JP6474023B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell device having a heat exchange section.
次世代のクリーンな発電装置として、発電効率の高い燃料電池の開発が活発化している。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池(PEFC)やリン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、アルカリ電解質形燃料電池(AFC)、直接形燃料電池(DFC)等が知られている。特に固体酸化物形燃料電池は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を設け、一方の側に燃料ガス、他方の側に空気や酸素等の酸素含有ガスを供給することで、約700〜1000℃の高温で動作する高効率の燃料電池である。このため、高温の排熱を利用するガスタービン等の発電機を併用することで高い総合発電効率を実現することができる。また回収した排熱により給湯を可能とする家庭用システムの構築にも適している。 As a next-generation clean power generation device, development of fuel cells with high power generation efficiency has been activated. Examples of fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC), alkaline electrolyte fuel cells ( AFC), direct fuel cell (DFC) and the like are known. In particular, a solid oxide fuel cell uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, is provided with electrodes on both sides thereof, and supplies a fuel gas on one side and an oxygen-containing gas such as air or oxygen on the other side. Thus, it is a highly efficient fuel cell that operates at a high temperature of about 700 to 1000 ° C. For this reason, high total power generation efficiency can be realized by using a generator such as a gas turbine that utilizes high-temperature exhaust heat. It is also suitable for the construction of a home system that enables hot water supply using the recovered exhaust heat.
固体酸化物形燃料電池装置では、発電により生じた高温状態の排ガスの熱量を、発電のために燃料電池セルに供給する酸素含有ガスに回収させることで、外部のバーナー等の加熱手段を用いずに固体酸化物形燃料電池装置内の熱量を有効活用して、固体酸化物形燃料電池装置における熱利用率を向上させている。このために、固体酸化物形燃料電池装置は、その内部に排ガスと酸素含有ガスとの熱交換を行う熱交換部を有している。 In the solid oxide fuel cell device, the heat content of the exhaust gas in the high temperature state generated by power generation is recovered by the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell for power generation, so that no heating means such as an external burner is used. Further, the heat utilization rate in the solid oxide fuel cell device is improved by effectively utilizing the amount of heat in the solid oxide fuel cell device. For this purpose, the solid oxide fuel cell device has a heat exchange part for exchanging heat between the exhaust gas and the oxygen-containing gas.
例えば特許文献1では、複数の燃料電池セルの配列で構成された燃料電池セルスタックの上端から噴出する残余の燃料ガスを燃焼させて生成した燃焼ガスを、上方の熱交換器に導入して、燃料電池セルに供給する酸素含有ガスと熱交換している。特許文献1に記載の熱交換器は、熱交換器のケーシング内部に複数のチューブを配置したいわゆるチューブフィン型の熱交換器であり、チューブ内を流動する燃焼ガスの持つ熱量をチューブの壁面を介してケーシング内を蛇行する酸素含有ガスに伝導させるものである。 For example, in Patent Document 1, combustion gas generated by burning the remaining fuel gas ejected from the upper end of a fuel cell stack composed of an array of a plurality of fuel cells is introduced into an upper heat exchanger, Heat exchange is performed with the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell. The heat exchanger described in Patent Document 1 is a so-called tube fin type heat exchanger in which a plurality of tubes are arranged inside a casing of a heat exchanger, and the amount of heat of combustion gas flowing in the tube is transferred to the wall surface of the tube. It is made to conduct to the oxygen-containing gas meandering through the casing.
また特許文献2では、燃料電池モジュールをコンパクトにしつつも排熱を高効率で利用するために、燃料電池モジュール容器の内側側壁に板状の二つの流路を設け、排ガスと酸素含有ガス等とをそれぞれ通過させることで熱交換器として機能させている。
Further, in
しかし、特許文献1に記載の熱交換器は、排ガスを流通させるための複数のチューブが必要であり、さらに熱交換器内部で酸素含有ガスを蛇行させるためのガイド板を必要とする。このため熱交換器の構造が複雑化し、単に熱交換器としての部材コストを増加させるだけではなく、溶接箇所が多いため製造工程や製造コストが著しく増加してしまう。また特許文献2に記載の熱交換器も、熱交換効率を高めるために流路を仕切壁によって蛇行させている。このため構造が複雑化することにより、部材コスト、製造時間、製造コストが増大してしまう。
However, the heat exchanger described in Patent Document 1 requires a plurality of tubes for circulating the exhaust gas, and further requires a guide plate for meandering the oxygen-containing gas inside the heat exchanger. For this reason, the structure of the heat exchanger becomes complicated, and not only simply increases the member cost as a heat exchanger, but also the manufacturing process and the manufacturing cost are remarkably increased because there are many welding points. The heat exchanger described in
燃料電池装置内に熱交換器を設けて熱利用率を向上させることは好ましいものの、構造の複雑化やコストの一方的な増加は燃料電池装置の実用化に向けて妥当なものではない。そこで、燃料電池装置内に配置した熱交換器の内部構造を複雑化せず、同時にコスト増とならないようにするために、熱交換器の流路内部に伝熱板(フィン)を配置することが考えられる。 Although it is preferable to improve the heat utilization rate by providing a heat exchanger in the fuel cell device, the complicated structure and unilateral increase in cost are not appropriate for the practical application of the fuel cell device. Therefore, in order not to complicate the internal structure of the heat exchanger arranged in the fuel cell device and at the same time not to increase the cost, a heat transfer plate (fin) is arranged inside the flow path of the heat exchanger. Can be considered.
すなわち、固体酸化物形燃料電池装置の熱交換器の排ガス流路および酸素含有ガス流路の内部に伝熱板を配置すると、伝熱板が流路抵抗として働くため、熱交換器内部を通過する流体の滞在時間が増え、これにより必要な熱量の熱交換が可能となる。さらに伝熱板部材に金属等の熱伝導性の高い材料を用いることで、より熱交換効率を高めることができる。このような伝熱板としては、例えば熱交換分野では公知の、板を蛇腹状に折り畳んだコルゲートフィンなどが考えられる。例えば特許文献3では、コルゲートフィンとチューブとを組み合わせた熱交換器を固体酸化物形燃料電池装置に用いることが開示されている。 That is, if a heat transfer plate is placed inside the exhaust gas flow path and the oxygen-containing gas flow path of the heat exchanger of the solid oxide fuel cell device, the heat transfer plate acts as a flow path resistance, so it passes through the heat exchanger. The residence time of the fluid to be increased increases, thereby enabling heat exchange of a necessary amount of heat. Furthermore, the heat exchange efficiency can be further increased by using a material having high thermal conductivity such as metal for the heat transfer plate member. As such a heat transfer plate, for example, a corrugated fin obtained by folding a plate in a bellows shape, which is known in the field of heat exchange, can be considered. For example, Patent Document 3 discloses that a heat exchanger in which a corrugated fin and a tube are combined is used for a solid oxide fuel cell device.
このように、熱交換流路の内部に伝熱板を単純に配置するだけで熱交換効率を向上させることができるため、熱交換器の内部構造が複雑化することや、溶接箇所を増やし製造コストを増加することを回避することができる。 In this way, the heat exchange efficiency can be improved by simply arranging the heat transfer plate inside the heat exchange flow path, so that the internal structure of the heat exchanger becomes complicated and the number of welding points is increased and manufactured. An increase in cost can be avoided.
しかし、一方でコルゲートフィン等の公知の伝熱板(フィン)構造においては、熱交換器への取り付け等が容易ではあるものの、伝熱板自体の突起構造を一つ一つ織り込む製造工程は容易ではなく、安価なものとはいえないため、上述の課題が解決されたとは言い難い。 However, on the other hand, in the known heat transfer plate (fin) structure such as a corrugated fin, although it is easy to attach to the heat exchanger, the manufacturing process of weaving the protrusion structure of the heat transfer plate itself is easy. However, since it cannot be said that it is cheap, it cannot be said that the above-mentioned problem has been solved.
さらに、コルゲートフィンに代表される公知の伝熱板(フィン)は、図16に示すように、その伝熱板を通過する流体がほぼ直進するため、進行方向に対して直交する方向への拡散性に欠ける。このため、当該伝熱板を通過する流体の全体としての温度分布は必ずしも均一とはいえない。特に、熱交換器の形状や流路構成、あるいは熱交換器の周辺環境によっては流路内の温度分布が場所によって異なる場合があるため、結果として場所によって熱交換量にムラが生じ、熱交換効率は低下してしまう。 Furthermore, as shown in FIG. 16, in the known heat transfer plate (fin) represented by the corrugated fin, the fluid passing through the heat transfer plate travels substantially straight, so that the diffusion in the direction perpendicular to the traveling direction. Lack of sex. For this reason, the temperature distribution as a whole of the fluid passing through the heat transfer plate is not necessarily uniform. In particular, depending on the shape of the heat exchanger, the flow path configuration, and the surrounding environment of the heat exchanger, the temperature distribution in the flow path may vary depending on the location. Efficiency will decrease.
このため本発明は、シンプルな構造で熱交換効率を維持向上させるとともに、製造容易で低コストを両立する熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell device having a heat exchanging portion that is easy to manufacture and achieves low cost while maintaining and improving the heat exchanging efficiency with a simple structure.
