JP6507869B2 - Fuel cell module - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックを脚部によって支持した燃料電池モジュールに関する。   The present invention relates to a fuel cell module in which a fuel cell stack is supported by legs.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)や溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)のように600℃〜1000℃程度で反応を行う高温型の燃料電池モジュールでは、その発電性能を最大限に発揮させるために燃料電池スタックを適正な温度プロフィールに維持する必要がある。   High-temperature fuel cell modules that perform reactions at about 600 ° C to 1000 ° C, such as solid oxide fuel cells (SOFCs) and molten carbonate fuel cells (MCFCs), in order to maximize their power generation performance It is necessary to maintain the fuel cell stack in a proper temperature profile.

例えば特許文献1には、断熱筐体内に燃料電池スタックを収容して電池保温を行うと共に、燃料電池スタックの側部及び上部に設置した熱交換器にスタック導入前の燃料や空気を流通させ、これら燃料や空気を燃料電池スタックからの輻射熱によって予熱し、これによりモジュール全体での熱効率を向上させ、発電効率を向上させる構造が開示されている。   For example, in Patent Document 1, the fuel cell stack is accommodated in a heat insulating case to perform battery heat retention, and fuel and air before introducing the stack are circulated in heat exchangers installed on the side and upper portions of the fuel cell stack. There is disclosed a structure in which the fuel and air are preheated by radiant heat from the fuel cell stack, thereby improving the thermal efficiency of the entire module and improving the power generation efficiency.

特開2007−157480号公報JP 2007-157480 A

上記のような燃料電池モジュールでは燃料電池スタックを脚部によって支持する設置構造が一般であり、特許文献1の構成でも燃料電池スタックを載置した架台を脚部によって支持している。   In the fuel cell module as described above, the installation structure in which the fuel cell stack is supported by the legs is generally used, and even in the configuration of Patent Document 1, the pedestal on which the fuel cell stack is mounted is supported by the legs.

ところで、通常、このような脚部は強度や耐熱性を考慮してステンレスやスチール等の金属で構成されるため、燃料電池スタックで発生した熱が熱伝導によって脚部に直接的に且つ円滑に伝達されてしまう。その結果、脚部から外部への放熱による熱ロスを生じてモジュール全体としての熱効率を低下させ、発電効率の向上のための障壁となる。   By the way, since such a leg is usually made of metal such as stainless steel or steel in consideration of strength and heat resistance, the heat generated in the fuel cell stack is directly and smoothly applied to the leg by heat conduction. It will be transmitted. As a result, a heat loss due to heat radiation from the legs to the outside is generated to reduce the thermal efficiency of the entire module, which is a barrier for improving the power generation efficiency.

本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、燃料電池スタックを支持する脚部から外部への放熱を低減させ、熱効率を向上させることができる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above-described conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell module capable of reducing the heat radiation from the legs supporting the fuel cell stack to the outside and improving the thermal efficiency. To aim.

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに導入される燃料を予熱する燃料予熱器と、前記燃料電池スタックに導入される空気を予熱する空気予熱器とを備え、前記燃料電池スタックを脚部によって支持した燃料電池モジュールであって、前記脚部には、該脚部に伝達された熱を前記燃料予熱器に導入される前の燃料及び前記空気予熱器に導入される前の空気のうちの少なくとも一方を用いて回収する熱回収部が備えられていることを特徴とする。   A fuel cell module according to the present invention comprises a fuel cell stack, a fuel preheater preheating fuel introduced into the fuel cell stack, and an air preheater preheating air introduced into the fuel cell stack. A fuel cell module in which the fuel cell stack is supported by legs, wherein the heat transmitted to the legs is introduced into the fuel and the air preheater before being introduced into the fuel preheater. It is characterized in that a heat recovery unit is provided which recovers using at least one of the air before being discharged.

このような構成によれば、燃料電池スタックを支持する脚部に、該脚部に伝達された熱を燃料予熱器に導入される前の燃料及び空気予熱器に導入される前の空気のうちの少なくとも一方を用いて回収する熱回収部を備えている。これにより、燃料電池スタックから脚部に伝達された熱を熱回収部で燃料及び空気で回収し、これら燃料及び空気の予熱に有効に利用することができる。その結果、燃料電池スタックで発生した熱が脚部から外部へと放熱されることによる熱ロスを低減し、モジュール全体としての熱効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。   According to such a configuration, in the leg portion supporting the fuel cell stack, the heat transmitted to the leg portion is not introduced into the fuel preheater and the air before it is introduced into the fuel preheater and the air preheater. And a heat recovery unit for recovery using at least one of the above. As a result, the heat transferred from the fuel cell stack to the legs can be recovered by the heat recovery unit as fuel and air, and can be effectively used for preheating the fuel and air. As a result, it is possible to reduce the heat loss due to the heat generated in the fuel cell stack being dissipated from the legs to the outside, improve the thermal efficiency of the entire module, and improve the power generation efficiency.

