JP6537015B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents
Solid oxide fuel cell device Download PDFInfo
- Publication number
- JP6537015B2 JP6537015B2 JP2015055476A JP2015055476A JP6537015B2 JP 6537015 B2 JP6537015 B2 JP 6537015B2 JP 2015055476 A JP2015055476 A JP 2015055476A JP 2015055476 A JP2015055476 A JP 2015055476A JP 6537015 B2 JP6537015 B2 JP 6537015B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- supply pipe
- gas
- exhaust
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
本発明は、原燃料を改質した燃料ガスと酸素含有ガスとの発電反応により発電する複数の燃料電池セルを備えた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 provided with a plurality of fuel cells that generate electric power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming a raw fuel and an oxygen-containing gas.
近年、集合住宅や商業施設等に設置する燃料電池装置として固体酸化物形燃料電池の開発が行われている。固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に空気や酸素等の酸素含有ガスを供給して、高温下で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。 BACKGROUND ART In recent years, solid oxide fuel cells have been developed as fuel cell devices installed in apartment buildings, commercial facilities, and the like. Solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, with electrodes attached on both sides, supplying fuel gas to one side, and air to the other side It is a fuel cell that generates an electric power by causing an electric power generation reaction under high temperature by supplying an oxygen-containing gas such as oxygen and the like.
□このため、高温の排熱から熱を回収して給湯に利用することができる。すなわち高温の排熱を利用し、排熱から熱回収する循環水及び貯湯タンクに貯める湯温を高くすることができ、湯水を貯める貯湯タンクの容量を小さくすることができるため、固体酸化物形燃料電池装置は、これらの貯湯・給湯系と合わせたコージェネレーションシステムとして、いわゆる小型化、低コスト化を実現する方式として注目されている。 □ Therefore, heat can be recovered from high temperature exhaust heat and used for hot water supply. That is, it is possible to increase the temperature of the hot water stored in the circulating water and the hot water storage tank which recovers heat from the exhaust heat using high temperature exhaust heat, and to reduce the capacity of the hot water storage tank for storing hot and cold water. Fuel cell devices are attracting attention as cogeneration systems combined with these hot water storage and hot water supply systems, as a method for realizing so-called miniaturization and cost reduction.
従来マンション等の複数の居住部を備える集合住宅、あるいは店舗や事務所、テナントを含むテナントビルやオフィスビル等の商業施設において、各居住部や各事業所に固体酸化物形燃料電池装置を設置し、それぞれの需要電力に応じてそれぞれの固体酸化物形燃料電池装置により発電を行い、その電力を利用することが検討されている。しかし、集合住宅や商業施設に固体酸化物形燃料電池装置を設置する場合には、各居住部や各事業所には設置スペースが必要となる。特に集合住宅のベランダ、バルコニーやパイプシャフト(パイプスペースともいう)は、固体酸化物形燃料電池装置の設置スペースが狭く限られているため、効果的に設置することができるような形状小型化のニーズは極めて高い。 Solid oxide fuel cell equipment installed in each residential department or office in a residential complex with multiple residential areas such as conventional condominiums, or in a retail facility such as a store or office, tenant building including tenants, office buildings, etc. In addition, it is considered to generate electric power by each solid oxide fuel cell device according to each demand power, and to utilize the electric power. However, when installing a solid oxide fuel cell device in an apartment house or a commercial facility, an installation space is required for each living unit and each office. In particular, since the installation space of the solid oxide fuel cell device is narrow and limited, the veranda, the balcony and the pipe shaft (also referred to as a pipe space) of an apartment complex can be effectively installed in a small shape The needs are extremely high.
ここで、固体酸化物形燃料電池装置に用いられる固体酸化物形の燃料電池セル(以下、燃料電池セルという)は、作動温度が例えば600℃〜1000℃と他の形式の燃料電池に比べ高温である。このため、発電反応に伴い生じる燃料電池セル自身の発熱を利用して燃料電池セルを加熱することができるように、複数の燃料電池セルを配列して燃料電池スタックを構成している。 Here, a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) used in a solid oxide fuel cell apparatus has an operating temperature of, for example, 600 ° C. to 1000 ° C., which is higher than that of fuel cells of other types. It is. For this reason, the fuel cell stack is configured by arranging a plurality of fuel cells so that the fuel cells can be heated using the heat generation of the fuel cells themselves generated by the power generation reaction.
特開2014−167935号公報(特許文献1)には、モジュール容器内に、燃料電池ガスタンクの上面に立設配置された円筒状の複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの上部に配置された改質器が記載されている。改質器はその内部に改質触媒が充填され、供給された原燃料ガスや水を用いて触媒反応によって原燃料ガスが水素リッチな燃料ガスに改質する。改質器と燃料マニホールドとを繋ぐ燃料ガス供給管によって、生成された燃料ガスは燃料マニホールドの内部へ供給された後、複数のセルに設けられた内部通路に供給されることで、複数の燃料電池セルの外表面に供給された酸素含有ガスとの発電反応によって、発電する。一方、発電に寄与しない未反応の燃料ガス(オフガス)は燃料電池セルの上端から排出され、燃料電池セル上方に設けられた燃焼部において着火し燃焼する。これにより生じた燃焼排ガスは上方の改質器を加熱することで、改質器内部を高温状態として燃料ガスの生成に必要な改質反応を誘起し、持続させている。 In JP-A-2014-167935 (Patent Document 1), a plurality of cylindrical fuel cells arranged upright on the upper surface of a fuel cell gas tank and a plurality of fuel cells disposed in a module container are disposed on top of the plurality of fuel cells. The reformer is described. The reformer is internally charged with a reforming catalyst, and the raw fuel gas is reformed into a hydrogen-rich fuel gas by catalytic reaction using the supplied raw fuel gas and water. The fuel gas generated by the fuel gas supply pipe connecting the reformer and the fuel manifold is supplied to the inside of the fuel manifold and then supplied to the internal passages provided in the plurality of cells, whereby the plurality of fuels are supplied. Electric power is generated by a power generation reaction with the oxygen-containing gas supplied to the outer surface of the battery cell. On the other hand, unreacted fuel gas (off gas) that does not contribute to power generation is discharged from the upper end of the fuel cell, and is ignited and burned in a combustion unit provided above the fuel cell. By heating the upper reformer, the combustion exhaust gas generated thereby makes the inside of the reformer high temperature to induce and sustain the reforming reaction required for the generation of the fuel gas.
ここで、改質器から燃料ガス供給管へ改質された燃料ガスを供給する燃料ガス供給管は、特許文献1において、一方が改質器の下流側側面に接続され、側面近傍で湾曲して垂直に引き下ろされ、他方は燃料マニホールドの側面近傍において湾曲して、燃料ガスタンクと接続される様子が開示されている。
Here, in
特許文献1に開示の燃料ガス供給管は、モジュール容器内において上方に位置する改質器と、下方に位置する燃料マニホールドとを簡易な構成で接続するために、改質器の下流側と燃料マニホールドの上流とを垂直に延在する配管を用いている。一方で、燃料ガス供給管は改質器及び燃料マニホールドの側面であるため、燃料ガス供給管の上端及び下端はこれらの側面と垂直に接続されるように、改質器及び燃料マニホールドの側面近傍において湾曲させることが必要となる。
The fuel gas supply pipe disclosed in
しかし、燃料電池装置、特に固体酸化物形燃料電池装置は上述したように高温状態下で動作するものであるが、モジュール容器内部の温度をあらゆる状況下で均一にすることは構造上困難であり、特に燃料電池装置の起動時及び運転時においては著しい温度分布が発生している。このため、モジュール容器及びその内部を構成する金属部品の熱膨張等による熱応力が発生する。例えば、モジュール容器内の温度差によってモジュール容器内部の改質器が燃料マニホールドに比べ熱膨張した場合、それにより生じる熱応力は、燃料ガス供給管において、燃料ガス供給管を固定する改質器及び燃料マニホールドの側面近傍の湾曲部に集中する。熱応力の集中はその蓄積により、または瞬間的に燃料ガス供給管を部分的に劣化、破損させ、燃料ガス供給管内部の気密性を低下あるいは消失させてしまう。従って、燃料ガス供給管を2本の配管で構成し、改質器及び燃料マニホールドの側面近傍における湾曲部にその接合部を配置することは、熱応力の集中により気密性を担保することは極めて難しい。 However, although the fuel cell device, particularly the solid oxide fuel cell device, operates under high temperature conditions as described above, it is structurally difficult to make the temperature inside the module container uniform under all conditions. In particular, significant temperature distribution occurs when the fuel cell device is started and operated. For this reason, thermal stress due to thermal expansion or the like of the module container and the metal parts constituting the inside thereof is generated. For example, when the reformer inside the module container is thermally expanded compared to the fuel manifold due to the temperature difference in the module container, the thermal stress generated thereby may fix the fuel gas supply pipe in the fuel gas supply pipe, and Concentrate on the curved portion near the side of the fuel manifold. The concentration of the thermal stress partially or instantaneously degrades or breaks the fuel gas supply pipe due to the accumulation thereof, and reduces or eliminates the airtightness inside the fuel gas supply pipe. Therefore, configuring the fuel gas supply pipe with two pipes and arranging the joint portion in the curved portion in the vicinity of the side surface of the reformer and the fuel manifold is extremely effective in ensuring airtightness by concentration of thermal stress. difficult.
このため、特許文献1に開示される燃料ガス供給管は、改質器及び燃料マニホールドの側面近傍において大きな弧を描くように湾曲させることで、高温状態下で発生し得る熱応力の集中を緩和している。しかし、この場合、燃料ガス供給管が設置されるモジュール容器内の空間は必然的に大きくならざるを得ず、燃料電池装置の小型化を阻害する要因となっていた。
Therefore, the fuel gas supply pipe disclosed in
以上のことから、燃料電池装置の小型化を実現するためには、モジュール容器内の燃料ガス供給管を保持するスペースも小さくあるいは薄くすることが強く望まれる。一方、高温状態でかつ温度分布を有するモジュール容器内において、構成金属部品の熱膨張による熱応力の発生は不可避である。このため、本願発明は、熱応力の集中による破損・劣化を防止して気密性を確保するとともに、狭小な領域内に設置を可能とする燃料ガス供給管を備えた燃料電池装置に関するものである。さらに、小型化とともに低廉な費用でこれを実現することを課題とする。 From the above, in order to realize the miniaturization of the fuel cell device, it is strongly desired to make the space for holding the fuel gas supply pipe in the module container small or thin. On the other hand, in the module container which is in a high temperature state and has a temperature distribution, the occurrence of thermal stress due to thermal expansion of the constituent metal parts is inevitable. Therefore, the present invention relates to a fuel cell apparatus provided with a fuel gas supply pipe which can be installed in a narrow area while securing air tightness by preventing breakage and deterioration due to concentration of thermal stress. . Furthermore, it is an object to realize this at low cost along with downsizing.
