガス(オフガス)を燃焼させ、燃焼熱によりモジュールケース内の改質器を加熱する、セルバーナー方式の固体酸化物型燃料電池装置が記載されている。特に、特許文献1に記載の固体酸化物型燃料電池装置では、改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器(気化器)が周囲の熱量を大きく奪うことに起因する、起動工程でのモジュール内温度の昇温性能の悪化や、燃料電池モジュールの温度ムラ(熱ムラ)などを抑制する観点から、蒸発器をモジュールケース外部の断熱材内に設けている。   In JP 2012-221659 A (Patent Document 1), a plurality of fuel cells are arranged in a module case, and the fuel gas remaining without being used for power generation above the plurality of fuel cells ( A cell burner type solid oxide fuel cell device is described that burns off gas) and heats the reformer in the module case with combustion heat. In particular, in the solid oxide fuel cell device described in Patent Document 1, the module in the startup process is caused by the evaporator (vaporizer) that generates steam supplied to the reformer greatly deprives the surrounding heat. The evaporator is provided in the heat insulating material outside the module case from the viewpoint of suppressing deterioration in the temperature rise performance of the internal temperature and temperature unevenness (thermal unevenness) of the fuel cell module.

特開2012−221659号公報JP 2012-221659 A

しかしながら、上記した特許文献1に記載の技術のように、蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合には、蒸発器から改質器に水蒸気が供給される過程で水蒸気の温度が低下し、低温の水蒸気によって改質器の温度が下がって、改質器の改質性能が低下してしまう。最悪の場合、蒸発器と改質器との間で水蒸気が液化し、液化した水が改質器に供給されて、改質器が劣化してしまう可能性がある。   However, when the evaporator is provided outside the module case as in the technique described in Patent Document 1 described above, the temperature of the steam decreases in the process of supplying the steam from the evaporator to the reformer, The temperature of the reformer is lowered by the low-temperature steam, and the reforming performance of the reformer is lowered. In the worst case, steam may be liquefied between the evaporator and the reformer, and the liquefied water may be supplied to the reformer, which may deteriorate the reformer.

従って、本発明は、モジュールケースの外部に蒸発器を設けた固体酸化物型燃料電池装置において、蒸発器から改質器に供給される水蒸気の温度低下に起因する、改質器の改質性能の低下を抑制することを目的としている。   Therefore, the present invention relates to a reforming performance of a reformer caused by a temperature drop of water vapor supplied from the evaporator to the reformer in a solid oxide fuel cell device provided with an evaporator outside the module case. The purpose of this is to suppress the decrease.

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物型燃料電池装置において、互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルと、複数の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周囲を覆うように設けられた断熱材と、酸化剤ガスを複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガス供給通路と、燃料ガスを複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、モジュールケース内に水平方向に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料ガス供給通路に供給する改質器と、複数の燃料電池セルにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により改質器を加熱する燃焼部と、改質器よりも上方に設けられ、モジュールケースから排出すべき排気ガスが通過する排気通路であって、その周囲の少なくとも一部分が断熱材で覆われた、排気通路と、酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスと排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、排気通路に対して設けられており、熱交換した酸化剤ガスを酸化剤ガス供給通路に供給する熱交換器であって、その周囲の少なくとも一部分が断熱材で覆われるように配置されると共に、改質器よりも上方に配置された、熱交換器と、水が供給され、この水と排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、排気通路に対して設けられており、熱交換によって水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気を改質器に供給する蒸発器であって、断熱材内で且つモジュールケースの外部に配置されると共に、改質器よりも上方に配置された、蒸発器と、を有し、断熱材及びモジュールケース内を上下方向に延びて、蒸発器と改質器とを連結し、蒸発器から改質器へ水蒸気を供給するガス供給管を更に有し、蒸発器は、改質器においてガス供給管からの水蒸気が流入する入口側に対応する、モジュールケース上方の位置に配置されている、ことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、蒸発器をモジュールケースの外部に設けたので、モジュールケース内の排気ガスの温度を高く維持することができ、この高い温度の排気ガスを熱交換器に供給することにより、熱交換器での熱交換性を向上させることができる。そのため、熱交換器で適切に昇温された酸化剤ガスを燃料電池セルに供給することができ、固体酸化物型燃料電池装置における起動時の昇温を安定的に且つ速やかに行うことができる。ところで、このように蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合には、上述したように、蒸発器から改質器に水蒸気が供給される過程で水蒸気の温度が低下し、低温の水蒸気によって改質器の温度が下がって、改質器の改質性能が低下してしまう。最悪の場合、蒸発器と改質器との間で水蒸気が液化し、液化した水が改質器に供給されて、改質器が劣化してしまう可能性がある。そこで、本発明は、このような問題を解決するような構成を適用した。
具体的には、本発明では、改質器に水蒸気が供給される入口(ガス供給口)側に対応するように、蒸発器をモジュールケース上方の断熱材内に配置し、且つ、蒸発器と改質器の入口とを断熱材及びモジュールケース内を上下方向に延びるガス供給管によって連結した。これにより、蒸発器と改質器の入口との位置関係を最適化するという簡易な構成にて、ガス供給管を最短にすることができ、上述したような蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合の問題を解決することができる。詳しくは、本発明によれば、ガス供給管が最短経路を通過するように構成したので、ガス供給管から改質器へと供給される水蒸気の温度低下を抑制することができ、特にガス供給管通過中に水蒸気が液化することを抑制することができ、改質器での改質性能を確保することができる。
更に、本発明では、上記したガス供給管をモジュールケース内を延びるように構成したので、つまりガス供給管を改質器に接続する過程でモジュールケース内を通過させるよう構成したので、モジュールケース内の排気ガスによってガス供給管内の水蒸気を加熱することができ、昇温させた水蒸気を改質器に供給することができる。したがって、本発明によれば、蒸発器をモジュールケースの外部に設けた構成でも、改質器での高い改質性能を簡易な構成にて実現することができる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a solid oxide fuel cell device that generates electric power by a reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a plurality of fuel cells electrically connected to each other, and a plurality of fuel cells A module case that accommodates fuel cells, a heat insulating material provided to cover the periphery of the module case, an oxidant gas supply passage that supplies oxidant gas to a plurality of fuel cells, and a plurality of fuel gases A fuel gas supply passage that supplies battery cells, and a reformer that is arranged horizontally in the module case, reforms the raw fuel gas with water vapor to generate fuel gas, and supplies this fuel gas to the fuel gas supply passage A combustion unit that burns fuel gas that is not used for power generation in a plurality of fuel cells and heats the reformer with combustion heat, and is provided above the reformer, An exhaust passage through which exhaust gas to be discharged from the case passes, the exhaust passage having at least a part of the periphery thereof covered with a heat insulating material, and an oxidant gas is supplied, and passes through the oxidant gas and the exhaust passage. A heat exchanger that is provided to the exhaust passage so as to exchange heat with the exhaust gas that supplies the heat to the oxidant gas supply passage. Between the heat exchanger, which is arranged so that a part thereof is covered with a heat insulating material, and is arranged above the reformer, and water that is supplied with water and passes through the exhaust passage, An evaporator that is provided to the exhaust passage so as to perform heat exchange, evaporates water by heat exchange to generate water vapor, and supplies the water vapor to the reformer. Located outside the module case Both have an evaporator disposed above the reformer, and extend vertically in the heat insulating material and the module case to connect the evaporator and the reformer and reform from the evaporator. A gas supply pipe for supplying water vapor to the vessel, and the evaporator is disposed at a position above the module case corresponding to an inlet side into which water vapor from the gas supply pipe flows in the reformer. Features.
In the present invention configured as described above, since the evaporator is provided outside the module case, the temperature of the exhaust gas in the module case can be maintained high, and this high temperature exhaust gas is supplied to the heat exchanger. By supplying, the heat exchange property in the heat exchanger can be improved. Therefore, the oxidant gas appropriately heated by the heat exchanger can be supplied to the fuel battery cell, and the temperature rise at the start of the solid oxide fuel cell device can be stably and quickly performed. . By the way, when the evaporator is provided outside the module case in this way, as described above, the temperature of the steam is lowered in the process of supplying the steam from the evaporator to the reformer, and the steam is modified by the low temperature steam. The temperature of the quality device decreases, and the reforming performance of the reformer decreases. In the worst case, steam may be liquefied between the evaporator and the reformer, and the liquefied water may be supplied to the reformer, which may deteriorate the reformer. Therefore, the present invention applies a configuration that solves such a problem.
Specifically, in the present invention, the evaporator is disposed in a heat insulating material above the module case so as to correspond to the inlet (gas supply port) side to which water vapor is supplied to the reformer, and the evaporator and The inlet of the reformer was connected to the heat insulating material and the gas supply pipe extending vertically in the module case. As a result, the gas supply pipe can be made the shortest with a simple configuration that optimizes the positional relationship between the evaporator and the inlet of the reformer, and the evaporator as described above is provided outside the module case. Can solve the problem. Specifically, according to the present invention, since the gas supply pipe is configured to pass through the shortest path, the temperature drop of water vapor supplied from the gas supply pipe to the reformer can be suppressed. It is possible to suppress liquefaction of water vapor while passing through the tube, and to ensure reforming performance in the reformer.
Furthermore, in the present invention, the gas supply pipe described above is configured to extend in the module case, that is, the gas supply pipe is configured to pass through the module case in the process of connecting to the reformer. The steam in the gas supply pipe can be heated by the exhaust gas, and the steam whose temperature has been raised can be supplied to the reformer. Therefore, according to the present invention, high reforming performance in the reformer can be realized with a simple configuration even when the evaporator is provided outside the module case.

本発明において、好ましくは、改質器の水平方向における一側端側に対応するモジュールケースの位置には、排気通路と連通し、この排気通路へ排気ガスを流出させる排気口が形成され、改質器の水平方向における他側端側の位置には、ガス供給管と連通し、このガス供給管からの水蒸気が改質器内に流入するガス供給口が形成され、排気口の上方に熱交換器が配置され、且つ、ガス供給口の上方に蒸発器が配置され、蒸発器は、熱交換器において熱交換された後の排気ガスとの間で熱交換を行うように、排気通路に対して設けられている。
このように構成された本発明によれば、改質器においてガス供給口が設けられた側と反対側に対応する、モジュールケースの天板上の位置に排気口を形成し、この排気口の上方に熱交換器を配置したので、モジュールケース内の排気ガスが最短距離で熱交換器に供給されるため、高温の排気ガスを熱交換器に供給することができると共に、排気口及び熱交換器の配置の工夫のみにより、熱交換器において酸化剤ガスと排気ガスとの間で熱交換を行わせる距離を長くすることができる。したがって、本発明によれば、簡易な構成にて、起動工程における熱量が小さな排気ガスでも、酸化剤ガスを適切に昇温させることができる。よって、起動時の昇温時間を短縮することができると共に、安定起動を実現することができる。更に、本発明によれば、蒸発器を熱交換器の下流側で且つ改質器の入口(ガス供給口)側に配置したため、熱交換器と蒸発器との間での無駄な熱交換を抑制して、蒸発器での安定した蒸発性能を確保することができる。
In the present invention, preferably, at the position of the module case corresponding to the one side end side in the horizontal direction of the reformer, an exhaust port that communicates with the exhaust passage and allows exhaust gas to flow into the exhaust passage is formed. A gas supply port that communicates with the gas supply pipe and allows water vapor from the gas supply pipe to flow into the reformer is formed at a position on the other end side in the horizontal direction of the mass device. An exchanger is disposed, and an evaporator is disposed above the gas supply port. The evaporator is disposed in the exhaust passage so as to exchange heat with the exhaust gas after heat exchange in the heat exchanger. It is provided for.
According to the present invention configured as described above, the exhaust port is formed at a position on the top plate of the module case corresponding to the side opposite to the side where the gas supply port is provided in the reformer. Since the heat exchanger is arranged above, the exhaust gas in the module case is supplied to the heat exchanger in the shortest distance, so that high-temperature exhaust gas can be supplied to the heat exchanger and the exhaust port and heat exchange Only by devising the arrangement of the vessel, the distance for heat exchange between the oxidant gas and the exhaust gas in the heat exchanger can be increased. Therefore, according to the present invention, it is possible to appropriately raise the temperature of the oxidant gas even with an exhaust gas having a small amount of heat in the startup process with a simple configuration. Therefore, it is possible to shorten the temperature rising time at the start-up and realize stable start-up. Furthermore, according to the present invention, since the evaporator is arranged on the downstream side of the heat exchanger and on the inlet side (gas supply port) of the reformer, wasteful heat exchange between the heat exchanger and the evaporator can be performed. It can suppress and can ensure the stable evaporation performance in an evaporator.

本発明において、好ましくは、蒸発器には、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、この蒸発部よりも排気ガスの流れ方向において上流側の位置で、且つ蒸発部よりも熱交換器に近い側の位置に設けられ、水蒸気と原燃料ガスとを混合させる混合部と、が形成されており、蒸発器の混合部は、ガス供給管が接続され、水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスをガス供給管に流出させる出口が改質器のガス供給口と上下方向において対応するように配置され、ガス供給管は、モジュールケース内を上下方向に延びるように、垂直方向に沿って配置されている。
このように構成された本発明によれば、排気ガスの流れ方向における上流側に蒸発器の混合部を配置し、この混合部からガス供給管を介して混合ガスを改質器に供給するので、下流側の蒸発部において気化に用いられていない比較的高温の排気ガスと、混合部において温度を上げやすい気体の状態にある混合ガスとの間で熱交換を行わせることができ、混合部において混合ガスを適切に昇温させることができる。よって、改質器の改質性能を効果的に安定化することができる。また、このような構成では、ガス供給管がより最短経路を通過するようになるので、混合ガスの温度低下を効果的に抑制することができる。
In the present invention, preferably, the evaporator includes an evaporator that evaporates water to generate water vapor, and a heat exchanger at a position upstream of the evaporator in the flow direction of the exhaust gas and from the evaporator. And a mixing section that mixes water vapor and raw fuel gas is formed, and the mixing section of the evaporator is connected to a gas supply pipe to mix water vapor and raw fuel gas. The outlet for allowing the gas to flow into the gas supply pipe is arranged so as to correspond to the gas supply port of the reformer in the vertical direction, and the gas supply pipe is arranged along the vertical direction so as to extend in the vertical direction in the module case. Has been.
According to the present invention configured as described above, the mixing unit of the evaporator is arranged upstream in the flow direction of the exhaust gas, and the mixed gas is supplied from the mixing unit to the reformer through the gas supply pipe. , Heat exchange can be performed between a relatively high temperature exhaust gas that is not used for vaporization in the downstream evaporation section and a mixed gas that is in a gas state in which the temperature is easily raised in the mixing section. The mixed gas can be heated appropriately. Therefore, the reforming performance of the reformer can be stabilized effectively. In such a configuration, since the gas supply pipe passes through the shortest path, the temperature drop of the mixed gas can be effectively suppressed.

本発明において、好ましくは、ガス供給管は、混合ガスの流れ方向における上流側の端部が、蒸発器の蒸発部及び混合部の底面よりも上方に突出するように設けられている。
上述したように蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合には、蒸発器での気化性能が低下し、気化遅れに起因して水がガス供給管を落下して改質器に供給され、混合不良が生じるおそれがあるが、本発明によれば、ガス供給管の上流側の端部を、蒸発器の蒸発部及び混合部の底面よりも上方に突出するように設けたので、ガス供給管の配設の工夫による簡易な構成にて、水がガス供給管を落下して改質器に供給されてしまうことを抑制することができる。
In the present invention, preferably, the gas supply pipe is provided such that the upstream end in the flow direction of the mixed gas protrudes upward from the evaporation section of the evaporator and the bottom surface of the mixing section.
As described above, when the evaporator is provided outside the module case, the vaporization performance in the evaporator is lowered, and water is supplied to the reformer by dropping the gas supply pipe due to the vaporization delay, Although mixing failure may occur, according to the present invention, the upstream end of the gas supply pipe is provided so as to protrude upward from the bottom surface of the evaporator and the mixing unit of the evaporator. It is possible to suppress water from being dropped into the gas supply pipe and being supplied to the reformer with a simple configuration based on the arrangement of the pipe.

本発明において、好ましくは、ガス供給管は、モジュールケース内に位置する部分に、熱膨張差を吸収する熱膨張吸収部を備えている。
上述したように、蒸発器をモジュールケース外に設け、改質器をモジュールケース内に設けて、これらをモジュールケース内を横断するガス供給管によって連結すると、大きな温度差により、ガス供給管に膨張差による応力が付与されて劣化してしまうおそれがあるが、本発明によれば、ガス供給管においてモジュールケース内に位置する部分に熱膨張吸収部を設けたので、このような大きな温度差によるガス供給管の劣化を適切に抑制することができる。
In the present invention, preferably, the gas supply pipe is provided with a thermal expansion absorbing portion that absorbs a difference in thermal expansion at a portion located in the module case.
As described above, when the evaporator is installed outside the module case, the reformer is installed inside the module case, and these are connected by the gas supply pipe that crosses the module case, the gas supply pipe expands due to a large temperature difference. However, according to the present invention, since the thermal expansion absorbing portion is provided in the portion of the gas supply pipe located in the module case, it is caused by such a large temperature difference. Deterioration of the gas supply pipe can be appropriately suppressed.

本発明において、好ましくは、改質器は、モジュールケースの天板に対して水平方向に摺動可能に取り付けられ、それにより、改質器及びガス供給管の熱膨張を水平方向に吸収させるようにする。
このように構成された本発明によれば、改質器も、熱膨張を水平方向に吸収可能なように、モジュールケースの天板に対して水平方向に摺動可能に取り付けたので、改質器の応力緩和のみならず、ガス供給管に改質器の変形応力が作用することを抑制でき、上記したガス供給管の熱膨張吸収部を簡素化することができると共に、ガス供給管の改質器等への連結強度も高くすることができる。
In the present invention, preferably, the reformer is slidably attached to the top plate of the module case in the horizontal direction, thereby absorbing the thermal expansion of the reformer and the gas supply pipe in the horizontal direction. To.
According to the present invention configured as described above, the reformer is also slidable in the horizontal direction with respect to the top plate of the module case so that the thermal expansion can be absorbed in the horizontal direction. In addition to the stress relaxation of the gas generator, it is possible to suppress the deformation stress of the reformer from acting on the gas supply pipe, simplify the thermal expansion absorption part of the gas supply pipe described above, and improve the gas supply pipe. It is also possible to increase the connection strength to a mass device or the like.

本発明において、好ましくは、改質器には、この改質器を上下方向に貫通するように延び、排気ガスを通過させる貫通孔が形成され、ガス供給管は、改質器の貫通孔内を通過して改質器のガス供給口に接続されるように配置されている。
このように構成された本発明によれば、改質器に設けた貫通孔内を通過するようにガス供給管を配置したので、ガス供給管をより一層最短経路にすることができると共に、モジュールケース内においてガス供給管内の混合ガスを排気ガスによって効率的に加熱することができる。
In the present invention, preferably, the reformer is formed with a through-hole extending through the reformer in the vertical direction and allowing exhaust gas to pass therethrough, and the gas supply pipe is formed in the through-hole of the reformer. It is arrange | positioned so that it may pass through and may be connected to the gas supply port of a reformer.
According to the present invention configured as described above, since the gas supply pipe is arranged so as to pass through the through hole provided in the reformer, the gas supply pipe can be made the shortest path and the module. In the case, the mixed gas in the gas supply pipe can be efficiently heated by the exhaust gas.

本発明において、好ましくは、改質器の貫通孔は、水平方向において排気口に対応する改質器の一側端側と反対側の位置に形成され、改質器の貫通孔を通過する排気ガスをガス供給管に指向させる排気ガイド部を有する。
このように構成された本発明によれば、改質器の貫通孔内に位置するガス供給管内の混合ガスを効果的に加熱することができ、高い温度の混合ガスを改質器に供給して、改質器の改質性能を高めることができる。
In the present invention, preferably, the through hole of the reformer is formed at a position opposite to the one end side of the reformer corresponding to the exhaust port in the horizontal direction, and passes through the through hole of the reformer. An exhaust guide portion for directing gas to the gas supply pipe is provided.
According to the present invention configured as described above, the mixed gas in the gas supply pipe located in the through hole of the reformer can be effectively heated, and the high temperature mixed gas is supplied to the reformer. Thus, the reforming performance of the reformer can be enhanced.

本発明において、好ましくは、排気ガイド部は、改質器の貫通孔を形成する改質器壁面によって構成され、この改質器壁面は、水平方向において排気口に対応する改質器の一側端側と反対側の位置において、排気ガスをガス供給管に指向させるよう構成されている。
このように構成された本発明によれば、改質器壁面によって上記した排気ガイド部を形成するので、簡易な構成により、改質器の貫通孔内に位置するガス供給管内の混合ガスを加熱することができる。
In the present invention, preferably, the exhaust guide portion is constituted by a reformer wall surface that forms a through hole of the reformer, and the reformer wall surface is one side of the reformer corresponding to the exhaust port in the horizontal direction. The exhaust gas is configured to be directed to the gas supply pipe at a position opposite to the end side.
According to the present invention configured as described above, the above-described exhaust guide portion is formed by the reformer wall surface, so that the mixed gas in the gas supply pipe located in the through hole of the reformer is heated with a simple configuration. can do.

本発明によれば、モジュールケースの外部に蒸発器を設けた固体酸化物型燃料電池装置において、蒸発器から改質器に供給する水蒸気の温度低下を抑制し、改質器での安定的な改質性能を確保することができる。   According to the present invention, in the solid oxide fuel cell device in which an evaporator is provided outside the module case, the temperature drop of water vapor supplied from the evaporator to the reformer is suppressed, and stable in the reformer The reforming performance can be ensured.

本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the fuel cell module of the solid oxide fuel cell apparatus by 1st Embodiment of this invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールから断熱材及びハウジングを取り外した状態の斜視図である。1 is a perspective view of a state in which a heat insulating material and a housing are removed from a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. 図5(A)は、本発明の第1実施形態による改質器を斜め上方から見た斜視図であり、図5(B)は、図5(A)のVB-VB線に沿った断面図であり、図5(C)は、図5(A)のVC-VC線に沿った断面図である。FIG. 5 (A) is a perspective view of the reformer according to the first embodiment of the present invention as viewed obliquely from above, and FIG. 5 (B) is a cross section taken along the line VB-VB in FIG. 5 (A). FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line VC-VC in FIG. 本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による改質器及びモジュールケースの天板の一部分の外形を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the external shape of a part of top plate of the reformer and module case by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による、熱膨張を吸収可能なように構成された混合ガス供給管の一部分の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the part of the mixed gas supply pipe | tube comprised so that thermal expansion could be absorbed by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is a front sectional view showing a fuel cell module for explaining a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、図2のIII-III線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module taken along line III-III in FIG. 2 for explaining a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の変形例による蒸発器の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the evaporator by the modification of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の製造方法を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a method for manufacturing a solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the solid oxide fuel cell apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the fuel cell module of the solid oxide fuel cell apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 図15のXVI-XVI線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the XVI-XVI line of FIG. 本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールから断熱材及びハウジングを取り外した状態の斜視図である。It is a perspective view of the state which removed the heat insulating material and the housing from the fuel cell module of the solid oxide fuel cell apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 図18(A)は、本発明の第2実施形態による改質器を斜め上方から見た斜視図であり、図18(B)は、図18(A)のXVIIIB-XVIIIB線に沿った断面図であり、図18(C)は、図18(A)のXVIIIC-XVIIIC線に沿った断面図である。18A is a perspective view of the reformer according to the second embodiment of the present invention as viewed obliquely from above, and FIG. 18B is a cross section taken along line XVIIIB-XVIIIB in FIG. FIG. 18C is a cross-sectional view taken along line XVIIIC-XVIIIC in FIG. 本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is a front sectional view showing a fuel cell module for explaining a gas flow in a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、図15のXVI-XVI線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view of the fuel cell module taken along the line XVI-XVI of FIG. 15 for explaining a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態の変形例による遮蔽板を適用した燃料電池モジュールの一部分を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a part of fuel cell module to which the shielding board by the modification of 2nd Embodiment of this invention is applied. 本発明の第2実施形態の変形例による改質器の断面斜視図である。It is a cross-sectional perspective view of the reformer by the modification of 2nd 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を説明する。   Next, a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

<第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)について説明する。
<First Embodiment>
First, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to a first embodiment of the present invention will be described.