前記燃料電池スタックと、前記燃料予熱器と、前記空気予熱器と、前記熱回収部を設けた脚部とを断熱筐体内に収容した構成としてもよい。そうすると、燃料電池モジュール内の温度を維持して熱効率を一層高めることができると共に、脚部から断熱筐体外への熱ロスを熱回収部によって低減することができる。   The fuel cell stack, the fuel preheater, the air preheater, and the leg portion provided with the heat recovery portion may be accommodated in a heat insulating casing. Then, the temperature in the fuel cell module can be maintained to further enhance the thermal efficiency, and the heat recovery portion can reduce the heat loss from the leg portion to the outside of the heat insulating casing.

前記熱回収部は、前記脚部と一体に構成されていると、燃料電池スタックへの取り付けが容易であると共に、脚部に伝達された熱を高効率に回収することができる。   When the heat recovery unit is configured integrally with the leg, attachment to the fuel cell stack is easy, and heat transferred to the leg can be recovered with high efficiency.

前記脚部は複数設置されると共に、少なくとも2つの脚部には前記熱回収部が設けられており、一方の脚部に設けられた熱回収部には、前記燃料を前記燃料電池スタックに供給する燃料供給ラインが接続され、他方の脚部に設けられた熱回収部には、前記空気を前記燃料電池スタックに供給する空気供給ラインが接続された構成であってもよい。   A plurality of the leg portions are provided, and the heat recovery portion is provided in at least two of the leg portions, and the heat recovery portion provided in one leg portion supplies the fuel to the fuel cell stack A fuel supply line may be connected, and an air supply line for supplying the air to the fuel cell stack may be connected to the heat recovery unit provided in the other leg.

本発明によれば、燃料電池スタックから脚部に伝達された熱を熱回収部で燃料及び空気で回収し、これら燃料及び空気の予熱に有効に利用することができる。その結果、燃料電池スタックで発生した熱が脚部から外部へと放熱されることによる熱ロスを低減し、モジュール全体としての熱効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。   According to the present invention, the heat transferred from the fuel cell stack to the leg can be recovered by the heat recovery unit with fuel and air, and can be effectively used for preheating the fuel and air. As a result, it is possible to reduce the heat loss due to the heat generated in the fuel cell stack being dissipated from the legs to the outside, improve the thermal efficiency of the entire module, and improve the power generation efficiency.

図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を模式的に示した正面図である。FIG. 1 is a front view schematically showing the configuration of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. 図2は、脚部及びこれに設けられる熱回収部の構成図であり、図2(A)は、一部断面正面図であり、図2(B)は、図2(A)中のIIB−IIB線に沿う断面図である。FIG. 2 is a block diagram of the leg portion and the heat recovery portion provided in the leg portion, FIG. 2 (A) is a front view partially in section, and FIG. 2 (B) is an IIB in FIG. 2 (A). -It is sectional drawing in alignment with a IIB line. 図3は、変形例に係る脚部及びこれに設けられる熱回収部の構成図であり、図3(A)は、正面断面図であり、図3(B)は、図3(A)中のIIIB−IIIB線に沿う断面図である。FIG. 3 is a block diagram of a leg according to a modification and a heat recovery portion provided in the leg, and FIG. 3 (A) is a front sectional view, and FIG. 3 (B) is a cross-sectional view of FIG. IIIB-IIIB line of FIG.

以下、本発明に係る燃料電池モジュールについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the fuel cell module according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール10の構成を模式的に示した正面図である。   FIG. 1 is a front view schematically showing a configuration of a fuel cell module 10 according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、燃料電池モジュール10は、燃料電池スタック12と、燃料予熱器14と、空気予熱器16とを備え、これらを断熱筐体18の内部(高温室)に設置したものである。燃料電池スタック12は、断熱筐体18の床面から立脚した複数本の脚部20,21によって支持されている。脚部20,21は燃料電池スタック12が載置される図示しないテーブル板を有する架台の脚部として構成されてもよい。   As shown in FIG. 1, the fuel cell module 10 is provided with a fuel cell stack 12, a fuel preheater 14, and an air preheater 16, which are installed in the inside (high temperature chamber) of the heat insulation housing 18. is there. The fuel cell stack 12 is supported by a plurality of legs 20 and 21 standing from the floor surface of the heat insulating housing 18. The legs 20 and 21 may be configured as legs of a gantry having a table plate (not shown) on which the fuel cell stack 12 is mounted.

燃料電池スタック12は、燃料供給ラインLF1から導入される燃料(燃料ガス)と、空気供給ラインLA1から導入される空気とを反応させて発電する発電セルを複数組設けたセルスタックである。燃料電池スタック12から排出される燃料排ガス(アノードオフガス)及び空気排ガス(カソードオフガス)は、それぞれ燃料排出ラインLF2及び空気排出ラインLA2から外部に排出される。   The fuel cell stack 12 is a cell stack provided with a plurality of power generation cells that generate electricity by reacting the fuel (fuel gas) introduced from the fuel supply line LF1 with the air introduced from the air supply line LA1. Fuel exhaust gas (anode off gas) and air exhaust gas (cathode off gas) discharged from the fuel cell stack 12 are discharged to the outside from the fuel discharge line LF2 and the air discharge line LA2, respectively.