そこで、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、燃料ガスと酸素含有ガスとを利用
して発電する複数の燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックを備えた固体酸化物形燃
料電池装置であって、燃料電池セルスタックに酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入
路と、発電により生じた排ガスを前記燃料電池装置の外部に排出する排ガス排出路と、酸
素含有ガス導入路と排ガス排出路とが熱的に接続し、酸素含有ガス導入路を流れる酸素含
有ガスと排ガス排出路を流れる排ガスとの間で熱交換が行われる熱交換部と、を有し、熱
交換部における酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の少なくとも一方の内部には、酸
素含有ガスまたは排ガスが直進すると必ず衝突して流れる方向を変更しさらにこれを繰り
返すように、凸部をずらして複数配列した伝熱板が設けられており、前記凸部が複数配列した第1の領域と、前記凸部の形成されていない第2の領域とが設けられている固体酸化物形燃料電池装置である。
Therefore, one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification is a solid oxide fuel cell device including a fuel cell stack including a plurality of fuel cells that generate power using fuel gas and oxygen-containing gas. An oxygen-containing gas introduction path for introducing an oxygen-containing gas into the fuel cell stack, an exhaust gas discharge path for discharging exhaust gas generated by power generation to the outside of the fuel cell device, an oxygen-containing gas introduction path and exhaust gas discharge A heat exchange section in which heat exchange is performed between the oxygen-containing gas flowing through the oxygen-containing gas introduction path and the exhaust gas flowing through the exhaust gas discharge path. In at least one of the gas introduction path or the exhaust gas discharge path, when the oxygen-containing gas or exhaust gas goes straight, it always collides and changes the direction of flow and repeats this so that the convex portion is shifted. Heat transfer plate which is arranged is provided with a first region in which the convex portion is arrayed, in a solid oxide fuel cell device and the second region is provided which is not formed of the projections is there.
本発明の伝熱板は、伝熱板の上面を流れる流体が伝熱板に導入された当初の流れ方向で
は必ず凸部に衝突して方向転換を余儀なくされるように、複数の凸部をずらして配置して
いる。また、凸部が複数配列した第1の領域と、凸部の形成されていない第2の領域とが設けられている。このため、流体は伝熱板を直進して抜けることが無くかならず凸部と衝突するので、凸部は流路抵抗として機能する。よって、流体の流速は全体的に低下し、その結果として熱交換が促される。また、流体が横方向に長距離の流動が可能となる。このため、広域に流体が拡散可能となるから、迅速に熱の均一化をはかることができる。
The heat transfer plate of the present invention has a plurality of protrusions so that the fluid flowing on the upper surface of the heat transfer plate always collides with the protrusions in the initial flow direction introduced into the heat transfer plate and is forced to change direction. They are staggered. Further, a first region where a plurality of convex portions are arranged and a second region where no convex portions are formed are provided. For this reason, since the fluid does not go straight through the heat transfer plate and always collides with the convex portion, the convex portion functions as a flow path resistance. Therefore, the flow rate of the fluid decreases as a whole, and as a result, heat exchange is promoted. Moreover, the fluid can flow over a long distance in the lateral direction. For this reason, since fluid can be diffused in a wide area, heat can be made uniform quickly.
ここで、凸部に衝突した流体は前方への流れ方向を左右方向へ転換させられるため、複数の凸部における流れ方向の変更が乱流を生む。この結果、流体は伝熱板上において広域に拡散することが可能となる。従って、熱交換部の場所によっては熱交換量が異なる場合であっても、熱交換を受けた流体が乱流として広域に拡散することで、流体の温度が迅速に均一化される。 Here, since the fluid that collided with the convex portion is changed in the forward flow direction to the left-right direction, the change of the flow direction in the plural convex portions generates turbulent flow. As a result, the fluid can diffuse over a wide area on the heat transfer plate. Therefore, even if the amount of heat exchange differs depending on the location of the heat exchanging portion, the fluid subjected to the heat exchange diffuses in a wide area as a turbulent flow, so that the temperature of the fluid is quickly equalized.
このように、凸部は流路抵抗として機能するだけではなく、流体の拡散性を高めるため、熱交換部の熱交換効率を向上させることができる。同時に、凸部は容易に形成可能なため、低コストで実現することが可能となった。また、燃料電池セルスタックの燃料電池セルそれぞれに、均一な温度の酸素含有ガスを供給することができる。 Thus, the convex portion not only functions as a flow path resistance but also increases the fluid diffusivity, so that the heat exchange efficiency of the heat exchange portion can be improved. At the same time, since the convex portion can be easily formed, it can be realized at low cost. Further, an oxygen-containing gas having a uniform temperature can be supplied to each fuel cell of the fuel cell stack.
ここで本明細書において「熱交換部」とは、2以上の流路のそれぞれに保有する熱エネルギーの異なる流体を通過させ、これらの流路が熱的に接続されていることにより、温度の高い流体から温度の低い流体へ熱エネルギーを移動させて熱交換を行う機能を有する部分をいう。熱交換部は、熱交換を目的とした別体としての専用の熱交換器に限らず、燃料電池装置の容器壁面の一部を利用して流路を形成した熱交換領域等も含むものとする。 Here, in the present specification, the “heat exchanging portion” means that the fluids having different thermal energies held in each of the two or more flow paths are allowed to pass through, and these flow paths are thermally connected. A portion having a function of performing heat exchange by transferring heat energy from a high fluid to a low temperature fluid. The heat exchanging section is not limited to a dedicated heat exchanger as a separate body for heat exchange, but also includes a heat exchanging region in which a flow path is formed using a part of the container wall surface of the fuel cell device.
また本明細書において「排ガス」とは、燃料電池セルによる発電のために供給される燃料ガス及び酸素含有ガスのうち、発電に利用されなかった残余のガスを指し、燃料ガスの残余のガスであってもよく、酸素含有ガスの残余のガスであってもよい。また、これらの混合ガスであってもよく、さらに当該混合ガスを燃焼させて生成した燃焼ガスであってもよい。 In this specification, “exhaust gas” refers to the remaining gas that is not used for power generation among the fuel gas and oxygen-containing gas supplied for power generation by the fuel cell, and is the residual gas of the fuel gas. It may be the remaining gas of the oxygen-containing gas. Moreover, these mixed gas may be sufficient and the combustion gas produced | generated by burning the said mixed gas may be sufficient.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、酸素含有ガスまたは排ガスが伝熱板上に流れ込む方向に直交する方向に、凸部が複数配列した第1の領域と、凸部の形成されていない第2の領域とが交互に繰り返して設けられていることで、第2の領域を通じて直交する方向に流体が流動可能である固体酸化物形燃料電池装置である。 One embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification includes a first region in which a plurality of convex portions are arranged in a direction orthogonal to a direction in which the oxygen-containing gas or exhaust gas flows onto the heat transfer plate, and the convex portions A solid oxide fuel cell device in which a fluid can flow in a direction orthogonal to each other through the second region by being alternately and repeatedly provided with the second region that is not formed.
当該構成により、凸部の設けられた領域(第1の領域)を通過することによって直進方向から流れの方向を変更された流体が、凸部の設けられていない領域(第2の領域)を通って横方向に長距離の流動が可能となる。このため、広域に流体が拡散可能となるから、迅速に熱の均一化をはかることができる。 With this configuration, the fluid whose direction of flow has been changed from the straight direction by passing through the region where the convex portion is provided (first region) can pass through the region where the convex portion is not provided (second region). Long distance flow is possible in the lateral direction through. For this reason, since fluid can be diffused in a wide area, heat can be made uniform quickly.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、伝熱板には、複数の凸部とともに、酸素含有ガスまたは排ガスが伝熱板の上面と下面との間を流動可能なように複数の通気孔が設けられている固体酸化物形燃料電池装置である。 In addition, according to one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification, the heat transfer plate has a plurality of convex portions and an oxygen-containing gas or exhaust gas can flow between the upper surface and the lower surface of the heat transfer plate. This is a solid oxide fuel cell device provided with a plurality of vent holes.
伝熱板が凸部と通気孔とを有することで、凸部に衝突した流体は伝熱板の面上だけではなく、下面へも流動することが可能となる。その結果、流体は伝熱板の両面を使って3次元に拡散することができるようになるため拡散性が増し、熱交換効率を向上させることができる。 Since the heat transfer plate has the convex portions and the vent holes, the fluid colliding with the convex portions can flow not only on the surface of the heat transfer plate but also on the lower surface. As a result, since the fluid can be diffused three-dimensionally using both surfaces of the heat transfer plate, the diffusibility is increased and the heat exchange efficiency can be improved.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、伝熱板に形成された凸部と通気孔とは、伝熱板から切り起こされた一対であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置である。 Further, one embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification is a solid oxide characterized in that a convex portion and a vent hole formed on the heat transfer plate are a pair cut and raised from the heat transfer plate. This is a fuel cell device.
同一の領域に凸部と通気孔とを形成することが可能なため、これらの構造体を高密度に形成することができ、これにより熱交換部の熱交換性能を高めることができる。また、複数の凸部と通気孔とが一回の切り起こし(打ち出し)によって形成することができるため、製造が非常に容易となり、製造コストを安価にすることができる。 Since the convex portions and the air holes can be formed in the same region, it is possible to form these structures with high density, thereby improving the heat exchange performance of the heat exchange portion. In addition, since the plurality of convex portions and the air holes can be formed by one cut and raised (punching), the manufacturing becomes very easy and the manufacturing cost can be reduced.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、伝熱板の両面は、伝熱板から切り起こされた凸部と切り起こしによって裏面に生じた凹部とを有し、一方の面における第1の領域の裏面は第2の領域に対応し、第2の領域の裏面は第1の領域に対応する固体酸化物形燃料電池装置である。 Further, according to one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification, both surfaces of the heat transfer plate have a convex portion cut and raised from the heat transfer plate and a concave portion generated on the back surface by the cut and raised, and one surface The back surface of the first region corresponds to the second region, and the back surface of the second region corresponds to the solid oxide fuel cell device corresponding to the first region.