そこで本願発明は、原燃料を改質した燃料ガスと酸素含有ガスとの発電反応により発電
する複数の燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、複数の燃料電池セ
ルを収容するモジュール容器と、モジュール容器の外部から燃料電池セルの表面に酸素含
有ガスを供給する酸素含有ガス供給管と、モジュール容器内であって、燃料電池セルの上
端から排出されるオフガスと酸素含有ガスとを燃焼する燃焼部と、燃焼部で生じた排ガス
により加熱され、原燃料を燃料ガスに改質する、燃焼部上方の改質器と、モジュール容器
の外部から改質器に原燃料を供給する原燃料ガス供給管と、改質器内で改質された燃料ガ
スを、上面に立設する複数の燃料電池セルの内部流路に供給する燃料マニホールドと、下
端が燃料マニホールドに固定され、改質器内の燃料ガスを燃料マニホールドの内部に供給
する燃料ガス供給管と、を有し、燃料ガス供給管は、改質器に向かって垂直方向に延在す
る垂直形状部と、燃料マニホールドに水平方向に挿入されるように湾曲するとともに熱応
力の局所集中を緩和する応力緩和形状部と、応力緩和形状部における湾曲する方向を補正
することで応力緩和形状部と垂直形状部とを接続する方向補正形状部とを有し、垂直形状
部、応力緩和形状部及び方向補正形状部はひとつの管状部材により形成され、モジュール容器は上面、底面及び対向する二側面からなる本体と、他の対向する二側面からなる二つの蓋体とで構成され、燃料ガス供給管は前記蓋体の一方と近接し、且つ、燃料ガス供給管と近接する一方の前記蓋体には、燃料ガス供給管と近接しない部分に酸素含有ガス遮蔽板が設けられている。
Therefore, the present invention is a solid oxide fuel cell device provided with a plurality of fuel cells that generate electric power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming raw fuel and an oxygen-containing gas, which accommodates a plurality of fuel cells. Module container, an oxygen-containing gas supply pipe for supplying an oxygen-containing gas to the surface of the fuel cell from the outside of the module container, an off gas discharged from the upper end of the fuel cell and an oxygen-containing gas in the module container And a reformer above the combustion unit, which is heated by the exhaust gas generated in the combustion unit and reforms the raw fuel into fuel gas, and supplies the raw fuel to the reformer from the outside of the module container Source fuel gas supply pipe, a fuel manifold for supplying the fuel gas reformed in the reformer to the internal flow channels of a plurality of fuel cells erected on the upper surface, and a lower end fixed to the fuel manifold A fuel gas supply pipe for supplying fuel gas in the reformer to the inside of the fuel manifold, the fuel gas supply pipe having a vertically-shaped portion extending vertically toward the reformer, and A stress relieving shape portion and a vertical shape portion that are curved so as to be inserted horizontally in the manifold and relieve local concentration of thermal stress, and are corrected by correcting the bending direction of the stress relieving shape portion The vertical shape portion, the stress relief shape portion and the direction correction shape portion are formed by one tubular member , and the module container has a main body including an upper surface, a bottom surface and two opposite side surfaces, and the other. The fuel gas supply pipe is in close proximity to one of the lids, and one of the lids in proximity to the fuel gas supply pipe is supplied with fuel gas. Close to the tube Oxygen-containing gas shield plate is provided in a portion.
固体酸化物形燃料電池装置において、モジュール容器の小型化を実現するためには、改質器から燃料マニホールドへ改質された燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管を収容する空間も狭小化することが求められている。従来、改質器から垂下する燃料電池供給管は、下方に位置する燃料マニホールドに水平方向に挿入される必要があるため、燃料マニホールドの近傍で垂直方向から水平方向に湾曲することが必要である。 In the solid oxide fuel cell device, in order to realize the miniaturization of the module container, the space for containing the fuel gas supply pipe for supplying the reformed fuel gas from the reformer to the fuel manifold is also narrowed. It is required to do. Conventionally, since the fuel cell supply pipe hanging from the reformer needs to be inserted horizontally into the fuel manifold located below, it is necessary to curve horizontally from the vertical direction in the vicinity of the fuel manifold .
ところで、熱自立型のSOFCモジュールは、燃料電池セルスタック上端でオフガスを燃焼してその上方の改質器を加熱する構成上、モジュール容器の上方が高温となり下方が比較して低温となるように温度分布を持つ。このため、モジュール容器の上方と下方とにおけるモジュールの各構成金属部品の熱膨張差から、様々な箇所に熱応力がかかり、これは燃料供給配管についても例外ではない。例えばモジュール容器内の上下の温度分布により改質器が水平方向に熱膨張した場合、改質器と固定された燃料ガス供給管は、固定箇所である燃料マニホールドとの接合部位に応力が集中してしまう。このため、垂直方向から水平方向に湾曲する燃料マニホールド近傍部位の燃料ガス供給管に応力が集中し、その蓄積によって劣化・破損が誘引される。 By the way, the heat self-supporting SOFC module burns off gas at the upper end of the fuel cell stack and heats the reformer above, so that the upper part of the module container is hot and the lower part is relatively cold. It has a temperature distribution. For this reason, thermal stress is applied to various places from the difference in thermal expansion of each component metal part of the module between the upper side and the lower side of the module container, and this is no exception for the fuel supply piping. For example, when the reformer thermally expands in the horizontal direction due to the temperature distribution in the upper and lower parts in the module container, the fuel gas supply pipe fixed to the reformer concentrates stress at the junction with the fuel manifold which is the fixed part It will For this reason, stress concentrates on the fuel gas supply pipe in the vicinity of the fuel manifold which is curved in the vertical direction from the horizontal direction, and deterioration and damage are induced by its accumulation.
これを防止するために、燃料マニホールド近傍の燃料ガス供給管の湾曲部を広く取り、すなわち屈曲半径を大きくすることで熱応力の一点集中を緩和するよう応力分散して耐久性を向上させる対策が採られてきた。しかし、これによって燃料ガス供給管を収容するスペースが拡大してしまい、モジュール容器の小型化が妨げられる要因となっていた。熱応力の集中緩和としては、蛇腹等の応力緩和部材を燃料ガス供給管の一部に別途挿入付加することが考えられる。しかし、他の部材を燃料ガス供給管の一部に接続する場合には、接合箇所において熱応力による破損リスクを高めるとともに、燃料ガス供給管の製造コストを増大させるものとなるため、好ましいものではない。 In order to prevent this, the curved part of the fuel gas supply pipe near the fuel manifold is widely taken, that is, the radius of bending is increased to disperse the stress so as to relieve one point concentration of the thermal stress and improve the durability. It has been taken. However, this increases the space for accommodating the fuel gas supply pipe, which has been a factor that hinders the miniaturization of the module container. It is conceivable to separately insert and add a stress relieving member such as a bellows or the like to a part of the fuel gas supply pipe in order to relieve the thermal stress. However, when other members are connected to a part of the fuel gas supply pipe, the risk of damage due to thermal stress is increased at the joint, and the manufacturing cost of the fuel gas supply pipe is increased. Absent.
そこで、本発明においては、燃料ガス供給管が垂直形状部、応力緩和形状部、方向補正形状部を有するものとする、すなわちひとつの部材からなる燃料ガス供給管を一回折り曲げて振り戻す形状とする。これにより、蛇腹部材等の他の構成部品を付加することなく、僅かひとつの管状部材のみを用いることによって、負荷される熱応力の集中緩和と収納空間の縮小化とを両立することができる。これにより、高耐久性であるとともに廉価な小型の燃料電池装置を実現することができる。 Therefore, in the present invention, the fuel gas supply pipe has a vertical shape portion, a stress relief shape portion, and a direction correction shape portion, that is, a shape in which the fuel gas supply pipe consisting of one member is bent once and turned back Do. As a result, by using only one tubular member without adding other components such as the bellows member, it is possible to achieve both the alleviation of the applied thermal stress and the reduction of the storage space. As a result, it is possible to realize an inexpensive and compact fuel cell device that is highly durable.
なお、本発明にかかる燃料ガス供給管はひとつの管状部材により形成されるものであるが、これは燃料ガス供給管がひとつの管状部材において垂直形状部、応力緩和形状部、方向補正形状部を有することを意味するものであって、湾曲部の応力を緩和しつつも燃料ガス供給管の収容領域を狭小化することを目的とするものである。従って、燃料ガス供給管の垂直形状部の上方に、さらに改質器に固定された他の燃料ガス供給管が設けられ、複数の燃料電池セルと燃料マニホールドと燃料ガス供給管とを一体とした所謂燃料電池スタックをモジュール容器に挿入後、燃料ガス供給管と他の燃料ガス供給管とをユニオン継手等の接合部材により接続する構成も、本発明に含まれるものである。 Although the fuel gas supply pipe according to the present invention is formed by one tubular member, the fuel gas supply pipe includes a vertical shape portion, a stress relief shape portion, and a direction correction shape portion in one tubular member. It is meant to have, and it is an object of the present invention to narrow the storage area of the fuel gas supply pipe while reducing the stress of the curved portion. Therefore, another fuel gas supply pipe fixed to the reformer is further provided above the vertically shaped portion of the fuel gas supply pipe, and the plurality of fuel cells, the fuel manifold and the fuel gas supply pipe are integrated. A configuration in which a fuel gas supply pipe and another fuel gas supply pipe are connected by a joining member such as a union joint after inserting a so-called fuel cell stack into a module container is also included in the present invention.
また本発明において、方向補正形状部は、垂直方向に対してモジュール容器内の燃料電池セルへ向かって傾倒するように配置されていることが好ましい。 In the present invention, preferably, the direction correction shape portion is disposed to be inclined toward the fuel cell in the module container in the vertical direction.
方向補正形状部を、垂直方向に対してモジュール容器内の燃料電池セルへ向かって傾倒することで、燃料ガス供給管の形状を、燃料マニホールドに固定される下端近傍を鋭角になるように湾曲させつつ、上方においては改質器に向けて垂直に延在する形状とすることができる。当該形状では、略直角に下端部を湾曲させるような燃料ガス供給管の形状に対して、下端部において湾曲する領域を広くとることが可能となるため、燃料ガス供給管への熱応力の1点集中を緩和させることができる。同時に、方向補正形状部によって湾曲形状は垂直方向に延在する垂直形状部につながるため、応力緩和形状部によって広がった湾曲形状の軌道を垂直方向に戻すことで、燃料ガス供給管の収容スペースを狭小化することができる。 By tilting the direction correction shape portion toward the fuel cell in the module container in the vertical direction, the shape of the fuel gas supply pipe is curved so that the lower end fixed to the fuel manifold has an acute angle. However, the upper side can be shaped to extend vertically toward the reformer. With such a shape, it is possible to widen the curved region at the lower end with respect to the shape of the fuel gas supply pipe that bends the lower end substantially at right angles, so 1 of the thermal stress on the fuel gas supply pipe It is possible to ease the concentration. At the same time, since the curved shape leads to the vertically extending vertical portion by the direction correction shape portion, the storage space of the fuel gas supply pipe can be reduced by returning the curved shape trajectory expanded by the stress relief shape portion to the vertical direction. It can be narrowed.
また本発明において、応力緩和形状部は、燃料ガス供給管の外径Dに対し、2Dよりも湾曲の屈曲半径を大きくすることが好ましい。 Further, in the present invention, it is preferable that the stress relief shape portion has a bending radius of curvature larger than 2D with respect to the outer diameter D of the fuel gas supply pipe.
応力緩和形状部の湾曲の程度を、最小屈曲半径2D(外径Dの2倍)よりも大きくすることで燃料ガス供給管の強度を損なうことなく、熱応力の集中を緩和して燃料ガス供給管の耐久性を向上させることができる。また、燃料マニホールドの挿入部において、燃料ガス供給管の断面形状の真円度を維持することができ、気密性を担保することができる。 By making the degree of curvature of the stress relaxation shape portion larger than the minimum bending radius 2D (twice the outer diameter D), the concentration of thermal stress is alleviated without impairing the strength of the fuel gas supply pipe to supply the fuel gas The durability of the tube can be improved. Further, in the insertion portion of the fuel manifold, the roundness of the cross-sectional shape of the fuel gas supply pipe can be maintained, and airtightness can be secured.
モジュール容器内に収容されるセルスタックに供給される酸素含有ガスを均一に燃焼部に誘導することで、セル表面への均一な酸素含有ガスの供給と燃焼部における熱バランスの安定化が可能となる。しかし、燃料ガス供給管が配置されるセルスタックの側面とこれに対向する側面とでは、燃料ガス供給管が配置されているため酸素含有ガスの流動分布が相違してしまう。これを解消するために、従来燃料ガス供給管が配置されているセルスタックの側面においては、燃料ガス供給管とセルスタックとの間に酸素含有ガス遮蔽板を設けることで、両側面の酸素含有ガス流通状態を近似させて、流動分布を均一化していた。しかし、燃料電池モジュールの小型化する場合、酸素含有ガス遮蔽板を設置するスペースの確保に加え、組み付け作業も困難となる。一方、小型化に伴うモジュールの高さ方向の縮小化により、酸素含有ガスの流動分布の影響はより顕著となる。 By uniformly guiding the oxygen-containing gas supplied to the cell stack housed in the module container to the combustion unit, it is possible to uniformly supply the oxygen-containing gas to the cell surface and stabilize the heat balance in the combustion unit. Become. However, since the fuel gas supply pipe is arranged, the flow distribution of the oxygen-containing gas is different between the side surface of the cell stack where the fuel gas supply pipe is arranged and the side surface opposite to this. In order to eliminate this, on the side surface of the cell stack where the fuel gas supply pipe is conventionally disposed, the oxygen-containing gas shielding plate is provided between the fuel gas supply pipe and the cell stack The flow condition was uniformed by approximating the gas flow state. However, in the case of miniaturizing the fuel cell module, in addition to securing a space for installing the oxygen-containing gas shielding plate, assembly work becomes difficult. On the other hand, the influence of the flow distribution of the oxygen-containing gas becomes more remarkable as the height of the module is reduced along with the reduction in size.