燃料電池スタック12は、例えば円筒形の発電セルを複数本束ねた構成や矩形平板の発電セルを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施形態の燃料電池スタック12には、燃料極(アノード)と空気極(カソード)との間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いている。   The fuel cell stack 12 can use a known configuration such as, for example, a configuration in which a plurality of cylindrical power generation cells are bundled or a configuration in which a plurality of rectangular flat power generation cells are stacked. The fuel cell stack 12 of this embodiment uses a solid oxide fuel cell (SOFC) in which ion conductive ceramics are interposed as an electrolyte between a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode).

燃料電池スタック12の上部と下部には、それぞれガス経路22,23が設けられている。ガス経路22,23は、燃料供給ラインLF1及び空気供給ラインLA1から燃料電池スタック12に導入される燃料及び空気と、燃料電池スタック12から燃料排出ラインLF2及び空気排出ラインLA2に排出される燃料及び空気を分散させ或いは集めて流通させるマニホールドとなる部分である。ガス経路22,23は、例えばステンレスやスチール等の高い強度及び耐熱性を有する金属板で箱状に形成されたジャケット構造である。   Gas paths 22 and 23 are provided at the upper and lower portions of the fuel cell stack 12, respectively. The gas paths 22 and 23 include fuel and air introduced into the fuel cell stack 12 from the fuel supply line LF1 and the air supply line LA1, fuel discharged from the fuel cell stack 12 to the fuel discharge line LF2 and the air discharge line LA2, and It is a portion to be a manifold for distributing or collecting and circulating air. The gas paths 22 and 23 have a jacket structure formed in a box shape, for example, of a high strength and heat resistant metal plate such as stainless steel or steel.

燃料電池スタック12を支持する脚部20,21は、燃料電池スタック12下部のガス経路23のジャケットの下面にボルト止めや溶接によって固定される。本実施形態の場合、一方の脚部20には燃料予熱器14に導入される前の燃料が流通する熱回収部24が設けられ、他方の脚部21には空気予熱器16に導入される前の空気が流通する熱回収部25が設けられているが、詳細は後述する。なお、図1では正面側の2本の脚部20,21のみを図示しているが、脚部20,21は燃料電池スタック12の外形形状に応じて例えば4〜8本程度設けられる。従って、熱回収部24,25は、それぞれ1本の脚部20,21に設置されてもよいし、それぞれ2本以上の脚部20,21に設置されてもよい。   The legs 20 and 21 supporting the fuel cell stack 12 are fixed to the lower surface of the jacket of the gas path 23 at the bottom of the fuel cell stack 12 by bolting or welding. In the case of the present embodiment, one leg 20 is provided with a heat recovery portion 24 through which fuel flows before being introduced into the fuel preheater 14, and the other leg 21 is introduced into the air preheater 16. Although the heat recovery unit 25 through which the previous air flows is provided, the details will be described later. Although only the two legs 20 and 21 on the front side are illustrated in FIG. 1, about four to eight legs 20 and 21 are provided according to the outer shape of the fuel cell stack 12. Therefore, the heat recovery parts 24 and 25 may be installed on one leg 20 and 21 respectively, or may be installed on two or more legs 20 and 21 respectively.

燃料予熱器14には、熱回収部24と燃料電池スタック12の間の燃料供給ラインLF1と、燃料電池スタック12からの燃料排出ラインLF2とが接続される。燃料予熱器14は、燃料電池スタック12に導入される燃料を燃料電池スタック12から排出される燃料排ガス及び燃料電池スタック12からの輻射熱を利用して予熱する熱交換器である。   A fuel supply line LF1 between the heat recovery unit 24 and the fuel cell stack 12 and a fuel discharge line LF2 from the fuel cell stack 12 are connected to the fuel preheater 14. The fuel preheater 14 is a heat exchanger that preheats the fuel introduced into the fuel cell stack 12 using the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell stack 12 and the radiant heat from the fuel cell stack 12.

空気予熱器16には、熱回収部25と燃料電池スタック12の間の空気供給ラインLA1と、燃料電池スタック12からの空気排出ラインLA2とが接続される。空気予熱器16は、燃料電池スタック12に導入される空気を燃料電池スタック12から排出される空気排ガス及び燃料電池スタック12からの輻射熱を利用して予熱する熱交換器である。   Connected to the air preheater 16 are an air supply line LA1 between the heat recovery unit 25 and the fuel cell stack 12 and an air discharge line LA2 from the fuel cell stack 12. The air preheater 16 is a heat exchanger that preheats the air introduced into the fuel cell stack 12 using the exhaust gas of the air discharged from the fuel cell stack 12 and the radiant heat from the fuel cell stack 12.