本発明における伝熱板は、一回のプレス加工による切り起こしによって両面に凸部、凹部を形成することができる。これにより、3次元に流動可能であり、また伝熱板の両面において同質の熱交換性能を有する伝熱板を、安価に製造することができる。 The heat transfer plate in the present invention can form convex portions and concave portions on both surfaces by cutting and raising by one press working. As a result, a heat transfer plate that can flow three-dimensionally and has the same heat exchange performance on both surfaces of the heat transfer plate can be manufactured at low cost.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、複数の凸部のそれぞれは上面視において長辺と短辺とを有し、桁部と脚部とを持つ橋形状である固体酸化物形燃料電池装置である。 Further, according to one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification, each of the plurality of convex portions has a long side and a short side in a top view, and is a solid oxide having a bridge shape having a girder portion and a leg portion. This is a physical fuel cell device.
凸部を橋形状とすることで、流体の流れを阻害する脚部と流路壁面に接触させて熱伝達する桁部と、下面への流体の移動を可能とする通気孔とを一体的に形成することができる。さらに当該形状は、一回のプレス加工による切り起こしによって低コストで簡単に形成することができる。 By making the convex part into a bridge shape, the leg part that obstructs the flow of fluid, the girder part that contacts the flow path wall surface and transfers heat, and the vent hole that enables the fluid to move to the lower surface are integrated. Can be formed. Further, the shape can be easily formed at low cost by cutting and raising by one press working.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、複数の凸部は上面視において、酸素含有ガスまたは排ガスが伝熱板上に流れ込む方向に対して、長辺または短辺が斜めになるように配置されている固体酸化物形燃料電池装置である。 In addition, according to one aspect of the structure of the invention disclosed in this specification, the plurality of convex portions are oblique in the long side or the short side with respect to the direction in which the oxygen-containing gas or the exhaust gas flows onto the heat transfer plate in a top view. This is a solid oxide fuel cell device arranged as described above.
上面視において長辺と短辺とを有する矩形上の凸部を流れ方向に斜めに配置することによって、凸部に衝突する流体の流れを左右方向に転換させることができ、これにより流体を広域に拡散させることができる。 By disposing a convex part on a rectangle having a long side and a short side in the top view obliquely in the flow direction, the flow of fluid that collides with the convex part can be changed in the left-right direction, thereby allowing the fluid to flow over a wide area. Can diffuse.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、第1の領域内における複数の凸部は
、上面視において同一の方向及び角度で斜めになるように配置され、さらに間に第2の領
域を挟んで隣り合う第1の領域どうしでは、それぞれの凸部は上面視において互いに直交
するように配置されている固体酸化物形燃料電池装置である。
In addition, according to one embodiment of the structure of the invention disclosed in this specification, the plurality of convex portions in the first region are arranged so as to be inclined in the same direction and angle in a top view, and further between the second In the first regions adjacent to each other with respect to this region, the respective convex portions are solid oxide fuel cell devices arranged so as to be orthogonal to each other when viewed from above.
隣り合う第1の領域内の凸部を互いに直交するように配列することで、流れの方向が転換された流体がさらに凸部に衝突するため、拡散性能を向上させることができる。 By arranging the convex portions in the adjacent first regions so as to be orthogonal to each other, the fluid whose direction of flow has changed further collides with the convex portions, so that the diffusion performance can be improved.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、固体酸化物形燃料電池装置は、燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックの上方に設けられた、原料ガスを発電に用いる燃料ガスに水蒸気改質する改質器と、発電の残余の前記燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させて改質器を加熱する、燃料電池セルスタック上方の燃焼部と、を内包する容器を備え、酸素含有ガス導入路と排ガス排出路とは、排ガス排出路が酸素含有ガス導入路よりも内側となるように容器の上面または側面の少なくとも一部に配置され、酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の少なくとも一方の内部には、流路を2つの空間に区画するように伝熱板が設けられている固体酸化物形燃料電池装置である。 One embodiment of the configuration of the invention disclosed in this specification is that a solid oxide fuel cell device includes a fuel cell stack, and a fuel gas that is provided above the fuel cell stack and uses a source gas for power generation A reformer for steam reforming, and a combustion section above the fuel cell stack for heating the reformer by burning the fuel gas and oxygen-containing gas remaining in power generation, The oxygen-containing gas introduction path and the exhaust gas discharge path are arranged on at least a part of the upper surface or the side surface of the container so that the exhaust gas discharge path is on the inner side of the oxygen-containing gas introduction path. Is a solid oxide fuel cell device in which a heat transfer plate is provided so as to divide the flow path into two spaces.
容器壁面に熱交換部を形成した燃料電池装置において、酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の少なくとも一方に、熱拡散性の高い伝熱板を流路が2つに区分されるように配置することで、2つの空間それぞれにおいて内部を通過する流体を均熱化することができ熱交換性能が向上する。このため、別体としての専用の熱交換器が不要となるため、燃料電池装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。 In a fuel cell device in which a heat exchange part is formed on a vessel wall surface, a heat transfer plate having a high thermal diffusibility is arranged in at least one of an oxygen-containing gas introduction path or an exhaust gas discharge path so that the flow path is divided into two. Thus, the fluid passing through the inside of each of the two spaces can be soaked, and the heat exchange performance is improved. For this reason, since a separate dedicated heat exchanger is not required, the fuel cell device can be reduced in size and cost.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、伝熱板は、複数の凸部とともに、酸素含有ガスまたは排ガスが区画された一方の空間から他方の空間へ流動するための複数の通気孔を有する固体酸化物形燃料電池装置である。 Further, according to one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification, the heat transfer plate has a plurality of convex portions and a plurality of the plurality of protrusions for flowing from one space into which the oxygen-containing gas or the exhaust gas is partitioned. This is a solid oxide fuel cell device having a vent hole.
特に伝熱板に両面間を流動可能とする複数の通気孔が設けられていることで、流体が2区間を行き来して広域に拡散するため、熱交換部の熱交換性能を向上させることができる。 In particular, since the heat transfer plate is provided with a plurality of air holes that can flow between both surfaces, the fluid moves back and forth in two sections and diffuses over a wide area, so that the heat exchange performance of the heat exchange section can be improved. it can.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の一方の内部に設けられた伝熱板は、複数の凸部の複数個を介して、酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の他方を構成する壁面に固定されている固体酸化物形燃料電池である。 Further, according to one aspect of the structure of the invention disclosed in this specification, the heat transfer plate provided in one of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path has an oxygen concentration through a plurality of convex portions. It is a solid oxide fuel cell fixed to the wall surface constituting the other of the contained gas introduction path or the exhaust gas discharge path.
酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の一方の流路に設けられた伝熱板が、他方の流路と直接接触することで、熱交換性能を向上させることができる。 Heat exchange performance can be improved by the heat transfer plate provided in one flow path of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path being in direct contact with the other flow path.
なお、熱交換部の熱交換率を向上させるために、伝熱板の一方の面に設けられた複数の凸部の全てが、2流路が接する熱交換面と接触していることが好ましいが、必ずしもその全てが固定されている必要はなく、伝熱板が流路に確実に固定される程度の点数を適宜選択すればよい。 In order to improve the heat exchange rate of the heat exchange part, it is preferable that all of the plurality of convex parts provided on one surface of the heat transfer plate are in contact with the heat exchange surface where the two flow paths are in contact. However, it is not always necessary to fix all of them, and it is sufficient to select a score that allows the heat transfer plate to be securely fixed to the flow path.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、容器の上面に設置された酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の一方に設けられた伝熱板と、容器の側面に設置された酸素含有ガス導入路または排ガス排出路に設けられた一方の前記伝熱板とは、酸素含有ガスまたは排ガスが、区画した2つの空間のうち酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の他方を構成する壁面と接する空間を優先的に流れるように、組み合わされて配置されている固体酸化物形燃料電池装置である。 Further, one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification is a heat transfer plate provided on one of an oxygen-containing gas introduction path or an exhaust gas discharge path installed on the upper surface of the container, and a side surface of the container. The one heat transfer plate provided in the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path constitutes the other of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path in the two divided spaces. It is a solid oxide fuel cell device arranged in combination so as to flow preferentially through a space in contact with the wall surface.
区分した2つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流体を導くことで、流体がもつ熱量を有効に利用することができる。 Of the two divided spaces, the side that has the surface in contact with the other flow channel is a space that directly exchanges heat with the other flow channel, so by introducing the fluid preferentially to the space, the amount of heat that the fluid has can be reduced. It can be used effectively.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、容器の側面に配置された酸素含有ガス導入路と排ガス排出路との少なくとも一方に設けられた伝熱板は、燃料電池セルスタックの上端よりも上方に設けられている固体酸化物形燃料電池装置である。 Further, according to one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification, the heat transfer plate provided in at least one of the oxygen-containing gas introduction path and the exhaust gas discharge path disposed on the side surface of the container is a fuel cell stack. This is a solid oxide fuel cell device provided above the upper end.
本発明にかかる伝熱板は熱交換性能が非常に高いため、発電室内において高温のスタック上方(燃焼部)で熱交換を行うことで熱の利用を最大化するとともに、比較的低温となるスタック領域に近接する流路では伝熱プレートの配置を不要とすることで、伝熱板の配置面積を最小化してコストを削減することができる。 Since the heat transfer plate according to the present invention has a very high heat exchange performance, the heat exchange is maximized by performing heat exchange above the high-temperature stack (combustion part) in the power generation chamber, and the stack has a relatively low temperature. Since the arrangement of the heat transfer plate is not required in the flow path close to the region, the arrangement area of the heat transfer plate can be minimized and the cost can be reduced.
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、酸素含有ガス導入路の内部であって、伝熱板が設けられた領域よりも下方において、酸素含有ガスの温度を均一化するための、複数の孔を有する仕切り板を有する固体酸化物形燃料電池装置である。 Further, one embodiment of the configuration of the invention disclosed in this specification is to make the temperature of the oxygen-containing gas uniform inside the oxygen-containing gas introduction path and below the region where the heat transfer plate is provided. This is a solid oxide fuel cell device having a partition plate having a plurality of holes.