図1は、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置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。   FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell apparatus 1 according to the first 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を介して金属製のモジュールケース8が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、9個の燃料電池セルスタック14(図7参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、各々が燃料電池セルを含む、16本の燃料電池セルユニット16(図6参照)から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体12は、144本の燃料電池セルユニット16を有する。燃料電池セル集合体12は、複数の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a metal module case 8 is built in the housing 6 via a heat insulating material 7. In the power generation chamber 10, which is the lower part of the module case 8, which is a sealed space, a fuel cell that performs a power generation reaction with fuel gas and oxidant gas (hereinafter referred to as “power generation air” or “air” as appropriate). A cell assembly 12 is arranged. The fuel cell assembly 12 includes nine fuel cell stacks 14 (see FIG. 7). The fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16 (each including a fuel cell). (See FIG. 6). In this example, the fuel cell assembly 12 has 144 fuel cell units 16. In the fuel cell assembly 12, all of the plurality of fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2のモジュールケース8の発電室10の上方には、燃焼部としていの燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス(言い換えると燃焼ガス)を生成するようになっている。さらに、モジュールケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、上記した残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。   A combustion chamber 18 as a combustion portion is formed above the power generation chamber 10 of the module case 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, residual fuel gas and residual air that have not been used for power generation reaction. Are combusted to generate exhaust gas (in other words, combustion gas). Further, the module case 8 is covered with the heat insulating material 7 to suppress the heat inside the fuel cell module 2 from being diffused to the outside air. Further, a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which the reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. doing.

さらに、ハウジング6内においてモジュールケース8の上方には、後述する熱交換器(空気熱交換器)23及び蒸発器25(図2等参照)を含む熱交換モジュール21が断熱材7内に設けられている。熱交換器23は、燃焼室18において残余ガスの燃焼により発生した排気ガスと発電用空気とが供給され、これらの排気ガスと発電用空気との間で熱交換を行うことによって発電用空気を加熱し、この発電用空気をモジュールケース8内の燃料電池セル集合体12に供給する。蒸発器25は、燃焼室18において残余ガスの燃焼により発生した排気ガスと水とが供給され、これらの排気ガスと水との間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス(以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。)をモジュールケース8内の改質器20に供給する。   Furthermore, a heat exchange module 21 including a heat exchanger (air heat exchanger) 23 and an evaporator 25 (see FIG. 2 and the like), which will be described later, is provided in the heat insulating material 7 above the module case 8 in the housing 6. ing. The heat exchanger 23 is supplied with the exhaust gas generated by the combustion of the residual gas in the combustion chamber 18 and the power generation air, and performs heat exchange between the exhaust gas and the power generation air, thereby generating the power generation air. The air for power generation is supplied to the fuel cell assembly 12 in the module case 8 by heating. The evaporator 25 is supplied with the exhaust gas and water generated by the combustion of the residual gas in the combustion chamber 18, and performs heat exchange between these exhaust gas and water, thereby evaporating the water and generating water vapor. Then, this mixed gas of water vapor and raw fuel gas (hereinafter sometimes referred to as “fuel gas”) is supplied to the reformer 20 in the module case 8.

次に、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた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、この貯水タンクから供給される水の流量を調整す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から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用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)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores pure water tank 26 that stores water condensed from moisture contained in the exhaust from the fuel cell module 2 and makes it pure water with a filter, and water supplied from the water storage tank. Is provided with a water flow rate adjusting unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor). In addition, the auxiliary unit 4 adjusts the flow rate of the fuel gas, the gas shutoff valve 32 for shutting off the fuel supplied from the fuel supply source 30 such as city gas, the desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, A fuel flow adjustment unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) and a valve 39 that shuts off fuel gas flowing out from the fuel flow adjustment unit 38 when power is lost. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off the air supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the air flow rate, and a power generation air flow rate adjusting unit 45 (with a motor). Driven "air blower", etc., a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a second heater 48 for heating the power generating air supplied to the power generation chamber. I have. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、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。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。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。   Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, 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). The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like. 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 to the outside.

次に、図2乃至図4を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について具体的に説明する。図2は、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿った断面図であり、図4は、ハウジング及び断熱材が取り外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。   Next, the structure of the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a side sectional view showing the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. FIG. 4 is a perspective view showing the fuel cell module with the housing and the heat insulating material removed.

図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2は、主に、上述したように、断熱材7内で且つモジュールケース8の外部に設けられた熱交換モジュール21を有すると共に、モジュールケース8の内部に設けられた、燃料電池セル集合体12及び改質器20を有する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell module 2 mainly includes the heat exchange module 21 provided in the heat insulating material 7 and outside the module case 8 as described above, and the module case 8. The fuel cell assembly 12 and the reformer 20 are provided inside.

熱交換モジュール21は、水平方向に並べて配置された熱交換器23及び蒸発器25を有する。この熱交換モジュール21は、熱交換器23と蒸発器25とが一体的に構成され、モジュールケース8の天板8a上に固定されている(図4参照)。また、熱交換モジュール21とモジュールケース8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分7aが配置され、この断熱材7の一部分7aも、モジュールケース8の天板8a上に固定されている(図2及び図3参照)。   The heat exchange module 21 includes a heat exchanger 23 and an evaporator 25 that are arranged side by side in the horizontal direction. In this heat exchange module 21, a heat exchanger 23 and an evaporator 25 are integrally formed, and are fixed on the top plate 8a of the module case 8 (see FIG. 4). Further, a portion 7 a of the heat insulating material 7 is disposed between the heat exchange module 21 and the module case 8 so as to fill these gaps, and the portion 7 a of the heat insulating material 7 is also disposed on the top plate 8 a of the module case 8. (See FIGS. 2 and 3).

次に、熱交換モジュール21が有する熱交換器23は、水平方向における一側端側に、発電用空気導入管74が接続され(図4参照)、水平方向における他側端側に、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口11に連結された第1排気通路71が接続されている(図2参照)。この排気口11は、モジュールケース8内の燃焼室18で生成された排気ガスをモジュールケース8の外へ排出する開口部であり、モジュールケース8内の改質器20の水平方向における一側端側に対応する、モジュールケース8の天板8a上の位置に形成され、熱交換器23は、このような排気口11の上方の断熱材7内に配置されている。   Next, the heat exchanger 23 of the heat exchange module 21 has a power generation air introduction pipe 74 connected to one side end side in the horizontal direction (see FIG. 4), and a module case on the other side end side in the horizontal direction. The 1st exhaust passage 71 connected with the exhaust port 11 formed on the top plate 8a of 8 is connected (refer FIG. 2). The exhaust port 11 is an opening through which the exhaust gas generated in the combustion chamber 18 in the module case 8 is discharged to the outside of the module case 8, and one side end of the reformer 20 in the module case 8 in the horizontal direction. The heat exchanger 23 is disposed in the heat insulating material 7 above the exhaust port 11 and is formed at a position on the top plate 8a of the module case 8 corresponding to the side.

また、熱交換器23は、図2に示すように、上下方向に二層構造となっており、モジュールケース8側に位置する下層部分には、上記した第1排気通路71から供給された排気ガスが通過する排気通路部23cが形成され、この排気通路部23cの上部に位置する上層部分には、発電用空気導入管74から供給された発電用空気が通過する発電用空気通路部23a(酸化剤ガス通路部に対応する)が形成されている。これらの発電用空気通路部23a及び排気通路部23cの内部には、それぞれ、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィン23b、23dが設けられている(図2参照)。オフセットフィン23b、23dは、それぞれ、発電用空気通路部23a及び排気通路部23cを通過するガスの進行方向に沿って水平方向に延びており、また、水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。   Further, as shown in FIG. 2, the heat exchanger 23 has a two-layer structure in the vertical direction, and the exhaust gas supplied from the first exhaust passage 71 is provided in the lower layer portion located on the module case 8 side. An exhaust passage portion 23c through which gas passes is formed, and a power generation air passage portion 23a (through which power generation air supplied from the power generation air introduction pipe 74 passes is formed in an upper layer portion located above the exhaust passage portion 23c. Corresponding to the oxidant gas passage portion). Plate-shaped offset fins 23b and 23d as heat exchange promoting members are respectively provided in the power generation air passage 23a and the exhaust passage 23c (see FIG. 2). The offset fins 23b and 23d extend in the horizontal direction along the traveling direction of the gas passing through the power generation air passage portion 23a and the exhaust passage portion 23c, respectively, and are provided at substantially the same place in the horizontal direction. .

このような熱交換器23では、発電用空気通路部23aを通過する発電用空気と排気通路部23cを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ(特にオフセットフィン23b、23dが設けられた発電用空気通路部23a及び排気通路部23cの部分において効率的な熱交換が行われる)、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。   In such a heat exchanger 23, heat exchange is performed between the power generation air passing through the power generation air passage 23a and the exhaust gas passing through the exhaust passage 23c (particularly, offset fins 23b and 23d are provided). In addition, efficient heat exchange is performed in the power generation air passage portion 23a and the exhaust passage portion 23c), and the power generation air is heated by the heat of the exhaust gas.

更に、熱交換器23の発電用空気通路部23aには、第1排気通路71が接続された熱交換器23における端部に、この第1排気通路71の内部を通過するように形成された発電用空気供給管76が接続されている(図2参照)。この発電用空気供給管76は、モジュールケース8の側板8bに沿って設けられた、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気供給通路77に連結されている(図3参照)。発電用空気供給通路77は、モジュールケース8の側板8bと、この側板8bに沿って上下方向に延びるように配置された発電用空気供給ケース77aとの間の空間によって形成される(図3及び図4参照)。発電用空気供給通路77は、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口77bから、発電用空気を燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射する。
なお、より詳しくは、発電用空気供給通路77は、モジュールケース8の側板8bの一の面及び当該面に対向する面のそれぞれに対して設けられている、つまり二つの発電用空気供給通路77が存在している。
Furthermore, the power generation air passage 23 a of the heat exchanger 23 is formed at the end of the heat exchanger 23 to which the first exhaust passage 71 is connected so as to pass through the inside of the first exhaust passage 71. A power generation air supply pipe 76 is connected (see FIG. 2). The power generation air supply pipe 76 is connected to a power generation air supply passage 77 provided along the side plate 8b of the module case 8 as an oxidant gas supply passage (see FIG. 3). The power generation air supply passage 77 is formed by a space between the side plate 8b of the module case 8 and a power generation air supply case 77a arranged so as to extend in the vertical direction along the side plate 8b (see FIG. 3 and FIG. 3). (See FIG. 4). The power generation air supply passage 77 injects power generation air into the power generation chamber 10 toward the fuel cell assembly 12 from a plurality of outlets 77 b provided in the lower part of the side plate 8 b of the module case 8.
More specifically, the power generation air supply passage 77 is provided for each of the one surface of the side plate 8b of the module case 8 and the surface opposite to the surface, that is, two power generation air supply passages 77. Is present.

次に、熱交換モジュール21が有する蒸発器25は、図2に示すように、上記した熱交換器23と水平方向に並んで配置されると共に、排気ガスの流れ方向において熱交換器23よりも下流側に配置されている。より具体的には、蒸発器25は、モジュールケース8の天板8aにおいて排気口11が設けられた一側端側と反対の他側端側に対応する、モジュールケース8内の改質器20に混合ガスが流入する入口側における上方の断熱材7内に配置されている。   Next, as shown in FIG. 2, the evaporator 25 included in the heat exchange module 21 is arranged side by side with the above-described heat exchanger 23 in the horizontal direction, and more than the heat exchanger 23 in the exhaust gas flow direction. It is arranged downstream. More specifically, the evaporator 25 corresponds to the reformer 20 in the module case 8 corresponding to the other side end side opposite to the one side end side where the exhaust port 11 is provided in the top plate 8a of the module case 8. It is arranged in the upper heat insulating material 7 on the inlet side into which the mixed gas flows.

また、蒸発器25は、水平方向における一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する燃料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82とが接続され(図4参照)、水平方向における他側端側に、熱交換器23の排気通路部23cが連通されている(図2参照)。具体的には、蒸発器25は、図2に示すように、上下方向に二層構造となっており、モジュールケース8側に位置する下層部分に、熱交換器23の排気通路部23cと連通するように、この排気通路部23cと水平方向に並んで配置され、排気通路部23cから供給された排気ガス(つまり熱交換器23の排気通路部23cにおいて熱交換が行われた後の排気ガス)が通過する排気通路部25cが形成されている。加えて、蒸発器25は、この排気通路部25cの上部に位置する上層部分に、燃料供給配管63から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部25aと、この蒸発部25aよりも排気ガスの流れ方向における上流側に設けられ、蒸発部25aで生成された水蒸気と燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部25bと、が形成されている。例えば、蒸発器25の蒸発部25a及び混合部25bは、複数の連通孔が設けられた仕切り板により蒸発器25を仕切った空間にて形成される。   Further, the evaporator 25 has a fuel supply pipe 63 for supplying water and raw fuel gas (which may include reforming air) to one side end in the horizontal direction, and an exhaust gas for discharging the exhaust gas. The exhaust pipe 82 is connected (see FIG. 4), and the exhaust passage 23c of the heat exchanger 23 is communicated with the other end in the horizontal direction (see FIG. 2). Specifically, as shown in FIG. 2, the evaporator 25 has a two-layer structure in the vertical direction, and communicates with the exhaust passage portion 23c of the heat exchanger 23 in the lower layer portion located on the module case 8 side. As shown, the exhaust gas passage 23c is arranged side by side in the horizontal direction, and the exhaust gas supplied from the exhaust passage portion 23c (that is, the exhaust gas after heat exchange is performed in the exhaust passage portion 23c of the heat exchanger 23). ) Through which the exhaust passage 25c passes. In addition, the evaporator 25 has an evaporation part 25a for generating water vapor by evaporating water supplied from the fuel supply pipe 63 in an upper layer portion located above the exhaust passage part 25c, and more than the evaporation part 25a. A mixing unit 25b that is provided on the upstream side in the exhaust gas flow direction and mixes the water vapor generated in the evaporation unit 25a and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 63 is formed. For example, the evaporator 25a and the mixer 25b of the evaporator 25 are formed in a space in which the evaporator 25 is partitioned by a partition plate provided with a plurality of communication holes.

このような蒸発器25では、蒸発部25a内の水と排気通路部25cを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部25a内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。加えて、混合部25b内の混合ガスと排気通路部25cを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。   In such an evaporator 25, heat exchange is performed between the water in the evaporator 25a and the exhaust gas passing through the exhaust passage 25c, and the water in the evaporator 25a is evaporated by the heat of the exhaust gas, Water vapor will be generated. In addition, heat exchange is performed between the mixed gas in the mixing section 25b and the exhaust gas passing through the exhaust passage section 25c, and the temperature of the mixed gas is increased by the heat of the exhaust gas.

なお、上述した熱交換器23の排気通路部23c及び蒸発器25の排気通路部25cは、図4に示すように、上部が開放したほぼU字断面形状を有し、水平方向に延びる熱交換モジュール21のケース21aによって構成されており、このケース21aの開放部を覆うように固定された部材により、熱交換器23の発電用空気通路部23aと、蒸発器25の蒸発部25a及び混合部25bとが構成される。   The above-described exhaust passage portion 23c of the heat exchanger 23 and the exhaust passage portion 25c of the evaporator 25 have a substantially U-shaped cross-section with an open upper portion, as shown in FIG. The module 21 includes a case 21a, and a member fixed so as to cover the open portion of the case 21a, a power generation air passage portion 23a of the heat exchanger 23, an evaporation portion 25a and a mixing portion of the evaporator 25. 25b.

更に、図2に示すように、蒸発器25の混合部25bには、この混合部25bからモジュールケース8内の改質器20に混合ガスを供給するための混合ガス供給管62が接続されている。混合ガス供給管62は、一端が改質器20に設けられた混合ガス供給口20aに連結しており、この混合ガス供給口20aからほぼ水平方向に延びた先で90°屈曲されて、モジュールケース8内、断熱材7a内、蒸発器25における上流側の排気通路部25c内を順に横断するようにほぼ鉛直方向に延びて、他端が蒸発器25の混合部25bに接続されている。この場合、混合ガス供給管62は、蒸発器25の混合部25bに接続された端部62bが、蒸発器25の蒸発部25a及び混合部25bの底面よりも上方に突出するように設けられている(図12も参照)。   Further, as shown in FIG. 2, a mixed gas supply pipe 62 for supplying a mixed gas from the mixing unit 25 b to the reformer 20 in the module case 8 is connected to the mixing unit 25 b of the evaporator 25. Yes. One end of the mixed gas supply pipe 62 is connected to a mixed gas supply port 20a provided in the reformer 20, and is bent by 90 ° at a point extending substantially horizontally from the mixed gas supply port 20a. The case 8, the heat insulating material 7 a, and the exhaust passage 25 c on the upstream side of the evaporator 25 extend in a substantially vertical direction so as to traverse in order, and the other end is connected to the mixing unit 25 b of the evaporator 25. In this case, the mixed gas supply pipe 62 is provided such that an end 62b connected to the mixing unit 25b of the evaporator 25 protrudes above the evaporation unit 25a of the evaporator 25 and the bottom surface of the mixing unit 25b. (See also FIG. 12).

次に、図2及び図3に加えて、図5も参照して、モジュールケース8内に設けられた改質器20について説明する。図5(A)は、本発明の第1実施形態による改質器20を斜め上方から見た斜視図であり、図5(B)は、図5(A)のVB-VB線に沿った断面図であり、図5(C)は、図5(A)のVC-VC線に沿った断面図であり、天板20gが取り除かれた状態の改質器20を示している。なお、図5(A)〜(C)中には、改質器20に加えて、混合ガス供給管62や燃料ガス供給管64なども図示している。   Next, the reformer 20 provided in the module case 8 will be described with reference to FIG. 5 in addition to FIGS. 2 and 3. FIG. 5 (A) is a perspective view of the reformer 20 according to the first embodiment of the present invention as viewed obliquely from above, and FIG. 5 (B) is along the line VB-VB in FIG. 5 (A). FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line VC-VC in FIG. 5A, and shows the reformer 20 with the top plate 20g removed. 5A to 5C also show the mixed gas supply pipe 62 and the fuel gas supply pipe 64 in addition to the reformer 20.

改質器20は、燃焼室18の上方に水平方向に延びるように配置され、モジュールケース8の天板8aと所定距離隔てて、この天板8aに対して固定されている(図2及び図3参照)。改質器20には、上記した混合ガス供給管62からの混合ガスが混合ガス供給口20aより流入し、この混合ガスを予熱する予熱部20bと、混合ガスの流れ方向において予熱部20bよりも下流側に設けられ、混合ガス(つまり水蒸気が混合された原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい))を改質するための改質触媒(不図示)が充填された改質部20cと、が形成されている(図5(B)参照)。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。改質器20の予熱部20b及び改質部20cは、複数の連通孔が設けられた仕切り板20nにより改質器20を仕切った空間にて形成される(図5(C)参照)。ここで、改質器20は、混合ガス供給管62からの混合ガスが混合ガス供給口20aより噴出され、この混合ガスが予熱部20bにおいて拡張されて噴出速度が低下するように構成されていると共に、噴出された混合ガスが予熱部20bの下流端側の壁面20kに衝突して折り返して、仕切り板20nを通過して改質部20cに供給されるように構成されている(図5(B)及び(C)参照)。   The reformer 20 is disposed so as to extend horizontally above the combustion chamber 18, and is fixed to the top plate 8a at a predetermined distance from the top plate 8a of the module case 8 (FIGS. 2 and 2). 3). The reformer 20 is supplied with the mixed gas from the mixed gas supply pipe 62 through the mixed gas supply port 20a. The preheating unit 20b preheats the mixed gas and the preheating unit 20b in the flow direction of the mixed gas. A reformer provided on the downstream side and filled with a reforming catalyst (not shown) for reforming a mixed gas (that is, raw fuel gas mixed with water vapor (may include reforming air)) 20c (see FIG. 5B). As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used. The preheating unit 20b and the reforming unit 20c of the reformer 20 are formed in a space in which the reformer 20 is partitioned by a partition plate 20n provided with a plurality of communication holes (see FIG. 5C). Here, the reformer 20 is configured such that the mixed gas from the mixed gas supply pipe 62 is ejected from the mixed gas supply port 20a, and this mixed gas is expanded in the preheating unit 20b to reduce the ejection speed. At the same time, the jetted mixed gas collides with the wall surface 20k on the downstream end side of the preheating part 20b, turns back, passes through the partition plate 20n, and is supplied to the reforming part 20c (FIG. 5 ( B) and (C)).

また、改質器20には、当該改質器20(詳しくは改質部20cが形成された部分)を上下方向に貫通するように延び、下方の燃焼室18で生成された排気ガスを通過させる貫通孔20dが形成されている(図5(A)及び(B)参照)。この貫通孔20dには、上述した混合ガス供給管62の一部分62a、具体的には、混合ガス供給管62において水平方向に延びる部分であって、その端部が改質器20の混合ガス供給口20aに接続された部分62aが配置されている。この混合ガス供給管62の部分62aも、その内部を通過する混合ガスを、改質器20の貫通孔20dを通過する排気ガスによって予熱する予熱部として機能する(以下では混合ガス供給管62の部分62aを「予熱部62a」と呼ぶ)。   The reformer 20 extends through the reformer 20 (specifically, the portion where the reforming portion 20c is formed) vertically and passes exhaust gas generated in the lower combustion chamber 18. A through hole 20d is formed (see FIGS. 5A and 5B). The through-hole 20d has a portion 62a of the above-described mixed gas supply pipe 62, specifically, a portion extending in the horizontal direction in the mixed gas supply pipe 62, the end of which is the mixed gas supply of the reformer 20. A portion 62a connected to the mouth 20a is disposed. The portion 62a of the mixed gas supply pipe 62 also functions as a preheating unit that preheats the mixed gas passing through the inside by the exhaust gas passing through the through hole 20d of the reformer 20 (hereinafter, the mixed gas supply pipe 62 The portion 62a is referred to as a “preheating portion 62a”).

更に、改質器20の貫通孔20dの壁面は、燃焼室18で生成された排気ガスを改質器20の予熱部20b及び混合ガス供給管62の予熱部62aに指向させるような傾斜面20eによって形成されており、この傾斜面20eは、排気ガイド部として機能する(図5(B)参照)。なお、モジュールケース8の内側面上にも、燃焼室18で生成された排気ガスを、改質器20の予熱部20b及び混合ガス供給管62の予熱部62aに指向させる排気ガイド板80が設けられている(図2参照)。これらの貫通孔20dの傾斜面20e及び排気ガイド板80は、排気ガイド部及び排気ガス指向手段の一例に相当する。   Further, the wall surface of the through hole 20 d of the reformer 20 is inclined so as to direct the exhaust gas generated in the combustion chamber 18 toward the preheating unit 20 b of the reformer 20 and the preheating unit 62 a of the mixed gas supply pipe 62. The inclined surface 20e functions as an exhaust guide portion (see FIG. 5B). An exhaust guide plate 80 for directing the exhaust gas generated in the combustion chamber 18 to the preheating unit 20b of the reformer 20 and the preheating unit 62a of the mixed gas supply pipe 62 is also provided on the inner surface of the module case 8. (See FIG. 2). The inclined surface 20e of the through hole 20d and the exhaust guide plate 80 correspond to an example of the exhaust guide portion and the exhaust gas directing means.