断熱筐体18は、例えばグラスウール等の一般的な断熱材を外壁面に充填した箱体であり、断熱性及び気密性を有して内部に燃料電池スタック12等を収容することができる。断熱材は、断熱筐体18の外壁面だけでなく、その内部全体に充填されてもよい。   The heat insulating case 18 is a box body filled with a general heat insulating material such as glass wool on the outer wall surface, and can house the fuel cell stack 12 and the like inside with heat insulation and air tightness. The heat insulating material may be filled not only on the outer wall surface of the heat insulating housing 18 but also on the entire inside thereof.

図2は、脚部20(21)及びこれに設けられる熱回収部24(25)の構成図であり、図2(A)は、一部断面正面図であり、図2(B)は、図2(A)中のIIB−IIB線に沿う断面図である。   FIG. 2 is a configuration diagram of the leg portion 20 (21) and the heat recovery portion 24 (25) provided thereto, and FIG. 2 (A) is a partial cross-sectional front view, and FIG. It is sectional drawing in alignment with the IIB-IIB line | wire in FIG. 2 (A).

図2(A)及び図2(B)に示すように、脚部20は、燃料電池スタック12を支持する強度部材となる脚本体30と、脚本体30の凹部30aに収容配置され、脚本体30の壁面と密着固定された熱回収部24とを備える。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the leg portion 20 is housed and arranged in a leg body 30 serving as a strength member for supporting the fuel cell stack 12 and a recess 30a of the leg body 30, The heat recovery unit 24 is in close contact with and fixed to the 30 wall surfaces.

脚本体30は、900℃程度の高温となる燃料電池スタック12及びその下部で500℃程度になるガス経路23を安定して支持することのできる強度及び耐熱性が必要であり、例えばステンレスやスチール等のH型鋼やC型鋼によって形成される。脚本体30は、燃料電池スタック12下部のガス経路23のジャケットの下面にボルト止めや溶接によって固定されるため、燃料電池スタック12及びガス経路23からの熱が金属部材内の熱伝導及び金属部材間の熱伝達によって伝達され、最も高温な部分では例えば500℃程度になる。   The leg body 30 needs strength and heat resistance capable of stably supporting the fuel cell stack 12 having a high temperature of about 900 ° C. and the gas path 23 having a temperature of about 500 ° C. in the lower part thereof. And H-shaped steel and C-shaped steel. Since the leg main body 30 is fixed to the lower surface of the jacket of the gas path 23 at the lower part of the fuel cell stack 12 by bolting or welding, the heat conduction from the fuel cell stack 12 and the gas path 23 to the metal member and the metal member The heat is transferred by the heat transfer to reach, for example, about 500.degree. C. at the hottest part.

熱回収部24は、燃料電池スタック12及びガス経路23から脚本体30に伝達された熱を燃料電池スタック12に導入する前の燃料によって回収する熱交換器である。熱回収部24は、内部を燃料が流通する容器32と、容器32内に燃料を導入する入口ポート34と、容器32外へと燃料を排出する出口ポート36とを備える。   The heat recovery unit 24 is a heat exchanger that recovers the heat transferred from the fuel cell stack 12 and the gas path 23 to the leg main body 30 by the fuel before being introduced into the fuel cell stack 12. The heat recovery unit 24 includes a container 32 in which the fuel flows, an inlet port 34 for introducing the fuel into the container 32, and an outlet port 36 for discharging the fuel out of the container 32.

入口ポート34は、容器32の下部側面に設けられ、断熱筐体18の外部の供給源からの燃料供給ラインLF1と連結される(図1参照)。出口ポート36は、容器32の上部側面に設けられ、燃料予熱器14の入口側に向かう燃料供給ラインLF1と連結される(図1参照)。   The inlet port 34 is provided on the lower side surface of the container 32 and is connected to a fuel supply line LF1 from a source external to the heat insulating housing 18 (see FIG. 1). The outlet port 36 is provided on the upper side surface of the container 32 and is connected to the fuel supply line LF1 directed to the inlet side of the fuel preheater 14 (see FIG. 1).

容器32は、例えばステンレスやスチール等の高い強度及び耐熱性を有する金属板で箱状に形成されている。容器32の壁面は脚本体30の凹部30aの内壁面に密着固定され、さらに一壁面が脚本体30の側壁面30bで兼用されることで、内部を流通する燃料と脚本体30との間で高い熱交換性能が確保されている。容器32の内部には、燃料との接触面積を拡大するための複数枚の伝熱フィン38が、下部の入口ポート34側から上部の出口ポート36側に向かって上下方向に所定間隔を持って積層されている。各伝熱フィン38には、その板厚を貫通する貫通孔38aが多数形成されている(図2(B)参照)。伝熱フィン38には、例えば金属薄板に多数の貫通孔が打ち抜き成形されたパンチングメタルが用いられる。   The container 32 is formed in a box shape, for example, of a metal plate having high strength and heat resistance, such as stainless steel or steel. The wall surface of the container 32 is closely fixed to the inner wall surface of the recess 30 a of the leg main body 30, and one side wall is also used by the side wall surface 30 b of the leg main body 30. High heat exchange performance is secured. Inside the container 32, a plurality of heat transfer fins 38 for expanding the contact area with the fuel are provided at predetermined intervals in the vertical direction from the lower inlet port 34 side toward the upper outlet port 36 side. It is stacked. Each heat transfer fin 38 is formed with a large number of through holes 38a penetrating the plate thickness (see FIG. 2B). For the heat transfer fins 38, for example, a punching metal in which a large number of through holes are punched and formed in a thin metal plate is used.