酸素含有ガス導入路内部であって伝熱板が配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板を設置することで、仕切り板は流路抵抗として機能するため、均熱化した酸素含有ガスはさらに拡散して均熱化し、複数の孔から酸素含有ガス導入路の下端に噴出される。 By installing a partition plate having a plurality of holes below the region where the heat transfer plate is arranged inside the oxygen-containing gas introduction path, the partition plate functions as a flow path resistance. The contained gas is further diffused and soaked, and ejected from the plurality of holes to the lower end of the oxygen-containing gas introduction path.
シンプルな構造で熱交換効率を維持向上させるとともに、製造容易で低コストを両立する熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。 It is possible to provide a solid oxide fuel cell device having a heat exchanging part that maintains and improves the heat exchange efficiency with a simple structure and is easy to manufacture and at a low cost.
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。 以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更することができる。 Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. From the following description, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the following description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
(実施の形態1)
本実施の形態においては、本発明にかかる伝熱板における流体の拡散のメカニズムについて、従来構造と比較しながら説明する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, the mechanism of fluid diffusion in the heat transfer plate according to the present invention will be described in comparison with a conventional structure.
一般に熱交換器に用いる伝熱板は、熱的接続する二つの流路を通過する流体の熱交換量を高めるため、流路を蛇行させて流路を延長したり、流路抵抗として機能する部材を設置するなどして、熱交換領域を増したり、熱交換時間を増やす等の工夫がなされている。例えば、上述した従来のコルゲートフィンは、伝熱板を蛇腹状に折り畳んだものであり、折り畳まれることで複数に区画された流路は内部を通過する流体に対して流路抵抗として機能する。また、内部を通過する流体は折り畳まれた伝熱板の上面や下面、側面(壁面)に接して移動するため、伝熱板を介して他流路との熱交換が促進される。 In general, a heat transfer plate used for a heat exchanger increases the amount of heat exchange of a fluid passing through two thermally connected flow paths, and extends the flow path by meandering the flow path or functions as a flow path resistance. There have been devised measures such as increasing the heat exchange area and increasing the heat exchange time by installing members. For example, the above-described conventional corrugated fin is obtained by folding a heat transfer plate in a bellows shape, and the folded flow path functions as a flow path resistance against the fluid passing through the interior. Further, since the fluid passing through the inside moves in contact with the upper surface, the lower surface, and the side surface (wall surface) of the folded heat transfer plate, heat exchange with other flow paths is promoted through the heat transfer plate.
しかし、従来の伝熱板(フィン)では複数に区画された流路のそれぞれを、流体がほぼ直進して排出される。このため、流体は流れに直交する方向には流動しないため、直交方向への温度拡散性が低く、流路全域の熱量を均一にすることは困難である。 However, in the conventional heat transfer plate (fin), the fluid is almost straightly discharged through each of the plurality of divided flow paths. For this reason, since the fluid does not flow in the direction orthogonal to the flow, the temperature diffusivity in the orthogonal direction is low, and it is difficult to make the heat quantity in the entire flow path uniform.
これに対して本発明に係る伝熱板は、図2に示すように、伝熱板2の表面に複数の凸部4をずらして配置している。このため、流体が伝熱板2の一端から導入されると、伝熱板2の上面を流れる流体は当初の流れ方向では必ず凸部4に衝突して、方向転換を余儀なくされる。このため、流体は伝熱板2を直進して抜けることが無く、かならず凸部4と衝突するので、凸部4は流路抵抗として機能する。よって、伝熱板2上の流体の流速は全体的に低下し、その結果として熱交換が促される。
In contrast, the heat transfer plate according to the present invention has a plurality of
なお、本明細書においては、熱交換を行う対象である高温の流体と低温の流体とを総称して「流体」という。ここで流体は、以下に詳説する高温の流体としての排ガスと低温の流体としての酸素含有ガスとに限られず、その他燃料電池装置に用いられ熱交換の対象となり得る種々の気体又は液体を含むものである。 In the present specification, a high-temperature fluid and a low-temperature fluid that are heat exchange targets are collectively referred to as “fluid”. Here, the fluid is not limited to exhaust gas as a high-temperature fluid and oxygen-containing gas as a low-temperature fluid, which will be described in detail below, and includes various gases or liquids that can be used for fuel cell devices and can be subject to heat exchange. .
さらに本発明にかかる伝熱板2は、流体が伝熱板2に流れ込む方向と直交する方向に長く拡散することが可能である。図3は本発明にかかる伝熱板の一例について示す三面図であり、図3(a)は上面、図3(b)は正面(流体が流れ込む方向)、図3(c)は側面を示している。図3に示すように伝熱板2の表面には凸部4が複数設けられており、流体の流れ込む方向と直交する方向には、凸部4が複数配列された第1の領域5aと、凸部4が設けられていない第2の領域5bとが交互に繰り返すように設けられている。このため、凸部4によって流れの方向を転換された流体が第2の領域5bに進入すると、流体の衝突対象である凸部4が設けられていないために直進することが可能となり、流体は障害を受けずに広域に拡散する。このため、広域に流体が拡散可能となるから、熱の均一化を計ることができる。
Furthermore, the
なお、図5に示す例では、凸部4は伝熱板2の両面に設けられており、点線で示す凸部4は裏面に設けられた凸部(つまり表面から見た凹部6)を示している。この場合、凸部4の設けられていない第2の領域5bには、その裏面に凸部が設けられている。
In the example shown in FIG. 5, the
さらに、本発明にかかる伝熱板2は、伝熱板2を流れる流体を伝熱板2の上面及び下面の双方に行き渡らせながら三次元的に流動させることができるため、流路内の熱の均一性を高め、熱交換部の熱交換率を向上させることができる。
Furthermore, since the
上述したように、図16に示す従来の伝熱板2では、蛇腹状に折り畳んだ伝熱板の壁面によって流路が複数に区画されているため、それぞれの区画を流体は直進することしかできない。あるいはさらにこの壁面に通気孔を設け、区画された流路間の行き来を可能にしても、隣り合う区画の壁面によって流体の流動の大部分は遮断されるため、横方向の流体の流動性に乏しく、流路全体を均熱にするには至らない。
As described above, in the conventional
これに対して本発明にかかる伝熱板は、伝熱板2の上面に凸部4と共に下面へ流体が流動可能とする通気孔を備えている。そのため、伝熱板2には伝熱板の上面と下面との間を流動可能なように複数の通気孔が設けられており、伝熱板が凸部4と通気孔を有することで、凸部4に衝突した流体は伝熱板2の上面だけでなく、下面へも流動が可能となる。従って、流体は伝熱板2の両面を使って広域に拡散することができるようになるため、熱交換効率を向上させることができる。
On the other hand, the heat transfer plate according to the present invention includes a vent hole on the upper surface of the
ここで本発明にかかる伝熱板2は、図2に示すように、伝熱板2に形成された凸部4と通気孔4cとを、伝熱板2から切り起こされた一対として形成することが可能である。すなわち、同一の領域に凸部4と通気孔4cが形成可能なため、高密度に形成することができ、これにより熱交換性能を高めることができる。また、複数の凸部4と通気孔4cとが一回の切り起こしよって形成することができるため、製造が非常に容易であり、製造コストを安価にすることができる。
Here, as shown in FIG. 2, the
なお、伝熱板2に、凸部4および凹部6を形成する際には、伝熱板2の両面をプレス機でプレスすることにより、切り起こし(打ち出し)をおこなっても良いし、ローラ加工により行っても良い。さらに、切り起こしはプレス加工とローラ加工を組み合わせて成形しても良い。
When forming the
さらに、本発明の伝熱板2について図3と図4を参照しながら説明する。図3(c)に示すように、伝熱板2の両面は伝熱板2から切り起こされた凸部4と、切り起こしによって裏面に生じた凹部6とを有し、一方の面における第1の領域5aの裏面は第2の領域5bに対応し、第2の領域の裏面は第1の領域に対応する。すなわち、本発明における伝熱板2は、一回のプレス加工による切り起こしによって両面に凸部4、凹部6を形成することができる。これにより、3次元的に流動可能であり、また伝熱板の両面において、同質の熱交換性能を有する伝熱板を安価に製造することができる。
Further, the
また、図4は伝熱板2の表面の流体の流れの一例を示したものである。図4(a)は伝熱板2の斜視図、図4(b)は凸部4の拡大図、図4(c)は凹部6の拡大図である。図中の矢印は流体の流れを示し、実線矢印は伝熱板2の表面を流れる流体、点線矢印は伝熱板2の裏面を流れる流体の一例を示している。図4(a)、図4(b)を参照しながら凸部4を通過する流体の流れの一例を示す。凸部4に流れ込む流体は、図4(a)の凸部4を通過して伝熱板2の上面をそのまま吹き抜ける流路(8a)、通気孔4cを通過して伝熱板2の下面を吹き抜ける流路(8b)、凸部4の脚部4aに衝突し、屈折して流れる流路(8c)などに分散される。凸部4を通過した流体はその後、他の凸部や凹部と干渉しあい拡散し、このような流体が互いに影響しあうことで、全体として複雑でかつ広域の拡散を呈する。
FIG. 4 shows an example of the fluid flow on the surface of the
さらに、図4(a)、図4(c)を参照して凹部6に流入する流体の流れの一例を示す。凹部6に流れ込む流体は、凹部6を真っ直ぐ吹き抜けて他の凹部6へ向かう流路(9a)、凹部6(伝熱板2の下面における通気孔4c)を通過し、下面を吹き抜ける流路(9b)、凹部6を吹き抜けた後に、凸部4の脚部4aと衝突し、屈折して流れる流路(9c)、凹部6に流入し、その凹部6に対応する凸部4の脚部4aと接触し、伝熱板2の下面を屈折して流れる流路(9d)などに分散される。そのため、凹部6を通過することにより、流体は3次元的に拡散され、熱分散性が向上する。なお、ここでは流体の流れを単純化した一例として示したものであり、本来当然に流体の流れは複雑なものであるが、本発明にかかる伝熱板2においては、流体が伝熱板2に対して3次元的に拡散するように機能するものであれば良い。
Furthermore, an example of the flow of fluid flowing into the
さらに本発明においては、凸部4を上面視において長辺と短辺とを有し、桁部4bと脚部4aとを持つ橋形状とすることで、流体の流れを阻害する脚部4aと流路壁面に接触させて熱伝達する桁部4bと、下面への流体の移動を可能とする通気孔4cとを一体的に形成することができる。さらに当該形状は、一回のプレス加工による切り起こしによって低コストで簡易な製造工程により形成することができる。
Furthermore, in the present invention, the
また、図5に示すように、複数の凸部4は上面視において、流体が伝熱板2の上に流れ込む方向に対して、長辺または短辺が斜めになるように配置されている。そのため、上面視において長辺と短辺とを有する矩形上の凸部4を流れ方向に斜めに配置することによって、凸部に衝突する流体の流れを左右方向に転換させることができ、これにより流体を広域に拡散させることができる。
Further, as shown in FIG. 5, the plurality of
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、図3(a)および図5に示すように、第1の領域内における複数の凸部4は、上面視において同一の方向及び角度で斜めになるように配置され、さらに間に第1の領域5aを挟んで隣り合う第1の領域5a同士では、それぞれの凸部は上面視において互いに直交するように配置されている。すなわち、隣り合う第1の領域5a内の凸部4を互いに直交するように配列することで、流れの方向が転換された流体がさらに凸部4に衝突するため、拡散性能を向上させることができる。
Further, according to one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification, as illustrated in FIGS. 3A and 5, the plurality of
上述したように伝熱板2を構成することで、伝熱板2が流路抵抗として働き、熱交換器内部を通過する流体の滞在時間が増え、これにより必要な熱量の熱交換が可能となる。すなわち、排熱を利用する固体酸化物形燃料電池装置に伝熱板2を設けることで、シンプルな構造で熱交換効率を維持向上させるとともに、製造容易で低コストを両立する熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。
By configuring the
(実施の形態2)
次に、図面を参照して、本発明にかかる伝熱板を用いた固体酸化物形燃料電池装置の実施の態様について説明する。
(Embodiment 2)
Next, an embodiment of a solid oxide fuel cell device using a heat transfer plate according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図6は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を示す全体構成図である。この図6に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置101は、燃料電池モジュール102と、補機ユニット104を備えている。
FIG. 6 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, a solid oxide