更に、改質器20内における上部に形成された空間は、第2排気通路72を構成する(図2及び図3参照)。具体的には、改質器20において予熱部20b及び改質部20cが形成された部分の上面である天板20gと、モジュールケース8の天板8aの下面との間の空間が、第2排気通路72を形成する。より詳しくは、改質器20は、改質器20の天板20gにおける縁端部に、当該天板20gからモジュールケース8の天板8aの下面まで延びる筒状部20hが一体的に形成されており、この筒状部20hが第2排気通路72の外壁を構成する(図5(A)参照)。即ち、改質器20の天板20g及び筒状部20hとモジュールケース8の天板8aとによって囲まれた空間が第2排気通路72を構成する。また、改質器20の筒状部20hの上端部には、改質器20の外方に向かって延びるフランジ部20jが設けられている。加えて、改質器20の筒状部20hには、モジュールケース8の天板8aにおいて排気口11が設けられた一側端側と反対の他側端側に対応する箇所に、複数の切り欠き部20iが形成されており、この切り欠き部20iが、第2排気通路72内に排気ガスを導入する排気ガス導入口を構成する。   Furthermore, the space formed in the upper part in the reformer 20 constitutes a second exhaust passage 72 (see FIGS. 2 and 3). Specifically, the space between the top plate 20g, which is the top surface of the portion where the preheating unit 20b and the reforming unit 20c are formed in the reformer 20, and the bottom surface of the top plate 8a of the module case 8 is the second space. An exhaust passage 72 is formed. More specifically, in the reformer 20, a cylindrical portion 20h extending from the top plate 20g to the lower surface of the top plate 8a of the module case 8 is integrally formed at the edge of the top plate 20g of the reformer 20. The cylindrical portion 20h constitutes the outer wall of the second exhaust passage 72 (see FIG. 5A). That is, the space surrounded by the top plate 20 g and the cylindrical portion 20 h of the reformer 20 and the top plate 8 a of the module case 8 constitutes the second exhaust passage 72. Further, a flange portion 20j extending outward of the reformer 20 is provided at the upper end portion of the cylindrical portion 20h of the reformer 20. In addition, the cylindrical portion 20h of the reformer 20 has a plurality of cuts at locations corresponding to the other end side opposite to the one end side where the exhaust port 11 is provided in the top plate 8a of the module case 8. A notch 20 i is formed, and this notch 20 i constitutes an exhaust gas inlet for introducing exhaust gas into the second exhaust passage 72.

ここで、第2排気通路72には、上記した改質器20に形成された貫通孔20dと、改質器20の筒状部20hに形成された切り欠き部20iとから排気ガスが流入する。図3に示すように、モジュールケース8の内側面上には排気ガイド板81が設けられており、改質器20の貫通孔20dに流入せずに、予熱部20b及び改質部20cの外側面とモジュールケース8の内側面との間を通過した排気ガスを、第2排気通路72の排気ガス導入口としての改質器20の切り欠き部20iに流入させやすくしている。このようにして改質器20の貫通孔20d及び切り欠き部20iから第2排気通路72に流入した排気ガスは、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口11を介して、上記した第1排気通路71へ排出される(図2参照)。   Here, the exhaust gas flows into the second exhaust passage 72 from the through hole 20d formed in the reformer 20 and the notch 20i formed in the cylindrical portion 20h of the reformer 20. . As shown in FIG. 3, an exhaust guide plate 81 is provided on the inner surface of the module case 8, and does not flow into the through-hole 20 d of the reformer 20, but outside the preheating unit 20 b and the reforming unit 20 c. The exhaust gas that has passed between the side surface and the inner side surface of the module case 8 is made to easily flow into the notch 20 i of the reformer 20 as the exhaust gas inlet of the second exhaust passage 72. Thus, the exhaust gas flowing into the second exhaust passage 72 from the through hole 20d and the cutout portion 20i of the reformer 20 passes through the exhaust port 11 formed on the top plate 8a of the module case 8 and the above. The first exhaust passage 71 is discharged (see FIG. 2).

次に、図2に示すように、改質器20の下流端側には、改質器20の改質部20cによる改質によって生成された燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64の上部には、水添脱硫器用水素取出管65が接続されている。燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。   Next, as shown in FIG. 2, on the downstream end side of the reformer 20, fuel gas as a fuel gas supply passage for supplying fuel gas generated by reforming by the reforming unit 20c of the reformer 20 A supply pipe 64 is connected, and a hydrogen extraction pipe 65 for hydrodesulfurizer is connected to the upper part of the fuel gas supply pipe 64. The fuel gas supply pipe 64 extends downward, and further extends horizontally in a manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b. A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied. An ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

次に、図6を参照して、燃料電池セルユニット16について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図6に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 that are caps respectively connected to both ends of the fuel cell 84.
The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode layer 92, an inner electrode layer 90, and an outer side. An electrolyte layer 94 is provided between the electrode layer 92 and the electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路細管98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 84 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. At the center of the inner electrode terminal 86, a fuel gas channel capillary 98 that communicates with the fuel gas channel 88 of the inner electrode layer 90 is formed.

この燃料ガス流路細管98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド66(図2参照)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃焼室18(図2参照)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。   The fuel gas passage narrow tube 98 is an elongated thin tube provided so as to extend in the axial direction of the fuel cell 84 from the center of the inner electrode terminal 86. Therefore, a predetermined pressure loss occurs in the flow of the fuel gas flowing from the manifold 66 (see FIG. 2) into the fuel gas passage 88 through the fuel gas passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86. To do. Accordingly, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86 acts as an inflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value. Further, a predetermined pressure loss also occurs in the flow of the fuel gas flowing out from the fuel gas flow path 88 to the combustion chamber 18 (see FIG. 2) through the fuel gas flow path narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86. Therefore, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86 acts as an outflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に、図7を参照して、燃料電池セルスタック14について説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図7に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 7, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and these fuel cell units 16 are arranged in two rows of 8 each.
Each fuel cell unit 16 is supported by a rectangular lower support plate 68 made of ceramic (see FIG. 2) on the lower end side, and on the upper end side, two fuel cell unit units 16 at both ends are provided, each having a substantially square shape. Is supported by the upper support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。   Furthermore, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 includes a fuel electrode connection portion 102a that is electrically connected to an inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode, and an outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. It is integrally formed so as to connect the air electrode connecting portion 102b that is electrically connected. In addition, a silver thin film is formed on the entire outer surface of the outer electrode layer 92 (air electrode) of each fuel cell unit 16 as an electrode on the air electrode side. When the air electrode connecting portion 102b contacts the surface of the thin film, the current collector 102 is electrically connected to the entire air electrode.

さらに、燃料電池セルスタック14の端(図7では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極86には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の内側電極端子86に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Further, two external terminals 104 are connected to the air electrode 86 of the fuel cell unit 16 located at the end of the fuel cell stack 14 (the far left side in FIG. 7). These external terminals 104 are connected to the inner electrode terminal 86 of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, all 160 fuel cell units 16 are connected in series. It has come to be.

次に、図8を参照して、モジュールケース8の天板8aにおける改質器20の支持構造について説明する。図8は、本発明の第1実施形態による改質器20及びモジュールケース8の天板8aの一部分の外形を示す概略断面図である。
図8に示すように、改質器20は、その上部の筒状部20hにおける上端部に形成されたフランジ部20jが(図5も参照)、モジュールケース8の天板8aの下面に設けられた支持部8dに係合されることで、モジュールケース8の天板8aによって支持される。改質器20のフランジ部20jは係合部に相当し、モジュールケース8の天板8aの支持部8dは被係合部に相当する。このような改質器20のフランジ部20jをモジュールケース8の天板8aの支持部8dに係合して、改質器20をモジュールケース8の天板8aに取り付けることにより、改質器20とモジュールケース8の天板8aとの間での排気ガスの通過を遮蔽しつつ、改質器20がモジュールケース8の天板8aに対して水平方向に摺動可能に支持されることとなる。この場合、改質器20がモジュールケース8の天板8aに対して水平方向に摺動可能であるため、改質器20及び混合ガス供給管62の熱膨張を水平方向に吸収できるようになる。
Next, the support structure of the reformer 20 in the top plate 8a of the module case 8 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic sectional view showing the outer shape of a part of the top plate 8a of the reformer 20 and the module case 8 according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 8, the reformer 20 has a flange portion 20j formed on the upper end portion of the upper cylindrical portion 20h (see also FIG. 5) provided on the lower surface of the top plate 8a of the module case 8. By being engaged with the support portion 8 d, the module case 8 is supported by the top plate 8 a. The flange portion 20j of the reformer 20 corresponds to the engaging portion, and the support portion 8d of the top plate 8a of the module case 8 corresponds to the engaged portion. By engaging the flange portion 20j of the reformer 20 with the support portion 8d of the top plate 8a of the module case 8 and attaching the reformer 20 to the top plate 8a of the module case 8, the reformer 20 The reformer 20 is supported to be slidable in the horizontal direction with respect to the top plate 8a of the module case 8 while blocking the passage of exhaust gas between the top plate 8a of the module case 8 and the top plate 8a. . In this case, since the reformer 20 can slide in the horizontal direction with respect to the top plate 8a of the module case 8, the thermal expansion of the reformer 20 and the mixed gas supply pipe 62 can be absorbed in the horizontal direction. .

このようにモジュールケース8の天板8aにおける改質器20の支持構造によって、改質器20及び混合ガス供給管62の熱膨張を吸収することに限定はされず、当該支持構造に加えて、又は当該支持構造の代わりに、混合ガス供給管62を熱膨張を吸収可能なように構成してもよい。これについて、図9を参照して具体的に説明する。
図9は、本発明の第1実施形態による、熱膨張を吸収可能なように構成された混合ガス供給管62の一部分の概略断面図である。図9に示すように、混合ガス供給管62において水平方向に延びる部分、即ち改質器20の貫通孔20d内に位置する混合ガス供給管62の部分には(図5(B)も参照)、熱膨張差を水平方向に吸収可能な蛇腹管62cが適用されている。
Thus, the support structure of the reformer 20 in the top plate 8a of the module case 8 is not limited to absorbing the thermal expansion of the reformer 20 and the mixed gas supply pipe 62. In addition to the support structure, Alternatively, instead of the support structure, the mixed gas supply pipe 62 may be configured to absorb thermal expansion. This will be specifically described with reference to FIG.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a portion of the mixed gas supply pipe 62 configured to absorb thermal expansion according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, a portion extending in the horizontal direction in the mixed gas supply pipe 62, that is, a portion of the mixed gas supply pipe 62 positioned in the through hole 20 d of the reformer 20 (see also FIG. 5B). A bellows tube 62c that can absorb the difference in thermal expansion in the horizontal direction is applied.

なお、従来の固体酸化物型燃料電池装置では、改質器の下部に設けた支持部材で、この改質器を下方から支持していた。このような従来の固体酸化物型燃料電池装置では、改質器を下方から支持する支持部材を、燃料電池セルユニット16の熱を反射させる反射板として利用して、複数の燃料電池セルユニット16の各々に対する周囲からの熱の反射が均等になるようにしていた。具体的には、複数の燃料電池セルユニット16の各々に対する周囲からの熱の反射が均等になるように、改質器を支持する支持部材に対して凹凸面を形成していた。
これに対して、本実施形態では、上述したように、改質器20をモジュールケース8の天板8aに固定し、改質器20を上方から支持している、つまり改質器20をつり下げている(図8参照)。このような本実施形態による構成では、従来の固体酸化物型燃料電池装置のように、改質器20を支持する部材を反射板として利用することができない。そのため、本実施形態では、複数の燃料電池セル16の各々に対する周囲からの熱の反射が均等になるように、モジュールケース8の側板8bを形成するとよい。具体的には、図4に示すように、水添脱硫器用水素取出管65の下方に接続された燃料ガス供給管64(この燃料ガス供給管64は燃料電池セルユニット16に向けて熱を反射する部材として働く)が近傍に位置する燃料電池セルユニット16と、燃料ガス供給管64が近傍に位置しない燃料電池セルユニット16とで、燃料電池セルユニット16と周囲の部材との熱的な距離(つまり熱を反射する部材との距離)が等しくなるように、燃料ガス供給管64が近傍に位置しない燃料電池セルユニット16に対向するモジュールケース8の側板8bについて、燃料電池セルユニット16側に突出するような凸部8cを形成するとよい。つまり、燃料ガス供給管64が近傍に位置しない燃料電池セルユニット16に対向する側板8bが、燃料ガス供給管64が近傍に位置する燃料電池セルユニット16に対向する側板8bよりも内方に位置するように、モジュールケース8の側板8bを構成するとよい。
In the conventional solid oxide fuel cell device, the reformer is supported from below by a support member provided at the lower portion of the reformer. In such a conventional solid oxide fuel cell device, the support member that supports the reformer from below is used as a reflecting plate that reflects the heat of the fuel cell unit 16, and thus a plurality of fuel cell units 16 are used. The reflection of heat from the surroundings to each of these was made uniform. Specifically, an uneven surface is formed on the support member that supports the reformer so that the reflection of heat from the surroundings to each of the plurality of fuel cell units 16 is uniform.
In contrast, in the present embodiment, as described above, the reformer 20 is fixed to the top plate 8a of the module case 8, and the reformer 20 is supported from above, that is, the reformer 20 is suspended. It is lowered (see FIG. 8). In such a configuration according to the present embodiment, a member that supports the reformer 20 cannot be used as a reflector, unlike a conventional solid oxide fuel cell device. Therefore, in the present embodiment, the side plate 8b of the module case 8 may be formed so that the reflection of heat from the surroundings to each of the plurality of fuel cells 16 is uniform. Specifically, as shown in FIG. 4, a fuel gas supply pipe 64 connected below the hydrogen extraction pipe 65 for the hydrodesulfurizer (this fuel gas supply pipe 64 reflects heat toward the fuel cell unit 16. The thermal distance between the fuel cell unit 16 and the surrounding members is a fuel cell unit 16 in which the fuel cell unit 16 is located in the vicinity and the fuel cell unit 16 in which the fuel gas supply pipe 64 is not located in the vicinity. The side plate 8b of the module case 8 facing the fuel cell unit 16 where the fuel gas supply pipe 64 is not located in the vicinity of the side plate 8b facing the fuel cell unit 16 so that the (ie, the distance to the member that reflects heat) is equal. A protruding portion 8c that protrudes may be formed. That is, the side plate 8b facing the fuel cell unit 16 where the fuel gas supply pipe 64 is not located in the vicinity is located inward of the side plate 8b facing the fuel cell unit 16 where the fuel gas supply pipe 64 is located in the vicinity. Thus, the side plate 8b of the module case 8 may be configured.

次に、図10及び図11を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。図10は、図2と同様の、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図11は、図3と同様の、図2のIII-III線に沿った断面図である。図10及び図11は、それぞれ、図2及び図3中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図であり、説明の便宜上、断熱材7を取り除いた状態の図を示している。   Next, a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a side sectional view showing the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention, similar to FIG. 2, and FIG. 11 is similar to FIG. It is sectional drawing along the III-III line. FIGS. 10 and 11 are diagrams in which arrows indicating gas flows are newly added in FIGS. 2 and 3, respectively, and show the state in which the heat insulating material 7 is removed for convenience of explanation.

図10に示すように、発電用空気は、熱交換器23の水平方向における一側端側に接続された発電用空気導入管74(図4参照)から熱交換器23内に流入し、熱交換器23の上層に設けられた発電用空気通路部23a内を水平方向における他側端側に向けて流れていく。この際に、発電用空気通路部23a内を流れる発電用空気は、熱交換器23の下層に設けられた排気通路部23c内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行い(特にオフセットフィン23b、23dが設けられた発電用空気通路部23a及び排気通路部23cの部分において効率的な熱交換が行われる)、排気ガスの熱により発電用空気が加熱される。こうして排気ガスにより加熱された発電用空気は、熱交換器23の水平方向における他側端側(発電用空気導入管74が接続された側と反対側)に接続された発電用空気供給管76を流れて、図11に示すように、モジュールケース8の側板8bに沿って設けられた発電用空気供給通路77を流れて、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口77bから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される。   As shown in FIG. 10, the power generation air flows into the heat exchanger 23 from the power generation air introduction pipe 74 (see FIG. 4) connected to one side end side in the horizontal direction of the heat exchanger 23 to generate heat. It flows in the power generation air passage 23a provided in the upper layer of the exchanger 23 toward the other end in the horizontal direction. At this time, the power generation air flowing in the power generation air passage portion 23a exchanges heat with the exhaust gas flowing in the exhaust passage portion 23c provided in the lower layer of the heat exchanger 23 (particularly the offset fins 23b). The heat generating air is heated by the heat of the exhaust gas. The power generation air heated by the exhaust gas in this way is connected to the other end in the horizontal direction of the heat exchanger 23 (the side opposite to the side where the power generation air introduction pipe 74 is connected). As shown in FIG. 11, the air flows through the power generation air supply passage 77 provided along the side plate 8 b of the module case 8, and a plurality of outlets 77 b provided in the lower portion of the side plate 8 b of the module case 8. From the fuel cell assembly 12 toward the fuel cell assembly 12.

他方で、図10に示すように、水及び原燃料ガス(燃料ガス)が、蒸発器25の水平方向における一側端側に接続された燃料供給配管63(図4参照)から蒸発器25内に供給される、具体的には蒸発器25の上層に設けられた蒸発部25a内に供給される。蒸発器25の蒸発部25aに供給された水は、蒸発器25の下層に設けられた排気通路部25cを流れる排気ガス(上述したように、熱交換器23に設けられた排気通路部23cにおいて既に熱交換が行われた後の排気ガス)との間で熱交換を行い、排気ガスの熱により加熱されて、気化して水蒸気となる。この水蒸気と、上記した燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとは、蒸発部25a内を水平方向に流れていき(具体的には燃料供給配管63が接続された側と反対側に向けて水平方向に流れていき)、蒸発部25aの先の混合部25bにおいて混合される。   On the other hand, as shown in FIG. 10, water and raw fuel gas (fuel gas) are fed into the evaporator 25 from a fuel supply pipe 63 (see FIG. 4) connected to one end in the horizontal direction of the evaporator 25. Specifically, it is supplied into an evaporation section 25a provided in the upper layer of the evaporator 25. The water supplied to the evaporator 25a of the evaporator 25 is exhaust gas flowing in the exhaust passage 25c provided in the lower layer of the evaporator 25 (in the exhaust passage 23c provided in the heat exchanger 23 as described above). Heat exchange is performed with the exhaust gas after the heat exchange has already been performed, and it is heated by the heat of the exhaust gas to be vaporized into steam. The water vapor and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 63 flow in the horizontal direction in the evaporation portion 25a (specifically, toward the side opposite to the side where the fuel supply pipe 63 is connected). In the horizontal direction) and mixed in the mixing unit 25b at the end of the evaporation unit 25a.

そして、混合部25bにおいて水蒸気と原燃料ガスとが混合された混合ガス(燃料ガス)は、蒸発器25において燃料供給配管63が接続された側と反対側に接続され、蒸発器25の排気通路部25c、断熱材7a及びモジュールケース8内を横断するように延びる混合ガス供給管62を流れて、モジュールケース8内の改質器20に流入する。この場合、混合ガスは、混合部25bの下方の排気通路部25cを流れる排気ガスと、排気通路部25c内に位置する混合ガス供給管62の部分の周囲を流れる排気ガスと、モジュールケース8内に位置する混合ガス供給管62の部分の周囲を流れる排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、モジュールケース8内では、改質器20の貫通孔20d内に位置する混合ガス供給管62の予熱部62aにおいて、この予熱部62a内を流れる混合ガスと改質器20の貫通孔20dを通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。   The mixed gas (fuel gas) obtained by mixing the water vapor and the raw fuel gas in the mixing unit 25b is connected to the side opposite to the side where the fuel supply pipe 63 is connected in the evaporator 25, and the exhaust passage of the evaporator 25 is connected. The gas flows through the part 25 c, the heat insulating material 7 a, and the mixed gas supply pipe 62 extending across the module case 8 and flows into the reformer 20 in the module case 8. In this case, the mixed gas includes the exhaust gas flowing through the exhaust passage portion 25c below the mixing portion 25b, the exhaust gas flowing around the portion of the mixed gas supply pipe 62 positioned in the exhaust passage portion 25c, and the inside of the module case 8. Heat is exchanged with the exhaust gas flowing around the portion of the mixed gas supply pipe 62 located at the position where the gas is heated. Particularly, in the module case 8, in the preheating part 62 a of the mixed gas supply pipe 62 located in the through hole 20 d of the reformer 20, the mixed gas flowing in the preheating part 62 a and the through hole 20 d of the reformer 20 are connected. Efficient heat exchange is performed with the passing exhaust gas.

この後、混合ガス供給管62から改質器20に供給された混合ガスは、改質器20の混合ガス供給口20aを介して、改質器20の水平方向における一側端側に設けられた予熱部20b内に流入し、予熱部20b内に流入した混合ガスは予熱部20bの周囲を流れる排気ガスによって予熱される。この場合、改質器20の予熱部20bは混合ガス供給管62よりも拡張された構造を有するので、改質器20の予熱部20bには混合ガス供給管62から混合ガスが噴出され、こうして噴出された混合ガスは予熱部20bにおいて拡張されて噴出速度が低下される。そして、混合ガスは、予熱部20bの下流端側の壁面20k(図5(B)参照)に衝突して折り返して、改質器20内の仕切り板20n(図5(C)参照)を通過して、予熱部20bの下流側に位置する、改質触媒が充填された改質部20cに流入し、この改質部20cにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、改質器20の改質部20cの下流端側に接続された燃料ガス供給管64と、この燃料ガス供給管64の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管65とを流れる。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給されて、マニホールド66内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット16内に供給される。   Thereafter, the mixed gas supplied from the mixed gas supply pipe 62 to the reformer 20 is provided on one side end side in the horizontal direction of the reformer 20 via the mixed gas supply port 20a of the reformer 20. The mixed gas that has flowed into the preheating portion 20b and has flowed into the preheating portion 20b is preheated by the exhaust gas flowing around the preheating portion 20b. In this case, since the preheating part 20b of the reformer 20 has a structure expanded from the mixed gas supply pipe 62, the mixed gas is jetted from the mixed gas supply pipe 62 to the preheating part 20b of the reformer 20, and thus The jetted mixed gas is expanded in the preheating unit 20b, and the jetting speed is reduced. Then, the mixed gas collides with the wall surface 20k (see FIG. 5B) on the downstream end side of the preheating portion 20b, turns back, and passes through the partition plate 20n in the reformer 20 (see FIG. 5C). Then, it flows into the reforming section 20c, which is located downstream of the preheating section 20b and filled with the reforming catalyst, and is reformed in the reforming section 20c to become fuel gas. The fuel gas thus generated is supplied to a fuel gas supply pipe 64 connected to the downstream end side of the reforming section 20 c of the reformer 20, and a hydrogen desulfurizer hydrogen extraction connected to the upper side of the fuel gas supply pipe 64. Flow through tube 65. The fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply hole 64 b provided in the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the fuel gas in the manifold 66 is supplied into each fuel cell unit 16. .