熱回収部24において入口ポート34から容器32内に導入された燃料は、容器32内の下部に形成されたバッファ空間であるガス分配部32aに流入し、そこから積層された各伝熱フィン38の貫通孔38aを通過しながら脚本体30と熱交換する。これにより脚本体30の熱を回収して加熱された燃料は、容器32の上部に形成されたバッファ空間であるガス集合部32bから出口ポート36へと排出され、続いて燃料予熱器14に導入される。ガス分配部32aは、容器32内に導入された燃料の流速を低下させて各伝熱フィン38の面方向に均等に燃料を分散させるための部分であり、アルミナボール等を充填して燃料の流速低下を促進してもよい。   The fuel introduced into the vessel 32 from the inlet port 34 in the heat recovery unit 24 flows into the gas distribution unit 32 a which is a buffer space formed in the lower part in the vessel 32, and the respective heat transfer fins 38 stacked from there. Heat exchange with the leg main body 30 while passing through the through holes 38a. As a result, the heat of the leg main body 30 is recovered and the heated fuel is discharged from the gas collecting portion 32 b which is a buffer space formed in the upper portion of the container 32 to the outlet port 36 and then introduced into the fuel preheater Be done. The gas distribution portion 32a is a portion for reducing the flow velocity of the fuel introduced into the container 32 to evenly disperse the fuel in the surface direction of each heat transfer fin 38, and is filled with alumina balls or the like to be used as the fuel. The flow rate reduction may be promoted.

なお、他方の脚部21及びこれに設けられる熱回収部25は、図2(A)及び図2(B)に示した脚部20及び熱回収部24と左右対称構造である以外は同一の構造でよい。すなわち、脚部21では、脚本体30の凹部30aに熱回収部25を備える。この熱回収部25には、内部を空気が流通する容器32と、容器32に空気を導入する入口ポート34と、容器32から空気を排出する出口ポート36とが設けられ、容器32内には伝熱フィン38が積層されている。   The other leg portion 21 and the heat recovery portion 25 provided thereon are the same as the leg portion 20 and the heat recovery portion 24 shown in FIGS. 2A and 2B except that they have a symmetrical structure. It may be a structure. That is, in the leg portion 21, the heat recovery portion 25 is provided in the recess 30 a of the leg main body 30. The heat recovery unit 25 is provided with a container 32 through which the air flows, an inlet port 34 for introducing air into the container 32, and an outlet port 36 for discharging air from the container 32. Heat transfer fins 38 are stacked.

従って、以上のように構成された燃料電池モジュール10では、外部の供給源から燃料供給ラインLF1に流通した原燃料ガス(例えば、天然ガス、LPG又は都市ガス等の炭化水素系の燃料)は脚部20の熱回収部24に流入し、燃料電池スタック12から脚部20の脚本体30に伝達された熱を回収して予熱された後、燃料予熱器14に流入する。燃料予熱器14に導入された燃料は、燃料電池スタック12の燃料極からガス経路23を介して燃料排出ラインLF2に排出された燃料排ガスと熱交換してさらに予熱された後、ガス経路22を介して燃料電池スタック12の燃料極に導入される。   Therefore, in the fuel cell module 10 configured as described above, the raw fuel gas (for example, hydrocarbon-based fuel such as natural gas, LPG or city gas) that has flowed from the external supply source to the fuel supply line LF1 The heat flows into the heat recovery part 24 of the part 20, recovers the heat transmitted from the fuel cell stack 12 to the leg main body 30 of the leg 20, is preheated, and then flows into the fuel preheater 14. The fuel introduced into the fuel preheater 14 exchanges heat with the fuel exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 12 through the gas path 23 to the fuel discharge line LF2 to be further preheated, and then the gas path 22 It is introduced into the fuel electrode of the fuel cell stack 12 via the fuel cell.

一方、外部の供給源から空気供給ラインLA1に流通した空気(酸化剤ガス)は脚部21の熱回収部25に流入し、燃料電池スタック12から脚部21の脚本体30に伝達された熱を回収して予熱された後、空気予熱器16に流入する。空気予熱器16に導入された空気は、燃料電池スタック12の空気極からガス経路22を介して空気排出ラインLA2に排出された空気排ガスと熱交換してさらに予熱された後、ガス経路23を介して燃料電池スタック12の空気極に導入される。   On the other hand, the air (oxidant gas) circulated from the external supply source to the air supply line LA1 flows into the heat recovery unit 25 of the leg portion 21 and the heat transmitted from the fuel cell stack 12 to the leg main body 30 of the leg portion 21 Are collected and preheated, and then flow into the air preheater 16. The air introduced into the air preheater 16 exchanges heat with the air exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack 12 to the air discharge line LA2 through the gas path 22 and is further preheated, and then the gas path 23 It is introduced into the air electrode of the fuel cell stack 12 via the fuel cell stack 12.