燃料電池モジュール102は、ハウジング106を備え、このハウジング106内部には、断熱材107を介して金属製のモジュールケース108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108の下方部分である発電室110には、燃料ガスと酸素含有ガス(以下では適宜「酸化剤ガス」、「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112が配置されている。この燃料電池セル集合体112は、9個の燃料電池セルスタック114(図7参照)を備え、この燃料電池セルスタック114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116から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体112は、144本の燃料電池セルユニット116を有する。燃料電池セル集合体112は、複数の燃料電池セルユニット116の全てが直列接続されている。
The
燃料電池モジュール102のモジュールケース108の発電室110の上方には、燃焼部としての燃焼室118が形成され、この燃焼室118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の排ガスが燃焼されるようになっている。さらに、モジュールケース108は断熱材107により覆われており、燃料電池モジュール102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118の上方には、燃料ガスを改質する改質器120が配置され、上記した残余ガスの燃焼熱によって改質器120を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
A
さらに、ハウジング106内においてモジュールケース108の上方には、後述する蒸発器125が断熱材107内に設けられている。蒸発器125は、燃焼室118において残余ガスである排ガスを燃焼させ、その排ガスと水とが供給され、これらの排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108内の改質器120に供給する。
Further, an
次に、補機ユニット104は、燃料電池モジュール102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126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128(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104は、都市ガス等の燃料供給源130から供給された燃料を遮断するガス遮断弁132と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器136と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット138(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138から流出する燃料ガスを遮断するバルブ139を備えている。さらに、補機ユニット104は、空気供給源140から供給される空気を遮断する電磁弁142と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット144及び発電用空気流量調整ユニット145(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器120に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ146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148とを備えている。これらの第1ヒータ146と第2ヒータ148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
次に、燃料電池モジュール102には、排ガスが供給される温水製造装置150が接続されている。この温水製造装置150には、水供給源124から水道水が供給され、この水道水が排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102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152が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール102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154が接続されている。
Next, a hot
次に、図1及び図7乃至図9を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形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1は、本発明の本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの斜視図である。図7は、本発明の一実施形態による固体酸化物形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8は、図7のIII-III線に沿った断面図であり、図9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 an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 7 to 9. FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 7 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 9 is a perspective view showing the fuel cell module with the housing and the heat insulating material removed. FIG.
図7及び図8に示すように、燃料電池モジュール102は、主に、上述したように、断熱材107内で且つモジュールケース108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108の内部に設けられた、燃料電池セル集合体112及び改質器120を有する。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
蒸発器125は、モジュールケース108の天板108a上に固定されている(図9参照)。また、熱交換モジュール121とモジュールケース108との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材107の一部分107aが配置され、この断熱材107の一部分107aも、モジュールケース108の天板108a上に固定されている(図7及び図8参照)。
The
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163と、排ガスを排出するための排ガス排出管182とが接続され(図1、9参照)、水平方向における他側端側に、モジュールケース108の天板108a上に形成された排気口111に連結された第1排ガス排出路171が接続されている(図7参照)。この排気口111は、モジュールケース108内の燃焼室118で燃焼された排ガスをモジュールケース108の外へ排出する開口部であり、モジュールケース108の天板108a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107内に配置されている。
Specifically, the
また、蒸発器125は、図8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108側に位置する下層部分には、上記した第1排ガス排出路171から供給された排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163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163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. 8, the
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を通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排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を通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排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
更に、図7に示すように、蒸発器125の混合部125bには、第1排ガス排出路171が接続された蒸発器125における端部に、この第1排ガス排出路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108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108内、断熱材107a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. 7, the
次に、モジュールケース108の外側、具体的にはモジュールケース108の外壁と断熱材107との間には、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気導入路(酸化剤ガス導入路)177が形成されている(図1、8参照)。この発電用空気導入路177は、モジュールケース108の天板108a及び側板108bと、これら天板108a及び側板108b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108の天板108a上の正面視中央位置に設けられた発電用空気導入管174から発電用空気が供給される(図1、9参照)。そして、発電用空気導入路177は、モジュールケース108の側板108b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112に向けて発電室110内に噴射する(図1、8参照)。
Next, a power generation air introduction passage (oxidant gas introduction passage) 177 as an oxidant gas supply passage is formed outside the
また、発電用空気導入路177の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板177c、177dが設けられている(図1、8参照)。伝熱板177cは、モジュールケース108の天板108aに沿った発電用空気導入路177の部分に設けられ、伝熱板177dは、モジュールケース108の側板108bに沿った発電用空気導入路177の部分で、且つ、燃料電池セルユニット116に至る位置に設けられている。発電用空気導入路177を流れる発電用空気は、特に伝熱板177c、177dを通過する際に、これら伝熱板177c、177dの内側のモジュールケース108内(具体的にはモジュールケース108内に設けられた第2及び第3排ガス排出路172、173)を通過する排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、発電用空気導入路177において伝熱板177c、177dが設けられた部分は、熱交換部(空気熱交換部)として機能する。
In addition, plate-shaped
第2排ガス排出路172および発電用空気導入路177の内部に設けられた伝熱板172a、177c、177dは第2排ガス排出路172または発電用空気導入路177の流路を2つに区分するように設けられており、伝熱板172a、177c、177dに設けられた複数の通気孔(図示せず)によって、内部を通過する流体は2区間を行き来して広域に拡散する。そのため、区分された空間それぞれにおいて内部を通過する流体を均熱化することができるため、局所的に熱交換率が異なることなく、熱交換性能が向上する。
第2排ガス排出路172および発電用空気導入路177に設けられた伝熱板172a、177c、177dは、複数の凸部(図示せず)を介して発電用空気導入路177および第2排ガス排出路172の他方を構成する壁面に固定されている。そのため、伝熱板(172a、177c、177d)により、区分された二つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流体を導くことができ、流体が持つ熱量を有効に利用することが可能となり、積極的に熱交換を行うことができる。
The
さらに、発電用空気導入路177および第2排ガス排出路172に設けられた伝熱板(172a、177c、177d)は燃料電池セル集合体112の上端よりも上方に配置されている。したがって、燃焼部110の熱と発電用空気導入路177を流れる発電用空気とで熱交換を行うことができ、高効率な熱交換が可能になる。このため伝熱板は、モジュールケース108上面から燃焼室118付近にわたる領域に配置すれば十分であり、燃料電池セル集合体112が設けられた位置にまで伝熱板177dを設けることを不要とすることができる。これにより、伝熱板177dの配置面積を削減することができ、さらに発電時においても燃料電池セル集合体112の温度を奪わないようにすることができる。
Further, the heat transfer plates (172 a, 177 c, 177 d) provided in the power generation
次に、図7及び図8に加えて、図10も参照して、モジュールケース108内に設けられた改質器120について説明する。図10(A)は、本発明の一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10(B)は、図10(A)のVB−VB線に沿った断面図であり、図10(C)は、図10(A)のVC−VC線に沿った断面図である。なお、図10(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164なども図示している。
Next, the
改質器120は、燃焼室118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108の天板108aと所定距離隔てて、この天板108aに対して固定されている(図7参照)。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10(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10(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10(B)参照)。
The
また、改質器120には、改質部120cが形成された部分に、上方に凹んだ内部空間120dが形成されている(図10(B)参照)。内部空間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。この内部空間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の内部空間120d内の排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)。
In the
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10(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10(A)乃至(C)に加えて、図7及び図8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108の天板108aに固定するためのフランジ部120iが設けられている。
The
次に、図7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164が接続され、この燃料ガス供給管164の上部には、水添脱硫器用水素取出管165が接続されている。燃料ガス供給管164は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体112の下方に形成されたマニホールド166内で水平に延びている。燃料ガス供給管164の水平部164aの下方面には、複数の燃料供給孔164bが形成されており、この燃料供給孔164bから、改質された燃料ガスがマニホールド166内に供給される。このマニホールド166の上方には、上述した燃料電池セルスタック114を支持するための貫通孔を備えた下支持板168が取り付けられており、マニホールド166内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット116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183が、燃焼室118に設けられている。
Next, as shown in FIG. 7, on the downstream end side of the