そこで、遮蔽板を蓋体に直接設置することで、酸素含有ガスの流動分布の均一化を維持するとともに、小型化に伴う作業性の低下を解消することができる。 Therefore, by directly installing the shielding plate on the lid, it is possible to maintain uniformity in the flow distribution of the oxygen-containing gas, and eliminate the decrease in workability associated with the downsizing.
本発明により、熱応力の集中による破損・劣化を防止して気密性を確保するとともに、狭小な領域内に設置を可能とする燃料ガス供給管を備えた燃料電池装置を提供することができる。さらに、小型化とともに低廉な費用でこれを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell apparatus provided with a fuel gas supply pipe which can be installed in a narrow area while preventing breakage and deterioration due to concentration of thermal stress to ensure air tightness. Furthermore, this can be realized at low cost along with miniaturization.
次に、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置について、図1乃至図4を用いて説明する。 Next, a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described using FIGS. 1 to 4.
図1は、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(以下、燃料電池モジュール1000という。)を示す側面断面図であり、図2は、図1におけるX−X断面に沿った断面図である。また、図3は、燃料電池モジュール1000の燃料ガス(改質器1002による改質後のガス)の流れを示す側面断面図である。図1及び図2に示すように、燃料電池モジュール1000は、モジュール容器1001を備え、このモジュール容器1001内に改質器1002、複数の固体酸化物形の燃料電池セル1004、燃料マニホールド1005、燃料ガス供給管1010を有する。
FIG. 1 is a side cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell device (hereinafter referred to as a fuel cell module 1000) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross section along the X-X cross section in FIG. FIG. FIG. 3 is a side cross-sectional view showing the flow of the fuel gas (the gas after being reformed by the reformer 1002) of the
改質器1002の内部には改質触媒が充填され、原燃料ガス供給管(図示せず)から改質器内へ供給された原燃料ガスや水蒸気を用いて、触媒反応によって原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する。燃料ガス供給管1010は、改質器1002の底面に接続され、モジュール容器1001の内部下方に設けられた燃料マニホールド1005に接続され固定される。これにより、改質器1002で改質された燃料ガスは、燃料ガス供給管1010を通過して燃料マニホールド1005の内部に供給される(図3参照)。燃料マニホールド1005の上面には複数の燃料電池セル1004が立設固定される。後に詳述するが、燃料電池セル1004の内部には1以上の内部通路が形成され、燃料マニホールド1005から供給された燃料ガスがこの内部通路を通過する。燃料電池セル1004は、固体電解質を介して内側に設けられた燃料極と外側に設けられた空気極とを有し、内部通路により燃料極に供給された燃料ガスと、燃料電池セル1004の外側より供給された酸素含有ガスとにより発電する。また、発電で残余した燃料ガス(オフガス)は、燃料電池セル1004の上端から排出され、燃料電池セル1004上方の燃焼部1003において、周囲の酸素含有ガスと混合して燃焼され、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼ガスは改質器1002を加熱することで、改質器1002の内部温度を高温状態として、改質触媒の温度を昇温し、原燃料ガスから燃料ガスへの改質が可能な状態へ遷移し、また保持させる。
The inside of the
ここで、燃料電池セル1004は、円筒型として図示したがこれに限らず、平板形状や扁平円筒形状であってもよい。燃料電池セル1004の形状を適宜選択することで、モジュール容器1001内の温度分布やモジュール容器1001のサイズなどを自由に調整することができる。
Here, the
ところで、上述した燃料電池モジュール1000の小型化を実現するために、改質器1002から燃料マニホールド1005へ改質された燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管1010を収容する空間(燃料ガス供給管収容部1014)も狭小化することが有効である。従来、改質器1002から垂下する燃料ガス供給管は、下方に位置する燃料マニホールド1005に水平方向に挿入される必要があるため、少なくとも燃料マニホールド1005の近傍で垂直方向から水平方向に湾曲することが必要である。
By the way, in order to realize the miniaturization of the
一方、熱自立型の燃料電池モジュール1000は、燃料電池セル1004の上端でオフガスを燃焼してその上方の改質器1002を加熱する構成上、モジュール容器1001の上方が高温となり下方が比較して低温となるように温度分布を持つ。このため、モジュール容器1001の上方と下方とにおけるモジュールの各構成金属部品の熱膨張差から、様々な箇所に熱応力がかかり、これは燃料供給配管についても例外ではない。例えば図4(A)に示すように、モジュール容器内1001の上下の温度分布により改質器1002が水平方向に熱膨張した場合、改質器1002と固定された燃料ガス供給管は、改質器1002の矢印方向の熱膨張変位により、固定箇所である燃料マニホールド1005との接合部位に応力が集中してしまう。このため、垂直方向から水平方向に湾曲する燃料マニホールド1005近傍部位の燃料ガス供給管2010に応力が集中し、その蓄積によって劣化・破損が誘引される。
On the other hand, the
これを防止するために、図4(B)に示すように、燃料マニホールド1005近傍の燃料ガス供給管3010の湾曲部を広く取り、すなわち屈曲半径を大きくすることで熱応力の一点集中を緩和するよう応力分散して耐久性を向上させる対策が採られてきた。しかし、これによって燃料ガス供給管3010を収容するスペース(燃料ガス供給管収容部1014)が拡大してしまい、モジュール容器1001の小型化が妨げられる要因となっていた。熱応力の集中緩和としては、蛇腹等の応力緩和部材を燃料ガス供給管の一部に別途挿入付加することが考えられる。しかし、他の部材を燃料ガス供給管の一部に接続する場合には、接合箇所において熱応力による破損リスクを高めるとともに、燃料ガス供給管の製造コストを増大させるものとなるため、好ましいものではない。
In order to prevent this, as shown in FIG. 4B, the curved portion of the fuel
そこで、本発明において燃料ガス供給管1010は、図1及び図2に示すように、その下端が燃料マニホールド1005に固定され、改質器1002内の燃料ガスを燃料マニホールド1005の内部に供給する機能を有する。また、燃料ガス供給管1010は、改質器1002に向かって垂直方向に延在する垂直形状部1011と、燃料マニホールド1005に水平方向に挿入されるように湾曲するとともに熱応力の局所集中を緩和する応力緩和形状部1013と、応力緩和形状部における湾曲する方向を補正することで応力緩和形状部1013と垂直形状部1011とを接続する方向補正形状部1012とを有し、垂直形状部1011、応力緩和形状部1013及び方向補正形状部1012はひとつの管状部材により形成されている。換言すると、本発明の燃料ガス供給管は、ひとつの管状部材により形成されるものであって、一度折り曲げて振り戻す形状とする。
Therefore, in the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, the lower end of the fuel
すなわち、本発明における燃料ガス供給管1010は、従来の、改質器1002から垂直方向に延在する垂直形状部と、改質器1002の下方に位置する燃料マニホールド1005の側面に接続するために湾曲する部分との構成に代えて、垂直形状部1011の下端に、方向補正形状部1012及び応力緩和形状部1013を形成したものである。
That is, the fuel
応力緩和部1013は、燃料ガス供給管1010が水平方向に燃料マニホールド1005の側面に接続するために湾曲する点において従来の湾曲構造と類似するが、高温状態下での熱応力が湾曲部に局所的に集中しないように、広く熱応力を分散させる点で相違する。具体的には、湾曲の程度を緩める等の形状にすればよく、例えば、燃料ガス供給管の外径Dに対し、2Dよりも湾曲の屈曲半径を大きくすると良い。このように燃料ガス供給管1010における燃料マニホールド1005との接続部近傍において応力緩和部1013を設けることで、高温時に生じる熱膨張による熱応力集中を緩和させ、燃料ガス供給管1010の燃料マニホールド1005の固定部における局所的な破損、劣化を防止することができる。
The
しかし、上述のような熱応力の分散緩和を目的とする形状は、図4(B)に示す従来例のように、燃料ガス供給管収容部1014を拡張して、燃料電池モジュール1000の小型化を妨げる要因となる。そこで、本発明にかかる燃料ガス供給管1010は、図1に示すように、応力緩和形状部1013と併せて、方向補正形状部1012を有する。方向補正形状部1012は、応力緩和形状部1013により燃料電池モジュール1000の外方に向かった配管軸の軌道を、改質器1002から垂直方向下方へ延在する垂直系上部1011の下端に接続するように方向を補正するものである。よって、結果的に燃料ガス供給管1010は、下端から上端へ向けて、応力緩和部形状部1013によって一度折り曲げられ、方向補正形状部1012によって垂直形状部1011の下端に位置するように振り戻される形状となる。
However, as in the conventional example shown in FIG. 4B, the shape for the purpose of dispersion relaxation of the thermal stress as described above is to miniaturize the
このような、本発明にかかる燃料ガス供給管1010は、垂直形状部1011、応力緩和形状部1013及び方向補正形状部1012をひとつの管状部材に形成したものである。当該構成は、応力緩和形状部1013の湾曲部分を形成するための配管の折り曲げと、方向補正形状部1012から垂直形状部1011に推移する形状を形成する配管の折り曲げとの二度の折り曲げによって、ひとつの配管を用いて形成することが可能である。
The fuel
このため、溶接等の接合手段により二以上の配管を接合して形成した湾曲構造を持つ燃料ガス供給管に比べ、気密性の点で格段に優れている。特に燃料ガス供給管の外径Dに対し、2Dよりも湾曲の屈曲半径を大きくする等、折り曲げの程度を適宜設定することで、燃料マニホールド1005への接続箇所における燃料ガス供給管1010の断面形状を真円に維持することができるため、気密性を担保することができる。さらに、所定の程度に配管を折り曲げるだけであるから、製造工程が簡易であり、さらに製造費用の点でも優れていることは明らかである。
For this reason, compared with a fuel gas supply pipe having a curved structure formed by joining two or more pipes by joining means such as welding, it is significantly superior in airtightness. In particular, the cross-sectional shape of the fuel
なお、本発明にかかる燃料ガス供給管1010はひとつの管状部材により形成されるものであるが、これは燃料ガス供給管がひとつの管状部材において垂直形状部1011、応力緩和形状部1013、方向補正形状部1012を有することを意味するものであって、湾曲部の応力を緩和しつつも燃料ガス供給管1010の収容領域を狭小化することを目的とするものである。従って、燃料ガス供給管1010の垂直形状部の上方に、さらに改質器1002に固定された他の燃料ガス供給管(図示せず)が設けられ、複数の燃料電池セル1004と燃料マニホールド1005と燃料ガス供給管1010とを一体とした所謂燃料電池スタックをモジュール容器1001に挿入後、燃料ガス供給管1010と他の燃料ガス供給管とをユニオン継手等の接合部材により接続する構成も、本発明に含まれるものである。
Although the fuel
また、図1においては、燃料ガス供給管1010は、燃料マニホールド1005の内部に挿入され、さらに燃料マニホールド1005の内部を水平方向に延在している。燃料マニホールド1005内に延在する燃料ガス供給管1010は、底面に複数の燃料供給孔1006を有し、改質器1002から供給される燃料ガスを、燃料供給孔1006を介して燃料マニホールド1005の底面方向に向けて供給する。これにより、燃料マニホールド1005の底面に衝突した燃料ガスは、水素リッチのガスであるために分散しながら上昇することで、燃料マニホールド1005の天面に設けられた複数の燃料電池セルのそれぞれに対して、均一な濃度の燃料ガスを供給することができる。
Further, in FIG. 1, the fuel
ただし、燃料ガス供給管1010は燃料マニホールド1005の内部に必ずしも挿入される必要はなく、例えば燃料ガス供給管1010の下端を燃料マニホールド1005の側面に位置させる構成としても良い。
However, the fuel
以上のように、僅かひとつの管状部材のみを用いることによって、負荷される熱応力の集中緩和と収納空間の縮小化とを両立することができる。これにより、高耐久性であるとともに廉価な小型の燃料電池装置を実現することができる。 As described above, by using only one tubular member, it is possible to achieve both the alleviation of the applied thermal stress and the reduction of the storage space. As a result, it is possible to realize an inexpensive and compact fuel cell device that is highly durable.
次に、添付図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings.