他方で、燃料電池セルユニット16において発電に利用されずに残った燃料ガスは、モジュールケース8内の燃焼室18で燃焼されて排気ガス(燃焼ガス)となり、図10に示すように、モジュールケース8内を上昇していく。具体的には、燃焼により生成された排気ガスの一部は、改質器20の貫通孔20dを通って、改質器20の上部に形成された第2排気通路72(改質器20の天板20g及び筒状部20hとモジュールケース8の天板8aとによって囲まれた空間)に流入する。この場合、排気ガスは、改質器20の貫通孔20dを形成する傾斜面20eによって、改質器20の貫通孔20dを通過するように指向される。より詳しくは、排気ガスの一部は、貫通孔20dの傾斜面20eによって、改質器20の予熱部20b及び混合ガス供給管62の予熱部62a(改質器20の貫通孔20d内に位置する混合ガス供給管62の部分)の周囲を流れるように指向される。加えて、排気ガスは、モジュールケース8の内側面上に設けられた排気ガイド板80によっても、改質器20の予熱部20b及び混合ガス供給管62の予熱部62aの周囲を流れるように指向される。このように流れた排気ガスは、改質器20の予熱部20b内及び混合ガス供給管62の予熱部62a内の混合ガスと熱交換を行い、混合ガスを加熱する。   On the other hand, the fuel gas remaining without being used for power generation in the fuel cell unit 16 is burned in the combustion chamber 18 in the module case 8 to become exhaust gas (combustion gas). As shown in FIG. Go up inside 8. Specifically, a part of the exhaust gas generated by the combustion passes through the through hole 20d of the reformer 20 and passes through the second exhaust passage 72 (in the reformer 20) formed in the upper part of the reformer 20. It flows into a space surrounded by the top plate 20g and the cylindrical portion 20h and the top plate 8a of the module case 8. In this case, the exhaust gas is directed to pass through the through hole 20d of the reformer 20 by the inclined surface 20e forming the through hole 20d of the reformer 20. More specifically, a part of the exhaust gas is located in the preheating part 20b of the reformer 20 and the preheating part 62a of the mixed gas supply pipe 62 (in the through hole 20d of the reformer 20) by the inclined surface 20e of the through hole 20d. Of the mixed gas supply pipe 62). In addition, the exhaust gas is directed so as to flow around the preheating unit 20 b of the reformer 20 and the preheating unit 62 a of the mixed gas supply pipe 62 by the exhaust guide plate 80 provided on the inner side surface of the module case 8. Is done. The exhaust gas flowing in this manner exchanges heat with the mixed gas in the preheating unit 20b of the reformer 20 and the preheating unit 62a of the mixed gas supply pipe 62, thereby heating the mixed gas.

一方で、改質器20の貫通孔20dを通過しなかった、排気ガスの残りの一部は、図11に示すように、改質器20の予熱部20b及び改質部20cの外側面とモジュールケース8の内側面との間を通って、改質器20の筒状部20hに形成された、排気ガス導入口としての切り欠き部20i(図5(A)参照)を介して第2排気通路72に流入する。この場合、排気ガスは、モジュールケース8の内側面上に設けられた排気ガイド板81によって、改質器20の切り欠き部20iから第2排気通路72に流入するように指向される。   On the other hand, the remaining part of the exhaust gas that has not passed through the through-hole 20d of the reformer 20 is, as shown in FIG. 11, the preheating part 20b of the reformer 20 and the outer surface of the reforming part 20c. A second portion is formed through a notch 20i (see FIG. 5A) as an exhaust gas inlet formed in the cylindrical portion 20h of the reformer 20 through the inner surface of the module case 8. It flows into the exhaust passage 72. In this case, the exhaust gas is directed to flow into the second exhaust passage 72 from the notch 20 i of the reformer 20 by the exhaust guide plate 81 provided on the inner surface of the module case 8.

このようにして改質器20の貫通孔20d及び切り欠き部20iから第2排気通路72に流入した排気ガスは、図10に示すように、貫通孔20d及び切り欠き部20iが設けられた側と反対側に対応する、モジュールケース8の天板8a上の位置に形成された排気口11を介して、第1排気通路71へと流れていく。そして、排気ガスは、第1排気通路71に接続された熱交換器23の排気通路部23c、この排気通路部23cに連結された蒸発器25の排気通路部25cを順に流れて、蒸発器25の下流端側に接続された排気ガス排出管82(図4参照)から排出される。この際に、排気ガスは、上述したように、熱交換器23の発電用空気通路部23a内の発電用空気と熱交換を行うと共に、蒸発器25の混合部25b内の混合ガス及び蒸発器25の蒸発部25a内の水と熱交換を行う。   Thus, the exhaust gas flowing into the second exhaust passage 72 from the through hole 20d and the notch 20i of the reformer 20 is on the side where the through hole 20d and the notch 20i are provided as shown in FIG. It flows into the 1st exhaust passage 71 through the exhaust port 11 formed in the position on the top plate 8a of the module case 8 corresponding to the other side. The exhaust gas sequentially flows through the exhaust passage portion 23c of the heat exchanger 23 connected to the first exhaust passage 71 and the exhaust passage portion 25c of the evaporator 25 connected to the exhaust passage portion 23c. The exhaust gas is discharged from an exhaust gas discharge pipe 82 (see FIG. 4) connected to the downstream end side. At this time, as described above, the exhaust gas exchanges heat with the power generation air in the power generation air passage portion 23a of the heat exchanger 23, and the mixed gas and evaporator in the mixing portion 25b of the evaporator 25. Heat exchange is performed with water in the 25 evaporation sections 25a.

次に、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の作用効果について説明する。   Next, functions and effects of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention will be described.

本実施形態における一つの観点では、蒸発器25をモジュールケース8の外部の断熱材7内に配置したので(図2等参照)、蒸発器25をモジュールケース8の内部に配置した場合に発生し得る、燃料電池セル集合体12の温度ムラ(熱ムラ)を解消することができる。また、蒸発器25をモジュールケース8の外部に設けた場合には、蒸発器25をモジュールケース8の内部に設けた場合よりも、モジュールケース8内の排気ガスの温度を高くすることができるので、この高い温度の排気ガスを熱交換器23に供給することで、熱交換器23での熱交換性を向上させることができる。そのため、熱交換器23で適切に昇温された発電用空気を供給することができ、燃料電池モジュール2における起動時の昇温を速やかに行うことができる。
特に、本実施形態では、排気ガスの流れ方向において熱交換器23を蒸発器25よりも上流側に設けたため、熱交換器23を蒸発器25よりも下流側に設けた場合と比較して、高温の排気ガスが熱交換器23に供給されるので(蒸発器25で熱交換される前の排気ガスが熱交換器23に供給されるから)、熱交換器23において発電用空気をより効果的に昇温させることができ、起動時において燃料電池モジュール2をより大きく昇温させることができる。この場合、排気ガスの流れ方向において蒸発器25を熱交換器23の直後に配置し、蒸発器25を断熱材7内に設けているため、排気ガスの無駄な熱交換がなされないので、蒸発器25での水の蒸発性能を適切に確保することができる。
In one aspect of the present embodiment, the evaporator 25 is disposed in the heat insulating material 7 outside the module case 8 (see FIG. 2 and the like), and thus occurs when the evaporator 25 is disposed inside the module case 8. The obtained temperature unevenness (heat unevenness) of the fuel cell assembly 12 can be eliminated. Further, when the evaporator 25 is provided outside the module case 8, the temperature of the exhaust gas in the module case 8 can be made higher than when the evaporator 25 is provided inside the module case 8. By supplying this high temperature exhaust gas to the heat exchanger 23, the heat exchange property in the heat exchanger 23 can be improved. For this reason, it is possible to supply power generation air that has been appropriately heated by the heat exchanger 23, and to quickly raise the temperature at the start-up of the fuel cell module 2.
In particular, in the present embodiment, since the heat exchanger 23 is provided on the upstream side of the evaporator 25 in the exhaust gas flow direction, compared to the case where the heat exchanger 23 is provided on the downstream side of the evaporator 25, Since the high-temperature exhaust gas is supplied to the heat exchanger 23 (since the exhaust gas before being heat-exchanged by the evaporator 25 is supplied to the heat exchanger 23), the power generation air is more effective in the heat exchanger 23. Thus, the temperature of the fuel cell module 2 can be increased more greatly at startup. In this case, the evaporator 25 is disposed immediately after the heat exchanger 23 in the flow direction of the exhaust gas, and the evaporator 25 is provided in the heat insulating material 7, so that wasteful heat exchange of the exhaust gas is not performed, and thus the evaporation The water evaporation performance in the vessel 25 can be ensured appropriately.

また、上記のように蒸発器25をモジュールケース8の外部に設けた場合には、改質器20に供給される混合ガスの温度が低くなり(混合ガス中の水蒸気が液化する場合もある)、改質器20の温度が下がって改質性能が低下するという問題が生じ得るが、本実施形態によれば、モジュールケース8の外部の蒸発器25とモジュールケース8の内部の改質器20とを連通させる混合ガス供給管62を、蒸発器25の排気通路部25c内を通過させたので(図2等参照)、より詳しくは排気ガスの流れ方向において排気通路部25cの上流側の部分を通過させたので、排気通路部25cを流れる排気ガスによって混合ガスを昇温させることができる。そのため、昇温させた混合ガスを改質器20に供給することができ、上記したような、蒸発器25をモジュールケース8の外部に設けた場合の問題点を解消することができる。   Further, when the evaporator 25 is provided outside the module case 8 as described above, the temperature of the mixed gas supplied to the reformer 20 is lowered (the water vapor in the mixed gas may be liquefied). However, according to the present embodiment, the evaporator 25 outside the module case 8 and the reformer 20 inside the module case 8 may be deteriorated. Since the mixed gas supply pipe 62 that communicates with the exhaust gas is passed through the exhaust passage 25c of the evaporator 25 (see FIG. 2 and the like), more specifically, the upstream portion of the exhaust passage 25c in the flow direction of the exhaust gas. Therefore, the temperature of the mixed gas can be raised by the exhaust gas flowing through the exhaust passage portion 25c. Therefore, the mixed gas whose temperature has been raised can be supplied to the reformer 20, and the above-described problems when the evaporator 25 is provided outside the module case 8 can be solved.

また、本実施形態によれば、熱交換器23と蒸発器25とを水平方向に並べて配置すると共に、熱交換器23及び蒸発器25のそれぞれの下層に排気通路部23c、25cを水平方向に沿って形成したので(図2等参照)、断熱材7の配置構造及び排気ガスの取り回しを最適化し、無駄な熱交換を抑制することができる。したがって、燃料電池モジュール2を小型化することができると共に、排気ガスの熱量を有効に用いて、熱交換器23及び蒸発器25において熱交換を行わせることができる。   Further, according to the present embodiment, the heat exchanger 23 and the evaporator 25 are arranged side by side in the horizontal direction, and the exhaust passage portions 23c and 25c are horizontally arranged in the lower layers of the heat exchanger 23 and the evaporator 25, respectively. Since it formed along (refer FIG. 2 etc.), the arrangement structure of the heat insulating material 7 and the handling of exhaust gas can be optimized, and useless heat exchange can be suppressed. Therefore, the fuel cell module 2 can be reduced in size, and heat exchange can be performed in the heat exchanger 23 and the evaporator 25 by effectively using the amount of heat of the exhaust gas.

また、本実施形態によれば、熱交換器23と蒸発器25とを一体的に形成した熱交換モジュール21を用い、熱交換器23の排気通路部23c及び蒸発器25の排気通路部25cを、上部が開放したほぼU字断面形状を有するケース21aによって構成したので(図4参照)、排気通路部23c、25cを一つのケース21aによって作ることができ、燃料電池モジュール2の小型化及び低コスト化が図れる。加えて、このケース21aの開放部を覆うように、熱交換器23の発電用空気通路部23aと蒸発器25の蒸発部25a及び混合部25bとを固定したので、熱交換器23の発電用空気通路部23aと蒸発器25の蒸発部25a及び混合部25bとの支持を簡素化することができ、燃料電池モジュール2の更なる小型化及び低コスト化が図れる。   Further, according to the present embodiment, the heat exchange module 21 in which the heat exchanger 23 and the evaporator 25 are integrally formed is used, and the exhaust passage portion 23c of the heat exchanger 23 and the exhaust passage portion 25c of the evaporator 25 are provided. Since the upper portion is formed by the case 21a having a substantially U-shaped cross section (see FIG. 4), the exhaust passage portions 23c and 25c can be formed by the single case 21a, and the fuel cell module 2 can be reduced in size and size. Cost can be reduced. In addition, the power generation air passage portion 23a of the heat exchanger 23 and the evaporation portion 25a and the mixing portion 25b of the evaporator 25 are fixed so as to cover the open portion of the case 21a. Support of the air passage portion 23a and the evaporation portion 25a and the mixing portion 25b of the evaporator 25 can be simplified, and the fuel cell module 2 can be further reduced in size and cost.

また、本実施形態によれば、熱交換モジュール21をモジュールケース8の天板8aに固定したので(図4参照)、熱交換器23及び蒸発器25を簡単に確実に固定支持することができる。加えて、断熱材7aを挟んで熱交換モジュール21を支持したので(図2等参照)、断熱材7aの固定も容易化することができ、燃料電池モジュール2の小型化及び低コスト化が図れる。   Moreover, according to this embodiment, since the heat exchange module 21 was fixed to the top plate 8a of the module case 8 (see FIG. 4), the heat exchanger 23 and the evaporator 25 can be fixed and supported easily and reliably. . In addition, since the heat exchange module 21 is supported with the heat insulating material 7a interposed therebetween (see FIG. 2 and the like), the heat insulating material 7a can be easily fixed, and the fuel cell module 2 can be reduced in size and cost. .

本実施形態における他の観点では、改質器20に混合ガスが供給される入口(混合ガス供給口20a)側に対応するように、蒸発器25をモジュールケース8上方の断熱材7内に配置し、且つ、蒸発器25と改質器20の入口とを断熱材7及びモジュールケース8内を上下方向に横断する混合ガス供給管62によって連結したので(図2等参照)、蒸発器25と改質器20の入口との位置関係を最適化するという簡易な構成にて、混合ガス供給管62を最短にすることができ、上述したような蒸発器25をモジュールケース8の外部に設けた場合の問題点を解消することができる。具体的には、改質器20に供給される混合ガスの温度低下を抑制することができ(特に混合ガス中の水蒸気が液化することを抑制することができ)、改質器20での改質性能を確保することができる。
特に、本実施形態では、モジュールケース8内を横断するように蒸発器25と改質器20とを連通する混合ガス供給管62を構成したので、つまり混合ガス供給管62を改質器20に接続する過程でモジュールケース8内を通過させるよう構成したので、モジュールケース8内の排気ガスによって混合ガス供給管62内の混合ガスを加熱することができ、昇温させた混合ガスを改質器20に供給することができる。よって、蒸発器25をモジュールケース8の外部に設けた構成でも、改質器20での高い改質性能を簡易な構成にて実現することができる。
In another aspect of the present embodiment, the evaporator 25 is disposed in the heat insulating material 7 above the module case 8 so as to correspond to the inlet (mixed gas supply port 20a) side to which the mixed gas is supplied to the reformer 20. In addition, since the evaporator 25 and the inlet of the reformer 20 are connected by the mixed gas supply pipe 62 that vertically traverses the inside of the heat insulating material 7 and the module case 8 (see FIG. 2 and the like), the evaporator 25 With a simple configuration in which the positional relationship with the inlet of the reformer 20 is optimized, the mixed gas supply pipe 62 can be minimized, and the evaporator 25 as described above is provided outside the module case 8. The problem of the case can be solved. Specifically, the temperature drop of the mixed gas supplied to the reformer 20 can be suppressed (especially, the water vapor in the mixed gas can be suppressed from being liquefied). Quality performance can be secured.
In particular, in the present embodiment, the mixed gas supply pipe 62 that connects the evaporator 25 and the reformer 20 so as to cross the inside of the module case 8 is configured, that is, the mixed gas supply pipe 62 is connected to the reformer 20. Since it is configured to pass through the module case 8 in the process of connection, the mixed gas in the mixed gas supply pipe 62 can be heated by the exhaust gas in the module case 8, and the heated mixed gas is reformed. 20 can be supplied. Therefore, even with the configuration in which the evaporator 25 is provided outside the module case 8, high reforming performance in the reformer 20 can be realized with a simple configuration.

また、本実施形態によれば、改質器20において混合ガス供給口20aが設けられた側と反対側に対応する、モジュールケース8の天板8a上の位置に排気口11を形成し、この排気口11の上方に熱交換器23を配置したため(図2等参照)、高温の排気ガスを最短距離で熱交換器23に供給することができると共に、配置の工夫のみにより、熱交換器23において発電用空気と排気ガスとの間で熱交換を行わせる距離(つまり熱交換器23の水平方向の長さ)を長くすることができる。よって、簡易な構成にて、起動工程での熱量の少ない排気ガスでも、発電用空気を適切に昇温させることができ、燃料電池モジュール2における昇温時間を短縮することができると共に、安定起動を実現することができる。加えて、蒸発器25を熱交換器23の下流側で且つ改質器20の入口(混合ガス供給口20a)側に配置したため、無駄な熱交換を抑制して、蒸発器25の安定した蒸発性能を確保することができる。   Further, according to the present embodiment, the exhaust port 11 is formed at a position on the top plate 8a of the module case 8 corresponding to the side opposite to the side where the mixed gas supply port 20a is provided in the reformer 20, and this Since the heat exchanger 23 is disposed above the exhaust port 11 (see FIG. 2 and the like), high-temperature exhaust gas can be supplied to the heat exchanger 23 in the shortest distance, and the heat exchanger 23 can be provided only by arrangement. , The distance for heat exchange between the power generation air and the exhaust gas (that is, the horizontal length of the heat exchanger 23) can be increased. Therefore, with a simple configuration, even with exhaust gas with a small amount of heat in the startup process, the temperature of the power generation air can be appropriately raised, the temperature rise time in the fuel cell module 2 can be shortened, and stable startup is possible. Can be realized. In addition, since the evaporator 25 is arranged on the downstream side of the heat exchanger 23 and on the inlet side (mixed gas supply port 20a) side of the reformer 20, wasteful heat exchange is suppressed and stable evaporation of the evaporator 25 is performed. Performance can be ensured.

また、本実施形態によれば、排気ガスの流れ方向における上流側に蒸発器25の混合部25cを配置し、この混合部25cから混合ガス供給管62を介して混合ガスを改質器20に供給するので(図2等参照)、下流側の蒸発部20aにおいて気化に用いられていない比較的高温の排気ガスと、混合部25cにおいて温度を上げやすい気体の状態にある混合ガスとの間で熱交換を行わせることができ、混合部25cにおいて混合ガスを効果的に昇温させることができる。よって、改質器20の改質性能を安定化することができる。このような構成では、混合ガス供給管62を最短経路にすることができ、混合ガスの温度低下も適切に抑制される。   Further, according to the present embodiment, the mixing unit 25c of the evaporator 25 is disposed upstream in the exhaust gas flow direction, and the mixed gas is supplied from the mixing unit 25c to the reformer 20 through the mixed gas supply pipe 62. Since it supplies (refer FIG. 2 etc.), between the comparatively high temperature exhaust gas which is not used for vaporization in the downstream evaporation part 20a, and the mixed gas in the gas state which is easy to raise temperature in the mixing part 25c Heat exchange can be performed, and the temperature of the mixed gas can be effectively increased in the mixing unit 25c. Therefore, the reforming performance of the reformer 20 can be stabilized. In such a configuration, the mixed gas supply pipe 62 can be the shortest path, and the temperature drop of the mixed gas is appropriately suppressed.

また、上記のように蒸発器25をモジュールケース8の外部に設けた場合には、気化性能が低下するため、気化遅れに起因して水が混合ガス供給管62を落下して改質器20に供給され、混合不良が生じるおそれがあるが、本実施形態によれば、混合ガス供給管62の上流側の端部62bを、蒸発器25の蒸発部25a及び混合部25bの底面よりも上方に突出するように設けたので(図2参照)、水が混合ガス供給管62を落下して改質器20に供給されてしまうことを、混合ガス供給管62の配設の工夫による簡易な構成にて抑制することができる。   Further, when the evaporator 25 is provided outside the module case 8 as described above, the vaporization performance is deteriorated, so that water falls through the mixed gas supply pipe 62 due to the vaporization delay and the reformer 20. However, according to the present embodiment, the upstream end 62b of the mixed gas supply pipe 62 is located above the bottom of the evaporator 25a and the mixer 25b of the evaporator 25. 2 (see FIG. 2), the fact that water drops into the reformer 20 by being dropped in the mixed gas supply pipe 62 is simplified by the arrangement of the mixed gas supply pipe 62. It can be suppressed by the configuration.

また、上記のように、蒸発器25をモジュールケース8外に設け、改質器20をモジュールケース8内に設けて、これらをモジュールケース8内を横断する混合ガス供給管62によって連結すると、大きな温度差により、混合ガス供給管62に膨張差による応力が付与されて劣化してしまうおそれがあるが、本実施形態では、混合ガス供給管62においてモジュールケース8内に位置する部分に、熱膨張差を水平方向に吸収可能な蛇腹管62cを適用したので(図9参照)、このような大きな温度差による混合ガス供給管62の劣化を適切に抑制することができる。
加えて、本実施形態では、改質器20も、熱膨張を水平方向に吸収可能なように、モジュールケース8の天板8aに対して水平方向に摺動可能に取り付けたため(図8参照)、改質器20の応力緩和のみならず、混合ガス供給管62に改質器20の変形応力が作用することを抑制でき、上記した混合ガス供給管62の蛇腹管62cを簡素化することができると共に、混合ガス供給管62の改質器20等への連結強度も高くすることができる。
Further, as described above, if the evaporator 25 is provided outside the module case 8, the reformer 20 is provided in the module case 8, and these are connected by the mixed gas supply pipe 62 traversing the inside of the module case 8, Due to the temperature difference, the mixed gas supply pipe 62 may be deteriorated due to the stress due to the expansion difference. However, in this embodiment, the portion of the mixed gas supply pipe 62 located in the module case 8 is thermally expanded. Since the bellows tube 62c capable of absorbing the difference in the horizontal direction is applied (see FIG. 9), deterioration of the mixed gas supply tube 62 due to such a large temperature difference can be appropriately suppressed.
In addition, in this embodiment, the reformer 20 is also slidably attached to the top plate 8a of the module case 8 so as to be able to absorb the thermal expansion in the horizontal direction (see FIG. 8). Further, not only the stress relaxation of the reformer 20 but also the deformation stress of the reformer 20 acting on the mixed gas supply pipe 62 can be suppressed, and the above-described bellows pipe 62c of the mixed gas supply pipe 62 can be simplified. In addition, the connection strength of the mixed gas supply pipe 62 to the reformer 20 and the like can be increased.

また、本実施形態によれば、改質器20の貫通孔20b内を通過するように混合ガス供給管62を配置したので(図2等参照)、混合ガス供給管62をより一層最短経路にすることができると共に、モジュールケース8内において混合ガス供給管62内の混合ガスを排気ガスによって効率的に加熱することもできる。特に、本実施形態では、改質器20の貫通孔20bの傾斜面20eを、水平方向において排気口11に対応する改質器20の一側端側から離間した位置において、排気ガスを混合ガス供給管62に指向させるように形成したので、改質器20の貫通孔20b内に位置する混合ガス供給管62内の混合ガスを効果的に加熱することができ、高い温度の混合ガスを改質器20に供給して、改質器20の改質性能を高めることができる。   Further, according to the present embodiment, since the mixed gas supply pipe 62 is disposed so as to pass through the through hole 20b of the reformer 20 (see FIG. 2 and the like), the mixed gas supply pipe 62 is further shortened. In addition, the mixed gas in the mixed gas supply pipe 62 can be efficiently heated by the exhaust gas in the module case 8. In particular, in the present embodiment, the exhaust gas is mixed gas at a position where the inclined surface 20e of the through hole 20b of the reformer 20 is separated from the one side end side of the reformer 20 corresponding to the exhaust port 11 in the horizontal direction. Since it is formed so as to be directed to the supply pipe 62, the mixed gas in the mixed gas supply pipe 62 located in the through hole 20b of the reformer 20 can be effectively heated, and the high temperature mixed gas can be modified. The reforming performance of the reformer 20 can be enhanced by supplying it to the mass device 20.