次に、図8に示すように、モジュールケース108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108の天板108aの下面との間には、水平方向に延びる第2排ガス排出路172が形成されている。この第2排ガス排出路172は、モジュールケース108の天板108aを挟んで、上記した発電用空気導入路177の一部分と並設されている。また、第2排ガス排出路172の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板172aが設けられている。この伝熱板172aは、発電用空気導入路177内に設けられた伝熱板177cと水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。このような伝熱板177c、172aが設けられた発電用空気導入路177及び第2排ガス排出路172の部分において、発電用空気導入路177を流れる発電用空気と第2排ガス排出路172を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われ、排ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。すなわち、第2の実施形態において、発電用空気導入路177または第2排ガス排出路172の内部に設けられた伝熱板172aが、発電用空気通路177と直接接触しており、伝熱板172aに与えられた排ガスの熱が伝熱板172aに与えられ、伝熱板172aの熱は発電用空気導入路177を構成する壁面に熱伝達し、発電用空気と効率よく熱交換を行うことができる。さらに、発電用空気通路177の内部にも伝熱板177cの凸部が第2排ガス排出路172を構成する壁面に接しているため、排ガスの熱が、伝熱板172a、発電用空気通路177を構成する壁面、伝熱板177c、発電用空気の順に伝わるため、排ガスと発電用空気の熱交換率を向上させることができる。
なお、伝熱板172aは伝熱板177c、177bと同一のものである。
Next, as shown in FIG. 8, in the
The
また、改質器120の外側面とモジュールケース108の内側面との間には、上下方向に延びる第3排ガス排出路173が形成されている。この第3排ガス排出路173は第2排ガス排出路172と連通しており、第3排ガス排出路173から第2排ガス排出路172へと排ガスが流れていく。具体的には、第2排ガス排出路172には、第3排ガス排出路173の上端部(言い換えると第2排ガス排出路172の水平方向における端部)に位置する排ガス導入口172bから排ガスが流入する。排ガス導入口172bから第2排ガス排出路172に流入した排ガスは、モジュールケース108の天板108a上に形成された排気口111を介して、モジュールケース108の外部に設けられた第1排ガス排出路171へと流出する。
Further, a third exhaust
また、第3排ガス排出路173の途中のモジュールケース108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排ガス排出路172の排ガス導入口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。
In addition, on the inner surface of the
次に、図11を参照して、燃料電池セルユニット116について説明する。図11は、本発明の一実施形態による固体酸化物形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。
Next, the
図11に示すように、燃料電池セルユニット116は、燃料電池セル184と、この燃料電池セル184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186とを備えている。
As shown in FIG. 11, the
燃料電池セル184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188を形成する円筒形の内側電極層190と、円筒形の外側電極層192と、内側電極層190と外側電極層192との間にある電解質層194とを備えている。この内側電極層190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。
The
燃料電池セル184の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子186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186について具体的に説明する。内側電極層190の上部190aは、電解質層194と外側電極層192に対して露出された外周面190bと上端面190cとを備えている。内側電極端子186は、導電性のシール材196を介して内側電極層190の外周面190bと接続され、さらに、内側電極層190の上端面190cとは直接接触することにより、内側電極層190と電気的に接続されている。内側電極端子186の中心部には、内側電極層190の燃料ガス流路188と連通する燃料ガス流路細管198が形成されている。
Since the
この燃料ガス流路細管198は、内側電極端子186の中心から燃料電池セル184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166(図7参照)から、下側の内側電極端子186の燃料ガス流路細管198を通って燃料ガス流路188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186の燃料ガス流路細管198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188から、上側の内側電極端子186の燃料ガス流路細管198を通って燃焼室118(図7参照)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186の燃料ガス流路細管198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
内側電極層190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
電解質層194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
外側電極層192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
次に、図12を参照して、燃料電池セルスタック114について説明する。図12は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
Next, the
図12に示すように、燃料電池セルスタック114は、16本の燃料電池セルユニット116を備え、これらの燃料電池セルユニット116は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
As shown in FIG. 12, the
各燃料電池セルユニット116は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板168(図7参照)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116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168及び上支持板100には、内側電極端子186が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Each
さらに、燃料電池セルユニット116には、集電体103及び外部端子105が取り付けられている。この集電体103は、燃料極である内側電極層190に取り付けられた内側電極端子186と電気的に接続される燃料極用接続部103aと、空気極である外側電極層192の外周面と電気的に接続される空気極用接続部103b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116の外側電極層192(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103bが接触することにより、集電体103は空気極全体と電気的に接続される。
Further, the
さらに、燃料電池セルスタック114の端(図12では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット116の空気極186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103は、隣接する燃料電池セルスタック114の端にある燃料電池セルユニット116の内側電極端子186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116の全てが直列接続されるようになっている。
Further, two
次に、図13、図14を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形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13は、図7と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形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る。図14は、図8と同様の本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を示す図13のIII −III 線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。図13、図14は、図7、8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107を取り除いた状態の図を示している。なお、図14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, a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention, similar to FIG. 14 is a cross-sectional view of the fuel cell module taken along line III-III of FIG. 13 showing a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention similar to FIG. FIGS. 13 and 14 are diagrams in which an arrow indicating a gas flow is newly added in FIGS. 7 and 8, and for the sake of convenience of explanation, a state in which the
図13、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163(図9参照)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を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、排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163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163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. 13, water and raw fuel gas (fuel gas) are supplied into the
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163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107a及びモジュールケース108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108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を流れる排ガスと、排気通路部125c及び第1排ガス排出路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ガスと、モジュールケース108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108内では、改質器120の内部空間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の内部空間120d内の排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
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内の改質器仕切り板120e(図10(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164と、この燃料ガス供給管164の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管165とを流れる。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給管164の水平部164aに設けられた燃料供給孔164bからマニホールド166内に供給されて、マニホールド166内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット116内に供給される。
Thereafter, the mixed gas supplied from the mixed
他方で、図14に示すように、発電用空気導入管174(図1、図7、図9及び図13参照)から供給された発電用空気は、モジュールケース108の天板108a及び側板108bと、これら天板108a及び側板108b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導入路177を流れる。この際に、発電用空気導入路177を流れる発電用空気は、伝熱板177c、177dを通過する際に、これら伝熱板177c、177dの内側のモジュールケース108内に形成された第2及び第3排ガス排出路172、173を通過する排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、発電用空気導入路177の伝熱板177cに対応する第2排ガス排出路172内には伝熱板172aが設けられているので、発電用空気は、発電用空気導入路177内の伝熱板177cと第2排ガス排出路172内の伝熱板172aとを介して、排ガスとより効率的な熱交換を行う。
On the other hand, as shown in FIG. 14, the power generation air supplied from the power generation air introduction pipe 174 (see FIGS. 1, 7, 9, and 13) is supplied to the
また、図1、8、14に示すように、発電用空気導入路177の内部で、伝熱板177dが配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板179が設置されており、排ガスと熱交換を行った後の発電用空気は仕切り板179に設けられた複数の孔を通る。その際に、仕切り板179は流路抵抗として機能し、拡散されて均熱化した発電用空気を燃料電池セル集合体112へ供給することができる。
In addition, as shown in FIGS. 1, 8, and 14, a
その後、図14に示すように、発電用空気は、モジュールケース108の側板108bの下部に設けられた複数の吹出口177bから燃料電池セル集合体112に向けて発電室110内に噴射される。
Thereafter, as shown in FIG. 14, the power generation air is injected into the
他方で、燃料電池セルユニット116において発電に利用されずに残った排ガスは、図14に示すように、モジュールケース108内の燃焼室118で燃焼され、モジュールケース108内を上昇していく。具体的には、排ガスは、まず、改質器120の外側面とモジュールケース108の内側面との間に形成された第3排ガス排出路173を通過する。この際に、排ガスは、モジュールケース108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を経由した排ガス(排気誘導室201に流れ込んだ排ガス及び排気誘導室201に流れ込まなかった排ガスを含む)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、排ガス導入口172bから第2排ガス排出路172に流入する。
On the other hand, the exhaust gas remaining without being used for power generation in the
この後、排ガスは、第2排ガス排出路172を水平方向に流れていき、モジュールケース108の天板108a上に形成された排気口111から流出する。排ガスが第2排ガス排出路172を水平方向に流れていく際に、第2排ガス排出路172内に設けられた伝熱板172aと、この伝熱板172aに対応して発電用空気導入路177内に設けられた伝熱板177cとを介して、発電用空気導入路177を流れる発電用空気と第2排ガス排出路172を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排ガスの熱により発電用空気が昇温される。なお、ここでは排気通路のうち第2排ガス排出路172にのみ伝熱板を172aを設けているが、伝熱板を設ける箇所は第2排ガス排出路172に限るものではなく、熱交換を行う排気通路であればよい。
Thereafter, the exhaust gas flows in the second exhaust
そして、排気口111から流出した排ガスは、モジュールケース108の外部に設けられた第1排ガス排出路171を通過した後、第1排ガス排出路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ガス排出管182(図9参照)から排出される。排ガスは、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
次に、本発明の第2の実施の形態による固体酸化物形燃料電池装置の作用・効果について説明する。 Next, operations and effects of the solid oxide fuel cell device according to the second embodiment of the present invention will be described.