図5は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。図5に示すように、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
FIG. 5 is a whole block diagram showing a solid oxide fuel cell device (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, a solid oxide fuel cell device (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュール容器8が内蔵されている。この密閉空間であるモジュール容器8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、8個の燃料電池セルスタック14(図11参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、各々が燃料電池セルを含む、16本の燃料電池セルユニット16(図10参照)から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体12は、128本の燃料電池セルユニット16を有する。燃料電池セル集合体12は、複数の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
The
燃料電池モジュール2のモジュール容器8の発電室10の上方には、燃焼部としての燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス(言い換えると燃焼ガス)を生成するようになっている。さらに、モジュール容器8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器120が配置され、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。
Above the
さらに、ハウジング6内においてモジュール容器8の上方には、蒸発器140が断熱材7内に設けられている。蒸発器140は、供給された水と排気ガス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。)をモジュール容器8内の改質器120に供給する。
Furthermore, an
次に、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器120に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
Next, the auxiliary unit 4 stores the water obtained by condensing the water contained in the exhaust from the
次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, the
次に、図6乃至図8を参照して、本発明の一実施例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説明する。図6は、本発明の一実施例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7は、図6のIII−III線に沿った断面図であり、図8は、モジュール容器及び空気通路カバーの分解斜視図である。 Next, the structure of a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 8 is an exploded perspective view of a module container and an air passage cover.
図6及び図7に示すように、燃料電池モジュール2は、断熱材7で覆われたモジュール容器8の内部に設けられた燃料電池セル集合体12及び改質器120を有すると共に、モジュール容器8の外部で且つ断熱材7内に設けられた蒸発器140を有する。
As shown in FIGS. 6 and 7, the
まず、モジュール容器8は、図8に示すように、略矩形の天板8a,底板8c,これらの長手方向(図6の左右方向)に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板8bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板8a及び底板8cの幅方向(図7の左右方向)に延びる辺同士を連結する閉鎖側板8d,8eからなる。
First, as shown in FIG. 8, the
モジュール容器8は、空気通路カバー160によって天板8a及び側板8bが覆われている。空気通路カバー160は、天板160aと、対向する一対の側板160bとを有する。天板160aの略中央部分には、排気管171を貫通させるための開口部167が設けられている。天板160aと天板8aとの間、及び、側板160bと側板8bとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュール容器8の外側と断熱材7との間、具体的にはモジュール容器8の天板8a及び側板8bと、空気通路カバー160の天板160a及び側板160bとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路161a,161bが形成されている(図7参照)。
The
モジュール容器8の側板8bの下部には、複数の貫通孔である吹出口8fが設けられている(図8参照)。発電用空気は、空気通路カバー160の天板160aのうち、モジュール容器8の閉鎖側板8e側の略中央部に設けられた発電用空気導入管74から流路方向調整部164を介して空気通路161a内に供給される(図6、図8参照)。そして、発電用空気は、空気通路161a,161bを通って、吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される(図7、図8参照)。
At the lower part of the
また、空気通路161a,161bの内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィンであるプレートフィン162,163が設けられている(図7参照)。プレートフィン162は、モジュール容器8の天板8aと空気通路カバー160の天板160aの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン163は、モジュール容器8の側板8bと空気通路カバー160の側板160bとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット16よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。
Further,
空気通路161a,161bを流れる発電用空気は、特にプレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の内側のモジュール容器8内(具体的には天板8a,側板8bに沿って設けられた排気通路)を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路161a,161bにおいてプレートフィン162,163が設けられた部分は、熱交換器(熱交換部)として機能する。なお、プレートフィン162が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン163が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。
The power generation air flowing through the
次に、蒸発器140は、モジュール容器8の天板8a上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器140とモジュール容器8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分7aが配置されている(図6及び図7参照)。
Next, the
具体的には、蒸発器140は、長手方向(図6の左右方向)の一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する燃料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82(図7参照)とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管171の上端部が連結されている。排気管171は、空気通路カバー160の天板160aに形成された開口部167を貫通して下方へ延び、モジュール容器8の天板8a上に形成された排気口111に連結されている。排気口111は、モジュール容器8内の燃焼室18で生成された排気ガスをモジュール容器8の外へ排出する開口部であり、モジュール容器8の上面視略矩形の天板8aのほぼ中央部に形成されている。
Specifically, the
また、蒸発器140は、図6及び図7に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース141を有している。この蒸発器ケース141は、2つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース142と下側ケース143とを、これらの間に中間板144を挟んだ状態で接合して形成されている。
Moreover, the
したがって、蒸発器ケース141は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管171から供給された排気ガスが通過する排気通路部140Aが形成され、上層部分には、燃料供給配管63から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部140Bと、蒸発部140Bで生成された水蒸気と燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部140Cが設けられている。
Therefore, the
蒸発部140B及び混合部140Cは、複数の連通孔(スリット)が設けられた仕切り板により蒸発器140を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部140B内には、アルミナボール(図示せず)が充填されている。
また、排気通路部140Aは、同様に複数の連通孔を有する2つの仕切り板により排気ガスの上流側から下流側にかけて3つの空間に仕切られている。そして、2番目の空間に燃焼触媒(図示せず)が充填されている。すなわち、本実施例の蒸発器140は、燃焼触媒器を含んでいる。
The
Further, the
このような蒸発器140では、蒸発部140B内の水と排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部140B内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部140C内の混合ガスと排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
In such an
更に、図6に示すように、混合部140Cには、改質器120に混合ガスを供給するための混合ガス供給管112が接続されている。この混合ガス供給管112は、排気管171の内部を通過するように配置されており、一端が中間板144に形成された開口144aに連結され、他端が改質器120の天面に形成された混合ガス供給口120aに連結されている。混合ガス供給管112は、排気通路部140A内,排気管171内を通過してモジュール容器8内まで鉛直下方に延び、そこで略90°屈曲されて天板8aに沿って水平方向に延びた後、下方へ略90°屈曲されて改質器120に連結されている。
Furthermore, as shown in FIG. 6, a mixed
次に、改質器120は、燃焼室18の上方でモジュール容器8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュール容器8の天板8aとの間に排気ガス誘導部材130を介して所定距離隔てられて状態で、天板8aに対して固定されている。改質器120は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔120bが形成された環状構造体であり、上側ケース121と下側ケース122とが接合された筐体を有している。この貫通孔120bは、天板8aに形成された排気口111と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔120bの中央位置に排気口111が形成される。
Next, the
改質器120の長手方向の一端側(モジュール容器8の閉鎖側板8e側)では、上側ケース121に設けられた混合ガス供給口120aに混合ガス供給管112が連結されており、他端側(閉鎖側板8d側)では、本発明に燃料ガス供給管64が下側ケース122に、脱硫器36まで延びる水添脱硫器用水素取出管65が上側ケース121にそれぞれ連結されている。したがって、改質器120は、混合ガス供給管112から混合ガス(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))を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管64及び水添脱硫器用水素取出管65から改質後のガス(即ち、燃料ガス)を排出するように構成されている。
The mixed
改質器120は、その内部空間が2つの仕切り板123a,123bによって3つの空間に仕切られることにより、改質器120内に、混合ガス供給管112からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部120Aと、混合ガスを改質するための改質触媒(図示せず)が充填された改質部120Bと、改質部120Bを通過したガスを排出するガス排出部120Cと、が形成されている(図6参照)。改質部120Bは、仕切り板123a,123bに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板123a,123bに設けられた複数の連通孔(スリット)を通って移動可能となっている。また、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。
The
混合ガス受入部120Aには、蒸発器140から混合ガス供給管112を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口120aを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部120A内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板123aを通過して改質部120Bに供給される。
改質部120Bでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板123bを通過してガス排出部120Cに供給される。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
The mixed gas supplied from the
In the reforming
In the gas discharge unit 120C, the fuel gas is discharged to the fuel
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64は、垂直形状部、方向補正形状部、応力緩和形状部を有する。垂直形状部によってモジュール容器8内を下方へ延び、方向補正形状部に接続する。方向補正形状部は、その上方が垂直方向に対してモジュール容器8内の燃料電池セルへ向かって所定の角度で傾倒するように配置されている。そして、底板8c付近の応力緩和形状部において燃料ガス供給管64は緩やかに湾曲して水平方向に延び、
燃料電池セル集合体12の下方に形成された燃料マニホールド66内へ入り、更に燃料マニホールド66内で逆側の閉鎖側板8e付近まで水平方向に延びている。応力緩和形状部の燃料ガス供給管64の湾曲は、外径Dに対し、2Dよりも湾曲の屈曲半径を大きくしている。総じて、燃料ガス供給管64は、ひとつの部材を一回折り曲げて振り戻す形状である。これにより、蛇腹部材等の他の構成部品を付加することなく、僅かひとつの管状部材のみを用いることによって、負荷される熱応力の集中緩和と収納空間の縮小化とを両立することができる。このため、高耐久性であるとともに廉価な小型の燃料電池装置を実現することができる。
The fuel
It enters into a
本実施例においては、燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、燃料ガスが燃料マニホールド66内に供給される。この燃料マニホールド66の上方には、燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、燃料マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
In the present embodiment, a plurality of
排気ガス誘導部材130は、改質器120と天板8aとの間でモジュール容器8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排気ガス誘導部材130は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板131及び上部誘導板132と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板133,134とを備えている(図6,図7参照)。上部誘導板132は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板131に連結されている。連結板133,134は、上端部が天板8aに連結され、下端部が改質器120に連結されており、これにより、排気ガス誘導部材130及び改質器120を天板8aに固定している。
The exhaust
下部誘導板131は、幅方向(図7の左右方向)の中央部が下方に向けて突出する凸状段部131aが形成されている。一方、上部誘導板132は、下部誘導板131と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部132aが形成されている。凸状段部131aと凹部132aは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管112は、モジュール容器8内でこの凹部132a内を水平方向に延びた後、閉鎖側板8e付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板132及び下部誘導板131を貫通して、改質器120に連結されている。
The
排気ガス誘導部材130は、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜135が形成されている。このガス溜135は、燃焼室18と流体連通している。すなわち、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜135には、運転中に燃焼室18から排気ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜135の内外間のガスの移動は緩やかである。
In the exhaust
上部誘導板132は、天板8aと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板132と天板8aとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる排気通路172が形成されている。この排気通路172は、モジュール容器8の天板8aを挟んで空気通路161aと並設されており、排気通路172内には、空気通路161a,161b内のプレートフィン162,163と同様なプレートフィン175が配置されている。このプレートフィン175は、プレートフィン162と上面視で略同一箇所に設けられており、天板8aを挟んで上下方向に対向している。空気通路161a及び排気通路172のうち、プレートフィン162,175が設けられた部分において、空気通路161aを流れる発電用空気と排気通路172を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。
また、改質器120は、モジュール容器8の側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器120と側板8bとの間には、排気ガスを下方から上方へ通過させる排気通路173が形成されている。また、排気ガス誘導部材130も側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路173は、排気ガス誘導部材130と側板8bとの間の通路を含んで天板8aまで延びている。排気通路173は、天板8aと側板8bとの角部に位置する排気ガス導入口172aで排気通路172と連通している。この排気ガス導入口172aは、モジュール容器8内で長手方向に延びている。
Further, the
さらに、下部誘導板131は、改質器120の上側ケース121の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板131と上側ケース121との間、及び、改質器120の貫通孔120bは、貫通孔120bを下方から上方へ向けて通過した排気ガスを通過させる排気通路174を形成している。この排気通路174は、改質器120の上方で排気通路173と合流する。
Furthermore, the
次に、図9を参照して、燃料電池セルユニット16について説明する。図9は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図9に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the
As shown in FIG. 9, the
The
燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路細管98が形成されている。
Since the
この燃料ガス流路細管98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、燃料マニホールド66(図6参照)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃焼室18(図6参照)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
The fuel gas flow path
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。 The inner electrode layer 90 is, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, Ni, and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. It is formed of at least one of a mixture, and a mixture of Ni and a lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.