本実施形態における更に他の観点では、改質器20における混合ガスの流れ方向において改質部20cの上流側に予熱部20bを設けたので(図2等参照)、この予熱部20bにおいてその周囲を流れる排気ガスによって混合ガスを適切に昇温させることができる。そのため、適温にまで昇温された混合ガスを改質部20cに供給することができ、改質部20cでの改質性能を安定化することができる。   In still another aspect of the present embodiment, the preheating unit 20b is provided upstream of the reforming unit 20c in the flow direction of the mixed gas in the reformer 20 (see FIG. 2 and the like). The mixed gas can be appropriately heated by the exhaust gas flowing through. Therefore, the mixed gas heated to an appropriate temperature can be supplied to the reforming unit 20c, and the reforming performance in the reforming unit 20c can be stabilized.

また、本実施形態によれば、改質器20の予熱部20bを、燃料電池セル集合体12の上端の直上で、且つ、燃焼室18による燃焼熱及び排気ガスに曝される位置に配置したので(図2等参照)、改質器20の予熱部20bにおいて混合ガスを適切に昇温することができ、上述した蒸発器25をモジュールケース8の外部に設けた場合の問題点を解消することができる。特に、本実施形態によれば、改質器20の貫通孔20bの傾斜面20eや、モジュールケース8の内側面上に設けた排気ガイド板80によって、燃焼室18で生成された排気ガスを積極的に改質器20の予熱部20bに指向させたので(図2等参照)、起動工程での少ない熱量の排気ガスによっても、改質器20の改質部20cに供給する混合ガスを適切に昇温し、改質部20cでの改質性能を速やかに安定化することができる。
加えて、本実施形態では、上記のように改質器20の予熱部20bに指向された排気ガスが、この予熱部20bに衝突した後に折り返して排気口11に指向されるように構成したので、予熱部20bに向かう排気ガスが減ることなく、混合ガスを確実に加熱することができる。この場合、排気ガスの折り返しによる圧損向上を利用して、排気ガスと予熱部20b内の混合ガスとの長い熱交換時間を確保することができ、簡易な構成にて、より安定的に混合ガスを加熱することができる。
Further, according to the present embodiment, the preheater 20b of the reformer 20 is disposed immediately above the upper end of the fuel cell assembly 12 and at a position exposed to the combustion heat and exhaust gas from the combustion chamber 18. Therefore (see FIG. 2 etc.), the temperature of the mixed gas can be appropriately raised in the preheating section 20b of the reformer 20, and the problem in the case where the evaporator 25 is provided outside the module case 8 is solved. be able to. Particularly, according to the present embodiment, the exhaust gas generated in the combustion chamber 18 is positively generated by the inclined surface 20e of the through hole 20b of the reformer 20 and the exhaust guide plate 80 provided on the inner side surface of the module case 8. Since it is directed to the preheating section 20b of the reformer 20 (see FIG. 2 and the like), the mixed gas supplied to the reforming section 20c of the reformer 20 is appropriately applied even with a small amount of exhaust gas in the starting process. It is possible to quickly stabilize the reforming performance in the reforming section 20c.
In addition, in the present embodiment, as described above, the exhaust gas directed to the preheating unit 20b of the reformer 20 is folded back after colliding with the preheating unit 20b and directed to the exhaust port 11. The mixed gas can be reliably heated without reducing the exhaust gas toward the preheating unit 20b. In this case, it is possible to secure a long heat exchange time between the exhaust gas and the mixed gas in the preheating unit 20b by utilizing the pressure loss improvement due to the return of the exhaust gas, and the mixed gas is more stably with a simple configuration. Can be heated.

また、本実施形態によれば、混合ガス供給管62にも予熱部62aを設けたので、改質器20に供給する混合ガスをより一層確実に加熱することができる。特に、本実施形態では、混合ガス供給管62の予熱部62aを、混合ガスの流れ方向における下流側の部分に設け、燃焼室18からの排気ガスをこの予熱部62aに衝突させるように(つまり予熱部62aが燃焼熱や排気ガスに積極的に曝されるように)、燃料電池セル集合体12の上端部によって形成される仮想平面と平行になるように配置したので(図2等参照)、簡易な構成にて混合ガスを加熱することができる。   Moreover, according to this embodiment, since the preheating part 62a was also provided in the mixed gas supply pipe 62, the mixed gas supplied to the reformer 20 can be heated more reliably. In particular, in the present embodiment, the preheating portion 62a of the mixed gas supply pipe 62 is provided in a downstream portion in the flow direction of the mixed gas so that the exhaust gas from the combustion chamber 18 collides with the preheating portion 62a (that is, Since the preheating portion 62a is positively exposed to combustion heat and exhaust gas), it is arranged so as to be parallel to the virtual plane formed by the upper end portion of the fuel cell assembly 12 (see FIG. 2 and the like). The mixed gas can be heated with a simple configuration.

また、本実施形態によれば、混合ガス供給管62の予熱部62aから改質器20の予熱部20bに噴出された混合ガスが、改質器20の予熱部20bにおいて拡張されて流速が低下するように構成したので、簡易な構成にて、改質器20の予熱部20b内の混合ガスと排気ガスとの熱交換時間を大きくすることができ、混合ガスを効果的に昇温させることができる。加えて、本実施形態では、改質器20の予熱部20b内の混合ガスが、予熱部20bの下流端側の壁面20kに衝突して折り返して改質部20cに流入するように構成したので、改質部20cの容積を犠牲にして予熱部20bの容積を拡大することなく、予熱部20bを形成する壁面を介した効果的な熱交換や、熱交換時間の拡大を適切に実現することができる。加えて、本実施形態によれば、混合ガスが改質器20の予熱部20b内を上記したように流れることで、この予熱部20bでの混合ガスの混合性を向上させることができる。   Further, according to the present embodiment, the mixed gas ejected from the preheating part 62a of the mixed gas supply pipe 62 to the preheating part 20b of the reformer 20 is expanded in the preheating part 20b of the reformer 20, and the flow velocity is reduced. With this configuration, the heat exchange time between the mixed gas and the exhaust gas in the preheater 20b of the reformer 20 can be increased with a simple configuration, and the mixed gas can be effectively heated. Can do. In addition, in the present embodiment, since the mixed gas in the preheating unit 20b of the reformer 20 collides with the wall surface 20k on the downstream end side of the preheating unit 20b, is turned back and flows into the reforming unit 20c. In order to appropriately realize effective heat exchange and expansion of heat exchange time through the wall surface forming the preheating portion 20b without increasing the volume of the preheating portion 20b at the expense of the volume of the reforming portion 20c. Can do. In addition, according to the present embodiment, the mixed gas flows in the preheating portion 20b of the reformer 20 as described above, so that the mixing property of the mixed gas in the preheating portion 20b can be improved.

また、本実施形態によれば、混合ガス供給管62の予熱部62aを改質器20の貫通孔20d内に配置したため(図2等参照)、混合ガス供給管62の予熱部62aにおいて効果的に混合ガスを昇温させることができる。特に、本実施形態では、改質器20の貫通孔20dの傾斜面20eによって、改質器20の予熱部20b及び混合ガス供給管62の予熱部62aに向けて排気ガスを指向させたので、構造を複雑化することなく、改質器20及び混合ガス供給管62の予熱部20b、62aでの混合ガスと排気ガスとの効率的な熱交換を実現することができる。   Moreover, according to this embodiment, since the preheating part 62a of the mixed gas supply pipe 62 is disposed in the through hole 20d of the reformer 20 (see FIG. 2 and the like), the preheating part 62a of the mixed gas supply pipe 62 is effective. The temperature of the mixed gas can be increased. In particular, in the present embodiment, the exhaust gas is directed toward the preheating unit 20b of the reformer 20 and the preheating unit 62a of the mixed gas supply pipe 62 by the inclined surface 20e of the through hole 20d of the reformer 20, Without complicating the structure, efficient heat exchange between the mixed gas and the exhaust gas in the preheating units 20b and 62a of the reformer 20 and the mixed gas supply pipe 62 can be realized.

本実施形態における更に他の観点では、改質器20を、上下方向においてモジュールケース8の天板8aと所定距離隔てて、水平方向に摺動可能にこの天板8aに対して固定したので、つまり改質器20をモジュールケース8の天板8aからつり下げたので(図2及び図3等参照)、燃料電池モジュール2の小型化及び低コスト化を実現することができる。これについて具体的に説明する。改質器の底板にブラケットなどの支持部材を用いて下方から支持する比較例に係る構成では、高温になる燃料電池セルユニット16と距離を空けて支持部材を配置していたため、燃料電池モジュールが大型化し、また、高温に耐え得る支持部材を用いていたため、高コスト化していた。これに対して、本実施形態のように、改質器20をモジュールケース8の天板8aからつり下げた場合には、比較例のように燃料電池セルユニット16との距離を確保する必要がないので、燃料電池モジュール2を小型化することができ、また、比較例のように高温に耐え得る支持部材を用いる必要がないので、改質器20の支持機構を低コスト化することができる。
加えて、本実施形態では、改質器20に一体的に形成された排気通路壁(具体的には筒状部20h)によって、モジュールケース8の天板8aに形成された排気口11と連通する第2排気通路72をモジュールケース8内に形成したので(図2及び図5等参照)、排気ガスを排出する排気性能を確保しつつ、上記の排気通路壁をモジュールケース8の天板8aへの改質器20の支持部材として兼用したことにより、燃料電池モジュール2をより一層小型化することができる。
In still another aspect of the present embodiment, the reformer 20 is fixed to the top plate 8a so as to be slidable in the horizontal direction at a predetermined distance from the top plate 8a of the module case 8 in the vertical direction. That is, since the reformer 20 is suspended from the top plate 8a of the module case 8 (see FIG. 2 and FIG. 3), the fuel cell module 2 can be reduced in size and cost. This will be specifically described. In the configuration according to the comparative example in which the bottom plate of the reformer is supported from below using a support member such as a bracket, the support member is arranged at a distance from the fuel cell unit 16 that is at a high temperature. The use of a supporting member that is large in size and can withstand high temperatures increases the cost. On the other hand, when the reformer 20 is suspended from the top plate 8a of the module case 8 as in this embodiment, it is necessary to ensure the distance from the fuel cell unit 16 as in the comparative example. Therefore, the fuel cell module 2 can be reduced in size, and since it is not necessary to use a support member that can withstand high temperatures as in the comparative example, the cost of the support mechanism of the reformer 20 can be reduced. .
In addition, in this embodiment, the exhaust passage wall (specifically, the cylindrical portion 20h) integrally formed with the reformer 20 communicates with the exhaust port 11 formed in the top plate 8a of the module case 8. Since the second exhaust passage 72 is formed in the module case 8 (see FIGS. 2 and 5 and the like), the above-described exhaust passage wall is used as the top plate 8a of the module case 8 while ensuring the exhaust performance of exhaust gas exhaust. The fuel cell module 2 can be further reduced in size by using it as a supporting member for the reformer 20.

また、本実施形態によれば、上記した第2排気通路72の排気通路壁を、改質器20の天板20gの縁端部から上方に延びる筒状部20hによって形成すると共に、モジュールケース8の天板8aにおいて排気口11が設けられた側と反対側に対応する筒状部20h上の箇所に、第2排気通路72へ排気ガスを導入する排気ガス導入口としての切り欠き部20iを形成したので(図2及び図5等参照)、排気流が最適化するため、天板8a上での排気口11の配置自由度を高めることができ、熱交換器23などを小型化することが可能となる。加えて、モジュールケース8の天板8aに対して改質器20を支持するための部分である筒状部20hを切り欠くことにより、天板8aに対する改質器20の支持を確保しつつ、排気ガス導入口を簡単に形成することができる。   Further, according to the present embodiment, the exhaust passage wall of the second exhaust passage 72 described above is formed by the cylindrical portion 20 h extending upward from the edge of the top plate 20 g of the reformer 20, and the module case 8. A notch 20i as an exhaust gas introduction port for introducing exhaust gas into the second exhaust passage 72 is provided at a location on the cylindrical portion 20h corresponding to the opposite side of the top plate 8a on which the exhaust port 11 is provided. Since it is formed (see FIG. 2 and FIG. 5 etc.), the exhaust flow is optimized, so the degree of freedom of arrangement of the exhaust port 11 on the top plate 8a can be increased, and the heat exchanger 23 and the like can be downsized. Is possible. In addition, while securing the support of the reformer 20 with respect to the top plate 8a by notching the cylindrical portion 20h that is a portion for supporting the reformer 20 with respect to the top plate 8a of the module case 8, The exhaust gas inlet can be easily formed.

また、本実施形態によれば、改質器20の切り欠き部20i(排気ガス導入口)に対応するモジュールケース8の内側面上の位置に、この切り欠き部20iに排気ガスを指向させる排気ガイド板81を設けたので(図3参照)、改質器20の天板20gとモジュールケース8の天板8aとの距離を小さくしても、つまり第2排気通路72の上下方向の幅を小さくしても、改質器20の切り欠き部20iから第2排気通路72内へ排気ガスを確実に導入させることができる。これについて具体的に説明する。
上記したように改質器20をモジュールケース8の天板8aからつり下げる構成では、改質器20を天板8aに対して支持させる部材(具体的には筒状部20h)を、改質器20が重いこと及び高温になると支持部材の強度が下がることにより、あまり長くすることができない、即ち改質器20の天板20gとモジュールケース8の天板8aとの距離を長くしにくい。そのため、第2排気通路72の上下方向の幅が小さくなり、第2排気通路72に排気ガスを導入させにくくなる、即ち、排気ガス導入口としての筒状部20hの切り欠き部20iから第2排気通路72内へ排気ガスを導入させにくくなる。したがって、本実施形態では、排気ガス導入口としての切り欠き部20iに排気ガスを指向させる排気ガイド板81を設けた。これにより、改質器20の天板20gとモジュールケース8の天板8aとの距離を小さくしても、改質器20の切り欠き部20iから第2排気通路72内へ排気ガスを確実に導入させることができるので、燃料電池モジュール2を小型化することが可能となる。
Further, according to the present embodiment, the exhaust gas that directs the exhaust gas to the notch 20i at a position on the inner surface of the module case 8 corresponding to the notch 20i (exhaust gas introduction port) of the reformer 20. Since the guide plate 81 is provided (see FIG. 3), even if the distance between the top plate 20g of the reformer 20 and the top plate 8a of the module case 8 is reduced, that is, the vertical width of the second exhaust passage 72 is increased. Even if it is made smaller, the exhaust gas can be reliably introduced into the second exhaust passage 72 from the notch 20 i of the reformer 20. This will be specifically described.
In the configuration in which the reformer 20 is suspended from the top plate 8a of the module case 8 as described above, a member (specifically, the cylindrical portion 20h) that supports the reformer 20 with respect to the top plate 8a is reformed. If the vessel 20 is heavy and has a high temperature, the strength of the support member decreases, so that it cannot be made too long, that is, it is difficult to increase the distance between the top plate 20g of the reformer 20 and the top plate 8a of the module case 8. For this reason, the vertical width of the second exhaust passage 72 is reduced, making it difficult to introduce exhaust gas into the second exhaust passage 72, that is, from the notch 20i of the cylindrical portion 20h as the exhaust gas introduction port to the second. It becomes difficult to introduce the exhaust gas into the exhaust passage 72. Therefore, in this embodiment, the exhaust guide plate 81 for directing the exhaust gas is provided in the notch 20i as the exhaust gas introduction port. Thereby, even if the distance between the top plate 20g of the reformer 20 and the top plate 8a of the module case 8 is reduced, the exhaust gas is reliably supplied from the notch 20i of the reformer 20 into the second exhaust passage 72. Since it can be introduced, the fuel cell module 2 can be miniaturized.

また、上記のように第2排気通路72の上下方向の幅を小さくすると、圧損が高くなり排気性能が低下するが、本実施形態では、改質器20に貫通孔20dを設けて、この貫通孔20dからも第2排気通路72内に排気ガスを導入させるので(図2等参照)、圧損が高くても第2排気通路72内に排気ガスを確実に導入させることができる。この場合、改質器20の上面(具体的には改質器20の天板20g)に回り込む高温の排気ガスの量が増えるため、排気ガスによる改質器20の昇温性能を高めることができる。   Further, if the vertical width of the second exhaust passage 72 is reduced as described above, the pressure loss increases and the exhaust performance decreases, but in the present embodiment, the reformer 20 is provided with a through hole 20d and this penetration is reduced. Since the exhaust gas is also introduced into the second exhaust passage 72 from the hole 20d (see FIG. 2 and the like), the exhaust gas can be reliably introduced into the second exhaust passage 72 even if the pressure loss is high. In this case, since the amount of high-temperature exhaust gas that goes around the upper surface of the reformer 20 (specifically, the top plate 20g of the reformer 20) increases, the temperature rise performance of the reformer 20 by the exhaust gas can be improved. it can.

また、本実施形態によれば、モジュールケース8の天板8aにおいて排気口11が設けられた側と反対側に対応する改質器20上の箇所に貫通孔20dを形成したので、簡易な構成にて排気流を最適化することができ、モジュールケース8内及び改質器20全体を均一に昇温させることが可能となる。   Moreover, according to this embodiment, since the through-hole 20d was formed in the location on the reformer 20 corresponding to the opposite side to the side in which the exhaust port 11 was provided in the top plate 8a of the module case 8, simple structure As a result, the exhaust flow can be optimized, and the temperature inside the module case 8 and the entire reformer 20 can be raised uniformly.

また、本実施形態によれば、改質器20の筒状部20hの上端部に設けたフランジ部20jをモジュールケース8の天板8aの支持部8dに係合させて、改質器20をモジュールケース8の天板8aに対して水平方向に摺動可能に支持させたので(図8参照)、改質器20の熱膨張を適切に吸収することができる。この場合、モジュールケース8の天板8aに対する改質器20の支持機構によって改質器20の熱膨張を吸収するので、熱膨張を吸収する装置を別途適用する必要がなく、燃料電池モジュール2を小型化することができる。加えて、改質器20のフランジ部20jをモジュールケース8の天板8aの支持部8dに係合させることにより、これらのフランジ部20jと支持部8dとの間での排気ガスの流動が抑制されるので、第2排気通路72としての性能(具体的には気密性)を適切に確保することができる。   Further, according to the present embodiment, the flange portion 20j provided at the upper end portion of the cylindrical portion 20h of the reformer 20 is engaged with the support portion 8d of the top plate 8a of the module case 8, so that the reformer 20 is Since the module case 8 is supported so as to be slidable in the horizontal direction with respect to the top plate 8a (see FIG. 8), the thermal expansion of the reformer 20 can be appropriately absorbed. In this case, since the thermal expansion of the reformer 20 is absorbed by the support mechanism of the reformer 20 with respect to the top plate 8a of the module case 8, it is not necessary to separately apply a device for absorbing thermal expansion, and the fuel cell module 2 It can be downsized. In addition, by engaging the flange portion 20j of the reformer 20 with the support portion 8d of the top plate 8a of the module case 8, the flow of exhaust gas between the flange portion 20j and the support portion 8d is suppressed. Therefore, the performance (specifically, airtightness) as the second exhaust passage 72 can be appropriately ensured.

また、本実施形態によれば、燃料電池セルユニット16側に突出するような凸部8cをモジュールケース8の側板8bに一体形成して(図4参照)、複数の燃料電池セルユニット16の各々に対する周囲からの熱の反射を均等にするので、熱の反射板を別途用いる必要がなく、燃料電池モジュール2を小型化することができる。   Further, according to the present embodiment, the protruding portion 8c that protrudes toward the fuel cell unit 16 is integrally formed on the side plate 8b of the module case 8 (see FIG. 4), and each of the plurality of fuel cell units 16 is formed. Since heat reflection from the surroundings is made uniform, there is no need to use a separate heat reflection plate, and the fuel cell module 2 can be downsized.

次に、図12を参照して、本発明の第1実施形態の変形例による蒸発器について説明する。図12は、本発明の第1実施形態の変形例による蒸発器の概略断面図である。ここでは、上述した蒸発器25と異なる構成のみを説明する。   Next, an evaporator according to a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of an evaporator according to a modification of the first embodiment of the present invention. Here, only a configuration different from the evaporator 25 described above will be described.

図12に示すように、変形例による蒸発器25Xは、上層の蒸発部25aの内部には、セラミックボール25eが充填配置され、下層の排気通路部25cの内部には、排気ガスの浄化機能を有する排気浄化触媒(言い換えると燃焼触媒)を担持したセラミックボール25fが充填配置され、蒸発部25aと排気通路部25cとの境界面が凹凸面25gによって形成されている。また、蒸発器25Xは、蒸発部25aの上部に、セラミックヒータなどの加熱ヒータ25dが設けられている。つまり、蒸発器25Xにおいては、加熱ヒータ25d、蒸発部25a(混合部25dも含む)、排気通路部25cが、この順に上から下に配置されており、加熱ヒータ25dの上部及び排気通路部25cの下部に上記した断熱材7(図12では図示せず。図2及び図3参照)が配置されている。   As shown in FIG. 12, the evaporator 25X according to the modification has an upper-layer evaporator 25a filled with ceramic balls 25e, and a lower-layer exhaust passage 25c has an exhaust gas purification function. A ceramic ball 25f carrying an exhaust purification catalyst (in other words, a combustion catalyst) is filled and disposed, and a boundary surface between the evaporation portion 25a and the exhaust passage portion 25c is formed by an uneven surface 25g. In addition, the evaporator 25X is provided with a heater 25d such as a ceramic heater on the upper part of the evaporator 25a. That is, in the evaporator 25X, the heater 25d, the evaporator 25a (including the mixing unit 25d), and the exhaust passage 25c are arranged in this order from top to bottom, and the upper portion of the heater 25d and the exhaust passage 25c. The above-described heat insulating material 7 (not shown in FIG. 12, see FIG. 2 and FIG. 3) is arranged at the lower part of FIG.

このように、排気通路部25c内に排気浄化触媒が充填された蒸発器25Xでは、多くのCOを含む排気ガスが発生する冷間起動時において、排気通路部25c内の排気浄化触媒がCOを除去する際に発熱し(排気浄化触媒によるCOを除去する改質は発熱反応であるため)、この排気浄化触媒が発生する熱(酸化反応熱)により蒸発部25aを下方から加熱することができる。つまり、排気通路部25cを通過する排気ガスの熱だけでなく、排気通路部25c内の排気浄化触媒が発生する酸化反応熱により、蒸発部25aを加熱することができる。これにより、比較的簡易な蒸発器25Xの構成にて、蒸発部25a内の水の安定的な気化を促進することができると共に、蒸発部25aで発生された水蒸気を改質器20に確実に供給することで、改質器20の安定的な改質を実現することができる。   In this way, in the evaporator 25X in which the exhaust gas passage portion 25c is filled with the exhaust gas purification catalyst, the exhaust gas purification catalyst in the exhaust gas passage portion 25c generates CO during cold start when exhaust gas containing a large amount of CO is generated. It generates heat when it is removed (since reforming to remove CO by the exhaust purification catalyst is an exothermic reaction), and the evaporation section 25a can be heated from below by the heat (oxidation reaction heat) generated by the exhaust purification catalyst. . That is, the evaporation section 25a can be heated not only by the heat of the exhaust gas passing through the exhaust passage section 25c but also by the oxidation reaction heat generated by the exhaust purification catalyst in the exhaust passage section 25c. Thus, with a relatively simple configuration of the evaporator 25X, stable vaporization of water in the evaporator 25a can be promoted, and the steam generated in the evaporator 25a can be reliably supplied to the reformer 20. By supplying, stable reforming of the reformer 20 can be realized.

また、加熱ヒータ25dを蒸発部25aの上部に設けたため、この加熱ヒータ25dを冷間起動時に使用することで、上記のように排気通路部25c内の排気浄化触媒が発生する酸化反応熱だけでなく、加熱ヒータ25dによる熱も蒸発部25aに伝達させることができ、つまり蒸発部25aを上方及び下方の両方から加熱することができ、蒸発部25aにおける安定的な気化及び改質器20の安定的な改質を効果的に確保することができる。この場合、単一の加熱ヒータ25dを、冷間起動時に排気通路部25c内の排気浄化触媒を活性化させるために加熱する用途と、上記のように蒸発部25aを加熱する用途とに適切に兼用することができ、これら2つの用途のための2つの加熱ヒータを適用する必要はない。   Further, since the heater 25d is provided at the upper portion of the evaporation section 25a, the use of the heater 25d at the time of cold start allows only the oxidation reaction heat generated by the exhaust purification catalyst in the exhaust passage section 25c as described above. In addition, the heat generated by the heater 25d can be transmitted to the evaporator 25a, that is, the evaporator 25a can be heated from both above and below, and stable vaporization and stabilization of the reformer 20 can be performed in the evaporator 25a. Effective reforming can be ensured. In this case, the single heater 25d is appropriately used for heating in order to activate the exhaust purification catalyst in the exhaust passage portion 25c at the time of cold start, and for using the evaporator 25a as described above. There is no need to apply two heaters for these two applications.

特に、蒸発部25a及び排気通路部25cの両方の内部にセラミックボール25e、25fを充填したことで、つまり加熱ヒータ25dの熱を蒸発部25aから排気通路部25cまで掛け渡すようにセラミックボール25e、25fを蒸発部25a内及び排気通路部25c内の全体に渡って充填配置したことで、セラミックボール25e、25fを熱伝導部材として、加熱ヒータ25dの熱を蒸発部25aを介して排気通路部25cに効率的に伝達させることができる(図12中の矢印A1参照)。セラミックボール25e、25fを充填配置するという簡易な構成にて、単一の加熱ヒータ25dにより、排気通路部25c内の排気浄化触媒を速やかに活性化させることができ、この排気浄化触媒の酸化反応熱によって蒸発部25aを下方から効果的に加熱することができる。   In particular, the ceramic balls 25e and 25f are filled in both the evaporation section 25a and the exhaust passage section 25c, that is, the ceramic balls 25e and 25f are transferred so that the heat of the heater 25d is passed from the evaporation section 25a to the exhaust passage section 25c. 25f is filled and arranged in the evaporation section 25a and the entire exhaust passage section 25c, so that the ceramic balls 25e and 25f are used as heat conducting members, and the heat of the heater 25d is exhausted through the evaporation section 25a to the exhaust passage section 25c. (See arrow A1 in FIG. 12). With a simple configuration in which the ceramic balls 25e and 25f are filled and arranged, the exhaust purification catalyst in the exhaust passage 25c can be quickly activated by the single heater 25d, and the oxidation reaction of the exhaust purification catalyst The evaporation part 25a can be effectively heated from below by heat.

また、蒸発部25aと排気通路部25cとの境界面を凹凸面25gによって形成したことで、蒸発部25aと排気通路部25cとの境界面を挟んだセラミックボール25eとセラミックボール25fとの接触面積が拡大するので、セラミックボール25e、25fを介した加熱ヒータ25dの熱の効果的な掛け渡しを実現することができる。   Further, since the boundary surface between the evaporation portion 25a and the exhaust passage portion 25c is formed by the uneven surface 25g, the contact area between the ceramic ball 25e and the ceramic ball 25f sandwiching the boundary surface between the evaporation portion 25a and the exhaust passage portion 25c. Therefore, effective heat transfer from the heater 25d through the ceramic balls 25e and 25f can be realized.

次に、図13を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の製造方法について説明する。図13は、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の製造方法を示すフローチャートである。
まず、ステップS1では、モジュールケース8の側板8bと別体に構成された、このモジュールケース8の天板8aに対して、改質器20と、熱交換器23及び蒸発器25を含む熱交換モジュール21とを固定するサブアッセンブリー工程が行われる。具体的には、サブアッセンブリー工程では、モジュールケース8の天板8aの下面に対して改質器20を固定すると共に、モジュールケース8の天板8aの上面に対して熱交換モジュール21及び断熱材7を固定する。
そして、ステップS2では、サブアッセンブリー工程で改質器20及び熱交換モジュール21が固定された天板8aを側板8bに固定してモジュールケース8を組み立てるモジュールケース組立工程が行われる。
Next, with reference to FIG. 13, the manufacturing method of the solid oxide fuel cell apparatus by 1st Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 13 is a flowchart showing a method of manufacturing the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention.
First, in step S1, heat exchange including the reformer 20, the heat exchanger 23, and the evaporator 25 is performed on the top plate 8a of the module case 8 that is configured separately from the side plate 8b of the module case 8. A subassembly process for fixing the module 21 is performed. Specifically, in the subassembly process, the reformer 20 is fixed to the lower surface of the top plate 8 a of the module case 8, and the heat exchange module 21 and the heat insulating material are attached to the upper surface of the top plate 8 a of the module case 8. 7 is fixed.
In step S2, a module case assembling process is performed in which the module case 8 is assembled by fixing the top plate 8a to which the reformer 20 and the heat exchange module 21 are fixed to the side plate 8b in the sub-assembly process.

このような本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の製造方法によれば、天板8aを測板8bと別体にして、天板8aに予め改質器20及び熱交換モジュール21をサブアッセンブリーするようにしたので、モジュールケース8に対する改質器20及び熱交換モジュール21の組み付けを容易に行うことができる。   According to the method of manufacturing the solid oxide fuel cell device according to this embodiment, the top plate 8a is separated from the measuring plate 8b, and the reformer 20 and the heat exchange module 21 are sub-mounted on the top plate 8a in advance. Since the assembly is performed, the reformer 20 and the heat exchange module 21 can be easily assembled to the module case 8.

なお、上記した実施形態では、改質器20を水平方向に摺動可能にモジュールケース8の天板8aに対して固定していたが(図8参照)、他の実施形態では、改質器20を水平方向に移動不能にモジュールケース8の天板8aに対して固定してもよい。   In the above-described embodiment, the reformer 20 is fixed to the top plate 8a of the module case 8 so as to be slidable in the horizontal direction (see FIG. 8). In other embodiments, the reformer is You may fix 20 with respect to the top plate 8a of the module case 8 so that a movement in a horizontal direction is impossible.

また、上記した実施形態では、改質器20に一つの貫通孔20dのみを設けていたが(図5参照)、他の実施形態では、改質器20に、貫通孔20dと同様の貫通孔を二つ以上設けてもよい。その場合、二つ以上の貫通孔のいずれか一つの貫通孔内に混合ガス供給管62を設ければよい。   In the above-described embodiment, only one through-hole 20d is provided in the reformer 20 (see FIG. 5). In other embodiments, the reformer 20 has a through-hole similar to the through-hole 20d. Two or more may be provided. In that case, the mixed gas supply pipe 62 may be provided in any one of the two or more through holes.

<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)について説明する。
Second Embodiment
Next, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to a second embodiment of the present invention will be described.

なお、以下では、上述した第1実施形態と同一の構成及び作用効果については、それらの説明を適宜省略し、第1実施形態と異なる構成及び作用効果についてのみ説明を行う。つまり、ここで特に説明しない構成及び作用効果は、第1実施形態と同様である。   In the following description, the description of the same configurations and operational effects as those of the first embodiment described above will be omitted as appropriate, and only the configurations and operational effects different from those of the first embodiment will be described. That is, configurations and operational effects not specifically described here are the same as those in the first embodiment.

図14は、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置を示す全体構成図である。この図1に示すように、第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置1Xは、第1実施形態で示した燃料電池モジュール2の代わりに、燃料電池モジュール2Xを備えている。   FIG. 14 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell device according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell device 1X according to the second embodiment includes a fuel cell module 2X instead of the fuel cell module 2 shown in the first embodiment.

上述した第1実施形態による燃料電池モジュール2は、モジュールケース8外部の断熱材7内に熱交換器23及び蒸発器25を含む熱交換モジュール21が設けられていたが、第2実施形態による燃料電池モジュール2Xは、そのような熱交換モジュール21を具備せず、モジュールケース8外部の断熱材7内に蒸発器125が設けられている。また、第2実施形態による燃料電池モジュール2Xは、第1実施形態で示した改質器20と構成が異なる改質器120を有する。   In the fuel cell module 2 according to the first embodiment described above, the heat exchange module 21 including the heat exchanger 23 and the evaporator 25 is provided in the heat insulating material 7 outside the module case 8, but the fuel according to the second embodiment. The battery module 2 </ b> X does not include such a heat exchange module 21, and an evaporator 125 is provided in the heat insulating material 7 outside the module case 8. Further, the fuel cell module 2X according to the second embodiment has a reformer 120 having a configuration different from that of the reformer 20 shown in the first embodiment.

次に、図15乃至図17を参照して、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について具体的に説明する。図15は、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図16は、図15のXVI-XVI線に沿った断面図であり、図17は、ハウジング及び断熱材が取り外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。   Next, the structure of the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 15 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a sectional view taken along line XVI-XVI in FIG. FIG. 17 is a perspective view showing the fuel cell module with the housing and the heat insulating material removed.

図15及び図16に示すように、燃料電池モジュール2Xは、主に、上述したように、断熱材7内で且つモジュールケース8の外部に設けられた蒸発器125を有すると共に、モジュールケース8の内部に設けられた、燃料電池セル集合体12及び改質器120を有する。   As shown in FIGS. 15 and 16, the fuel cell module 2 </ b> X mainly includes the evaporator 125 provided inside the heat insulating material 7 and outside the module case 8 as described above. The fuel cell assembly 12 and the reformer 120 are provided inside.

蒸発器125は、モジュールケース8の天板8a上に固定されている(図17参照)。また、熱交換モジュール21とモジュールケース8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分7aが配置され、この断熱材7の一部分7aも、モジュールケース8の天板8a上に固定されている(図15及び図16参照)。   The evaporator 125 is fixed on the top plate 8a of the module case 8 (see FIG. 17). Further, a portion 7 a of the heat insulating material 7 is disposed between the heat exchange module 21 and the module case 8 so as to fill these gaps, and the portion 7 a of the heat insulating material 7 is also disposed on the top plate 8 a of the module case 8. (See FIGS. 15 and 16).

具体的には、蒸発器125は、水平方向における一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する燃料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82とが接続され(図17参照)、水平方向における他側端側に、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口111に連結された第1排気通路171が接続されている(図15参照)。この排気口111は、モジュールケース8内の燃焼室18で生成された排気ガスをモジュールケース8の外へ排出する開口部であり、モジュールケース8の天板8aのほぼ中央部に形成されており、蒸発器125は、このような排気口111の上方の断熱材7内に配置されている。   Specifically, the evaporator 125 has a fuel supply pipe 63 for supplying water and raw fuel gas (which may include reforming air) to one end in the horizontal direction, and exhaust gas for exhaust. The first exhaust passage 171 connected to the exhaust port 111 formed on the top plate 8a of the module case 8 is connected to the other end in the horizontal direction (see FIG. 17). Are connected (see FIG. 15). The exhaust port 111 is an opening for exhausting the exhaust gas generated in the combustion chamber 18 in the module case 8 to the outside of the module case 8, and is formed at a substantially central portion of the top plate 8 a of the module case 8. The evaporator 125 is disposed in the heat insulating material 7 above the exhaust port 111.

また、蒸発器125は、図15に示すように、上下方向に二層構造となっており、モジュールケース8側に位置する下層部分には、上記した第1排気通路171から供給された排気ガスが通過する排気通路部125cが形成されている。加えて、蒸発器125は、排気通路部125cの上部に位置する上層部分には、燃料供給配管63から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部125aと、この蒸発部125aよりも排気ガスの流れ方向における上流側に設けられ、蒸発部125aで生成された水蒸気と燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部125bと、が形成されている。例えば、蒸発器125の蒸発部125a及び混合部125bは、複数の連通孔が設けられた仕切り板により蒸発器125を仕切った空間にて形成される。   Further, as shown in FIG. 15, the evaporator 125 has a two-layer structure in the vertical direction, and an exhaust gas supplied from the first exhaust passage 171 is provided in a lower layer portion located on the module case 8 side. An exhaust passage portion 125c through which the gas passes is formed. In addition, the evaporator 125 has, in an upper layer portion located above the exhaust passage portion 125c, an evaporation portion 125a that generates water vapor by evaporating water supplied from the fuel supply pipe 63, and more than the evaporation portion 125a. A mixing unit 125b that is provided upstream in the flow direction of the exhaust gas and mixes the water vapor generated in the evaporation unit 125a and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 63 is formed. For example, the evaporator 125a and the mixer 125b of the evaporator 125 are formed in a space in which the evaporator 125 is partitioned by a partition plate provided with a plurality of communication holes.

このような蒸発器125では、蒸発部125a内の水と排気通路部125cを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部125a内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。加えて、混合部125b内の混合ガスと排気通路部125cを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。   In such an evaporator 125, heat exchange is performed between the water in the evaporator 125a and the exhaust gas passing through the exhaust passage 125c, and the water in the evaporator 125a is evaporated by the heat of the exhaust gas, Water vapor will be generated. In addition, heat exchange is performed between the mixed gas in the mixing portion 125b and the exhaust gas passing through the exhaust passage portion 125c, and the temperature of the mixed gas is increased by the heat of the exhaust gas.

更に、図15に示すように、蒸発器125の混合部125bには、第1排気通路171が接続された蒸発器125における端部に、この第1排気通路171の内部を通過するように形成された、混合部125bからモジュールケース8内の改質器120に混合ガスを供給するための混合ガス供給管162が接続されている。混合ガス供給管162は、一端が改質器120に設けられた混合ガス供給口120aに連結しており、この混合ガス供給口120aからほぼ水平方向に延びた先で90°屈曲されて、モジュールケース8内、断熱材7a内、蒸発器125における上流側の排気通路部125c内を順に横断するようにほぼ鉛直方向に延びて、他端が蒸発器125の混合部125bに接続されている。この場合、混合ガス供給管162は、蒸発器125の混合部125bに接続された端部162bが、蒸発器125の蒸発部125a及び混合部125bの底面よりも上方に突出するように設けられている。   Further, as shown in FIG. 15, the mixing portion 125b of the evaporator 125 is formed so as to pass through the inside of the first exhaust passage 171 at the end of the evaporator 125 to which the first exhaust passage 171 is connected. The mixed gas supply pipe 162 for supplying the mixed gas from the mixing unit 125 b to the reformer 120 in the module case 8 is connected. One end of the mixed gas supply pipe 162 is connected to the mixed gas supply port 120a provided in the reformer 120, and the module is bent by 90 ° at a point extending substantially horizontally from the mixed gas supply port 120a. The case 8, the heat insulating material 7 a, and the exhaust passage 125 c on the upstream side of the evaporator 125 extend in a substantially vertical direction so as to traverse in order, and the other end is connected to the mixing portion 125 b of the evaporator 125. In this case, the mixed gas supply pipe 162 is provided so that the end 162b connected to the mixing unit 125b of the evaporator 125 protrudes above the evaporation unit 125a of the evaporator 125 and the bottom surface of the mixing unit 125b. Yes.

次に、モジュールケース8の外側、具体的にはモジュールケース8の外壁と断熱材7との間には、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気供給通路177が形成されている(図16参照)。この発電用空気供給通路177は、モジュールケース8の天板8a及び側板8bと、これら天板8a及び側板8bのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース177aとの間の空間によって形成され、モジュールケース8の天板8a上の正面視中央位置に設けられた発電用空気導入管74から発電用空気が供給される(図17参照)。発電用空気供給通路177は、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口177bから、発電用空気を燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射する(図16参照)。   Next, a power generation air supply passage 177 as an oxidant gas supply passage is formed outside the module case 8, specifically, between the outer wall of the module case 8 and the heat insulating material 7 (see FIG. 16). ). The power generation air supply passage 177 is a space between the top plate 8a and the side plate 8b of the module case 8 and the power generation air supply case 177a arranged so as to extend along each of the top plate 8a and the side plate 8b. The power generation air is supplied from the power generation air introduction pipe 74 formed at the center position in front view on the top plate 8a of the module case 8 (see FIG. 17). The power generation air supply passage 177 injects power generation air into the power generation chamber 10 toward the fuel cell assembly 12 from a plurality of outlets 177b provided in the lower part of the side plate 8b of the module case 8 (FIG. 16). reference).

また、発電用空気供給通路177の内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィン177c、177dが設けられている(図16参照)。オフセットフィン177cは、モジュールケース8の天板8aに沿った発電用空気供給通路177の部分に設けられ、オフセットフィン177dは、モジュールケース8の側板8bに沿った発電用空気供給通路177の部分で、且つ、燃料電池セルユニット16よりも上方の位置に設けられている。発電用空気供給通路177を流れる発電用空気は、特にオフセットフィン177c、177dを通過する際に、これらオフセットフィン177c、177dの内側のモジュールケース8内(具体的にはモジュールケース8内に設けられた第2及び第3排気通路173、173)を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、発電用空気供給通路177の一部分は、熱交換器(空気熱交換器)として機能する。   In addition, plate-like offset fins 177c and 177d as heat exchange promoting members are provided inside the power generation air supply passage 177 (see FIG. 16). The offset fin 177c is provided in a portion of the power generation air supply passage 177 along the top plate 8a of the module case 8, and the offset fin 177d is a portion of the power generation air supply passage 177 along the side plate 8b of the module case 8. In addition, the fuel cell unit 16 is provided at a position above the fuel cell unit 16. The power generation air flowing in the power generation air supply passage 177 is provided in the module case 8 inside the offset fins 177c and 177d (specifically, in the module case 8), particularly when passing through the offset fins 177c and 177d. In addition, heat is exchanged with the exhaust gas passing through the second and third exhaust passages 173 and 173) and heated. For this reason, a part of the power generation air supply passage 177 functions as a heat exchanger (air heat exchanger).

次に、図15及び図16に加えて、図18も参照して、モジュールケース8内に設けられた改質器120について説明する。図18(A)は、本発明の第2実施形態による改質器120を斜め上方から見た斜視図であり、図18(B)は、図18(A)のXVIIIB-XVIIIB線に沿った断面図であり、図18(C)は、図18(A)のXVIIIC-XVIIIC線に沿った断面図である。なお、図18(A)〜(C)中には、改質器120に加えて、混合ガス供給管162や燃料ガス供給管64なども図示している。   Next, the reformer 120 provided in the module case 8 will be described with reference to FIG. 18 in addition to FIGS. 15 and 16. FIG. 18A is a perspective view of the reformer 120 according to the second embodiment of the present invention as viewed obliquely from above, and FIG. 18B is along the line XVIIIB-XVIIIB in FIG. FIG. 18C is a cross-sectional view taken along line XVIIIC-XVIIIC in FIG. 18A to 18C, in addition to the reformer 120, a mixed gas supply pipe 162, a fuel gas supply pipe 64, and the like are also illustrated.

改質器120は、燃焼室18の上方に水平方向に延びるように配置され、モジュールケース8の天板8aと所定距離隔てて、この天板8aに対して固定されている(図15参照)。改質器120には、上記した混合ガス供給管162からの混合ガスが混合ガス供給口120aより流入し、この混合ガスを予熱する予熱部120bと、混合ガスの流れ方向において予熱部120bよりも下流側に設けられ、混合ガス(つまり水蒸気が混合された原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい))を改質するための改質触媒(不図示)が充填された改質部120cと、が形成されている(図18(B)参照)。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。改質器120の予熱部120b及び改質部120cは、複数の連通孔が設けられた仕切り板120eにより改質器120を仕切った空間にて形成される(図18(B)参照)。ここで、改質器120は、混合ガス供給管162からの混合ガスが混合ガス供給口120aより噴出され、この混合ガスが予熱部120bにおいて拡張されて噴出速度が低下するように構成されていると共に、噴出された混合ガスが予熱部120bの下流端側の壁面に衝突して折り返して、仕切り板120eを通過して改質部120cに供給されるように構成されている(図18(B)参照)。   The reformer 120 is disposed so as to extend in the horizontal direction above the combustion chamber 18, and is fixed to the top plate 8a at a predetermined distance from the top plate 8a of the module case 8 (see FIG. 15). . The reformer 120 is supplied with the mixed gas from the mixed gas supply pipe 162 through the mixed gas supply port 120a, and preheats the premixed gas 120 in the flow direction of the mixed gas. A reformer provided on the downstream side and filled with a reforming catalyst (not shown) for reforming a mixed gas (that is, raw fuel gas mixed with water vapor (may include reforming air)) 120c (see FIG. 18B). As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used. The preheating unit 120b and the reforming unit 120c of the reformer 120 are formed in a space in which the reformer 120 is partitioned by a partition plate 120e provided with a plurality of communication holes (see FIG. 18B). Here, the reformer 120 is configured such that the mixed gas from the mixed gas supply pipe 162 is ejected from the mixed gas supply port 120a, and this mixed gas is expanded in the preheating unit 120b to reduce the ejection speed. At the same time, the jetted mixed gas collides with the wall surface on the downstream end side of the preheating unit 120b and turns back, and is supplied to the reforming unit 120c through the partition plate 120e (FIG. 18B). )reference).

また、改質器120には、改質部120cが形成された部分に、上方に凹んだ凹部120dが形成されている(図18(B)参照)。凹部120dは、上下方向に貫通するように延びる貫通孔の上部をプレートなどで塞ぐことにより形成される。この凹部120dには、上述した混合ガス供給管162の一部分162a、具体的には、混合ガス供給管162において水平方向に延びる部分であって、その端部が改質器120の混合ガス供給口120aに接続された部分162aが配置されている。この混合ガス供給管162の部分162aも、その内部を通過する混合ガスを、改質器120の凹部120d内の排気ガスによって予熱する予熱部として機能する(以下では混合ガス供給管162の部分162aを「予熱部162a」と呼ぶ)。   Further, the reformer 120 has a recessed portion 120d that is recessed upward at a portion where the reforming portion 120c is formed (see FIG. 18B). The recess 120d is formed by closing the upper part of the through hole extending so as to penetrate in the vertical direction with a plate or the like. The recessed portion 120d has a portion 162a of the above-described mixed gas supply pipe 162, specifically, a portion extending in the horizontal direction in the mixed gas supply pipe 162, and an end portion of the recessed portion 120d is a mixed gas supply port of the reformer 120. A portion 162a connected to 120a is disposed. The portion 162a of the mixed gas supply pipe 162 also functions as a preheating portion that preheats the mixed gas passing through the inside by the exhaust gas in the recess 120d of the reformer 120 (hereinafter, the portion 162a of the mixed gas supply pipe 162). Is referred to as “preheating portion 162a”).

また、改質器120は、上記した予熱部120b及び改質部120cの上面を形成する天板120fと、この天板120fの上方に設けられ、上部が開放したほぼU字断面形状を有する遮蔽板120gと、この遮蔽板120gの上部に配置された平板120hとを更に有する(図18(A)乃至(C)参照)。改質器120において天板120fと遮蔽板120gとの間の空間は、予熱部120b及び改質部120cの上方に排気ガスを誘導して流すための排気誘導室201を形成し、改質器120において遮蔽板120gと平板120hとの間の空間は、排気ガスがほとんど流れない、断熱層としてのガス溜203を形成する(図18(A)乃至(C)に加えて、図15及び図16も参照)。更に、改質器120の上端部には、改質器120をモジュールケース8の天板8aに固定するためのフランジ部120iが設けられている。   The reformer 120 includes a top plate 120f that forms the top surfaces of the preheating unit 120b and the reforming unit 120c, and a shield that is provided above the top plate 120f and has a substantially U-shaped cross-section with the top open. It further includes a plate 120g and a flat plate 120h disposed on the upper portion of the shielding plate 120g (see FIGS. 18A to 18C). In the reformer 120, the space between the top plate 120f and the shielding plate 120g forms an exhaust induction chamber 201 for inducing and flowing exhaust gas above the preheating unit 120b and the reforming unit 120c. 120, a space between the shielding plate 120g and the flat plate 120h forms a gas reservoir 203 as a heat insulating layer through which almost no exhaust gas flows (in addition to FIGS. 18A to 18C, FIGS. 15 and 15). 16). Furthermore, a flange portion 120 i for fixing the reformer 120 to the top plate 8 a of the module case 8 is provided at the upper end portion of the reformer 120.

次に、図15に示すように、改質器120の下流端側には、改質器120の改質部120cによる改質によって生成された燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64の上部には、水添脱硫器用水素取出管65が接続されている。燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。   Next, as shown in FIG. 15, on the downstream end side of the reformer 120, a fuel gas as a fuel gas supply passage for supplying fuel gas generated by reforming by the reforming unit 120c of the reformer 120 A supply pipe 64 is connected, and a hydrogen extraction pipe 65 for hydrodesulfurizer is connected to the upper part of the fuel gas supply pipe 64. The fuel gas supply pipe 64 extends downward, and further extends horizontally in a manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b. A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied. An ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

次に、図16に示すように、モジュールケース8内において、改質器120の上面(詳しくは改質器120の平板120h)とモジュールケース8の天板8aの下面との間には、水平方向に延びる第2排気通路172が形成されている。この第2排気通路172は、モジュールケース8の天板8aを挟んで、上記した発電用空気供給通路177の一部分と並設されている。また、第2排気通路172の内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィン172aが設けられている。このオフセットフィン172aは、発電用空気供給通路177内に設けられたオフセットフィン177cと水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。このようなオフセットフィン177c、172aが設けられた発電用空気供給通路177及び第2排気通路172の部分において、発電用空気供給通路177を流れる発電用空気と第2排気通路172を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。   Next, as shown in FIG. 16, in the module case 8, there is a horizontal gap between the upper surface of the reformer 120 (specifically, the flat plate 120 h of the reformer 120) and the lower surface of the top plate 8 a of the module case 8. A second exhaust passage 172 extending in the direction is formed. The second exhaust passage 172 is juxtaposed with a part of the power generation air supply passage 177 with the top plate 8 a of the module case 8 interposed therebetween. A plate-like offset fin 172a as a heat exchange promoting member is provided inside the second exhaust passage 172. The offset fins 172a are provided at substantially the same place in the horizontal direction as the offset fins 177c provided in the power generation air supply passage 177. In the portions of the power generation air supply passage 177 and the second exhaust passage 172 provided with such offset fins 177c and 172a, the power generation air flowing in the power generation air supply passage 177 and the exhaust gas flowing in the second exhaust passage 172 Thus, efficient heat exchange is performed, and the temperature of the power generation air is raised by the heat of the exhaust gas.

また、改質器120の外側面とモジュールケース8の内側面との間には、上下方向に延びる第3排気通路173が形成されている。この第3排気通路173は第2排気通路172と連通しており、第3排気通路173から第2排気通路172へと排気ガスが流れていく。具体的には、第2排気通路172には、第3排気通路173の上端部(言い換えると第2排気通路172の水平方向における端部)に位置する排気ガス導入口172bから排気ガスが流入する。排気ガス導入口172bから第2排気通路172に流入した排気ガスは、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口111を介して、モジュールケース8の外部に設けられた第1排気通路171へと流出する。   Further, a third exhaust passage 173 extending in the vertical direction is formed between the outer surface of the reformer 120 and the inner surface of the module case 8. The third exhaust passage 173 communicates with the second exhaust passage 172, and the exhaust gas flows from the third exhaust passage 173 to the second exhaust passage 172. Specifically, exhaust gas flows into the second exhaust passage 172 from an exhaust gas introduction port 172b located at the upper end portion of the third exhaust passage 173 (in other words, the end portion in the horizontal direction of the second exhaust passage 172). . The exhaust gas that has flowed into the second exhaust passage 172 from the exhaust gas introduction port 172 b passes through the exhaust port 111 formed on the top plate 8 a of the module case 8 and is provided in the first exhaust passage provided outside the module case 8. To 171.

また、第3排気通路173の途中のモジュールケース8の内側面上には、具体的には、改質器120の予熱部120b及び改質部120cよりも上方で、第2排気通路172の排気ガス導入口172bよりも下方のモジュールケース8の内側面上には、改質器120中に形成された排気誘導室201(改質器120の天板120fと遮蔽板120gとの間の空間)に流れ込むように排気ガスを指向させる排気ガイド板205(第1排気ガイド部に相当する)が設けられている。   Further, on the inner side surface of the module case 8 in the middle of the third exhaust passage 173, specifically, the exhaust of the second exhaust passage 172 is located above the preheating unit 120b and the reforming unit 120c of the reformer 120. On the inner surface of the module case 8 below the gas inlet 172b, an exhaust induction chamber 201 formed in the reformer 120 (a space between the top plate 120f and the shielding plate 120g of the reformer 120). An exhaust guide plate 205 (corresponding to the first exhaust guide portion) for directing exhaust gas so as to flow into the exhaust gas is provided.

次に、図19及び図20を参照して、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。図19は、図15と同様の、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図20は、図16と同様の、図15のXVI-XVI線に沿った断面図である。図19及び図20は、それぞれ、図15及び図16中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図であり、説明の便宜上、断熱材7を取り除いた状態の図を示している。なお、図19では、燃料ガス(水、水蒸気及び原燃料ガスも含む)の流れのみを図示している。   Next, the flow of gas in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to the second embodiment of the present invention, similar to FIG. 15, and FIG. 20 is similar to FIG. It is sectional drawing along the XVI-XVI line. FIGS. 19 and 20 are diagrams in which arrows indicating gas flows are newly added in FIGS. 15 and 16, respectively, and show the state in which the heat insulating material 7 is removed for convenience of explanation. In FIG. 19, only the flow of fuel gas (including water, water vapor, and raw fuel gas) is shown.

図19に示すように、水及び原燃料ガス(燃料ガス)が、蒸発器125の水平方向における一側端側に接続された燃料供給配管63(図17参照)から蒸発器125内に供給される、具体的には蒸発器125の上層に設けられた蒸発部125a内に供給される。蒸発器125の蒸発部125aに供給された水は、蒸発器125の下層に設けられた排気通路部125cを流れる排気ガスとの間で熱交換を行い、排気ガスの熱により加熱されて、気化して水蒸気となる。この水蒸気と、上記した燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとは、蒸発部125a内を水平方向に流れていき(具体的には燃料供給配管63が接続された側と反対側に向けて水平方向に流れていき)、蒸発部125aの先の混合部125bにおいて混合される。   As shown in FIG. 19, water and raw fuel gas (fuel gas) are supplied into the evaporator 125 from a fuel supply pipe 63 (see FIG. 17) connected to one end in the horizontal direction of the evaporator 125. More specifically, the gas is supplied into an evaporation unit 125 a provided in the upper layer of the evaporator 125. The water supplied to the evaporator 125a of the evaporator 125 exchanges heat with the exhaust gas flowing through the exhaust passage 125c provided in the lower layer of the evaporator 125, and is heated by the heat of the exhaust gas. Into water vapor. The water vapor and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 63 flow in the horizontal direction in the evaporator 125a (specifically, toward the side opposite to the side where the fuel supply pipe 63 is connected). In the horizontal direction) and mixed in the mixing unit 125b at the end of the evaporation unit 125a.

そして、混合部125bにおいて水蒸気と原燃料ガスとが混合された混合ガス(燃料ガス)は、蒸発器125において燃料供給配管63が接続された側と反対側に接続され、蒸発器125の排気通路部125c、断熱材7a及びモジュールケース8内を横断するように延びる混合ガス供給管162を流れて、モジュールケース8内の改質器120に流入する。この場合、混合ガスは、混合部125bの下方の排気通路部125cを流れる排気ガスと、排気通路部125c及び第1排気通路171内に位置する混合ガス供給管162の部分の周囲を流れる排気ガスと、モジュールケース8内に位置する混合ガス供給管162の部分の周囲を流れる排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、モジュールケース8内では、改質器120の凹部120d内に位置する混合ガス供給管162の予熱部162aにおいて、この予熱部162a内を流れる混合ガスと改質器120の凹部120d内の排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。   The mixed gas (fuel gas) obtained by mixing the water vapor and the raw fuel gas in the mixing unit 125b is connected to the side opposite to the side where the fuel supply pipe 63 is connected in the evaporator 125, and the exhaust passage of the evaporator 125 is connected. The gas flows through the part 125 c, the heat insulating material 7 a, and the mixed gas supply pipe 162 extending across the module case 8, and flows into the reformer 120 in the module case 8. In this case, the mixed gas is exhaust gas flowing through the exhaust passage portion 125c below the mixing portion 125b and exhaust gas flowing around the portion of the mixed gas supply pipe 162 located in the exhaust passage portion 125c and the first exhaust passage 171. Then, heat is exchanged between the exhaust gas flowing around the mixed gas supply pipe 162 located in the module case 8 and heated. Particularly, in the module case 8, in the preheating portion 162 a of the mixed gas supply pipe 162 located in the recess 120 d of the reformer 120, the mixed gas flowing in the preheating portion 162 a and the exhaust gas in the recess 120 d of the reformer 120. Efficient heat exchange is performed with the gas.

この後、混合ガス供給管162から改質器120に供給された混合ガスは、改質器120の混合ガス供給口120aを介して、改質器120の水平方向における一側端側に設けられた予熱部120b内に流入し、予熱部120b内に流入した混合ガスは予熱部120bの周囲を流れる排気ガスによって予熱される。この場合、改質器120の予熱部120bは混合ガス供給管162よりも拡張された構造を有するので、改質器120の予熱部120bには混合ガス供給管162から混合ガスが噴出され、こうして噴出された混合ガスは予熱部120bにおいて拡張されて噴出速度が低下される。そして、混合ガスは、予熱部120bの下流端側の壁面に衝突して折り返して、改質器120内の仕切り板120e(図18(B)参照)を通過して、予熱部120bの下流側に位置する、改質触媒が充填された改質部120cに流入し、この改質部120cにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、改質器120の改質部120cの下流端側に接続された燃料ガス供給管64と、この燃料ガス供給管64の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管65とを流れる。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給されて、マニホールド66内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット16内に供給される。   Thereafter, the mixed gas supplied from the mixed gas supply pipe 162 to the reformer 120 is provided on one side end side in the horizontal direction of the reformer 120 via the mixed gas supply port 120a of the reformer 120. The mixed gas flowing into the preheating unit 120b and flowing into the preheating unit 120b is preheated by the exhaust gas flowing around the preheating unit 120b. In this case, since the preheating part 120b of the reformer 120 has a structure expanded from the mixed gas supply pipe 162, the mixed gas is ejected from the mixed gas supply pipe 162 to the preheating part 120b of the reformer 120. The jetted mixed gas is expanded in the preheating unit 120b, and the jetting speed is reduced. Then, the mixed gas collides with the wall surface on the downstream end side of the preheating unit 120b, turns back, passes through the partition plate 120e (see FIG. 18B) in the reformer 120, and is downstream of the preheating unit 120b. It flows into the reforming part 120c filled with the reforming catalyst, and is reformed in the reforming part 120c to become fuel gas. The fuel gas thus generated is supplied to the downstream side of the reforming section 120c of the reformer 120, and the hydrogen desulfurizer hydrogen extraction connected to the upper side of the fuel gas supply pipe 64. Flow through tube 65. The fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply hole 64 b provided in the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the fuel gas in the manifold 66 is supplied into each fuel cell unit 16. .

他方で、図20に示すように、発電用空気導入管74(図17及び図19参照)から供給された発電用空気は、モジュールケース8の天板8a及び側板8bと、これら天板8a及び側板8bのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース177aとの間の空間によって形成された発電用空気供給通路177を流れる。この際に、発電用空気供給通路177を流れる発電用空気は、オフセットフィン177c、177dを通過する際に、これらオフセットフィン177c、177dの内側のモジュールケース8内に形成された第2及び第3排気通路172、173を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、発電用空気供給通路177のオフセットフィン177cに対応する第2排気通路172内にはオフセットフィン172aが設けられているので、発電用空気は、発電用空気供給通路177内のオフセットフィン177cと第2排気通路172内のオフセットフィン172aとを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口77bから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される。   On the other hand, as shown in FIG. 20, the power generation air supplied from the power generation air introduction pipe 74 (see FIGS. 17 and 19) is supplied from the top plate 8a and the side plate 8b of the module case 8, and the top plate 8a and the top plate 8a. It flows through a power generation air supply passage 177 formed by a space between the side plate 8b and a power generation air supply case 177a arranged so as to extend along each of the side plates 8b. At this time, when the power generation air flowing through the power generation air supply passage 177 passes through the offset fins 177c and 177d, the second and third air formed in the module case 8 inside the offset fins 177c and 177d. Efficient heat exchange is performed with the exhaust gas passing through the exhaust passages 172 and 173 to be heated. In particular, since the offset fin 172a is provided in the second exhaust passage 172 corresponding to the offset fin 177c of the power generation air supply passage 177, the power generation air is separated from the offset fin 177c in the power generation air supply passage 177. More efficient heat exchange with the exhaust gas is performed via the offset fins 172a in the second exhaust passage 172. Thereafter, the power generation air is injected into the power generation chamber 10 from the plurality of air outlets 77b provided at the lower portion of the side plate 8b of the module case 8 toward the fuel cell assembly 12.

他方で、燃料電池セルユニット16において発電に利用されずに残った燃料ガスは、図20に示すように、モジュールケース8内の燃焼室18で燃焼されて排気ガス(燃焼ガス)となり、モジュールケース8内を上昇していく。具体的には、燃焼により生成された排気ガスは、まず、改質器120の外側面とモジュールケース8の内側面との間に形成された第3排気通路173を通過する。この際に、排気ガスは、モジュールケース8の内側面上に設けられた排気ガイド板205によって、改質器120中に形成された排気誘導室201(改質器120の天板120fと遮蔽板120gとの間の空間)に流れ込むように指向される。そして、排気誘導室201を経由した排気ガス(排気誘導室201に流れ込んだ排気ガス及び排気誘導室201に流れ込まなかった排気ガスを含む)は、排気誘導室201の上方のガス溜203(改質器120の遮蔽板120gと平板120hとの間の空間)に流れ込むことなく上昇していき、排気ガス導入口172bから第2排気通路172に流入する。   On the other hand, the remaining fuel gas that is not used for power generation in the fuel cell unit 16 is burned in the combustion chamber 18 in the module case 8 to become exhaust gas (combustion gas) as shown in FIG. Go up inside 8. Specifically, the exhaust gas generated by the combustion first passes through a third exhaust passage 173 formed between the outer surface of the reformer 120 and the inner surface of the module case 8. At this time, the exhaust gas is discharged from the exhaust guide chamber 201 (the top plate 120f and the shielding plate of the reformer 120) formed in the reformer 120 by the exhaust guide plate 205 provided on the inner surface of the module case 8. It is directed to flow into a space between 120 g. The exhaust gas that has passed through the exhaust induction chamber 201 (including the exhaust gas that has flowed into the exhaust induction chamber 201 and the exhaust gas that has not flown into the exhaust induction chamber 201) is stored in the gas reservoir 203 (reformation) above the exhaust induction chamber 201. Rises without flowing into the space between the shielding plate 120g and the flat plate 120h of the vessel 120 and flows into the second exhaust passage 172 from the exhaust gas inlet 172b.

この後、排気ガスは、第2排気通路172を水平方向に流れていき、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口111から流出する。排気ガスが第2排気通路172を水平方向に流れていく際に、第2排気通路172内に設けられたオフセットフィン172aと、このオフセットフィン172aに対応して発電用空気供給通路177内に設けられたオフセットフィン177cとを介して、発電用空気供給通路177を流れる発電用空気と第2排気通路172を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。   Thereafter, the exhaust gas flows in the second exhaust passage 172 in the horizontal direction, and flows out from the exhaust port 111 formed on the top plate 8 a of the module case 8. When the exhaust gas flows in the second exhaust passage 172 in the horizontal direction, the offset fin 172a provided in the second exhaust passage 172 and the power generation air supply passage 177 corresponding to the offset fin 172a are provided. Through the offset fin 177c formed, efficient heat exchange is performed between the power generation air flowing through the power generation air supply passage 177 and the exhaust gas flowing through the second exhaust passage 172, and the heat of the exhaust gas The power generation air is heated.

そして、排気口111から流出した排気ガスは、モジュールケース8の外部に設けられた第1排気通路171を通過した後、第1排気通路171に接続された蒸発器125の排気通路部125cを流れて、蒸発器125の下流端側に接続された排気ガス排出管82(図17参照)から排出される。排気ガスは、蒸発器125の排気通路部125cを流れる際に、上述したように、蒸発器125の混合部125b内の混合ガス及び蒸発器125の蒸発部125a内の水と熱交換を行う。   The exhaust gas flowing out from the exhaust port 111 passes through the first exhaust passage 171 provided outside the module case 8 and then flows through the exhaust passage portion 125c of the evaporator 125 connected to the first exhaust passage 171. Then, the gas is discharged from an exhaust gas discharge pipe 82 (see FIG. 17) connected to the downstream end side of the evaporator 125. As described above, the exhaust gas exchanges heat with the mixed gas in the mixing section 125b of the evaporator 125 and the water in the evaporation section 125a of the evaporator 125 when flowing through the exhaust passage section 125c of the evaporator 125.

次に、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の作用効果について説明する。   Next, functions and effects of the solid oxide fuel cell device according to the second embodiment of the present invention will be described.

本実施形態によれば、モジュールケース8を挟んで発電用空気供給通路177と第2排気通路172とを並設したので、具体的にはモジュールケース8の外に発電用空気供給通路177を形成し且つモジュールケース8の中に第2排気通路172を形成したので(図16参照)、燃料電池モジュール2Xの小型化及び低コスト化が図れる。これについて具体的に説明する。従来の固体酸化物型燃料電池装置では、上方の改質器に向かって排気口から排気ガスが排出され、上方にある排気ガスを下方へと流す過程で空気熱交換を行っていた。そうした場合、空気により大きく温度低下された排気ガスが燃料電池セルの下側を流れることで、燃料電池セルの下側が低温になってしまい(つまり燃料電池セルの上下方向に温度勾配が生じてしまう)、燃料電池セルが劣化してしまう可能性がある。従来の固体酸化物型燃料電池装置では、これを防止するために、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セルとをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セルとの間に部分的に断熱材を設けたりしていた。そのため、モジュールケースが大型化していた。加えて、断熱材を部分的に設けた場所における熱の反射特性が変わり、燃料電池セルに悪影響を与えてしまっていた。
これに対して、本実施形態では、モジュールケース8内において燃料電池セル集合体12よりも上方に第2排気通路172を設けて、この第2排気通路172を用いて空気熱交換を行うようにし、つまり燃料電池セル集合体12よりも上方のモジュールケース8内の位置で空気熱交換を行うようにし、また、燃料電池セル集合体12の側方を排気ガスが下方に流れないようにしたので、燃料電池セル集合体12の上下方向の熱勾配を抑制することができる。この場合、本実施形態によれば、上記した従来技術のように、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セル集合体12とをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セル集合体12との間に断熱材を設けたりする必要がないため、燃料電池モジュール2Xを大型化及び高コスト化させることなく、燃料電池セル集合体12への熱影響を抑制することができる。
このような理由により、本実施形態によれば、燃料電池モジュール2Xを小型化及び低コスト化することができるのである。具体的には、本実施形態によれば、燃料電池セル集合体12への熱影響を考慮して燃料電池セル集合体12とモジュールケース8とを離さなくてもよく、燃料電池セル集合体12とモジュールケース8とを近付けて配置することができるため、燃料電池モジュール2Xを小型化することができる。
ここで、本実施形態では、燃料電池セル集合体12上方の発電用空気供給通路177及び第2排気通路172のみで空気熱交換を行うため、熱交換距離が短くなる傾向にあり(言い換えると熱交換面積が小さくなる傾向にあり)、発電用空気を昇温させにくくなる。これに対処すべく、本実施形態では、空気熱交換を行うモジュールケース8内の排気ガスの温度を高く維持するために、蒸発器125をモジュールケース8の外に設けた(この場合、当然、蒸発器125で熱交換を行う前の排気ガスにより空気熱交換が行われることとなる)。こうすることで、空気熱交換を行うモジュールケース8内の排気ガスの温度を高く維持することができ、熱交換距離が短くても、発電用空気を十分に昇温させることが可能となる。
また、本実施形態によれば、モジュールケース8の室内熱と発電用空気とを自然に熱交換させるだけでなく、燃料電池セル集合体12上方に第2排気通路172を形成して燃料電池セル集合体12に影響を与えない環境下で空気熱交換を積極的に行わせているので、排気流動等に影響されることなく、確実に安定した空気熱交換を実現することができる。更に、本実施形態によれば、上記したような構成により、少ない排気ガスの熱量で発電用空気を昇温することができ(つまり熱自立しやすい)、また、システムを昇温させるための発電用空気の量も少なくて済む。
According to the present embodiment, the power generation air supply passage 177 and the second exhaust passage 172 are arranged side by side with the module case 8 interposed therebetween. Specifically, the power generation air supply passage 177 is formed outside the module case 8. In addition, since the second exhaust passage 172 is formed in the module case 8 (see FIG. 16), the fuel cell module 2X can be reduced in size and cost. This will be specifically described. In the conventional solid oxide fuel cell device, the exhaust gas is discharged from the exhaust port toward the upper reformer, and air heat exchange is performed in the process of flowing the upper exhaust gas downward. In such a case, the exhaust gas whose temperature is greatly lowered by the air flows below the fuel cell, so that the lower side of the fuel cell becomes low temperature (that is, a temperature gradient is generated in the vertical direction of the fuel cell). ), The fuel cell may be deteriorated. In the conventional solid oxide fuel cell apparatus, in order to prevent this, the passage through which the exhaust gas and power generation air flow and the fuel cell are separated from each other by a certain distance, or the exhaust gas and power generation air flow. A heat insulating material is partially provided between the passage and the fuel battery cell. For this reason, the module case has been enlarged. In addition, the heat reflection characteristics at the place where the heat insulating material is partially provided are changed, which adversely affects the fuel cell.
On the other hand, in the present embodiment, the second exhaust passage 172 is provided in the module case 8 above the fuel cell assembly 12, and air heat exchange is performed using the second exhaust passage 172. In other words, air heat exchange is performed at a position in the module case 8 above the fuel cell assembly 12, and the exhaust gas does not flow downward on the side of the fuel cell assembly 12. The thermal gradient in the vertical direction of the fuel cell assembly 12 can be suppressed. In this case, according to this embodiment, as in the prior art described above, the passage through which the exhaust gas and power generation air and the fuel cell assembly 12 are provided at a certain distance, or the exhaust gas and power generation Since it is not necessary to provide a heat insulating material between the passage through which the air flows and the fuel cell assembly 12, heat to the fuel cell assembly 12 can be obtained without increasing the size and cost of the fuel cell module 2X. The influence can be suppressed.
For this reason, according to the present embodiment, the fuel cell module 2X can be reduced in size and cost. Specifically, according to the present embodiment, it is not necessary to separate the fuel cell assembly 12 and the module case 8 in consideration of the thermal effect on the fuel cell assembly 12, and the fuel cell assembly 12 Since the module case 8 can be disposed close to the fuel cell module 2X, the fuel cell module 2X can be downsized.
Here, in the present embodiment, the air heat exchange is performed only by the power generation air supply passage 177 and the second exhaust passage 172 above the fuel cell assembly 12, and thus the heat exchange distance tends to be short (in other words, the heat exchange distance). The exchange area tends to be small), and it is difficult to raise the temperature of the power generation air. In order to cope with this, in the present embodiment, the evaporator 125 is provided outside the module case 8 in order to keep the temperature of the exhaust gas in the module case 8 that performs air heat exchange high (in this case, naturally, Air heat exchange is performed by the exhaust gas before heat exchange in the evaporator 125). By doing so, the temperature of the exhaust gas in the module case 8 that performs air heat exchange can be kept high, and even if the heat exchange distance is short, the power generation air can be sufficiently heated.
Further, according to the present embodiment, not only the indoor heat of the module case 8 and the air for power generation are naturally exchanged, but also the second exhaust passage 172 is formed above the fuel cell assembly 12 to form the fuel cell. Since air heat exchange is actively performed in an environment that does not affect the aggregate 12, stable air heat exchange can be reliably realized without being affected by the exhaust flow or the like. Furthermore, according to the present embodiment, with the configuration as described above, it is possible to raise the temperature of the power generation air with a small amount of heat of exhaust gas (that is, heat is likely to be self-sustaining), and to generate power for raising the temperature of the system The amount of working air is small.