第2の実施の形態によれば、モジュールケース108を挟んで発電用空気導入路177と第2排ガス排出路172とを並設し、熱交換部を形成した燃料電池装置において、発電用空気導入路177または第2排ガス排出路172の少なくとも一方に、熱拡散性の高い伝熱板(172a、177c、177d)を流路内部が2つに区分されるように配置することで、2つの空間それぞれにおいて流路内部を通過する流体を均熱化することができ熱交換性能が向上する。このため、別体としての専用の熱交換器が不要となるため、燃料電池装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。ここで、発電用空気導入路177と第2排ガス排出路の少なくとも一方に伝熱板を設けていれば良く、発電用空気導入路177と並設されていれば、第2排ガス排出路の場所は本実施形態に限るものではない。
According to the second embodiment, in the fuel cell device in which the power generation
また、本発明の第2の実施の形態によれば、伝熱板(172a,177c,177d)に両面間を流動可能とする複数の通気孔(図示せず)が設けられていることで、流体が2区間を行き来して広域に拡散するため、熱交換性能を向上させることができる。 Further, according to the second embodiment of the present invention, the heat transfer plate (172a, 177c, 177d) is provided with a plurality of vent holes (not shown) that can flow between both surfaces. Since the fluid moves back and forth between the two sections and spreads over a wide area, the heat exchange performance can be improved.
また、本発明の第2の実施の形態によれば、発電用空気導入路177または第2排ガス排出路172の一方の流路に設けられた伝熱板172aまたは伝熱板177c、177dが、他方の流路と直接接触することで、熱交換性能を向上させることができる。
Further, according to the second embodiment of the present invention, the
また、本発明の第2の実施の形態によれば、区分した二つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流路を導くことで、流体が持つ熱量を有効に利用することができる。 Further, according to the second embodiment of the present invention, of the two divided spaces, the side having the surface in contact with the other flow channel is a space that directly exchanges heat with the other flow channel, so that the space By guiding the flow path preferentially, the heat quantity of the fluid can be used effectively.
また、本発明の第2の実施の形態によれば、本発明に係る伝熱板172a、177c、177dは熱交換性能が非常に高いため、発電室110内において、高温の燃焼部118で熱交換を行うことで熱の利用を最大限化するとともに、比較的低温となる燃料電池セル集合体112の領域に近接する流路では伝熱板の配置を不要とすることで、伝熱板の配置面積を最小化してコストを削減することができる。
In addition, according to the second embodiment of the present invention, the
また、本発明の第2の実施の形態によれば、発電用空気導入路177の内部であって、伝熱板177c、177dが配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板179を設置することで、仕切り板179は流路抵抗として機能するため、均熱化した酸素含有ガスはさらに拡散して均熱化し、複数の孔から発電用空気供給通路の下端に噴出される。
In addition, according to the second embodiment of the present invention, the
第2の実施の形態で上述したように、容器壁面に熱交換部を形成した燃料電池装置において、簡単な構成により、熱交換性能を向上させることができるため、別体として専用の熱交換器を設ける必要がなく、燃料電池装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。 As described above in the second embodiment, in the fuel cell device in which the heat exchange portion is formed on the vessel wall surface, the heat exchange performance can be improved with a simple configuration. Therefore, it is possible to realize a reduction in size and cost of the fuel cell device.
(実施の形態3)
つぎに図15を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。図15は本発明の実施形態の適用例を示す燃料電池モジュールの別の形態を示す概略断面図である。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing another form of the fuel cell module showing an application example of the embodiment of the present invention.
第3の実施形態において、発電用空気を燃料電池モジュール302の内部へ供給するための構造を、図15を参照しながら説明する。図15の実践矢印は、発電用空気の流れを示しており、点線矢印は排ガスの流れを示している。この図に示すように、改質器320の上方に熱交換器323が設けられ、ケーシング356は断熱材307で覆われている。
In the third embodiment, a structure for supplying power generation air to the inside of the
熱交換器323は2層の熱交換器であり、上層の一端側には発電用空気導入管374が取り付けられている。この発電用空気導入管374により、発電用空気が熱交換器323内に導入されるようになっており、熱交換器323の上層の他端側には、図15に示すように、発電用空気流路323aの出口ポート377aが一対形成されている。この出口ポート377aは、一対の連絡流路(図示せず)に連通している。さらに、燃料電池モジュール2のケーシング356の幅方向の両側の外側には、発電用空気供給路(図示せず)が形成されている。
The
したがって、発電用空気供給路(図示せず)には、発電用空気流路323aの出口ポート377a及び連絡流路(図示せず)から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路(図示せず)は、燃料電池セル集合体312の長手方向に沿って形成されており、さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体312の下方側に対応する位置に、燃料電池セル集合体312の各燃料電池セルユニット316に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口377bが形成されている。出口ポート377aから発電用空気供給路(図示せず)に流入した発電用空気は吹出口377bへと向かい、これらの吹出口377bから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット316の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
Therefore, power generation air is supplied to the power generation air supply path (not shown) from the
さらに、改質器導入管362は、ケーシング356の内部に、純水と改質される燃料ガスを導入する管路である。改質器導入管362は、改質器320の一端の側壁面から延びる円管であり、90゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケーシング56の上端面を貫通している。なお、改質器導入管362は、改質器320に水を導入する水導入管としても機能している。より具体的には、図15に示すように、改質器320の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
Further, the
改質器導入管362から流入する水は改質器320で水蒸気とされ、この水蒸気と被改質ガスである燃料ガス(都市ガス)と空気とが混合される。さらに、改質器320は、燃料電池セル集合体312の上方に形成された燃焼室318の更に上方に配置されている。したがって、改質器320は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、燃料と水蒸気を化学反応させることにより水蒸気改質反応の双方によって水素を生成可能な改質器としての役割とを果たすように構成されている。
The water flowing from the
改質器320の下流端には、燃料供給管366の上端が接続されている。この燃料供給管366の下端側は、燃料ガスタンク368内に入り込むように配置されている。
The upper end of a
図15に示すように、燃料ガスタンク368は、燃料電池セル集合体312の真下に設けられている。燃料供給管366から燃料ガスタンク368に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体312を構成する各燃料電池セルユニット316内を上昇して、燃焼室18に至るようになっている。
As shown in FIG. 15, the
続いて、発電により生じた排ガスをモジュールケース356外へ排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット316の上方にある燃焼室318では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気の排ガスを燃焼させている。その後、排ガスは、燃焼室318内を上昇し排気ガイド板380に至る。排気ガイド板380には、図15に示すように、開口380aが設けられており、開口380a内に排ガスが導かれる。この開口380aを通った排ガスは、別体として設けられた熱交換器323の排ガス排出流路流入口324に至る。
Subsequently, a structure for discharging exhaust gas generated by power generation to the outside of the
二層の熱交換器323の下層には、排ガスを排出するための排ガス排出流路323bが設けられている。これらの排ガスガス排出流路323bの下流端側には、排ガス排出管382が接続され、排ガスが外部に排出されるようになっている。
Under the two-
つぎに熱交換器323について図15を参照しながら説明する。熱交換器323は上層に発電用空気供給流路323aと、下層に排ガス排出流路323bを備えている。発電用空気供給流路323aには発電用空気が流れ、排ガス流出流路323bには排ガスが流れており、発電用空気は排ガスからの熱を受け取り昇温される。
Next, the
発電用空気供給流路323aと排ガス排出流路323bの内部にはそれぞれ伝熱板378が流路を区分するように配置されており、発電用空気と排ガスとの熱交換を促進している。すなわち、伝熱板378が流路抵抗として働くため、カウンターフローで流れる発電用空気と排ガスはそれぞれの流路において均熱化され、さらに、伝熱板378が発電用空気と排ガスとが熱交換を行う熱交換器323内の壁面と接しているため、積極的に熱交換を行わせることができる。
なお、図15においては、排ガス流路323aと発電用空気流路323bの内部の双方に伝熱板378を設けているが、排ガス流路323aと発電用空気流路323bのどちらか一方に設けるようにしてもよい。さらに、図15では発電用空気と排ガスとの流れの方向をカウンターフローとして示しているが、クロスフローやパラレルフローでも良い。
In FIG. 15, the
したがって、熱交換部が専用の熱交換器323として別体に設けられている燃料電池装置においても、熱交換器323の内部に設けられた、発電用空気供給流路323aまたは排ガス排出流路323bの内部に本発明にかかる伝熱板378を設けることにより、容易に熱交換性能を向上させることができる。したがって、モジュールケース一体の熱交換器でなくとも、発明の効果を奏することが可能である。
Therefore, even in the fuel cell apparatus in which the heat exchange unit is provided separately as the
2 伝熱板
4 凸部
4a 脚部
4b 桁部
4c 通気孔
5a 第1の領域
5b 第2の領域
6 凹部
101 固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)
102 燃料電池モジュール
107 断熱材
108 モジュールケース
108a 天板
108b 側板
112 燃料電池セル集合体
116 燃料電池セルユニット
118 燃焼室(燃焼部)
111 排気口
120 改質器
120a 混合ガス供給口
120b 予熱部
120c 改質部
125 蒸発器
125a 蒸発部
125b 混合部
125c 排気通路部
162 混合ガス供給管
162a 予熱部
171 第1排ガス排出路
172 第2排ガス排出路
172a 伝熱板
173 第3排ガス排出路
177 発電用空気導入路(酸素含有ガス導入路)
177c、177d 伝熱板
179 仕切り板
201 排気誘導室
203 ガス溜
302 燃料電池モジュール
307 断熱材
310 発電室
312 燃料電池セル集合体
316 燃料電池セルユニット
318 燃焼室(燃焼部)
320 改質器
323 熱交換器
323a 発電用空気供給流路
323b 排ガス排出流路
324 排ガス排出流路流入口
356 モジュールケース
362 改質器導入管
366 燃料供給管
368 燃料ガスタンク
374 発電用空気導入管
377a 出口ポート
377b 噴出孔
380 排気ガイド板
380a 開口
382 排ガス排出管
2
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
177c, 177d
320
Claims (14)
ルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
前記燃料電池セルスタックに酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入路と、
前記発電により生じた排ガスを前記燃料電池装置の外部に排出する排ガス排出路と、
前記酸素含有ガス導入路と前記排ガス排出路とが熱的に接続し、前記酸素含有ガス導入
路を流れる酸素含有ガスと前記排ガス排出路を流れる排ガスとの間で熱交換が行われる熱
交換部と、を有し、
前記熱交換部における前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路の少なくとも一
方の内部には、前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが直進すると必ず衝突して流れる方向
を変更しさらにこれを繰り返すように、凸部をずらして複数配列した伝熱板が設けられて
おり、前記凸部が複数配列した第1の領域と、前記凸部の形成されていない第2の領域とが設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 A solid oxide fuel cell device comprising a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells that generate power using fuel gas and oxygen-containing gas,
An oxygen-containing gas introduction path for introducing an oxygen-containing gas into the fuel cell stack;
An exhaust gas exhaust path for exhausting the exhaust gas generated by the power generation to the outside of the fuel cell device;
The heat exchange part in which the oxygen-containing gas introduction path and the exhaust gas discharge path are thermally connected, and heat exchange is performed between the oxygen-containing gas flowing through the oxygen-containing gas introduction path and the exhaust gas flowing through the exhaust gas discharge path And having
In the inside of at least one of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path in the heat exchange section, the oxygen-containing gas or the exhaust gas always collides and changes the flow direction when it goes straight, and this is repeated. A plurality of heat transfer plates arranged by shifting the protrusions are provided.