電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。 The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed of at least one of the
外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
次に、図50を参照して、燃料電池セルスタック14について説明する。図10は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図10に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図6参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell device according to one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 10, the fuel cell stack 14 includes 16
Each of the
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。
Further, a current collector 102 and an
さらに、燃料電池セルスタック14の端(図10では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の内側電極端子86に接続され、上述したように、128本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
Furthermore, two
次に、図11及び図12を参照して、本発明の一実施例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11は、図6と同様の、本発明の一実施例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12は、図7と同様の、図6のIII−III線に沿った断面図である。図11及び図12は、それぞれ、図6及び図7中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図である。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。 Next, with reference to FIGS. 11 and 12, the flow of gas in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to one embodiment of the present invention will be described. 11 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. 6, and FIG. 12 is a view similar to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line III. FIG. 11 and FIG. 12 are diagrams newly added with arrows indicating the flow of gas in FIG. 6 and FIG. 7, respectively. In the figure, solid arrows indicate the flow of fuel gas, broken arrows indicate the flow of power generation air, and dashed dotted arrows indicate the flow of exhaust gas.
図11に示すように、水及び原燃料ガス(燃料ガス)は、蒸発器140の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管63から蒸発器140の上層に設けられた蒸発部140B内に供給される。蒸発部140Bに供給された水は、蒸発器140の下層に設けられた排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとが、蒸発部140B内を下流方向に流れて行き、混合部140C内で混合される。混合部140C内の混合ガスは、下層の排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱される。
As shown in FIG. 11, water and raw fuel gas (fuel gas) are supplied from the
混合部140C内で形成された混合ガス(燃料ガス)は、混合ガス供給管112を通って、モジュール容器8内の改質器120に供給される。混合ガス供給管112は、排気通路部140A,排気管171,及び排気通路172を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管112内の混合ガスは更に加熱される。
The mixed gas (fuel gas) formed in the
混合ガスは、改質器120内の混合ガス受入部120A内に流入し、ここから仕切り板123aを通過して改質部120Bに流入する。混合ガスは、改質部120B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、仕切り板123bを通過して、ガス排出部120Cに流入する。
The mixed gas flows into the mixed
更に、燃料ガスは、ガス排出部120Cから燃料ガス供給管64と水添脱硫器用水素取出管65とに分岐する。そして、燃料ガス供給管64に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bから燃料マニホールド66内に供給され、燃料マニホールド66から各燃料電池セルユニット16内に供給される。
Further, the fuel gas branches from the gas discharge unit 120C into the fuel
また、図11及び図12に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管74から空気通路161aに供給される。発電用空気は、空気通路161a,161b内において、プレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の下部のモジュール容器8内に形成された排気通路172,173を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、排気通路172内には、空気通路161aのプレートフィン162に対応してプレートフィン175が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン162とプレートフィン175とを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュール容器8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される。なお、本実施例では、燃料電池セル集合体12の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において発電用空気と排気ガスとの間の熱交換は行われない。したがって、燃料電池セル集合体12の側方部位において、空気通路161b内の発電用空気に上下方向の温度勾配が生じ難くなっている。
Further, as shown in FIGS. 11 and 12, the power generation air is supplied from the power generation
また、発電室10内で発電に利用されなかった燃料ガスは、図12に示すように、燃焼室18で燃焼されて排気ガス(燃焼ガス)となり、モジュール容器8内を上昇していく。具体的には、排気ガスは、排気通路173と排気通路174とに分岐して、改質器120の外側面とモジュール容器8の側板8bとの間、及び、改質器120の貫通孔120bから改質器120と排気ガス誘導部材130との間をそれぞれ通過する。このとき、排気通路174を通過する排気ガスは、改質器120の貫通孔120bの上方に配置された凸状段部131aによって幅方向に二分され、排気ガス誘導部材130の下部に留まることなく排気通路173に向けて誘導され、排気通路173を流れる排気ガスに素早く合流される。
Further, as shown in FIG. 12, the fuel gas not used for power generation in the
その後、排気ガスは、排気ガス導入口172aから排気通路172に流入する。排気通路172内では、排気ガスは、排気通路172を水平方向に流れていき、モジュール容器8の天板8aの中央に形成された排気口111から流出する。
なお、排気ガスが排気通路173を上方へ流れていく際に、空気通路161b内に設けられたプレートフィン163を介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。また、排気ガスが排気通路172を水平方向に流れていく際に、排気通路172内に設けられたプレートフィン175と、このプレートフィン175に対応して空気通路161a内に設けられたプレートフィン162とを介して、発電用空気と排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。
Thereafter, the exhaust gas flows into the
When the exhaust gas flows upward through the
そして、排気口111から流出した排気ガスは、モジュール容器8の外部に設けられた排気管171を通過して蒸発器140の排気通路部140Aに流入し、排気通路部140Aを通過した後、蒸発器140から排気ガス排出管82へ排出される。排気ガスは、蒸発器140の排気通路部140Aを流れる際に、上述したように、蒸発器140の混合部140C内の混合ガス及び蒸発部140B内の水と熱交換を行う。
The exhaust gas flowing out of the
次に、図13〜図17を参照して、本実施例の改質器の作用について説明する。図13は、本発明の一実施例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上部の部分断面図であり、図14は、改質器の周囲を流れる排気ガスの説明図であり、図15及び図16は、それぞれ改質器及び排気ガス誘導部材の側面断面斜視図及び正面断面斜視図であり、図17は、改質器の貫通孔を流れる排気ガスの説明図である。 Next, the operation of the reformer of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a partial cross-sectional view of the upper portion of a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14 is an explanatory view of exhaust gas flowing around the reformer. FIGS. 15 and 16 are a side sectional perspective view and a front sectional perspective view of the reformer and the exhaust gas guiding member, respectively, and FIG. 17 is an explanatory view of the exhaust gas flowing through the through hole of the reformer.
図13に示すように、発電室10内に供給された発電用空気は、上方へ向けて移動し(図13の破線矢印参照)、燃焼室18でオフガスを燃焼させて排気ガスとなる。改質器120に貫通孔120bが形成されていない場合には、排気ガスは、燃焼室18から、排気通路173(モジュール容器8の側板8bの内面に沿って延びる)のみを通って、モジュール容器8内の上部へ向けて移動することになる。この場合、発電用空気の流路分布は、燃料電池セル集合体12に対して、上面視幅方向の両端部付近に偏ったものとなり、中央部分の燃料電池セルユニット16への空気供給が十分でなくなり、この部分の燃料電池セルユニット16を劣化させてしまうおそれがあった。
As shown in FIG. 13, the power generation air supplied into the
そこで、本実施例では、改質器120に貫通孔120bを設けることにより、排気通路174(改質器120の貫通孔120bから改質器120と排気ガス誘導部材130との間に延びる)を形成している。これにより、本実施例では、排気ガスは、燃焼室18から、排気通路174と排気通路173とに分岐して、モジュール容器8内の上部へ向けて移動することができる(図14参照)。
Therefore, in the present embodiment, by providing the through
また、本実施例では、特に、排気通路174と排気通路173を流れる排気ガスの流量比が所定値になるように、特定的には、排気通路173よりも排気通路174を流れる排気ガスの流量が大きくなるように、排気通路173の通路断面積,改質器120の上側での排気通路174の通路断面積,貫通孔120bの開口面積や角部R形状,後述する連結凹部等が寸法設計されている。これにより、改質器120と燃料電池セル集合体12との距離が接近していたとしても、排気ガスを確実に排気通路174へ流すことができる。このため、本実施例では、このような排気ガスの流れに伴い、発電用空気の流れは、上面視で燃料電池セル集合体12の幅方向の両端部付近に偏ることなく、中央部分へも流れるため、発電室10内での発電用空気の空気供給量のムラが抑制され、発電用空気の流れが均等化され易くなる。
Further, in the present embodiment, in particular, the flow rate of the exhaust gas flowing through the
また、本実施例では、改質器120は、その底面に衝突する排気ガスによって加熱された後、排気通路173を通過する排気ガスにより幅方向の側方から加熱されると共に、貫通孔120bを通過する排気ガスにより中央部からも加熱される。このように、本実施例では、排気ガスによる改質器120の加熱を効率良く行うことができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施例では、上面視で改質器120の貫通孔120bとモジュール容器8の排気口111とが少なくとも部分的に重なり合うように形成されている。より好適には、上面視で排気口111は、貫通孔120bの点対称な位置である、貫通孔120bの長手方向及び幅方向の中央部に配置されている。また、上面視で排気口111及び貫通孔120bは、燃料電池セル集合体12の中央部分に配置されている。
Further, in the present embodiment, the through
仮に、排気口111が、上面視で貫通孔120bに対して幅方向にずれて配置されている場合には、貫通孔120bから排気口111への排気ガスの流れが、少なくとも幅方向において不均等又は非対称になる。そして、このような排気ガスの流れに伴って、発電用空気の流れも幅方向において不均等になる。しかしながら、本実施例では、排気口111と貫通孔120bが上面視でモジュール容器8の中央部分に配置され、且つ、互いに重なり合う構成となっているため、貫通孔120bから排気口111への排気ガスの流れが、少なくとも幅方向において均等になり、発電用空気の流れも幅方向において均等になる。なお、改質器120も上面視でモジュール容器8の中央位置に配置されている。これにより、発電用空気の流路分布の偏りが抑制されて、中央部分及び両端部付近を含んで略均等に燃料電池セルユニット16へ発電用空気を十分に供給することができるため、燃料電池セルユニット16の劣化を抑制することが可能となる。
If the
また、本実施例では、改質器120の幅方向において、排気ガスの流量が対称(線対称)となるように、即ち、貫通孔120bを挟んで両側の排気通路173の流量が均等で流路分布の偏りがなくなるように、貫通孔120bは、上面視で改質器120を少なくとも幅方向に略等分に区分けするように線対称に形成されている。なお、本実施例では、貫通孔120bは、上面視で改質器120を長手方向にも略等分に区分けするように線対称に形成されている。
Further, in the present embodiment, the flow rate of the exhaust gas is symmetrical (linearly symmetric) in the width direction of the
また、本実施例では、図15及び図16に示されているように、改質器120の貫通孔120bは、上面視略長円形であり、長手方向に延びるように形成されている。また、改質器120のハウジングは、上側ケース121及び下側ケース122からなる。上側ケース121及び下側ケース122の各々には、幅方向の両端部から貫通孔120bを連結するように内方へ窪んだ連結凹部121a,122aが形成されている。本実施例では、連結凹部121a,122aは、それぞれ長手方向に離間して2つずつ形成されている。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 15 and FIG. 16, the through
連結凹部122aは、燃焼室18から上昇してきた排気ガスが改質器120の下側ケース122の底面に衝突すると、この排気ガスを幅方向の両側、即ち、貫通孔120b(排気通路174)及びモジュール容器8の側板8bに沿った排気通路173に誘導する。これにより、本実施例では、排気通路173に排気ガスの流れが偏ることなく、貫通孔120bに排気ガスを積極的に供給することが可能となる。
When the exhaust gas rising from the
また、連結凹部121a,122aは、改質器120の内部空間へ向けて突出している。具体的には、連結凹部121a,122aは、改質器120内の改質部120Bの流路を狭めるように内部空間へ向けて突出している。このため、混合ガスは、連結凹部121a,122aによる突出部分によって流路を変更しながら改質部120Bを流れるので、混合ガスと改質触媒との接触機会及び接触時間が増える。これにより、本実施例では、混合ガスの改質効率を向上させることができる。さらに、改質触媒は改質器120の周囲を流れる排気ガスにより所定温度まで昇温されるが、混合ガスと改質触媒との接触機会・接触時間が増えることにより、昇温した改質触媒によって混合ガスを効率良く加熱することができる。
The connection recesses 121 a and 122 a protrude toward the internal space of the
また、本実施例では、上側ケース121及び下側ケース122は、同一の原ケース部材から形成されている。即ち、原ケース部材は、金属材料を所定の型を用いて成形(例えば、絞り加工)したものである。そして、同一の原ケース部材を加工することにより、上側ケース121と下側ケース122がそれぞれ形成される。このため、低コスト化と組み立て性の向上を両立することができる。また、改質器120のケースを1パーツ構成とすると、絞り加工では嵩高のケースを形成できないが、本実施例では、改質器120のケースを上側ケース121及び下側ケース122による2パーツ構成としているため、嵩高なケースを形成することができる。このため、容積を同一とした場合には、より底面積の小さな小型の改質器とすることができる。
Further, in the present embodiment, the
上側ケース121と下側ケース122は、それぞれ外周側のフランジ部121b,122bと、貫通孔120bを形成する内周側のフランジ部121c,122cを有しており、これらフランジ部を重ね合せた状態で溶接固定されている。外周側のフランジ部121b,122bは、同一の幅を有しており、ケースの側方から容易に溶接作業を行うことが可能である。これに対して、内周側のフランジ部121c,122cが同一の幅を有していた場合には、これらフランジ部を側方から溶接作業を行うことは困難であり、組み立て性が悪い。このため、本実施例では、内周側のフランジ部121cは、フランジ部122cよりも幅が狭くなるように原ケース部材から加工されている(図16参照)。このため、フランジ部121c,122cは、これらフランジ部の段差を利用して上側から溶接作業を容易に行うことが可能となり、組み立て性を向上させることができる。
The
また、上側ケース121及び下側ケース122は、その内側面の角部(貫通孔120bの角部を含む)は、所定の曲率半径を有するR形状となるように湾曲形状とされている(図15及び図14の破線部A参照)。曲率半径は、1.0mm〜30mmが好ましい。このため、本実施例では、ガスが改質器120の内部を通過する際に、角部にガスが滞留することが防止されるので、容器内にデッドスペースがなくなり改質触媒に対して均一にガスを流通させ易くなる。
The
また、貫通孔120bの周面と下側ケース122の下面との接続部分又は角部は、貫通孔120bの周縁(連結凹部122aの部分も含む)にわたって、所定の曲率半径となるようにR形状に形成されている(図16の破線部A参照)。即ち、図17に示されているように、改質器120のケース断面は、改質器120の底面から貫通孔120bの周面(側面)にかけて、外側に向けて凸状となるR形状となっている。
In addition, the connecting portion or corner portion between the peripheral surface of the through
貫通孔120bの周面と下側ケース122の底面との角部が所定の曲率半径の断面円弧状に形成されていることにより、下側ケース122に衝突した排気ガスは貫通孔120bに向けて誘導され易くなる。そして、このような排気ガスの流れに引っ張られて、発電用空気も貫通孔120bに向けて誘導される。しかしながら、曲率半径が大きくなり過ぎると、貫通孔120bへ誘導される発電用空気が多くなり過ぎて、改質器120の外周側を通過する発電用空気が少なくなり過ぎ、発電室10内での発電用空気の流路分布が不均等になってしまう。
Since the corner between the circumferential surface of the through
このため、本実施例では、排気通路173と排気通路174での発電用空気の流量比が適宜な値になるように、角部の曲率半径が1.0mm〜30mmに設定されており、これにより、中央部分及び周縁部分に配置された燃料電池セルユニット16にそれぞれ十分な発電用空気を行き渡らせることができる。
For this reason, in the present embodiment, the curvature radius of the corner portion is set to 1.0 mm to 30 mm so that the flow ratio of power generation air in the
次に、図13を参照して、本実施例の排気ガス誘導部材の作用について説明する。
本実施例では、蒸発器140をモジュール容器8の外部に配置しており、この配置により、モジュール容器8内で水の蒸発熱による局所的な温度低下(排気ガスの温度低下を含む)を防止し、排気ガスと発電用空気との熱交換をより効率的に行うように構成されている。したがって、本実施例では、燃料電池セルユニット16の側方部分で熱交換を行うことを回避して、モジュール容器8の天板8a付近の限定された部位のみで実質的な熱交換を行うことを可能としている。
Next, the operation of the exhaust gas guiding member of the present embodiment will be described with reference to FIG.