その結果、燃料電池モジュール10では、このようにして燃料電池スタック12の燃料極及び空気極にそれぞれ導入される予熱後の燃料及び空気により発電反応が継続され、例えば900℃程度の高温を維持した発電運転が継続される。なお、図1に示す燃料電池モジュール10は、熱回収部24及び燃料予熱器14で予熱された燃料を燃料電池スタック12に導入して内部で改質する構成としているが、例えば断熱筐体18内における燃料予熱器14と燃料電池スタック12との間の燃料供給ラインLF1に改質器を設けた構成であってもよい。   As a result, in the fuel cell module 10, the power generation reaction is continued by the fuel and air after preheating introduced into the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell stack 12 in this manner, and a high temperature of about 900 ° C. is maintained. Power generation operation is continued. The fuel cell module 10 shown in FIG. 1 is configured to introduce fuel preheated by the heat recovery unit 24 and the fuel preheater 14 into the fuel cell stack 12 and reform the fuel cell stack 12 internally. The fuel supply line LF1 between the fuel preheater 14 and the fuel cell stack 12 may be provided with a reformer.

この際、燃料電池スタック12を支持する脚部20,21には、この脚部20,21に伝達された熱を燃料予熱器14に導入される前の燃料及び空気予熱器16に導入される前の空気を用いて回収する熱回収部24,25が備えられている。これにより高温となる燃料電池スタック12やガス経路23から金属製の脚部20,21に伝達された熱を熱回収部24,25で燃料及び空気で回収し、これら燃料及び空気の予熱に有効に利用することができる。   At this time, the heat transferred to the legs 20 and 21 is introduced to the fuel and air preheater 16 before being introduced to the fuel preheater 14 in the legs 20 and 21 supporting the fuel cell stack 12. Heat recovery units 24 and 25 are provided to recover using the previous air. Heat and heat transferred from the fuel cell stack 12 and the gas path 23 to the metal legs 20 and 21 which are heated to a high temperature by the heat recovery unit 24 and 25 are recovered by fuel and air, and are effective for preheating the fuel and air. It can be used to

従って、当該燃料電池モジュール10によれば、燃料電池スタック12で発生した熱が脚部20,21から断熱筐体18外部へと放熱されることによる熱ロスを低減し、モジュール全体としての熱効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。   Therefore, according to the fuel cell module 10, the heat loss due to the heat generated in the fuel cell stack 12 being radiated from the legs 20, 21 to the outside of the heat insulating casing 18 is reduced, and the thermal efficiency of the entire module is improved. The power generation efficiency can be improved.

また、熱回収部24が脚部20(脚本体30)と一体に構成されているため、燃料電池スタック12への取り付けが容易であると共に、脚部20に伝達された熱を高効率に回収することができる。   Further, since the heat recovery portion 24 is integrally formed with the leg portion 20 (the leg main body 30), attachment to the fuel cell stack 12 is easy, and heat transferred to the leg portion 20 is recovered with high efficiency. can do.

なお、各脚部20,21に設けられた熱回収部24,25には、必ずしも燃料及び空気の両方を流通させる必要はなく、燃料及び空気のいずれか一方、例えば一般に燃料よりも大きな予熱の熱量を必要とする空気のみを流通させる構成としてもよい。また、燃料電池スタック12を支持する脚部20,21のうちの一部にのみ熱回収部24,25を設けた構成としてもよいが、外部への放熱量をより低減させ、より十分な熱量を燃料や空気に回収するためには、全ての脚部20,21に熱回収部24,25を設けることが好ましい。   Note that the heat recovery units 24 and 25 provided in each of the legs 20 and 21 do not necessarily have to circulate both the fuel and the air, and any one of the fuel and the air, for example, a preheat that is larger than the fuel in general. Only the air requiring heat may be circulated. In addition, the heat recovery portions 24 and 25 may be provided only in a part of the legs 20 and 21 supporting the fuel cell stack 12, but the amount of heat released to the outside can be further reduced, and a more sufficient amount of heat can be obtained. It is preferable to provide the heat recovery portions 24 and 25 in all the legs 20 and 21 in order to recover the fuel into the fuel and the air.

ところで、上記では、脚本体30に熱回収部24(25)を連結固定することで両者を一体的に構成した脚部20,21を例示したが、脚本体と熱回収部とが構造的に一体化された脚部20A,21A(図3参照)を用いてもよい。   By the way, in the above, although the leg parts 20 and 21 which constituted both integrally by connecting and fixing the heat recovery part 24 (25) to the leg main body 30 were illustrated, a leg main body and a heat recovery part are structurally The integrated legs 20A and 21A (see FIG. 3) may be used.