また、本実施形態によれば、熱交換促進部材としてのオフセットフィン177c、177dを燃料電池セル集合体12よりも上方の発電用空気供給通路177内の位置に設けたので(図16参照)、排気ガスによる発電用空気の昇温性能を高めることができる。これにより、発電用空気供給通路177が燃料電池セル集合体12の側方を通過するが(図16参照)、発電用空気が燃料電池セル集合体12の側方を流れる前に発電用空気を十分に昇温させておくことができ、簡易な構成にて、燃料電池セル集合体12の下側が低温になってしまうことを抑制することができる。   Further, according to the present embodiment, the offset fins 177c and 177d as heat exchange promoting members are provided at positions in the power generation air supply passage 177 above the fuel cell assembly 12 (see FIG. 16). The temperature raising performance of the power generation air by the exhaust gas can be enhanced. As a result, the power generation air supply passage 177 passes by the side of the fuel cell assembly 12 (see FIG. 16), but before the power generation air flows through the side of the fuel cell assembly 12, the power generation air is supplied. The temperature can be raised sufficiently, and the lower side of the fuel cell assembly 12 can be prevented from becoming low temperature with a simple configuration.

また、本実施形態によれば、改質器120の外側面とモジュールケース8の内側面との間に第3排気通路173を更に形成したので、排気ガスを発電用空気だけでなく改質器120とも熱交換させることができ、簡易な構成にて、改質器120及び発電用空気の両方の昇温を実現することができる。   Further, according to the present embodiment, since the third exhaust passage 173 is further formed between the outer side surface of the reformer 120 and the inner side surface of the module case 8, the exhaust gas is not limited to the power generation air but also the reformer. Heat can be exchanged with 120, and the temperature of both the reformer 120 and the power generation air can be increased with a simple configuration.

また、本実施形態によれば、改質器120の改質部120cとモジュールケース8の天板8aとの間に設けた遮蔽板120gによって、この遮蔽板120gの上方に排気ガスがほとんど流れないガス溜203を形成したので、排気ガスが第2排気通路172の排気ガス導入口172bから導入される前に、排気ガスの熱がモジュールケース8の天板8aなどにより奪われてしまうことを抑制することができる。これにより、第2排気通路172に導入する排気ガスの温度を高く維持することができ、つまり第2排気通路172に高温の排気ガスを導入することができ、短い熱交換距離でも発電用空気に対する高い昇温性能を実現することができる。
加えて、本実施形態によれば、上記した遮蔽板120gの下方で且つ改質部120cの上方に排気誘導室201を形成したので、この排気誘導室201に誘導した排気ガスによって改質部120cを上方から加熱することができる。この場合、改質部120cの上方の遮蔽板120gが反射板として機能するので、遮蔽板120gによる輻射熱を改質部120cに更に与えることができ、改質部120cを効果的に昇温することができる。加えて、遮蔽板120gの上方のガス溜203が断熱層として機能するので、改質部120cの温度を適切に維持することができる。
Further, according to the present embodiment, the shielding plate 120g provided between the reforming portion 120c of the reformer 120 and the top plate 8a of the module case 8 causes almost no exhaust gas to flow above the shielding plate 120g. Since the gas reservoir 203 is formed, it is possible to prevent the heat of the exhaust gas from being taken away by the top plate 8a of the module case 8 before the exhaust gas is introduced from the exhaust gas inlet 172b of the second exhaust passage 172. can do. As a result, the temperature of the exhaust gas introduced into the second exhaust passage 172 can be maintained high, that is, the high-temperature exhaust gas can be introduced into the second exhaust passage 172, and the power generation air can be supplied even with a short heat exchange distance. High temperature rise performance can be realized.
In addition, according to the present embodiment, since the exhaust induction chamber 201 is formed below the shielding plate 120g and above the reforming portion 120c, the reforming portion 120c is formed by the exhaust gas guided to the exhaust induction chamber 201. Can be heated from above. In this case, since the shielding plate 120g above the reforming unit 120c functions as a reflecting plate, radiant heat from the shielding plate 120g can be further applied to the reforming unit 120c, and the temperature of the reforming unit 120c can be effectively increased. Can do. In addition, since the gas reservoir 203 above the shielding plate 120g functions as a heat insulating layer, the temperature of the reforming unit 120c can be appropriately maintained.

また、本実施形態によれば、第3排気通路173を通過する排気ガスを排気誘導室201に指向させる排気ガイド板205を設けたので、排気ガスが第3排気通路173から第2排気通路172へと直ぐに流入してしまうことを抑制し、第3排気通路173を通過中の排気ガスを改質部120cの上面に適切に流させることができ、この排気ガスによって改質部120cを上方から効果的に加熱することができる。この場合、排気誘導室201の上部に遮蔽板120gを設けたので、天板8a側に排気ガスが流れてしまうことはない。   Further, according to the present embodiment, the exhaust guide plate 205 for directing the exhaust gas passing through the third exhaust passage 173 to the exhaust induction chamber 201 is provided, so that the exhaust gas passes from the third exhaust passage 173 to the second exhaust passage 172. The exhaust gas passing through the third exhaust passage 173 can be made to flow appropriately on the upper surface of the reforming portion 120c, and the exhaust gas can cause the reforming portion 120c to flow from above. It can be heated effectively. In this case, since the shielding plate 120g is provided in the upper part of the exhaust induction chamber 201, the exhaust gas does not flow to the top plate 8a side.

次に、本発明の第2実施形態の変形例について説明する。   Next, a modification of the second embodiment of the present invention will be described.

図21を参照して、本発明の第2実施形態の変形例による遮蔽板について説明する。図21は、本発明の第2実施形態の変形例による遮蔽板を適用した燃料電池モジュールの一部分を示す概略断面図である。
図21に示すように、本変形例による遮蔽板120jは、上述した遮蔽板120g(図16及び図18参照)と同様の位置に設けられているが、縁部が上方向に傾斜した傾斜部120kを有する。この遮蔽板120jの傾斜部120kは、第2排気ガイド部に相当し、図21中の矢印に示すように、排気ガスが第2排気通路172の排気ガス導入口172bに流れ込むように指向させる。本変形例では、第2排気通路172は、水平方向だけでなく、水平方向に延びた先で下方向にも延びており、排気ガス導入口172bは、この第2排気通路172の水平部よりも下方に位置する。また、本変形例でも、遮蔽板120jより下方且つ予熱部120b及び改質部120cの上方の空間は、排気誘導室201を形成し、遮蔽板120jより上方且つ第2排気通路172の下方の空間は、ガス溜203を形成する。
このような変形例によれば、遮蔽板120jに設けた傾斜部120kによって、排気ガスが排気ガス導入口172bから第2排気通路172へと流れ込むように、排気ガスを効果的に誘導することができる。そのため、高温に維持された排気ガスを第2排気通路172に導入することができ、第2排気通路172内の排気ガスと発電用空気供給通路177内の発電用空気との熱交換性を向上させることができる。加えて、排気ガスを誘導するための部材を別途用いないので、燃料電池モジュール2Xの小型化を実現することができる。
With reference to FIG. 21, the shielding board by the modification of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing a part of a fuel cell module to which a shielding plate according to a modification of the second embodiment of the present invention is applied.
As shown in FIG. 21, the shielding plate 120j according to this modification is provided at the same position as the above-described shielding plate 120g (see FIGS. 16 and 18), but the inclined portion has an edge inclined upward. 120k. The inclined portion 120k of the shielding plate 120j corresponds to a second exhaust guide portion, and directs the exhaust gas to flow into the exhaust gas introduction port 172b of the second exhaust passage 172, as indicated by an arrow in FIG. In the present modification, the second exhaust passage 172 extends not only in the horizontal direction but also in the downward direction at the tip that extends in the horizontal direction, and the exhaust gas inlet 172b extends from the horizontal portion of the second exhaust passage 172. Is also located below. Also in this modification, the space below the shielding plate 120j and above the preheating portion 120b and the reforming portion 120c forms the exhaust induction chamber 201, and the space above the shielding plate 120j and below the second exhaust passage 172. Forms a gas reservoir 203.
According to such a modification, the exhaust gas can be effectively guided so that the exhaust gas flows from the exhaust gas inlet 172b into the second exhaust passage 172 by the inclined portion 120k provided in the shielding plate 120j. it can. Therefore, the exhaust gas maintained at a high temperature can be introduced into the second exhaust passage 172, and the heat exchange between the exhaust gas in the second exhaust passage 172 and the power generation air in the power generation air supply passage 177 is improved. Can be made. In addition, since a member for inducing exhaust gas is not separately used, the fuel cell module 2X can be downsized.

次に、図22を参照して、本発明の第2実施形態の変形例による改質器について説明する。図22は、本発明の第2実施形態の変形例による改質器の断面斜視図である。図22は、図18(A)のXVIIIC-XVIIIC線と同様の切断線に沿った断面図である。
図22に示すように、本変形例による改質器120Xは、上記した改質部120cの凹部120d(図18参照)に対応する部分に、当該改質器120X(詳しくは改質部120cが形成された部分)を上下方向に貫通するように延び、下方の燃焼室18で生成された排気ガスを通過させる貫通孔120mが形成されている。この貫通孔120mには、混合ガス供給管162の予熱部162aが配置されている。このような貫通孔120mを有する改質器120Xでは、排気ガスは、改質器120の予熱部120b及び改質部120cの外側面とモジュールケース8の内側面との間だけでなく、改質器120Xの貫通孔120mも通過して、下方から上方へと流れていく。
また、本変形例による改質器120Xは、天板120fと遮蔽板120gとの間に、中央部(貫通孔120mに面する部分)が下方に凹んだ遮蔽板120nが更に設けられている。このような遮蔽板120nを更に設けた場合、遮蔽板120nと天板120fとの間の空間は排気誘導室201を形成し、遮蔽板120nと遮蔽板120gとの間の空間はガス溜204を形成し、遮蔽板120gと平板120hとの間の空間はガス溜203を形成する。つまり、二つのガス溜203、204、言い換えると二つの断熱層が形成されることとなる。
Next, a reformer according to a modification of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 22 is a cross-sectional perspective view of a reformer according to a modification of the second embodiment of the present invention. FIG. 22 is a cross-sectional view along a cutting line similar to the XVIIIC-XVIIIC line in FIG.
As shown in FIG. 22, the reformer 120X according to the present modification has a portion corresponding to the recess 120d (see FIG. 18) of the reformer 120c, and the reformer 120X (specifically, the reformer 120c A through hole 120m is formed so as to extend vertically through the formed portion) and allow the exhaust gas generated in the lower combustion chamber 18 to pass therethrough. A preheating portion 162a of the mixed gas supply pipe 162 is disposed in the through hole 120m. In the reformer 120X having such a through-hole 120m, the exhaust gas is not only reformed between the preheater 120b and the outer surface of the reformer 120c and the inner surface of the module case 8 of the reformer 120, but also reformed. The through-hole 120m of the vessel 120X also passes through and flows from below to above.
Further, the reformer 120X according to the present modification is further provided with a shielding plate 120n having a central portion (a portion facing the through hole 120m) recessed downward between the top plate 120f and the shielding plate 120g. When such a shielding plate 120n is further provided, the space between the shielding plate 120n and the top plate 120f forms the exhaust induction chamber 201, and the space between the shielding plate 120n and the shielding plate 120g forms the gas reservoir 204. The space between the shielding plate 120g and the flat plate 120h forms a gas reservoir 203. That is, two gas reservoirs 203 and 204, in other words, two heat insulating layers are formed.

なお、図22に示した変形例では、改質器120Xに一つの貫通孔120mのみを設けていたが、他の実施形態では、改質器120Xに、貫通孔120mと同様の貫通孔を二つ以上設けてもよい。その場合、二つ以上の貫通孔のいずれか一つの貫通孔内に混合ガス供給管162を設ければよい。また、更に他の実施形態では、改質器120Xの貫通孔120mの上部をプレートなどで塞いで凹部を形成してもよい。   In the modification shown in FIG. 22, only one through hole 120m is provided in the reformer 120X. However, in another embodiment, the reformer 120X has two through holes similar to the through hole 120m. Two or more may be provided. In that case, the mixed gas supply pipe 162 may be provided in any one of the two or more through holes. In still another embodiment, the upper portion of the through hole 120m of the reformer 120X may be closed with a plate or the like to form a recess.

1、1X 固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)
2、2X 燃料電池モジュール
7 断熱材
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
11 排気口
12 燃料電池セル集合体
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20、120 改質器
20a、120a 混合ガス供給口
20b、120b 予熱部
20c、120c 改質部
20d 貫通孔
21 熱交換モジュール
23 熱交換器
23a 発電用空気通路部
23b、23d オフセットフィン
23c 排気通路部
25、125 蒸発器
25a、125a 蒸発部
25b、125b 混合部
25c、125c 排気通路部
62、162 混合ガス供給管
62a、162a 予熱部
71 第1排気通路
72 第2排気通路
77 発電用空気供給通路
80、81 排気ガイド板
171 第1排気通路
172 第2排気通路
172a オフセットフィン
173 第3排気通路
177 発電用空気供給通路
177c、177d オフセットフィン
201 排気誘導室
203 ガス溜
1, 1X Solid oxide fuel cell system (SOFC)
2, 2X Fuel cell module 7 Heat insulating material 8 Module case 8a Top plate 8b Side plate 11 Exhaust port 12 Fuel cell assembly 16 Fuel cell unit 18 Combustion chamber 20, 120 Reformer 20a, 120a Mixed gas supply port 20b, 120b Preheating part 20c, 120c Reforming part 20d Through hole 21 Heat exchange module 23 Heat exchanger 23a Power generation air passage part 23b, 23d Offset fin 23c Exhaust passage part 25, 125 Evaporator 25a, 125a Evaporation part 25b, 125b Mixing part 25c , 125c Exhaust passage portion 62, 162 Mixed gas supply pipe 62a, 162a Preheating portion 71 First exhaust passage 72 Second exhaust passage 77 Power generation air supply passage 80, 81 Exhaust guide plate 171 First exhaust passage 172 Second exhaust passage 172a Offset fin 173 3rd exhaust Passage 177 generating air supply passage 177c, 177d offset fin 201 exhaust guide chamber 203 gas reservoir

Claims (9)

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物型燃料電池装置において、
互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルと、
上記複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
上記モジュールケースの周囲を覆うように設けられた断熱材と、
酸化剤ガスを上記複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガス供給通路と、
燃料ガスを上記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、
上記モジュールケース内に水平方向に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを上記燃料ガス供給通路に供給する改質器と、
上記複数の燃料電池セルにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により上記改質器を加熱する燃焼部と、
上記改質器よりも上方に設けられ、上記モジュールケースから排出すべき排気ガスが通過する排気通路であって、その周囲の少なくとも一部分が上記断熱材で覆われた、上記排気通路と、
酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスと上記排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、上記排気通路に対して設けられており、熱交換した酸化剤ガスを上記酸化剤ガス供給通路に供給する熱交換器であって、その周囲の少なくとも一部分が上記断熱材で覆われるように配置されると共に、上記改質器よりも上方に配置された、上記熱交換器と、
水が供給され、この水と上記排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、上記排気通路に対して設けられており、熱交換によって水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気を上記改質器に供給する蒸発器であって、上記断熱材内で且つ上記モジュールケースの外部に配置されると共に、上記改質器よりも上方に配置された、上記蒸発器と、
を有し、
上記断熱材及び上記モジュールケース内を上下方向に延びて、上記蒸発器と上記改質器とを連結し、上記蒸発器から上記改質器へ水蒸気を供給するガス供給管を更に有し、
上記蒸発器は、上記改質器において上記ガス供給管からの水蒸気が流入する入口側に対応する、上記モジュールケース上方の位置に配置されている、ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
In a solid oxide fuel cell device that generates power by a reaction between a fuel gas and an oxidant gas,
A plurality of fuel cells electrically connected to each other;
A module case containing the plurality of fuel cells, and
A heat insulating material provided to cover the periphery of the module case;
An oxidant gas supply passage for supplying an oxidant gas to the plurality of fuel cells, and
A fuel gas supply passage for supplying fuel gas to the plurality of fuel cells, and
A reformer disposed horizontally in the module case, reforming the raw fuel gas with water vapor to generate fuel gas, and supplying the fuel gas to the fuel gas supply passage;
Combusting the fuel gas remaining without being used for power generation in the plurality of fuel cells, and heating the reformer with combustion heat; and
An exhaust passage which is provided above the reformer and through which exhaust gas to be discharged from the module case passes, the exhaust passage having at least a part of the periphery thereof covered with the heat insulating material; and
An oxidant gas is supplied, and is provided for the exhaust passage so as to exchange heat between the oxidant gas and the exhaust gas passing through the exhaust passage. A heat exchanger for supplying the oxidant gas supply passage, wherein the heat exchanger is disposed so that at least a part of the periphery thereof is covered with the heat insulating material, and is disposed above the reformer. And
Provided to the exhaust passage so that water is supplied and heat exchange is performed between the water and the exhaust gas passing through the exhaust passage, and water is evaporated by heat exchange to generate water vapor. An evaporator for supplying the water vapor to the reformer, the evaporator being disposed in the heat insulating material and outside the module case, and disposed above the reformer. When,
Have
A gas supply pipe that extends vertically in the heat insulating material and the module case, connects the evaporator and the reformer, and supplies water vapor from the evaporator to the reformer;
The evaporator is disposed at a position above the module case corresponding to an inlet side into which water vapor from the gas supply pipe flows in the reformer. .
上記改質器の水平方向における一側端側に対応する上記モジュールケースの位置には、上記排気通路と連通し、この排気通路へ排気ガスを流出させる排気口が形成され、
上記改質器の水平方向における他側端側の位置には、上記ガス供給管と連通し、このガス供給管からの水蒸気が上記改質器内に流入するガス供給口が形成され、
上記排気口の上方に上記熱交換器が配置され、且つ、上記ガス供給口の上方に上記蒸発器が配置され、
上記蒸発器は、上記熱交換器において熱交換された後の排気ガスとの間で熱交換を行うように、上記排気通路に対して設けられている、請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
At the position of the module case corresponding to one side end side in the horizontal direction of the reformer, an exhaust port is formed which communicates with the exhaust passage and allows exhaust gas to flow into the exhaust passage.
A gas supply port through which water vapor from the gas supply pipe flows into the reformer is formed at a position on the other side end side in the horizontal direction of the reformer.
The heat exchanger is disposed above the exhaust port, and the evaporator is disposed above the gas supply port,
2. The solid oxide mold according to claim 1, wherein the evaporator is provided to the exhaust passage so as to exchange heat with the exhaust gas after heat exchange in the heat exchanger. Fuel cell device.
上記蒸発器には、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、この蒸発部よりも排気ガスの流れ方向において上流側の位置で、且つ蒸発部よりも上記熱交換器に近い側の位置に設けられ、水蒸気と原燃料ガスとを混合させる混合部と、が形成されており、
上記蒸発器の混合部は、上記ガス供給管が接続され、水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを上記ガス供給管に流出させる出口が上記改質器のガス供給口と上下方向において対応するように配置され、
上記ガス供給管は、上記モジュールケース内を上下方向に延びるように、垂直方向に沿って配置されている、請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
The evaporator includes an evaporator that evaporates water to generate water vapor, a position upstream of the evaporator in the flow direction of the exhaust gas, and a position closer to the heat exchanger than the evaporator And a mixing part for mixing water vapor and raw fuel gas is formed,
The mixing section of the evaporator is connected to the gas supply pipe so that an outlet through which the mixed gas of water vapor and raw fuel gas flows out to the gas supply pipe corresponds to the gas supply port of the reformer in the vertical direction. Placed in
The solid oxide fuel cell device according to claim 2, wherein the gas supply pipe is disposed along a vertical direction so as to extend in the vertical direction in the module case.
上記ガス供給管は、混合ガスの流れ方向における上流側の端部が、上記蒸発器の蒸発部及び混合部の底面よりも上方に突出するように設けられている、請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   4. The solid according to claim 3, wherein the gas supply pipe is provided so that an upstream end in a flow direction of the mixed gas protrudes upward from the bottom of the evaporator and the mixer. Oxide fuel cell device. 上記ガス供給管は、上記モジュールケース内に位置する部分に、熱膨張差を吸収する熱膨張吸収部を備えている、請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   4. The solid oxide fuel cell device according to claim 3, wherein the gas supply pipe includes a thermal expansion absorbing portion that absorbs a difference in thermal expansion at a portion located in the module case. 上記改質器は、上記モジュールケースの天板に対して水平方向に摺動可能に取り付けられ、それにより、上記改質器及び上記ガス供給管の熱膨張を水平方向に吸収させるようにする、請求項5に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   The reformer is slidably attached to the top plate of the module case in the horizontal direction, thereby absorbing the thermal expansion of the reformer and the gas supply pipe in the horizontal direction. The solid oxide fuel cell device according to claim 5. 上記改質器には、この改質器を上下方向に貫通するように延び、排気ガスを通過させる貫通孔が形成され、
上記ガス供給管は、上記改質器の貫通孔内を通過して上記改質器のガス供給口に接続されるように配置されている、請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
The reformer has a through-hole that extends through the reformer in the vertical direction and allows exhaust gas to pass through.
The solid oxide fuel cell device according to claim 3, wherein the gas supply pipe is disposed so as to pass through a through hole of the reformer and to be connected to a gas supply port of the reformer. .
上記改質器の貫通孔は、水平方向において上記排気口に対応する改質器の一側端側と反対側の位置に形成され、
上記改質器の貫通孔を通過する排気ガスを上記ガス供給管に指向させる排気ガイド部を有する、請求項7に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
The through hole of the reformer is formed at a position opposite to one side end side of the reformer corresponding to the exhaust port in the horizontal direction,
The solid oxide fuel cell device according to claim 7, further comprising an exhaust guide portion that directs exhaust gas passing through the through hole of the reformer to the gas supply pipe.
上記排気ガイド部は、上記改質器の貫通孔を形成する改質器壁面によって構成され、この改質器壁面は、水平方向において上記排気口に対応する改質器の一側端側と反対側の位置において、排気ガスを上記ガス供給管に指向させるよう構成されている、請求項8に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   The exhaust guide portion is constituted by a reformer wall surface that forms a through hole of the reformer, and the reformer wall surface is opposite to one side end side of the reformer corresponding to the exhaust port in the horizontal direction. The solid oxide fuel cell device according to claim 8, wherein exhaust gas is directed to the gas supply pipe at a side position.
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