In this embodiment, the
このため、本実施例では、天板8aを挟んでその上下に空気通路161a,排気通路172が形成され、この部分で実質的な熱交換が行われるように構成されている。しかしながら、装置の小型化を図る場合には、天板8aの面積も小さくなるため、十分な熱交換を行うための面積が確保できなくなるおそれがある。そこで、本実施例では、排気通路172の入口と出口における排気ガスの温度差を可能な限り大きく維持することにより、高い熱交換効率を達成するように構成している。
For this reason, in the present embodiment, an
このため、本実施例では、排気ガス誘導部材130を採用している。排気ガス誘導部材130は、貫通孔120bを通過して上昇してきた排気ガスを、貫通孔120bと向かい合うように下方に向けて突出する凸状段部131aに衝突させ、幅方向に方向付けて、速やかに排気ガス導入口172aに誘導する。これにより、排気ガスは、排気ガス誘導部材130の底面付近に滞留することなく、素早く排気ガス導入口172aに向けて誘導される。
For this reason, the exhaust
排気ガス誘導部材130の上部には熱交換部として機能する排気通路172が形成されているため、排気ガス誘導部材130の上部の排気ガスは下部の排気ガスよりも低温である。したがって、排気通路174内で排気ガスが排気ガス誘導部材130の底面付近に滞留すると、排気ガス誘導部材130を介して排気通路172内の排気ガスとの間で熱交換が生じて、排気通路174内の排気ガスの温度が低下するおそれがある。また、排気通路174内の排気ガスは、改質器120の上面や排気ガス誘導部材130の下面を通して熱を奪われるおそれがある。しかしながら、本実施例では、排気ガス誘導部材130の底面に凸状段部131aを設けたことにより、改質器120の貫通孔120bを通過して上昇してきた高温の排気ガスを、排気ガス誘導部材130の底面付近に滞留させることなく、速やかに側方に誘導することができるので、高い温度を維持したまま排気ガス導入口172aに到達させることが可能となる。
Since the
また、排気通路172では、幅方向の両端部(排気通路172の入口である排気ガス導入口172a)から中央部(特に、排気通路172の出口である排気口111)に向けて排気ガスが流れる際に、発電用空気との熱交換が行われるため、排気ガス誘導部材130の凹部132a付近(図13の破線部A参照)での排気ガスの温度が最も低くなる。特に、凹部132aの長手方向の中央部分に配置された排気口111付近の温度が最も低くなる。一方、排気通路174では、改質器120の貫通孔120bの上方、即ち、排気ガス誘導部材130の凸状段部131a付近(図13の破線部B参照)の温度が最も高くなる。
In the
最も温度が低い破線部Aの領域と最も温度が高い破線部Bの領域(図13参照)とは、排気ガス誘導部材130を介して上下に位置するため、直線的な離間距離は小さい。このため、これらの領域間で熱交換が行われてしまうと、排気ガスの入口温度が低下するおそれがある。そこで、本実施例では、排気ガス誘導部材130のケース部材内にガス溜135(ガス室)を形成し、このガス溜135を断熱材として機能させている。これにより、本実施例では、排気ガス誘導部材130の上下の空間(即ち、排気通路172と排気通路174)との間、特に図13の破線部A及びBの領域間の熱交換が遮断されるため、改質器120の貫通孔120bを通過して上昇してきた高温の排気ガスの温度低下が防止され、高温状態に維持したまま排気ガス導入口172aへ流出させて、排気ガスの入口温度を高温に維持することができる。
Since the area of the broken line part A with the lowest temperature and the area of the broken line part B with the highest temperature (see FIG. 13) are located above and below the exhaust
また、排気ガス誘導部材130が断熱材として機能するため、排気通路172内の排気ガスの熱が排気ガス誘導部材130によって奪われることが抑制され、排気通路172内の排気ガスと空気通路161a内の発電用空気との間の熱交換を促進させることができる。
さらに、排気通路172において、排気ガス誘導部材130の上部誘導板132が熱反射板として機能するため、上部誘導板132からの輻射熱を排気ガス及び空気に与えることができる。これにより、本実施例では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができる。
In addition, since the exhaust
Furthermore, in the
また、排気ガス誘導部材130は、伝熱性を有する部材(例えば、金属材料等)で形成されており、それ自体が熱伝導させる。したがって、高温の排気ガスが排気ガス誘導部材130の凸状段部131aに衝突することにより凸状段部131aが加熱されると、凸状段部131aから排気ガス誘導部材130の他の部位への熱伝導を完全に遮断することはできない。このため、排気ガス誘導部材130の上面への熱伝導も生じ得る。そうすると、排気ガス誘導部材130の上面において、熱交換部を構成する排気通路172の上流側と下流側の温度差が縮小され、熱交換効率の向上に不利となる。
Further, the exhaust
そこで、本実施例では、排気ガス誘導部材130の上面のうち排気ガスの温度が最も低くなる排気通路172の下流側の部位(即ち、幅方向の中央部分)に凹部132aを形成することにより、排気通路172内で排気ガスの本流部分が通過する部分(凹部132aが形成された部位以外の通路高さ位置であり、図13ではプレートフィン175が位置する高さ位置)と排気ガス誘導部材130の凹部132aの底面との間の距離を大きくしている。これにより、排気通路172の下流側の部位において、排気ガスと排気ガス誘導部材130との間で熱交換が起き難くなり、凸状段部131aから凹部132aへの熱伝導が抑制される。即ち、凹部132aが熱伝導により一旦昇温した後は、凹部132a付近で排気ガスとの熱交換が起き難いため、凹部132aの温度は低下し難くなる。これにより、本実施例では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができる。
Therefore, in the present embodiment, the
また、混合ガス供給管112は、排気口111からモジュール容器8内を通って、改質器120へ配管されている。このため、混合ガス供給管112内の混合ガスをモジュール容器8内で予熱することができるが、この予熱により排気ガスの熱が奪われるため、熱交換効率の向上にとって不利となる。そこで、本実施例では、排気ガスの温度が最も低くなっている排気通路172の下流側にある排気ガス誘導部材130の凹部132a内に混合ガス供給管112を配置することにより、熱交換部での熱交換前の高温の排気ガスではなく、熱交換後の低温の排気ガスによって混合ガス供給管112を昇温させるように構成されている。これにより、排気ガスの熱が混合ガス供給管112によって過剰に奪われることが抑制され、混合ガスを予熱する効率(熱交換効率)を低減することができる。
In addition, the mixed
次に、図18〜図23を参照して、本実施例の熱交換器の作用について説明する。図18は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の熱交換部の横断面図であり、図19は、モジュール容器の天板と排気管の接続部分の説明図であり、図20は、モジュール容器の天板上の発電用空気供給通路の説明図であり、図21は、モジュール容器の天板下の排気通路の説明図であり、図22は、プレートフィンの斜視図であり、図23は、空気通路カバーの側板とモジュール容器の側板との間に配置されたプレートフィンの説明図である。 Next, the operation of the heat exchanger of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a cross-sectional view of a heat exchange part of a solid oxide fuel cell device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 19 is an explanatory view of a connecting portion of a top plate of a module container and an exhaust pipe; FIG. 20 is an explanatory view of a power generation air supply passage on the top plate of the module container, FIG. 21 is an explanatory view of an exhaust passage under the top plate of the module container, and FIG. 22 is a perspective view of a plate fin FIG. 23 is an explanatory view of a plate fin disposed between the side plate of the air passage cover and the side plate of the module container.