A solid oxide fuel cell device comprising a first region in which a plurality of the convex portions are arranged and a second region in which the convex portions are not formed .
前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが前記伝熱板上に流れ込む方向に直交する方向に、
前記凸部が複数配列した第1の領域と、前記凸部の形成されていない第2の領域とが交互
に繰り返して設けられていることで、前記第2の領域を通じて前記直交する方向に前記流
体が流動可能であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 1,
In a direction orthogonal to the direction in which the oxygen-containing gas or the exhaust gas flows onto the heat transfer plate,
The first region in which a plurality of the convex portions are arranged and the second region in which the convex portions are not formed are alternately and repeatedly provided, so that the orthogonal direction through the second region A solid oxide fuel cell device characterized in that a fluid can flow.
前記伝熱板には、複数の前記凸部とともに、前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが前記
伝熱板の上面と下面との間を流動可能なように複数の通気孔が設けられていることを特徴
とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 2,
The heat transfer plate is provided with a plurality of vent holes so that the oxygen-containing gas or the exhaust gas can flow between the upper surface and the lower surface of the heat transfer plate together with the plurality of convex portions. A solid oxide fuel cell device.
前記伝熱板に形成された前記凸部と前記通気孔とは、前記伝熱板から切り起こされた一
対であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 3,
The solid oxide fuel cell device, wherein the convex portion and the vent hole formed in the heat transfer plate are a pair cut and raised from the heat transfer plate.
前記伝熱板の両面は、前記伝熱板から切り起こされた前記凸部と切り起こしによって裏
面に生じた凹部とを有し、一方の面における前記第1の領域の裏面は前記第2の領域に対
応し、前記第2の領域の裏面は前記第1の領域に対応することを特徴とする固体酸化物形
燃料電池装置。 In claim 4,
Both surfaces of the heat transfer plate have the convex portion cut and raised from the heat transfer plate and a concave portion generated on the back surface by cutting and raising, and the back surface of the first region on one surface is the second surface. The solid oxide fuel cell device according to claim 1, wherein the second region corresponds to the first region and the back surface of the second region corresponds to the first region.
前記複数の凸部のそれぞれは上面視において長辺と短辺とを有し、桁部と脚部とを持つ
橋形状であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 5,
Each of the plurality of convex portions has a bridge shape having a long side and a short side in a top view, and having a girder portion and a leg portion, and a solid oxide fuel cell device.
前記複数の凸部は上面視において、前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが前記伝熱板上
に流れ込む方向に対して、前記長辺または前記短辺が斜めになるように配置されているこ
とを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 6,
The plurality of convex portions are arranged so that the long side or the short side is inclined with respect to the direction in which the oxygen-containing gas or the exhaust gas flows onto the heat transfer plate in a top view. A solid oxide fuel cell device.
前記第1の領域内における前記複数の凸部は、上面視において同一の方向及び角度で斜
めになるように配置され、さらに間に前記第2の領域を挟んで隣り合う前記第1の領域ど
うしでは、それぞれの前記凸部は上面視において互いに直交するように配置されているこ
とを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 7,
The plurality of convex portions in the first region are disposed so as to be inclined at the same direction and angle in a top view, and the first regions adjacent to each other with the second region interposed therebetween. Then, each said convex part is arrange | positioned so that it may mutually orthogonally cross in top view, The solid oxide fuel cell apparatus characterized by the above-mentioned.
前記固体酸化物形燃料電池装置は、
前記燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックの上方に設けられた、原料ガスを発電に用いる前記燃料ガス
に水蒸気改質する改質器と、
前記発電の残余の前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを燃焼させて前記改質器を加熱す
る、前記燃料電池セルスタック上方の燃焼部と、を内包する容器を備え、
前記酸素含有ガス導入路と前記排ガス排出路とは、前記排ガス排出路が前記酸素含有ガ
ス導入路よりも内側となるように前記容器の上面または側面の少なくとも一部に配置され
、
前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路の少なくとも一方の内部には、流路を
2つの空間に区画するように前記伝熱板が設けられていることを特徴とする固体酸化物形
燃料電池装置。 In claim 1,
The solid oxide fuel cell device comprises:
The fuel cell stack;
A reformer provided above the fuel cell stack for steam reforming the raw material gas into the fuel gas used for power generation;
A combustion chamber located above the fuel cell stack for heating the reformer by burning the remaining fuel gas and the oxygen-containing gas of the power generation,
The oxygen-containing gas introduction path and the exhaust gas discharge path are arranged on at least a part of the upper surface or the side surface of the container so that the exhaust gas discharge path is inside the oxygen-containing gas introduction path,
The solid oxide fuel cell, wherein the heat transfer plate is provided in at least one of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path so as to divide the flow path into two spaces. apparatus.
前記伝熱板は、複数の前記凸部とともに、前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが区画さ
れた一方の空間から他方の空間へ流動するための複数の通気孔を有することを特徴とする
固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 9,
The heat transfer plate has a plurality of vent holes for flowing from one space into which the oxygen-containing gas or the exhaust gas is partitioned, together with a plurality of the convex portions, to the other space. Fuel cell device.
前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路の一方の内部に設けられた前記伝熱板
は、前記複数の凸部の複数個を介して、前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路
の他方を構成する壁面に固定されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 10,
The heat transfer plate provided inside one of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path is connected to the other of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path via a plurality of the plurality of convex portions. A solid oxide fuel cell device, wherein the solid oxide fuel cell device is fixed to a wall surface constituting the structure.
前記容器の上面に設置された前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路の一方に
設けられた前記伝熱板と、前記容器の側面に設置された前記酸素含有ガス導入路または前
記排ガス排出路に設けられた前記一方の前記伝熱板とは、前記酸素含有ガスまたは前記排
ガスが、区画した前記2つの空間のうち前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路
の他方を構成する壁面と接する空間を優先的に流れるように、組み合わされて配置されて
いることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 10,
The heat transfer plate provided on one of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path installed on the upper surface of the container, and the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path installed on the side surface of the container The oxygen-containing gas or the exhaust gas is in contact with a wall surface that constitutes the other of the oxygen-containing gas introduction path or the exhaust gas discharge path of the two divided spaces. A solid oxide fuel cell device, wherein the fuel cell devices are combined and arranged so as to flow preferentially in space.
前記容器の側面に配置された前記酸素含有ガス導入路と前記排ガス排出路との少なくと
も一方に設けられた前記伝熱板は、前記燃料電池セルスタックの上端よりも上方に設けら
れていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 10,
The heat transfer plate provided in at least one of the oxygen-containing gas introduction path and the exhaust gas discharge path disposed on the side surface of the container is provided above the upper end of the fuel cell stack. A solid oxide fuel cell device.
前記酸素含有ガス導入路の内部であって、前記伝熱板が設けられた領域よりも下方にお
いて、前記酸素含有ガスの温度を均一化するための、複数の孔を有する仕切り板を有する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。 In claim 13,
It has a partition plate having a plurality of holes for making the temperature of the oxygen-containing gas uniform inside the oxygen-containing gas introduction path and below the region where the heat transfer plate is provided. A solid oxide fuel cell device.
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