図3は、変形例に係る脚部20A(21A)及びこれに設けられる熱回収部24A(25A)の構成図であり、図3(A)は、正面断面図であり、図3(B)は、図3(A)中のIIIB−IIIB線に沿う断面図である。   FIG. 3 is a configuration diagram of a leg 20A (21A) according to a modification and a heat recovery unit 24A (25A) provided thereto, and FIG. 3 (A) is a front sectional view, FIG. 3 (B) Fig. 3 is a cross-sectional view taken along the line IIIB-IIIB in Fig. 3 (A).

図3(A)及び図3(B)に示すように、脚部20Aは、燃料電池スタック12を支持する強度部材となる脚本体40と、脚本体40の内部空間に設けられた熱回収部24Aとを備える。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the leg portion 20A is a leg main body 40 serving as a strength member for supporting the fuel cell stack 12 and a heat recovery portion provided in the internal space of the leg main body 40. And 24A.

脚本体40は、900℃程度の高温となる燃料電池スタック12及びその下部で500℃程度になるガス経路23を安定して支持することのできる強度及び耐熱性が必要であり、例えばステンレスやスチール等の円筒鋼や角筒鋼よって形成される。脚本体40は、燃料電池スタック12下部のガス経路23のジャケットの下面にボルト止めや溶接によって固定されるため、燃料電池スタック12及びガス経路23からの熱が金属部材内の熱伝導及び金属部材間の熱伝達によって伝達され、最も高温な部分では例えば500℃程度になる。   The leg body 40 needs strength and heat resistance that can stably support the fuel cell stack 12 having a high temperature of about 900 ° C. and the gas path 23 having a temperature of about 500 ° C. in the lower part thereof. Etc. are formed of cylindrical steel or square cylindrical steel. Since the leg main body 40 is fixed to the lower surface of the jacket of the gas path 23 at the lower part of the fuel cell stack 12 by bolting or welding, the heat conduction from the fuel cell stack 12 and the gas path 23 to the metal member and the metal member The heat is transferred by the heat transfer to reach, for example, about 500.degree. C. at the hottest part.

熱回収部24Aは、筒状の脚本体40をジャケットとして構成され、燃料電池スタック12及びガス経路23から脚本体40に伝達された熱を燃料電池スタック12に導入する前の燃料によって回収する熱交換器である。熱回収部24Aは、脚本体40の内部空間によって形成され、内部を燃料が流通する容器42と、容器42内に燃料を導入する入口ポート34と、容器42外へと燃料を排出する出口ポート36とを備える。   The heat recovery portion 24A is configured such that the cylindrical leg main body 40 is a jacket, and the heat transmitted from the fuel cell stack 12 and the gas path 23 to the leg main body 40 is recovered by the fuel before being introduced into the fuel cell stack 12 It is an exchanger. The heat recovery portion 24A is formed by the internal space of the leg main body 40, and the container 42 through which the fuel flows, the inlet port 34 for introducing the fuel into the container 42, and the outlet port for discharging the fuel out of the container 42 And 36.

容器42は、脚本体40の内壁面で形成されているため、内部を流通する燃料と脚本体40との間で高い熱交換性能を確保されている。容器42の内部には、燃料との接触面積を拡大するための金属球44が多数充填されている。金属球44は、アルミニウム等の金属製の球体である。金属球44代えて上記した脚部20と同様な伝熱フィン38を用いてもよい。   Since the container 42 is formed on the inner wall surface of the leg main body 40, high heat exchange performance is secured between the fuel flowing inside and the leg main body 40. The inside of the container 42 is filled with a large number of metal balls 44 for expanding the contact area with the fuel. The metal ball 44 is a metal sphere such as aluminum. The heat transfer fins 38 similar to the legs 20 described above may be used instead of the metal balls 44.

熱回収部24Aにおいて入口ポート34から容器42内に導入された燃料は、容器42内に充填された各金属球44の隙間を通過しながら脚本体40と熱交換する。これにより脚本体40の熱を回収して加熱された燃料は、容器42の上部の出口ポート36へと排出され、続いて燃料予熱器14に導入される。   The fuel introduced into the container 42 from the inlet port 34 in the heat recovery unit 24A exchanges heat with the leg main body 40 while passing through the gaps between the metal balls 44 filled in the container 42. As a result, the heat of the leg body 40 is recovered and the heated fuel is discharged to the outlet port 36 at the top of the vessel 42 and subsequently introduced to the fuel preheater 14.

なお、他方の脚部21A及びこれに設けられる熱回収部25Aは、図3(A)及び図3(B)に示した脚部20A及び熱回収部24Aと入口ポート34及び出口ポート36の設置位置が左右対称構造である以外は同一の構造でよい。すなわち、脚部21Aでは、脚本体40の内部に熱回収部25Aを備える。この熱回収部25Aには、内部を空気が流通する容器42と、容器42に空気を導入する入口ポート34と、容器42から空気を排出する出口ポート36とが設けられ、容器42内には金属球44が充填されている。   The other leg portion 21A and the heat recovery portion 25A provided thereon are provided with the leg portion 20A and the heat recovery portion 24A, and the inlet port 34 and the outlet port 36 shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B). The same structure may be used except that the position is symmetrical. That is, in the leg portion 21A, the heat recovery portion 25A is provided inside the leg main body 40. The heat recovery unit 25A is provided with a container 42 through which the air flows, an inlet port 34 for introducing air into the container 42, and an outlet port 36 for discharging the air from the container 42. Metal balls 44 are filled.

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Of course, it can change freely in the range which does not deviate from the main point of this invention.

例えば上記実施形態では、燃料電池スタック12として固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いた構成を例示したが、本発明は他の構造の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)にも適用可能である。また、これら高温型のSOFCやMCFCの場合は断熱筐体18を用いて高温室を形成し、高温維持を図って熱効率を確保することが好ましいが、モジュールの要求性能や仕様によっては断熱筐体18が省略されることもある。この場合にも、上記のような熱回収部24,25(24A,25A)を設けた脚部20,21(20A,21A)を用いることで、外部への放熱量を低減し、モジュールの熱効率を向上させることができる。   For example, in the above embodiment, a configuration using a solid oxide fuel cell (SOFC) as the fuel cell stack 12 has been exemplified, but the present invention relates to a fuel cell having another structure, for example, a molten carbonate fuel cell (MCFC) Is also applicable. Further, in the case of these high temperature SOFCs and MCFCs, it is preferable to form a high temperature chamber using the heat insulating case 18 and maintain the high temperature to secure the thermal efficiency, but depending on the required performance and specifications of the module, the heat insulating case 18 may be omitted. Also in this case, by using the legs 20 and 21 (20A and 21A) provided with the heat recovery units 24 and 25 (24A and 25A) as described above, the amount of heat released to the outside is reduced, and the module thermal efficiency Can be improved.

10 燃料電池モジュール
12 燃料電池スタック
14 燃料予熱器
16 空気予熱器
18 断熱筐体
20,20A,21,21A 脚部
22,23 ガス経路
24,24A,25,25A 熱回収部
30,40 脚本体
32,42 容器
34 入口ポート
36 出口ポート
38 伝熱フィン
44 金属球
LA1 空気供給ライン
LA2 空気排出ライン
LF1 燃料供給ライン
LF2 燃料排出ライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 fuel cell module 12 fuel cell stack 14 fuel preheater 16 air preheater 18 heat insulation housing | casing 20, 20A, 21, 21A leg part 22,23 gas path 24, 24A, 25, 25A heat recovery part 30, 40 leg main body 32 , 42 container 34 inlet port 36 outlet port 38 heat transfer fin 44 metal ball LA1 air supply line LA2 air discharge line LF1 fuel supply line LF2 fuel discharge line

Claims (4)

燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに導入される燃料を予熱する燃料予熱器と、前記燃料電池スタックに導入される空気を予熱する空気予熱器とを備え、前記燃料電池スタックを脚部によって支持した燃料電池モジュールであって、
前記脚部には、該脚部に伝達された熱を前記燃料予熱器に導入される前の燃料及び前記空気予熱器に導入される前の空気のうちの少なくとも一方を用いて回収する熱回収部が備えられていることを特徴とする燃料電池モジュール。
A fuel cell stack, a fuel preheater preheating fuel introduced into the fuel cell stack, and an air preheater preheating air introduced into the fuel cell stack, the fuel cell stack being supported by legs Fuel cell module, and
In the leg portion, heat recovery is performed using at least one of fuel before being introduced into the fuel preheater and air before being introduced into the air preheater, for heat transferred to the leg portion. A fuel cell module comprising:
請求項1記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料電池スタックと、前記燃料予熱器と、前記空気予熱器と、前記熱回収部を設けた脚部とを断熱筐体内に収容したことを特徴とする燃料電池モジュール。
In the fuel cell module according to claim 1,
A fuel cell module characterized in that the fuel cell stack, the fuel preheater, the air preheater, and the leg portion provided with the heat recovery portion are accommodated in a heat insulation casing.
請求項1又は2記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記熱回収部は、前記脚部と一体に構成されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
In the fuel cell module according to claim 1 or 2,
The fuel cell module according to claim 1, wherein the heat recovery unit is integrally formed with the leg.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記脚部は複数設置されると共に、少なくとも2つの脚部には前記熱回収部が設けられており、
一方の脚部に設けられた熱回収部には、前記燃料を前記燃料電池スタックに供給する燃料供給ラインが接続され、
他方の脚部に設けられた熱回収部には、前記空気を前記燃料電池スタックに供給する空気供給ラインが接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 3.
A plurality of the leg portions are provided, and the heat recovery portion is provided on at least two of the leg portions,
A fuel supply line for supplying the fuel to the fuel cell stack is connected to a heat recovery unit provided in one of the legs.
A fuel cell module characterized in that an air supply line for supplying the air to the fuel cell stack is connected to a heat recovery part provided in the other leg.
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