図18に示すように、空気通路カバー160は、モジュール容器8に対して、長手方向の一端側(図18の右側)にやや偏った位置に取り付けられている。具体的には、モジュール容器8の長手方向の他端側では、水添脱硫器用水素取出管65が天板8aを貫通して上方に延びているが、空気通路カバー160は、水添脱硫器用水素取出管65を避けてモジュール容器8の長手方向の一端側にずらして配置されている。これにより、空気通路カバー160には、水添脱硫器用水素取出管65を貫通させるための貫通孔を設けることが不要になる。また、空気通路カバー160に貫通孔を設けた場合には、水添脱硫器用水素取出管65を貫通孔において溶接等により気密的に固定する必要があるが、このような複雑な加工工程も不要となる。
As shown in FIG. 18, the
また、図18に示すように、空気通路カバー160の天板160aの一端側の端部中央部分には、開口部165が形成されており、この開口部165を覆うように流路方向調整部164が固定されている。発電用空気導入管74を流れてきた発電用空気は、流路方向調整部164を介して開口部165を通って空気通路161a内へ供給される。発電用空気導入管74は、少なくともその供給側端部が、空気通路カバー160の天板160aの長手方向に沿って水平に延びている(図8参照)。なお、本実施例では、発電用空気導入管74の供給側端部が天板160a又は天板8aと平行に延びているが、先端側が下がるように角度付けされていてもよい。
In addition, as shown in FIG. 18, an
流路方向調整部164は、発電用空気導入管74を連結するための略半円形状の取付部164aと、上方に突出するように形成された凸状流路部164bとを有する流路部材であり、天板160aの開口部165を塞ぐように取り付けられている。凸状流路部164bは、取付部164aから発電用空気の進行方向に沿って徐々に略半円形状の断面が相似的に縮小するカバー部材であり、内部に空気流路を形成している。したがって、内部空気流路は、先端側ほど上面が低くなり且つ幅も狭くなる。また、凸状流路部164bの下部は、開口部165を介して空気通路161aと連通している。
The flow path
天板160aの下に形成された空気通路161aは、幅方向寸法及び長手方向寸法は大きいが、通路の高さは低くなるように形成されている。このため、モジュール容器8の天板8aと空気通路カバー160の天板160aとの間の距離(通路の高さ)は、発電用空気導入管74の径寸法よりも小さいので、発電用空気導入管74を空気通路161aの高さ部分で空気通路カバー160に連結することは困難であり、仮に連結することができたとしても圧力損失が大きくなる。
The
また、発電用空気導入管74を上下方向に延びるように配置し、上方から開口部165を通して空気通路161a内に発電用空気を供給した場合には、発電用空気が空気通路161aの下面に衝突し、側方の通路空間に向けて分散し難くなる。このため、発電用空気を空気通路161aの全域にムラなく供給することが困難となり、局所的に熱交換効率が低下する部位が生じるため、全体として熱交換効率が低下してしまう。
In addition, when the power generation
そこで、本実施例では、発電用空気導入管74の供給側端部を、流路方向調整部164を介して空気通路カバー160の天板160aに連結している。このように構成することにより、流路方向調整部164を別部材として空気通路カバー160に組み付けることが可能となると共に、発電用空気導入管74を空気通路カバー160に連結する組み付け性が向上される。また、流路方向調整部164を空気通路カバー160に予め組み付けておき、その後、空気通路カバー160をモジュール容器8に組み付けることが可能である。
Therefore, in the present embodiment, the supply side end of the power generation
しかしながら、この構成では、発電用空気導入管74が空気通路161aの上方にずれて位置することになり、発電用空気導入管74と空気通路161a内の流路方向とは長手方向成分において略平行であるが、上下方向に離間することになる。このため、流路方向調整部164は、発電用空気導入管74の供給側端部から離れるに従って、内部流路高さが低くなるように形成されている。これにより、凸状流路部164bは、発電用空気導入管74から供給される発電用空気の流路方向を徐々に下方に向けて変更し、空気通路161aの流路方向に対して緩やかな角度に角度付けて空気通路161aへ発電用空気を送り出すことができる。
However, in this configuration, the power generation
さらに、凸状流路部164bは、発電用空気導入管74の供給側端部から離れるに従って、内部流路高さが低くなることに加えて、内部流路幅が狭くなるように形成されている(図8参照)。したがって、凸状流路部164bは、進行方向に対して流路断面積が徐々に小さくなる。このため、発電用空気は、流路方向調整部164内で大きな抵抗を受けることなく、徐々に増速される。これにより、空気通路カバー160の長手方向の一端側から空気通路161aに供給された発電用空気は、空気通路カバー160の長手方向の他端側まで到達可能であり、空気通路161aの全域に発電用空気をムラなく供給することができる。
Further, the convex flow passage portion 164b is formed so that the inner flow passage width becomes narrower in addition to the inner flow passage height becoming lower as the distance from the supply side end of the power generation
また、流路方向調整部164を用いない場合には、発電用空気導入管74から流路高さの低い空気通路161aへの流入面積が小さくなるため、上述のように、圧力損失が大きくなってしまうが、流路方向調整部164を用いることにより、大きな流入面積を確保することができる。このため、本実施例では、圧力損失を小さくして、空気通路161aにおいて、空気通路カバー160の長手方向の他端側まで発電用空気をスムーズに供給することができる。
Further, when the flow channel
また、空気通路161a内には、排気管171の両側にモジュール容器8の長手方向に沿って2つの空気分配部材166が略平行に配置されている(図19、図20参照)。プレートフィン162は、空気分配部材166に対して、空気通路161aの幅方向外側に配置されており、したがって、2つの空気分配部材166の間には、プレートフィン162のようなガスが移動する際の抵抗となる部材(排気管171を除く)が存在しない空間が形成される。
Further, in the
空気分配部材166は、空気通路カバー160の天板160aの長手方向の略全体の長さ範囲にわたって空気通路161aを区画するように延びる長尺部材である。空気分配部材166は、長手方向に離間して所定間隔で形成された多数の貫通孔を有し、この貫通孔により空気通路161aを幅方向に連通している(図18参照)。また、空気分配部材166は、天板8aと天板160aとを連結している(図19参照)。
The
図20に示すように、流路方向調整部164を介して供給された発電用空気は、空気通路カバー160の一端側(図20の右側)から他端側に向けて2つの空気分配部材166の間を流れる。2つの空気分配部材166の間は、プレートフィンのような物理的な抵抗がないため、流路方向調整部164によって流速を速められて空気通路161a内に供給された発電用空気は、空気通路カバー160の他端側まで到達可能である。そして、発電用空気は、空気分配部材166の貫通孔を通って幅方向へ移動する。
As shown in FIG. 20, the power generation air supplied via the flow
空気分配部材166の貫通孔を通過した発電用空気は、プレートフィン162,天板8a,排気通路172内のプレートフィン175を介して、排気ガスとの間で熱交換が行われ昇温される。その後、発電用空気は、空気通路161aの幅方向の両端部に到達し、空気通路161bを経由して、モジュール容器8の側板8bに形成された吹出口8fから発電室10内へ噴射される。
The power generation air that has passed through the through hole of the
流路方向調整部164は、空気通路カバー160の天板160aの4つの端辺のうち、空気通路161bに連通する端辺(長手方向に延びる辺)とは異なる端辺(幅方向に延びる辺)に配置されている。このため、本実施例では、発電用空気を天板8a上の空気通路161a内で長手方向に沿って供給しつつ幅方向に供給することにより、その後、側板8b上の空気通路161bに対して長手方向において均等に発電用空気を供給することができる。
The flow path
本実施例では、モジュール容器8の外側から空気通路カバー160を組み付けて固定することにより、モジュール容器8外に空気通路161a,161bを容易に形成することができる(図8参照)。また、モジュール容器8の天板8a及び側板8b上に予めプレートフィン162,163を配置した後に、空気通路カバー160を配置することが可能であり、プレートフィン162,163の組み付け性も良好である。
In this embodiment, by assembling and fixing the
また、モジュール容器8に対して空気通路カバー160を外部から機械溶接を適用し固定することが可能であるため、量産化を図ることができる。特に、本実施例では、空気通路カバー160が共に矩形状の天板160a及び側板160bを備えているため、外郭が直線的に形成されており、自動機械による溶接の適用が容易である。
このように、本実施例では、空気通路の形成のための作業性が良好となり、製造コストを低減することが可能である。
In addition, since the
As described above, in the present embodiment, the workability for forming the air passage is improved, and the manufacturing cost can be reduced.
また、本実施例では、モジュール容器8内には排気通路のみを形成すればよくなるため、製造が容易になる。更に、モジュール容器8内に排気通路が位置するので、排気ガスがモジュール容器8外に漏洩することを防止することができる。一方、空気通路はモジュール容器8外に位置するが、空気通路の気密性が確保できなくなった場合でも、発電用空気がモジュール容器8外に漏洩するだけに留めることができる。
Further, in the present embodiment, only the exhaust passage needs to be formed in the
また、本実施例では、図19に示すように、モジュール容器8の天板8aの排気口111には排気管171が固定されている。このため、空気通路カバー160の開口部167に排気管171を挿入することにより、モジュール容器8に対して空気通路カバー160を位置決めすることができるので、良好な組付け性を確保することができる。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 19, an
さらに、空気通路カバー160の開口部167には、その周縁部が上方へ突出するように湾曲されることにより環状部167aが形成されている。したがって、環状部167aの曲面に沿って排気管171を開口部167に容易に挿入することができる。
また、環状部167aと排気管171とを固定する際に、環状部167aが溶接を行う際の接続しろとなる。このため、本実施例では、環状部167aのような接続しろが無い場合と比べて、空気通路カバー160の開口部167と排気管171の周面とをより確実に溶接によって固定することができる。
このように、本実施例では、開口部167に上方へ突出する環状部167aを設けたことにより、空気通路カバー160をモジュール容器8に組み付ける際の作業性を向上させることができる。
Further, an
Moreover, when fixing the
As described above, in the present embodiment, by providing the
本実施例では、上述のように、燃料電池セルユニット16の側方部分での熱交換を行うことを回避して、モジュール容器8の天板8a付近で実質的な熱交換を行うこととしている。この場合、天板8aの面積は燃料電池セルユニット16の側方の側板8bの面積よりも小さくなるため、十分な熱交換を行うための面積が確保できないおそれがある。しかしながら、本実施例では、小さな面積でも十分な熱交換を行うことができるように、上述の排気ガス誘導部材130に加えて、熱交換距離延長部材176を設けている。
In the present embodiment, as described above, substantial heat exchange is performed in the vicinity of the
図21に示すように、排気ガス誘導部材130の上部誘導板132上には、混合ガス供給管112及び凹部132aを挟んで幅方向の両側にプレートフィン175が配置されている。また、これらプレートフィン175の長手方向に延びる中央側の端辺に沿って、その内側に熱交換距離延長部材176が配置されている。2つの熱交換距離延長部材176は、長手方向に沿って略平行、且つ、排気口111に対して対称に配置されている。熱交換距離延長部材176は、その長さが天板8aの長手方向長さの略半分である長尺な板状部材であり、その下端部が上部誘導板132に固定されると共に、上端部が天板8aに当接されている(図19参照)。
As shown in FIG. 21,
排気通路173,174から排気ガス導入口172aを介して排気通路172へ供給された排気ガスは、天板8aの略中央部分に設けられた排気口111から排出される。したがって、熱交換距離延長部材176が無い場合には、排気ガスの流れは、排気ガス導入口172aから排気口111へ直接的に向かうようになり、排気通路172の一部に排気ガスの流れが偏ってしまい、排気ガスから十分な熱量をプレートフィン175に伝えることができない。その結果、排気ガスと発電用空気との間の熱交換を十分に行うことができない。
Exhaust gas supplied from the
そこで、本実施例では、排気口111を挟んで2つの熱交換距離延長部材176を配置することにより、排気ガスを迂回させて排気口111へ導くように構成されている。具体的には、排気ガスは、排気ガス導入口172aからプレートフィン175を通過しつつ、排気通路172の幅方向の中央部に向けて移動する。ところが、排気口111の両側には長手方向に沿って熱交換距離延長部材176が配置されているので、排気ガスは、熱交換距離延長部材176に衝突し、その長手方向の一端側又は他端側に迂回して、2つの熱交換距離延長部材176の間の空間に到達し、さらにこの空間を通過して排気口111に到達する。このように、本実施例では、排気ガスに熱交換距離延長部材176を迂回させることにより、排気通路172において排気ガスが流れる距離が延長されると共に、排気通路172の全面で熱交換が可能となる。これにより、排気ガスから十分な熱量を空気通路161a内の発電用空気に伝えることが可能となり、その結果、排気ガスと発電用空気との間の熱交換効率を向上させることができる。
Therefore, in the present embodiment, by arranging the two heat exchange
また、熱交換距離延長部材176は、その上端部が天板8aに当接されているので(図19参照)、排気ガスの熱を天板8aに直接的に伝導させて、空気通路161a内の発電用空気を昇温させることができる。
さらに、空気通路161aに供給された発電用空気は、排気管171の外周壁に衝突するため、排気管171の周囲付近は、空気密度が他の領域よりも高くなり(図19の破線部A参照)、排気管171は冷却される。一方、熱交換距離延長部材176の上端部は、排気管171(及び排気口111)付近の天板8aと当接している(図19、図21参照)。このため、熱交換距離延長部材176から温度が低下された排気管171への熱伝導が促進されるので、より効率的に空気通路161a内の発電用空気を昇温させることが可能である。
Further, since the heat exchange
Furthermore, since the power generation air supplied to the
次に、図22に示すように、プレートフィン162,163,175は、矩形状の薄い金属板をプレス加工することにより形成されており、平面部200と、平面部200に所定間隔で形成され、平面部200の両面側に向けてそれぞれ突出する突出部202とを備えている。突出部202は、平面部200の一部を切り欠いて台形状に展伸させたものであり、傾斜部202aと天板部202bからなる。突出部202の傾斜部202aと天板部202bは、平面部200から離間しており、離間した部位に開口202cが形成されている。このように形成されたプレートフィンでは、平面部200の両側面に沿ってガスが流れる際に、ガスと平面部200とが直接的に熱交換を行う以外に、ガスが突出部202に衝突することにより、ガスと突出部202とが熱交換を行う。これにより、ガスとプレートフィンとの間で効率よく熱交換を行うことができる。
Next, as shown in FIG. 22, the
また、ガスと突出部202との衝突により、ガスの流路方向が変更される。具体的には、突出部202の傾斜部202aの外側面(開口202cと逆側の面)又は内側面(開口202c側の面)に衝突することにより、ガスの流路は側方へ変更される。これにより、ガスは、全体としては流路に沿った方向に流れるが、局所的には種々の方向に流れて互いに混じり合うため分散性が向上される。
In addition, the collision of the gas with the
また、図23に示すように、プレートフィン163は、モジュール容器8の側板8bと空気通路カバー160の側板160bに挟まれて配置されている。プレートフィン163は、側板8bとは突出部202の天板部202bで接触しているが、側板160bとは天板部202bに設けた突起部203を介して接触している。
Further, as shown in FIG. 23, the
突起部203は、天板部202bよりも接触面積が小さくなるように形成されており、例えば、天板部202bの一部を外方へ突出させることにより形成することができる。また、突起部203は、熱伝導性の良好なプレートフィンとは別部材とすることもできる。この場合、プレートフィンよりも熱伝導性の低い材料で形成すると好適である。
The protruding
突起部203は、側板160b側のすべての突出部202の天板部202bに設けられてはおらず、少なくとも1つの天板部202bに設けられている。このため、側板160bに向けて突出する突出部202のうち、ほとんどの突出部202が側板160bと接触せず、1つ又は少数の突出部202のみが突起部203を介して側板160bと接触している。
The
このように、プレートフィン163は、接触面積が小さく、好ましくは熱伝導性が低い突起部203を介して、側板160bと接触している。このため、プレートフィン163から側板160bを介して外部の断熱材7へ熱を放散させること(熱損失)を抑制することが可能となり、排気通路173の排気ガスと空気通路161bの発電用空気との間の熱交換効率より向上させることができる。なお、プレートフィン162でも同様である。
As described above, the
図24は、モジュール容器8に用いる蓋体の一例を示す図である。蓋体180は、開放されたモジュール容器8の側面を塞ぎ、モジュール容器8の内部を気密する。蓋体180には、酸素含有ガス遮蔽板181が内側となる面に設置されている。
FIG. 24 is a view showing an example of a lid used for the
モジュール容器8内に収容される燃料電池セルユニット16に供給される酸素含有ガスを均一に燃焼部18に誘導することで、セル表面への均一な酸素含有ガスの供給と燃焼部18における熱バランスの安定化が可能となる。しかし、燃料ガス供給管64が配置される燃料電池セルユニット16の側面とこれに対向する側面とでは、燃料ガス供給管64が配置されているため酸素含有ガスの流動分布が相違してしまう。これを解消するために、燃料ガス供給管64が配置されている燃料電池セルユニット16の側面において、燃料ガス供給管64と燃料電池セルユニット16との間に酸素含有ガスを遮蔽する板を設けることで、両側面の酸素含有ガス流通状態を近似させて、流動分布を均一化が可能であるが、モジュール容器8を小型化する場合、遮蔽板を設置するスペースの確保に加え、組み付け作業も困難となる。一方、小型化に伴うモジュールの高さ方向の縮小化により、酸素含有ガスの流動分布の影響はより顕著となる。
By uniformly guiding the oxygen-containing gas supplied to the
そこで、酸素含有ガス遮蔽板181を蓋体180に直接設置することで、酸素含有ガスの流動分布の均一化を維持するとともに、小型化に伴う作業性の低下を解消することができる。酸素含有ガス遮蔽板181は、図24に記載のように、例えば一枚の金属平板部材を折り曲げて形成するものであって、燃料ガス供給管64が設置される部分は蓋体180の方へ凹ませる形状とすることで、酸素含有ガス遮蔽板181と燃料ガス供給管64とが酸素含有ガスの流路を遮蔽する壁として機能することで、これに対向する他側面側と同等の酸素含有ガスの流動分布を形成することができる。なお、高温状態下において燃料ガス供給管64は熱応力の付加によって可動し得るため、燃料ガス供給管64と酸素含有ガス遮蔽板181とが直接接触しないように、燃料ガス供給管64と酸素含有ガス遮蔽板181との間に所定の間隔を形成することが好ましい。
Therefore, by directly installing the oxygen-containing
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置は、燃料マニホールドに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管を備えた固体酸化物形燃料電池装置において幅広く有用である。 The solid oxide fuel cell device according to the present invention is widely useful in a solid oxide fuel cell device provided with a fuel gas supply pipe for supplying a fuel gas to a fuel manifold.
1 固体酸化物形燃料電池装置
2 燃料電池モジュール
7,7a 断熱材
8 モジュール容器
8a 天板
8b 側板
8d,8e 閉鎖側板
10 発電室
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室(燃焼部)
63 燃料供給配管
64 燃料ガス供給管(燃料ガス供給通路)
66 燃料マニホールド
74 発電用空気導入管
82 排気ガス排出管
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器
120b 貫通孔
130 排気ガス誘導部材
131a 凸状段部
132a 凹部
135 ガス溜
140 蒸発器
160 空気通路カバー
160a 天板
160b 側板
161a,161b 空気通路
162,163 プレートフィン
164 流路方向調整部
171 排気管
172a 排気ガス導入口
172 排気通路
173 排気通路(第2排気通路)
174 排気通路(第1排気通路)
175 プレートフィン
176 熱交換距離延長部材
180 蓋体
181 酸素含有ガス遮蔽板
1000 固体酸化物形燃料電池装置(燃料電池モジュール)
1001 モジュール容器
1002 改質器
1003 燃焼部
1004 燃料電池セル
1005 燃料マニホールド
1010 燃料ガス供給管
1011 垂直形状部
1012 方向補正形状部
1013 応力緩和形状部
1014 燃料ガス供給管収容部
63
174 Exhaust passage (first exhaust passage)
175
1001
Claims (3)
セルを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
前記複数の燃料電池セルを収容するモジュール容器と、
前記モジュール容器の外部から前記燃料電池セルの表面に酸素含有ガスを供給する酸素
含有ガス供給管と、
前記モジュール容器内であって、前記燃料電池セルの上端から排出されるオフガスと酸
素含有ガスとを燃焼する燃焼部と、
前記燃焼部で生じた排ガスにより加熱され、原燃料を燃料ガスに改質する、前記燃焼部
上方の改質器と、
前記モジュール容器の外部から前記改質器に原燃料を供給する原燃料ガス供給管と、
前記改質器内で改質された燃料ガスを、上面に立設する複数の前記燃料電池セルの内部
流路に供給する燃料マニホールドと、
下端が前記燃料マニホールドに固定され、前記改質器内の燃料ガスを前記燃料マニホー
ルドの内部に供給する燃料ガス供給管と、を有し、
前記燃料ガス供給管は、前記改質器に向かって垂直方向に延在する垂直形状部と、前記
燃料マニホールドに水平方向に挿入されるように湾曲するとともに熱応力の局所集中を緩
和する応力緩和形状部と、前記応力緩和形状部における湾曲する方向を補正することで前
記応力緩和形状部と前記垂直形状部とを接続する方向補正形状部とを有し、前記垂直形状
部、応力緩和形状部及び方向補正形状部はひとつの管状部材により形成されており、
前記モジュール容器は上面、底面及び対向する二側面からなる本体と、他の対向する二
側面からなる二つの蓋体とで構成され、
前記燃料ガス供給管は前記蓋体の一方と近接し、且つ、前記燃料ガス供給管と近接する
一方の前記蓋体には、前記燃料ガス供給管と近接しない部分に酸素含有ガス遮蔽板が設け
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。 What is claimed is: 1. A solid oxide fuel cell device comprising a plurality of fuel cells that generate electric power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming raw fuel and an oxygen-containing gas.
A module container for accommodating the plurality of fuel cells;
An oxygen-containing gas supply pipe for supplying an oxygen-containing gas to the surface of the fuel cell from the outside of the module container;
A combustion unit which burns an off gas exhausted from the upper end of the fuel cell and an oxygen-containing gas in the module container;
A reformer above the combustion unit, which is heated by the exhaust gas generated in the combustion unit and reforms the raw fuel into a fuel gas;
A raw fuel gas supply pipe for supplying raw fuel to the reformer from the outside of the module container;
A fuel manifold for supplying fuel gas reformed in the reformer to the inner flow paths of the plurality of fuel cells erected on the upper surface;
A fuel gas supply pipe fixed at the lower end to the fuel manifold and supplying the fuel gas in the reformer to the inside of the fuel manifold;
The fuel gas supply pipe is curved so as to be inserted horizontally in the fuel manifold and a vertically-shaped portion extending in the vertical direction toward the reformer, and stress relaxation which relieves local concentration of thermal stress It has a shape portion and a direction correction shape portion connecting the stress relaxation shape portion and the vertical shape portion by correcting the bending direction in the stress relaxation shape portion, and the vertical shape portion, the stress relaxation shape portion And the direction correction profile is formed by one tubular member ,
The module container has a main body having a top surface, a bottom surface and two opposing side surfaces, and the other two opposing surfaces.
Composed of two side lids,
The fuel gas supply pipe is in close proximity to one of the lids, and in close proximity to the fuel gas supply pipe.
An oxygen-containing gas shielding plate is provided on one of the lids not in proximity to the fuel gas supply pipe.
What is claimed is: 1. A solid oxide fuel cell device characterized by:
前記方向補正形状部は、垂直方向に対して前記モジュール容器内の前記燃料電池セルへ
向かって傾倒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 1,
The solid oxide fuel cell device according to claim 1, wherein the direction correction shape portion is disposed to be inclined toward the fuel cell in the module container with respect to a vertical direction.
前記応力緩和形状部は、前記燃料ガス供給管の外径Dに対し、2Dよりも湾曲の屈曲半
径を大きくす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 solid oxide fuel cell device according to claim 1, wherein the stress relief shape portion makes a bending radius of curvature larger than 2D with respect to an outer diameter D of the fuel gas supply pipe.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015055476A JP6537015B2 (en) | 2015-03-19 | 2015-03-19 | Solid oxide fuel cell device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015055476A JP6537015B2 (en) | 2015-03-19 | 2015-03-19 | Solid oxide fuel cell device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016177907A JP2016177907A (en) | 2016-10-06 |
JP6537015B2 true JP6537015B2 (en) | 2019-07-03 |
Family
ID=57070413
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015055476A Expired - Fee Related JP6537015B2 (en) | 2015-03-19 | 2015-03-19 | Solid oxide fuel cell device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6537015B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019026212A1 (en) * | 2017-08-02 | 2019-02-07 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system |
JP6634492B1 (en) * | 2018-10-11 | 2020-01-22 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell device |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4986390B2 (en) * | 2003-10-27 | 2012-07-25 | 京セラ株式会社 | Fuel cell assembly |
JP4943037B2 (en) * | 2005-07-27 | 2012-05-30 | 京セラ株式会社 | Fuel cell module |
JP5551576B2 (en) * | 2010-12-17 | 2014-07-16 | ヤンマー株式会社 | air conditioner |
JP5783501B2 (en) * | 2014-05-15 | 2015-09-24 | Toto株式会社 | Solid oxide fuel cell device |
-
2015
- 2015-03-19 JP JP2015055476A patent/JP6537015B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016177907A (en) | 2016-10-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6537015B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6508458B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6601607B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6512530B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6497510B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6618047B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6789747B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6583676B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6587203B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6766241B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6768328B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6458940B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6968959B2 (en) | Evaporation mixer for solid oxide fuel cell systems | |
JP6468425B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP2018045937A (en) | Fuel cell module | |
JP6504356B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP2018125134A (en) | Solid oxide fuel cell system | |
JP6519807B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6804361B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP2017183133A (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6504357B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP2017183134A (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6516162B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP6565059B2 (en) | Solid oxide fuel cell device | |
JP2017069067A (en) | Solid oxide fuel cell battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180226 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20181226 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190107 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190123 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190513 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6537015 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190526 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |