JP6587209B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に関し、特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell device, and more particularly to a solid oxide fuel cell device that generates electric power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming a raw material gas and an oxidant gas.

固体酸化物形燃料電池装置(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極(燃料極)に燃料ガスを供給し、他方の電極(空気極)に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、例えば700℃などの比較的高温で動作する。   Solid Oxide Fuel Cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, and a fuel cell having electrodes attached to both sides thereof in a multi-module container. The fuel cell is arranged to supply a fuel gas to one electrode (fuel electrode) and supply an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other electrode (air electrode) to generate power by a power generation reaction. It is a device for taking out electric power and operates at a relatively high temperature such as 700 ° C., for example.

ここで、燃料電池セルの燃料極に供給した燃料ガスのうち発電に用いられなかった残余の燃料ガス(オフガス)を燃焼させることで生じる排ガスの熱により燃料電池セル上方に配置した改質器を加熱し、改質器内温度を所定の改質反応が可能な温度に維持することで原燃料ガスを燃料ガスに改質して燃料極に供給する、いわゆるセルバーナー方式の熱自立型の固体酸化物形燃料電池装置は、総合でのエネルギー効率が高い上に、改質器を別途加熱する外部バーナーが不要となるなど装置構成を極めて簡素にできるため、産業上非常に有益な構成といえる。   Here, the reformer disposed above the fuel cell by the heat of the exhaust gas generated by burning the remaining fuel gas (off gas) not used for power generation among the fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell. A so-called cell burner type thermal self-supporting solid that heats and maintains the reformer temperature at a temperature that allows a predetermined reforming reaction to reform the raw fuel gas into a fuel gas and supply it to the fuel electrode Oxide fuel cell devices are extremely useful in the industry because they have a high overall energy efficiency and can simplify the device configuration by eliminating the need for an external burner that separately heats the reformer. .

このような固体酸化物形燃料電池装置では、従来から、オフガスを燃焼させて発生する排ガスの熱を利用して酸化剤ガスを昇温させ、昇温させた酸化剤ガスを燃料電池セルに供給することが行われている。このような排ガスと酸化剤ガスとの間で熱交換を行う構成として、例えば、特許文献1には、燃焼された排ガスが排出する排ガス通路と酸化剤ガスの収容室とから構成された熱交換部がセルスタックを収容するモジュール容器内の上方に形成され、排ガス通路は酸化剤ガスの収容室に沿って形成されることで、この部分で熱交換されることが開示されている。   In such a solid oxide fuel cell device, conventionally, the temperature of the oxidant gas is raised using the heat of exhaust gas generated by burning off-gas, and the heated oxidant gas is supplied to the fuel cell. To be done. As a configuration for performing heat exchange between the exhaust gas and the oxidant gas, for example, Patent Document 1 discloses a heat exchange configured by an exhaust gas passage through which the combusted exhaust gas is discharged and an oxidant gas storage chamber. It is disclosed that the portion is formed above the inside of the module container that accommodates the cell stack, and the exhaust gas passage is formed along the oxidant gas accommodating chamber so that heat is exchanged in this portion.

しかし、酸化剤ガスを燃料電池セルに供給するまでに十分加熱するためには、熱交換部をモジュール容器内に配置しようとすると容器の嵩が著しく増大するなど、容器容積が肥大化するため、固体酸化物形燃料電池装置の小型化を妨げる要因となっていた。   However, in order to sufficiently heat the oxidant gas until it is supplied to the fuel cell, the volume of the container increases significantly when the heat exchange part is arranged in the module container. This was a factor that hindered downsizing of the solid oxide fuel cell device.

これに対し、特許文献2では、従来改質器と一体的に構成され、水気化の際に輻射冷却によってモジュール内を冷却してしまう蒸発器を、セルスタックを収容するモジュール容器の外側に離間して配置することが開示されている。   On the other hand, in Patent Document 2, an evaporator that is configured integrally with a conventional reformer and cools the inside of the module by radiation cooling during water vaporization is separated from the outside of the module container that houses the cell stack. It is disclosed to arrange.

このように蒸発器をモジュール容器の外部に分離して配置することで、モジュール容器内の排ガスの熱が蒸発器によって奪われることがなくなるため、モジュール容器内の熱利用率を向上させることが可能となる。高温の排ガスを利用することが可能となるため、熱交換面積を低減しても十分に酸化剤ガスを加熱することができ、燃料電池モジュールの性能を維持向上させつつも、小型化を両立する燃料電池装置の製造が可能となる。   By arranging the evaporator separately from the outside of the module container in this way, the heat utilization rate in the module container can be improved because the heat of exhaust gas in the module container is not taken away by the evaporator. It becomes. Since it becomes possible to use high-temperature exhaust gas, the oxidant gas can be heated sufficiently even if the heat exchange area is reduced, and while maintaining and improving the performance of the fuel cell module, both miniaturization is achieved. The fuel cell device can be manufactured.

特開2005−100687号公報JP 2005-1000068 A 特開2012−221659号公報JP 2012-221659 A

熱交換部としては、従来の別体として配置するユニット状の専用の熱交換器に対して、特許文献2に開示されるような、モジュール容器の壁面を通路の一部として構成される熱交換通路(ケース間通路)を用いた熱交換部を構成する場合には、コストの削減とともに容器の小型化の点でも特に有利であるといえる。   As a heat exchanging part, a heat exchanging unit having a wall surface of a module container as a part of a passage as disclosed in Patent Document 2 with respect to a unit-shaped dedicated heat exchanger disposed as a separate unit. In the case of configuring a heat exchanging section using a passage (passage between cases), it can be said that it is particularly advantageous in terms of cost reduction and size reduction of the container.

蒸発器をモジュール容器の外部に分離配置したことによって、ケース間通路で構成される熱交換部を上昇する排ガスを直接受けるように天面に限定して配置することが可能となった。このような構成を実現する上で、本願発明者らは、モジュール容器の内部における排ガスの分布の対称性・均一性を考慮すると、排ガスの排出口はモジュール容器の天面の中央部に設けることが最善であることを見出した。すると、酸化剤ガスと排ガスとの熱交換効率を高めるためには、排ガスとの十分な熱交換距離(熱交換面積)の確保が必要なことから、排ガス導入口はモジュール容器の天面の端部に設けることが必然となる。   By separating the evaporator from the outside of the module container, it is possible to arrange the evaporator limited to the top surface so as to directly receive the exhaust gas rising through the heat exchanging section constituted by the passage between cases. In realizing such a configuration, the present inventors consider that the exhaust gas outlet is provided at the center of the top surface of the module container, considering the symmetry and uniformity of the distribution of the exhaust gas inside the module container. Found that is the best. Then, in order to increase the heat exchange efficiency between the oxidant gas and the exhaust gas, it is necessary to secure a sufficient heat exchange distance (heat exchange area) with the exhaust gas, so the exhaust gas inlet is at the end of the top surface of the module container. It is inevitable to install in the department.

このような熱交換部の構造的な制限下で配置されるモジュール容器の天面の熱交換部においては、その内部の排ガス通路は水平面方向に広がるものとなる。このため、モジュール容器内の下方(燃焼部)から上昇する排ガスは、熱交換部の内部で水平方向に進行するように進路を変更する必要があるが、熱交換部への排ガスの入口である排ガス導入口の近傍において排ガスが集中し対流が生じるため、熱交換部の内部への排ガスのスムーズな進入が妨げられてしまう。   In the heat exchanging portion on the top surface of the module container arranged under the structural restriction of such a heat exchanging portion, the exhaust gas passage inside the module vessel extends in the horizontal plane direction. For this reason, it is necessary to change the course of the exhaust gas rising from the lower part (combustion part) in the module container so as to proceed in the horizontal direction inside the heat exchange part, but it is an inlet of the exhaust gas to the heat exchange part. Since exhaust gas concentrates in the vicinity of the exhaust gas inlet and convection occurs, smooth entry of the exhaust gas into the heat exchange section is hindered.

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置の一態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する複数の燃料電池セルを用いた固体酸化物形燃料電池装置において、複数の燃料電池セルを収容する直方体状のモジュール容器と、モジュール容器の周囲を覆う断熱材と、燃料ガスを複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、モジュール容器内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを燃料ガスに改質して燃料ガス供給通路に供給する改質器と、複数の燃料電池セルの発電において残余する燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により上方に設けられた改質器を加熱する燃焼部と、モジュール容器の外部で且つ断熱材内に配置され、供給された水を蒸発させて生成した水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを改質器に供給する蒸発器と、モジュール容器の天面の一端から他端にかけて設けられ、燃焼部の燃焼により生成された排ガスと、モジュール容器の外部より供給された酸化剤ガスとが熱交換する熱交換部と、熱交換部からモジュール容器の外部に排ガスを排出する、モジュール容器天面の中央部に設けられた排ガス排出口と、熱交換部から排出された酸化剤ガスを複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガス供給通路と、を有し、熱交換部は、モジュール容器の天面とモジュール容器の内部に設けられた板状部材でなる下面とで形成された排ガス通路を流れる排ガスと、モジュール容器の天面とモジュール容器の外部に設けられたカバー部材でなる上面とで形成された酸化剤ガス通路を流れる酸化剤ガスとが、モジュール容器の天面を介して熱交換するように構成され、熱交換部の排ガス導入口は、モジュール容器の天面における一対の端部の双方に位置し、且つモジュール容器の天面と直交する面に位置し、排ガスの流れに対して熱交換部の上流側であって排ガス導入口の近傍には、排ガスを排ガス通路へ誘導する排ガス誘導部が設けられているものである。   One aspect of a solid oxide fuel cell device according to the present invention is a solid oxide fuel cell device using a plurality of fuel cells that generate power by reaction of a fuel gas and an oxidant gas. A rectangular parallelepiped module container, a heat insulating material that covers the periphery of the module container, a fuel gas supply passage that supplies fuel gas to a plurality of fuel cells, and a fuel container that is disposed in the module container. A reformer that reforms fuel gas and supplies it to the fuel gas supply passage, and combustion that burns fuel gas remaining in power generation of a plurality of fuel cells and heats the reformer provided above by combustion heat And an evaporator that is disposed outside the module container and in the heat insulating material, and that supplies the reformer with a mixed gas of water vapor and raw fuel gas generated by evaporating the supplied water. A heat exchange unit that is provided from one end of the top surface of the container to the other end and exchanges heat between the exhaust gas generated by the combustion of the combustion unit and the oxidant gas supplied from the outside of the module container, and the module from the heat exchange unit An exhaust gas exhaust port provided at the center of the top surface of the module container for exhausting the exhaust gas to the outside of the container, and an oxidant gas supply passage for supplying the oxidant gas discharged from the heat exchange unit to a plurality of fuel cells. The heat exchanging part has exhaust gas flowing through an exhaust gas passage formed by a top surface of the module container and a lower surface made of a plate-like member provided inside the module container, and the top surface of the module container and the module container The oxidant gas flowing through the oxidant gas passage formed by the upper surface made of a cover member provided outside the heat exchanger is configured to exchange heat via the top surface of the module container, The gas inlets are located on both sides of the pair of end portions on the top surface of the module container and are located on a surface orthogonal to the top surface of the module container, and are upstream of the heat exchange unit with respect to the flow of exhaust gas. In the vicinity of the exhaust gas inlet, an exhaust gas guiding part for guiding the exhaust gas to the exhaust gas passage is provided.

このように構成された本発明によれば、モジュール容器の天面に設けた熱交換部の排ガス導入口に排ガス誘導部を設けることで、排ガス導入口の手前近傍において生じていた排ガスの集中による対流の発生を抑え、熱交換部内の排ガス通路へ排ガスを容易に導入させることが可能となった。これにより、熱交換部における熱交換機能を十分に発揮させ、モジュール容器の内部の熱利用率を高めることができる。   According to the present invention configured as described above, by providing the exhaust gas induction portion at the exhaust gas introduction port of the heat exchange unit provided on the top surface of the module container, the concentration of the exhaust gas generated near the exhaust gas introduction port is caused. It has become possible to suppress the generation of convection and easily introduce exhaust gas into the exhaust gas passage in the heat exchange section. Thereby, the heat exchange function in a heat exchange part can fully be exhibited, and the heat utilization factor inside a module container can be raised.

また本発明の一態様においては、排ガス誘導部は、モジュール容器の天面とモジュール容器の側面とが連設するモジュール容器のコーナー角壁であって、モジュール容器の内部を上昇する排ガスが排ガス導入口に向かうように曲率を有していることが好ましい。   In one aspect of the present invention, the exhaust gas guiding portion is a corner wall of the module container in which the top surface of the module container and the side surface of the module container are connected to each other, and the exhaust gas rising inside the module container is introduced into the exhaust gas. It is preferable to have a curvature so as to face the mouth.

排ガス導入口が設けられる近傍のモジュール容器のコーナー角部においては、上昇する排ガスが直交する方向の熱交換流路により方向転換を余儀なくされるため、排ガスが集中することにより局所的な圧力損失の増加が生じてしまっていた。このように構成された本発明によれば、モジュール容器の角部分に曲率を持たせた形状とすることで、上昇する排ガスの方向をこれと直交する方向である水平方向に転換して、排ガス導入口へ排ガスを誘導する。これにより、排ガス導入口近傍の圧力損失の増加を抑制し、熱交換部へ排ガスをスムーズに導入することができ、高い熱交換効率を担保することができる。   At the corner corner of the module container in the vicinity where the exhaust gas inlet is provided, the direction of the rising exhaust gas is forced to change direction by the heat exchange flow path in the orthogonal direction. An increase has occurred. According to the present invention configured as described above, the corner of the module container has a curved shape, so that the direction of the rising exhaust gas is changed to a horizontal direction that is a direction perpendicular to the direction of the exhaust gas. Guides exhaust gas to the inlet. Thereby, the increase in the pressure loss near the exhaust gas inlet can be suppressed, the exhaust gas can be smoothly introduced into the heat exchange part, and high heat exchange efficiency can be ensured.

また本発明の一態様においては、酸化剤ガス通路は、カバー部材がモジュール容器の天面から側面にかけて屈曲して延在することで、モジュール容器の側面の一部に延在し、コーナー角壁の曲率は、屈曲することで形成されるカバー部材のコーナー角壁の曲率よりも小さいことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the oxidant gas passage extends in a part of the side surface of the module container by the cover member being bent and extended from the top surface to the side surface of the module container. Is preferably smaller than the curvature of the corner wall of the cover member formed by bending.

このように構成された本発明によれば、排ガスを熱交換部に誘導するためにモジュール容器のコーナー角壁が曲率を設けることにより、対応する酸化剤ガス通路の角部において、酸化剤ガスはモジュール容器の天面から側面に沿って下方に誘導されるため、角部での圧力損失の増加を緩和することができる。一方で、カバー部材の屈曲により形成される酸化剤ガス通路の角部は曲率が大きいため、当該箇所において酸化剤ガス通路の容積を大きく確保することができる。このため、さらに角部での圧力損失の増加を緩和することができる。   According to the present invention configured as described above, in order to guide the exhaust gas to the heat exchange unit, the corner corner wall of the module container provides a curvature, so that the oxidant gas is at the corner of the corresponding oxidant gas passage. Since it is guided downward along the side surface from the top surface of the module container, an increase in pressure loss at the corner can be mitigated. On the other hand, since the corner portion of the oxidant gas passage formed by bending the cover member has a large curvature, it is possible to secure a large volume of the oxidant gas passage at the location. For this reason, the increase in pressure loss at the corners can be further mitigated.

また本発明の一態様においては、酸化剤ガス通路は、カバー部材がモジュール容器の天面から側面にかけて屈曲して延在することで、モジュール容器の側面の一部に延在し、屈曲することで形成されるカバー部材の角壁はR形状であり、カバー部材とモジュール容器の天面との間、およびカバー部材とモジュール容器の側面との間にそれぞれ形成される酸化剤ガス通路内のそれぞれには、酸化剤ガス通路をモジュール容器の壁面に平行な二層の通路に区画する伝熱板が配置され、これらの伝熱板は角壁において接していることが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the oxidant gas passage extends and bends to a part of the side surface of the module container by the cover member being bent and extending from the top surface to the side surface of the module container. The square walls of the cover member formed in the shape of R are R-shaped, respectively, in the oxidant gas passages formed between the cover member and the top surface of the module container and between the cover member and the side surface of the module container. In this case, a heat transfer plate that divides the oxidant gas passage into two layers of passages parallel to the wall surface of the module container is disposed, and these heat transfer plates are preferably in contact with each other at the square wall.

このように構成された本発明によれば、カバー部材の屈曲により形成される酸化剤ガス通路の角部をR形状とすることで、当該箇所における酸化剤ガス通路の容積を最大化させることができるとともに、モジュール容器の天面及び側面に位置する酸化剤ガス通路のそれぞれに通路を2層化する伝熱板を角部で互いに接して配置することができる。このため、天面及び側面において酸化剤ガス通路の下層が明確に区分されるため、酸化剤ガスを下層に主体的に流すことで、酸化剤ガスとその下方の排ガスとの熱交換効率を高めることができる。   According to the present invention configured as described above, the corner portion of the oxidant gas passage formed by bending the cover member is formed into an R shape, thereby maximizing the volume of the oxidant gas passage at the location. In addition, a heat transfer plate having two passages can be disposed in contact with each other at the corners of each of the oxidant gas passages located on the top and side surfaces of the module container. For this reason, since the lower layer of the oxidant gas passage is clearly divided on the top surface and the side surface, the heat exchange efficiency between the oxidant gas and the exhaust gas below the oxidant gas is increased by mainly flowing the oxidant gas to the lower layer. be able to.

また本発明の一態様においては、伝熱板は、酸化剤ガス通路をモジュール容器の壁面に平行な二層の通路に区画する主面と、二層の通路のうち一方の層から他方の層へ酸化剤ガスの流動を可能とするとともにモジュール容器の天面と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、二層に区分された酸化剤ガス通路のうち、カバー部材のコーナー角壁における下層部分には、伝熱板の凸部は配置されていないことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the heat transfer plate includes a main surface that divides the oxidant gas passage into two-layer passages parallel to the wall surface of the module container, and one layer to the other layer of the two-layer passages. An oxidant divided into two layers having a plurality of a plurality of protrusions and vent holes arranged on the main surface for allowing the oxidant gas to flow and conducting heat with the top surface of the module container It is preferable that the convex part of the heat transfer plate is not disposed in the lower layer portion of the corner wall of the cover member in the gas passage.

このように構成された本発明によれば、カバー部材の屈曲により形成される酸化剤ガス通路の角部においては、二層に区画する伝熱板の主面に有する凸部が位置しないように配置することで、角部において下層に酸化剤ガスを主体的に流動させることができる。このため、酸化剤ガスをモジュール容器の壁面に接するように流すことができ、熱交換効率を高めることができる。   According to the present invention configured as described above, at the corner portion of the oxidant gas passage formed by the bending of the cover member, the convex portion included in the main surface of the heat transfer plate partitioned into two layers is not positioned. By arrange | positioning, oxidizing agent gas can be mainly flowed to a lower layer in a corner | angular part. For this reason, oxidant gas can be flowed so that it may touch the wall surface of a module container, and heat exchange efficiency can be improved.

また本発明の一態様においては、排ガス通路内には、排ガス通路をモジュール容器の天面に平行な二層の通路に区画する伝熱板が配置され、伝熱板は熱交換部の内部において排ガス導入口よりも内側に配置されていることが好ましい。   Moreover, in one aspect of the present invention, a heat transfer plate that divides the exhaust gas passage into two-layer passages parallel to the top surface of the module container is disposed in the exhaust gas passage, and the heat transfer plate is disposed inside the heat exchange section. It is preferable that it is arranged inside the exhaust gas inlet.

このように構成された本発明によれば、排ガス導入口の近傍に伝熱板を配置すると、伝熱板がガス流動を妨げる障害として機能することで、排ガスが流入する角部において圧力損失が増加してしまうことになる。そこで、伝熱板を排ガス導入口に対してオフセット配置することによって、角部における圧力損失の増加を緩和することができる。   According to the present invention configured as described above, when the heat transfer plate is disposed in the vicinity of the exhaust gas inlet, the heat transfer plate functions as an obstacle to prevent the gas flow, so that pressure loss occurs at the corner where the exhaust gas flows. It will increase. Therefore, by increasing the heat transfer plate with respect to the exhaust gas inlet, the increase in pressure loss at the corner can be mitigated.

また本発明の一態様においては、伝熱板は、排ガス通路をモジュール容器の天面に平行な二層の通路に区画する主面と、二層の通路のうち一方の層から他方の層へ排ガスの流動を可能とするとともにモジュール容器の天面と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、二層に区分された排ガス通路のうち、上層の排ガス導入口の近傍には、伝熱板の凸部は配置されていないことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the heat transfer plate includes a main surface that divides the exhaust gas passage into two-layer passages parallel to the top surface of the module container, and one layer to the other layer of the two-layer passages. Among the exhaust gas passages divided into two layers, which have a pair of convex portions and vent holes arranged on the main surface for allowing the exhaust gas to flow and conducting heat with the top surface of the module container, It is preferable that the convex portion of the heat transfer plate is not disposed in the vicinity of the upper layer exhaust gas inlet.

このように構成された本発明によれば、コーナー角壁においては、二層に区画する伝熱板の主面に有する凸部が位置しないように配置することで、コーナー角壁において上層に排ガスを主体的に流動させることができる。このため、排ガスをモジュール容器の壁面に接するように流すことで酸化剤ガスとの熱交換を促進することができ、熱交換効率を高めることができる。   According to the present invention configured as described above, the corner corner wall is arranged so that the convex portion included in the main surface of the heat transfer plate partitioned into two layers is not positioned, so that the exhaust gas is exhausted to the upper layer in the corner corner wall. Can be made to flow independently. For this reason, heat exchange with oxidant gas can be accelerated | stimulated by flowing waste gas so that the wall surface of a module container may be contacted, and heat exchange efficiency can be improved.

固体酸化物形燃料電池装置において、モジュール容器の天面に設けた熱交換部の排ガス導入口に排ガス誘導部を設けることで、排ガス導入口の手前近傍において生じていた排ガスの集中による対流の発生を抑え、熱交換部内の排ガス通路へ排ガスを容易に導入させることが可能となった。これにより、熱交換部における熱交換機能を十分に発揮させ、モジュール容器の内部の熱利用率を高めることができる。   In a solid oxide fuel cell device, by providing an exhaust gas induction part at the exhaust gas inlet of the heat exchange part provided on the top surface of the module container, convection occurs due to the concentration of the exhaust gas that has occurred near the exhaust gas inlet. This makes it possible to easily introduce exhaust gas into the exhaust gas passage in the heat exchange section. Thereby, the heat exchange function in a heat exchange part can fully be exhibited, and the heat utilization factor inside a module container can be raised.

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の側面断面図である。1 is a side sectional view of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 図1の側面断面図の熱交換部についての拡大図である。It is an enlarged view about the heat exchange part of side sectional drawing of FIG. 本発明の一実施形態による伝熱板を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the heat exchanger plate by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による伝熱板を示す三面図である。It is a three-plane figure which shows the heat exchanger plate by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による伝熱板の流体の流れを示す斜視図(a)と、伝熱板の凸部の拡大図(b)と、凹部の拡大図(c)である。They are the perspective view (a) which shows the flow of the fluid of the heat exchanger plate by one Embodiment of this invention, the enlarged view (b) of the convex part of a heat exchanger plate, and the enlarged view (c) of a recessed part. 本発明の一実施形態による伝熱板の流体の流れを示す上面視図である。It is a top view which shows the flow of the fluid of the heat exchanger plate by one Embodiment of this invention. 従来の伝熱板を示す図である。It is a figure which shows the conventional heat exchanger plate. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の側面断面図である。1 is a side sectional view of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 図8の側面断面図の熱交換部についての拡大図である。It is an enlarged view about the heat exchange part of the side sectional view of FIG. 図9においてガスの流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of gas in FIG. 本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell apparatus according to an embodiment of the present invention. 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正面断面図である。1 is a front sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 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から断熱材及びハウジングを取り外した状態の斜視図である。1 is a perspective view of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention with a heat insulating material and a housing removed from a fuel cell module. 本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の排ガス通路及び酸化剤ガス通路の一部分を拡大して示す鉛直断面図である。1 is an enlarged vertical sectional view showing a part of an exhaust gas passage and an oxidant gas passage of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 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におけるガスの流れの説明するための、燃料電池モジュールを示す正面断面図である。1 is a front sectional view showing a fuel cell module for explaining a gas flow in a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 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におけるガスの流れの説明するための、図12のIII-III線に沿った燃料電池モジュールの側面断面図である。FIG. 13 is a side cross-sectional view of the fuel cell module taken along line III-III of FIG. 12 for explaining a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the embodiment of the present invention.

(実施の形態1)
本実施の形態においては、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置における熱交換部とその排ガス導入口近傍について、図1及び図2を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, the heat exchanging portion and the vicinity of the exhaust gas inlet in the solid oxide fuel cell device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1は、本実施の形態における固体酸化物形燃料電池装置500の側面を示す図である。燃料ガスマニホールド509上に立設配置された複数の燃料電池セル502が、モジュール容器503の内部に収容されている。モジュール容器503の上方には蒸発器506が配置され、モジュール容器503及び蒸発器506は断熱材501によって周囲を覆われている。また、モジュール容器503と蒸発器506との間にも断熱材501が配置されている。複数の燃料電池セル502の上方には燃焼部503が設けられ、燃焼部503の上方には改質器504が設けられている。また、図1においてモジュール容器の両側面には、外部より供給された酸化剤ガスを燃料電池セル502に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成されている。そして、改質器504の上方、モジュール容器503の天面には熱交換部507が形成されている。熱交換部507はモジュール容器503の天面と水平に広がるように設けられ、熱交換部507内において、上部にはカバー部材とモジュール容器503の天面とにより形成された酸化剤通路を有し、下部にはモジュール容器503の天面とその下方に設置された板状部材とにより形成された排ガス通路とを有す。   FIG. 1 is a view showing a side surface of a solid oxide fuel cell device 500 in the present embodiment. A plurality of fuel cells 502 arranged upright on the fuel gas manifold 509 are accommodated inside the module container 503. An evaporator 506 is disposed above the module container 503, and the module container 503 and the evaporator 506 are covered with a heat insulating material 501. A heat insulating material 501 is also disposed between the module container 503 and the evaporator 506. A combustion unit 503 is provided above the plurality of fuel cells 502, and a reformer 504 is provided above the combustion unit 503. In FIG. 1, oxidant gas supply passages for supplying an oxidant gas supplied from the outside to the fuel cell 502 are formed on both side surfaces of the module container. A heat exchanging unit 507 is formed above the reformer 504 and on the top surface of the module container 503. The heat exchanging unit 507 is provided so as to spread horizontally with the top surface of the module container 503, and in the heat exchanging unit 507, an upper portion has an oxidant passage formed by the cover member and the top surface of the module container 503. The lower portion has an exhaust gas passage formed by a top surface of the module container 503 and a plate-like member installed below the top surface.

外部から供給された水は蒸発器506の内部で加熱され、同様に外部から供給された原料ガスと混合された混合ガスとして改質器504に供給される。さらに高温状態の改質器504内部で原料ガスは燃料ガスに改質され、燃料ガスは燃料ガスマニホールド509を介して燃料電池セル502の内部に供給される。一方、外部から供給された酸化剤ガスは、熱交換部507を通過して酸化剤ガス供給通路508から燃料電池セル502の外表面に対して供給される。内部に燃料ガスが供給され、外部に酸化剤ガスが供給された燃料電池セル502は、例えば600℃以上の高温状態下で発電反応により発電する。   The water supplied from the outside is heated inside the evaporator 506, and similarly supplied to the reformer 504 as a mixed gas mixed with the raw material gas supplied from the outside. Further, the raw material gas is reformed into the fuel gas inside the reformer 504 in a high temperature state, and the fuel gas is supplied into the fuel cell 502 through the fuel gas manifold 509. On the other hand, the oxidant gas supplied from the outside passes through the heat exchange unit 507 and is supplied from the oxidant gas supply passage 508 to the outer surface of the fuel cell 502. The fuel cell 502 to which fuel gas is supplied inside and oxidant gas is supplied to the outside generates power by a power generation reaction under a high temperature state of, for example, 600 ° C. or higher.

一方、発電に用いられずに残余した燃料ガス(オフガス)は、燃料電池セル502の上端から排出され、燃焼部505において燃焼されることで排ガスを生成する。排ガスは改質器504の底面及び側面を加熱しながらモジュール容器503の内部を上昇する。このように排ガスによる加熱によって、改質器504は原料ガスの改質に必要な改質温度に昇温、維持することができる。改質器504を加熱しながらモジュール容器503の上部に上昇する排ガスは、モジュール容器503の側面視において、モジュール容器503の上方両端に位置する排ガス導入口から熱交換部507に供給される。熱交換部507内部において、燃料電池モジュールの外部から供給された酸化剤ガスと排ガスとが熱交換され、回収した熱量により昇温した酸化剤ガスは酸化剤ガス供給通路508から燃料電池セル502に供給される一方で、熱量の低減した排ガスはモジュール容器503から分離した蒸発器506内部を通過し、水蒸気の生成および原料ガスの予熱に熱回収された後、固体酸化物形燃料電池装置500の外部に排出される。   On the other hand, the remaining fuel gas (off-gas) that is not used for power generation is discharged from the upper end of the fuel cell 502 and burned in the combustion unit 505 to generate exhaust gas. The exhaust gas rises inside the module container 503 while heating the bottom and side surfaces of the reformer 504. Thus, the reformer 504 can be heated and maintained at the reforming temperature necessary for reforming the raw material gas by heating with the exhaust gas. The exhaust gas rising to the upper part of the module container 503 while heating the reformer 504 is supplied to the heat exchange unit 507 from the exhaust gas inlets located at both upper ends of the module container 503 in a side view of the module container 503. Inside the heat exchanging unit 507, the oxidant gas supplied from the outside of the fuel cell module and the exhaust gas are heat-exchanged, and the oxidant gas heated by the recovered heat amount is transferred from the oxidant gas supply passage 508 to the fuel cell 502. On the other hand, the exhaust gas with reduced heat quantity passes through the inside of the evaporator 506 separated from the module container 503, and is recovered by heat generation for the generation of water vapor and preheating of the raw material gas, and then the solid oxide fuel cell device 500 It is discharged outside.

図2は、モジュール容器503の側面視において、さらにモジュール容器503の左側上方を拡大したものである。   FIG. 2 is an enlarged view of the upper left side of the module container 503 in a side view of the module container 503.

すなわち、図1で示した熱交換部507は上述のとおり、排ガスが流れる下部の排ガス通路550と、酸化剤ガスが流れる上部の酸化剤ガス通路551aとから構成される。排ガス通路550は、モジュール容器503の天面を上面とし、この天面より下方に概略等距離分離間させて配置された板状部材511とを下面として区画形成される。他方、酸化剤ガス通路551aは、モジュール容器503の天面を下面とし、この天面よりも上方に概略等距離分離間させて配置されたカバー部材510とを上面として区画形成される。   That is, the heat exchanging section 507 shown in FIG. 1 includes the lower exhaust gas passage 550 through which the exhaust gas flows and the upper oxidant gas passage 551a through which the oxidant gas flows. The exhaust gas passage 550 is partitioned and formed with the top surface of the module container 503 as an upper surface and a plate-like member 511 disposed at a substantially equal distance below the top surface as a lower surface. On the other hand, the oxidant gas passage 551a is sectioned with the top surface of the module container 503 as the bottom surface and the cover member 510 disposed at approximately equal distances above the top surface as the top surface.

図2において、排ガスは、モジュール容器503の側面に平行な面として設けられた左端の排ガス導入口より熱交換部内へ進入し、概略水平に右方向に流動後、モジュール容器503の概略中央に位置する排ガス排出口552及び排気管を介して蒸発器へ排出される。これに対し、外部から供給された酸化剤ガスは酸化剤ガス導入管(図示せず)を介して熱交換部507における酸化剤ガス通路551aのモジュール容器上面視における概略中央に供給される。酸化剤ガス通路551a中の酸化剤ガスは、概略水平に左方向に流動し、熱交換部507の端部において下方に続く酸化剤ガス通路551bに移動する。このようにして、熱交換部507において端部より排ガス通路551aに供給された排ガスはモジュール容器503の中央部に向かうように水平方向に移動する一方、モジュール容器503の中央部の酸化剤ガス通路551aに供給された酸化剤ガスは、モジュール容器503の端部に向かうように移動するため、排ガスと酸化剤ガスとは対向する方向に水平流動する(対向流れ)。このとき、モジュール容器503の天面554が熱交換面として機能するため、排ガスがもつ熱が酸化剤ガスに移動することで、排ガスと酸化剤ガスとの間の熱交換がなされる。   In FIG. 2, the exhaust gas enters the heat exchanging portion from the exhaust gas inlet at the left end provided as a plane parallel to the side surface of the module container 503, flows in the horizontal direction substantially horizontally, and then is positioned at the approximate center of the module container 503. The exhaust gas is discharged to the evaporator through the exhaust gas discharge port 552 and the exhaust pipe. On the other hand, the oxidant gas supplied from the outside is supplied to the approximate center of the oxidant gas passage 551a in the heat exchange unit 507 in the top view of the module container via the oxidant gas introduction pipe (not shown). The oxidant gas in the oxidant gas passage 551a flows to the left substantially horizontally and moves to the oxidant gas passage 551b that continues downward at the end of the heat exchange unit 507. In this way, the exhaust gas supplied from the end to the exhaust gas passage 551a in the heat exchange unit 507 moves in the horizontal direction toward the center of the module container 503, while the oxidant gas passage in the center of the module container 503. Since the oxidant gas supplied to 551a moves toward the end of the module container 503, the exhaust gas and the oxidant gas horizontally flow in opposite directions (opposite flow). At this time, since the top surface 554 of the module container 503 functions as a heat exchange surface, the heat of the exhaust gas moves to the oxidant gas, whereby heat exchange between the exhaust gas and the oxidant gas is performed.

なお、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路は、モジュール容器の天面に加え、モジュール容器側面にも一部形成することができる。すなわち、モジュール容器の天面554に酸化剤ガス通路551aを画成するためのカバー部材510は、さらにモジュール容器の側面に屈曲して延在することで、モジュール容器の側面とカバー部材510との間に酸化剤ガス通路551bを形成する。   The oxidant gas passage through which the oxidant gas flows may be partially formed on the side surface of the module container in addition to the top surface of the module container. That is, the cover member 510 for defining the oxidant gas passage 551a on the top surface 554 of the module container is further bent and extended to the side surface of the module container, so that the side surface of the module container and the cover member 510 are An oxidant gas passage 551b is formed therebetween.

排ガスは、熱交換部507の排ガス導入口555より排ガス通路550へ導入される。この排ガス導入口555は、モジュール容器503の天面554における両端部に設けられ、モジュール容器503の天面554と直交する面に形成されている。このように排ガス導入口555をモジュール容器503の上部両端に配置することによって、モジュール容器503内において上昇する高温の排ガスの熱をそのまま回収することができるとともに、熱交換部503の排ガス排出口552をモジュール容器503の上面視における中央部に配置しているため、酸化剤ガスとの熱交換距離(面積)を十分に確保することができるため、熱交換効率を向上させることができる。   The exhaust gas is introduced into the exhaust gas passage 550 from the exhaust gas inlet 555 of the heat exchange unit 507. The exhaust gas inlets 555 are provided at both ends of the top surface 554 of the module container 503 and are formed on surfaces orthogonal to the top surface 554 of the module container 503. By arranging the exhaust gas inlets 555 at the upper ends of the module container 503 in this way, the heat of the hot exhaust gas rising in the module container 503 can be recovered as it is, and the exhaust gas outlet 552 of the heat exchange unit 503 is also collected. Is disposed in the central portion of the module container 503 as viewed from above, so that a sufficient heat exchange distance (area) with the oxidant gas can be secured, so that the heat exchange efficiency can be improved.

しかし、モジュール容器503の天面554に配置する本実施の形態にかかる熱交換部507においては、その内部の排ガス通路は水平面方向に広がるものとなるため、モジュール容器503内の下方の燃焼部505から上昇する排ガスは、熱交換部507の内部で水平方向に進行するように進路を変更する必要があるが、熱交換部507への排ガスの入口である排ガス導入口555の近傍において排ガスが集中し対流が生じるため、熱交換部507の内部への排ガスのスムーズな進入が妨げられてしまうという課題があった。   However, in the heat exchanging unit 507 according to the present embodiment arranged on the top surface 554 of the module container 503, the exhaust gas passage in the heat exchanger 507 extends in the horizontal plane direction, so the lower combustion unit 505 in the module container 503 is provided. It is necessary to change the course of the exhaust gas rising from the exhaust gas so that it travels in the horizontal direction inside the heat exchange unit 507, but the exhaust gas is concentrated in the vicinity of the exhaust gas inlet 555 which is the inlet of the exhaust gas to the heat exchange unit 507. However, since convection occurs, there is a problem that the smooth entry of the exhaust gas into the heat exchange unit 507 is hindered.

そこで、排ガスの流れに対して熱交換部507の上流側であって排ガス導入口555の近傍には、排ガスを排ガス通路550へ誘導する排ガス誘導部が設けられている。排ガス誘導部は、上昇する排ガスを水平方向に流動方向を転換させるものであり、例えば排ガス導入口555の近傍のモジュール容器503の側面に排ガスを排ガス通路550へ誘導する凸形状の構造体を単数又は複数設けることができる。また、モジュール容器503の天面554と側面558とが連接するモジュール容器503のコーナー角壁を傾斜するテーパー面として形成することもできる。   In view of this, an exhaust gas induction unit that guides the exhaust gas to the exhaust gas passage 550 is provided on the upstream side of the heat exchange unit 507 with respect to the exhaust gas flow and in the vicinity of the exhaust gas inlet 555. The exhaust gas guiding unit changes the flow direction of the rising exhaust gas in the horizontal direction. For example, a single convex structure for guiding the exhaust gas to the exhaust gas passage 550 is provided on the side surface of the module container 503 in the vicinity of the exhaust gas inlet 555. Alternatively, a plurality can be provided. Further, the corner corner wall of the module container 503 where the top surface 554 and the side surface 558 of the module container 503 are connected can be formed as a tapered surface that is inclined.

このように、排ガス導入口555の近傍に排ガスを熱交換部507の排ガス通路550に誘導する排ガス誘導部材を設けることで、排ガス導入口555の近傍に排ガスが集中して生じる対流により熱交換部507への排ガスの進入が妨げられてしまうことを抑制、回避することができる。   As described above, by providing the exhaust gas guiding member that guides the exhaust gas to the exhaust gas passage 550 of the heat exchange unit 507 in the vicinity of the exhaust gas inlet 555, the heat exchange unit is caused by convection generated by the exhaust gas concentrated in the vicinity of the exhaust gas inlet 555. It is possible to suppress or prevent the entry of the exhaust gas to 507 from being hindered.

図2に示すように本実施の形態においては、排ガス誘導部は、モジュール容器503の天面554とモジュール容器の側面558とが連設するモジュール容器503のコーナー角壁553であって、モジュール容器503の内部を上昇する排ガスが排ガス導入口に向かうように曲率をもたせたものを示す。   As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the exhaust gas guiding portion is a corner corner wall 553 of the module container 503 in which the top surface 554 of the module container 503 and the side surface 558 of the module container are connected to each other. The exhaust gas rising inside 503 is given a curvature so as to go to the exhaust gas inlet.

このようにモジュール容器503のコーナー角部553に曲率をもたせた形状とすることで、上昇する排ガスの方向をこれと直交する方向である水平方向に転換して、排ガス導入口553へ排ガスを誘導することができる。とくにコーナー角部553に曲率をもたせて円弧状とすることで、排ガス導入口555近傍での排ガスの停滞を解消し、熱交換部507の排ガス通路550へ排ガスをスムーズに導入することができる。   In this way, by making the corner corner portion 553 of the module container 503 have a curvature, the direction of the rising exhaust gas is changed to a horizontal direction that is perpendicular to the direction, and the exhaust gas is guided to the exhaust gas inlet 553. can do. In particular, by making the corner corner portion 553 have an arcuate shape, it is possible to eliminate the stagnation of the exhaust gas in the vicinity of the exhaust gas inlet 555 and smoothly introduce the exhaust gas into the exhaust gas passage 550 of the heat exchange unit 507.

図2において、排ガスの流れを実線矢印で、酸化剤ガスの流れを破線矢印で示している。排ガスは改質器504を加熱しながら上昇し、排ガス導入口555に向かって集中するように分布する。図2においては、改質器504は排ガスによる昇温性能を向上させるために中央部に開口を有する構成としているが、本発明はこれに限らず、排ガスにより加熱されるとともに排ガスがモジュール容器503の天面に向かうことができる構成であれば、改質器504の構造や形状について適宜設計することができるものである。   In FIG. 2, the flow of exhaust gas is indicated by solid arrows, and the flow of oxidant gas is indicated by broken arrows. The exhaust gas rises while heating the reformer 504 and is distributed so as to concentrate toward the exhaust gas inlet 555. In FIG. 2, the reformer 504 is configured to have an opening in the central portion in order to improve the temperature rise performance by the exhaust gas, but the present invention is not limited to this, and the exhaust gas is heated by the exhaust gas and the exhaust gas is in the module container 503. If it is the structure which can go to the top | upper surface, the structure and shape of the reformer 504 can be designed appropriately.

排ガスは排ガス導入口555の近傍に集中するものの、モジュール容器503のコーナー角部553の曲率面によって熱交換部507の排ガス通路550へ導入されるように水平方向に進路が変更される。このため、排ガス導入口555の近傍に排ガスの対流は生じずに、排ガスはスムーズに熱交換部507へと導入される。   Although the exhaust gas concentrates in the vicinity of the exhaust gas inlet 555, the course is changed in the horizontal direction so as to be introduced into the exhaust gas passage 550 of the heat exchange unit 507 by the curvature surface of the corner corner portion 553 of the module container 503. For this reason, exhaust gas convection does not occur in the vicinity of the exhaust gas inlet 555, and the exhaust gas is smoothly introduced into the heat exchange unit 507.

このように、モジュール容器503のコーナー角部553に曲率をもたせる形状とすると、同時に水平方向に広がる酸化剤ガス通路551aからこれと直交する方向に広がる酸化剤ガス通路551bの接する酸化剤ガス通路の屈曲部においても圧力損失を低減することができる。このため、内部を流れる酸化剤ガスの進路をスムーズに変更することが可能となり、排ガスとの効率的な熱交換を行うことができる。   As described above, when the corner corner portion 553 of the module container 503 has a curved shape, the oxidant gas passage 551b extending in the direction orthogonal to the oxidant gas passage 551a extending in the horizontal direction at the same time is connected. Pressure loss can also be reduced at the bent portion. For this reason, it becomes possible to change smoothly the course of oxidant gas which flows inside, and efficient heat exchange with exhaust gas can be performed.

以上のような、モジュール容器503のコーナー角部553に曲率をもたせる形状とすることは、特段部材を追加するものではないため、コストの増加を抑えた課題対策となっている点でも有益である。   The above-described shape that allows the corner corner portion 553 of the module container 503 to have a curvature is also advantageous in that it does not add a special member, and is a countermeasure for a problem that suppresses an increase in cost. .

一方、図2においては、酸化剤ガス通路は、モジュール天面554に設けられた酸化剤ガス通路551aと合わせて、カバー部材510がモジュール容器503の天面554から側面558にかけて屈曲して延在することで、モジュール容器503の側面558の一部に延在している酸化剤ガス通路551bを有する。酸化剤ガス通路551aと酸化剤ガス通路551bとを繋ぐ、屈曲することで形成されるカバー部材510のコーナー角壁557の曲率は、コーナー角壁553の曲率よりも大きい。酸化剤ガス流路におけるコーナー角壁557の曲率を大きく設定することにより、当該箇所において酸化剤ガス通路の容積を大きく確保することができる。このため、さらに酸化剤ガス通路のコーナー角部において、圧力損失の増大を低減することができる。   On the other hand, in FIG. 2, the oxidant gas passage extends in a bent manner from the top surface 554 to the side surface 558 of the module container 503 together with the oxidant gas passage 551 a provided on the module top surface 554. As a result, an oxidant gas passage 551b extending to a part of the side surface 558 of the module container 503 is provided. The curvature of the corner angle wall 557 of the cover member 510 formed by bending the oxidant gas passage 551a and the oxidant gas passage 551b is larger than the curvature of the corner angle wall 553. By setting the curvature of the corner corner wall 557 in the oxidant gas flow path to be large, it is possible to secure a large volume of the oxidant gas passage at the location. For this reason, it is possible to further reduce the increase in pressure loss at the corner corners of the oxidant gas passage.

(実施の形態2)
本実施の形態においては、まず本発明に用いる伝熱板の一例として示す伝熱板について、その流体の拡散のメカニズムを従来構造と比較しながら説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, first, a heat transfer plate shown as an example of a heat transfer plate used in the present invention will be described while comparing the fluid diffusion mechanism with a conventional structure.

一般に熱交換器に用いる伝熱板は、熱的接続する二つの流路を通過する流体の熱交換量を高めるため、流路を蛇行させて流路を延長したり、流路抵抗として機能する部材を設置するなどして、熱交換領域を増したり、熱交換時間を増やす等の工夫がなされている。例えば、図7に示す従来のコルゲートフィンは、伝熱板を蛇腹状に折り畳んだものであり、折り畳まれることで複数に区画された流路は内部を通過する流体に対して流路抵抗として機能する。また、内部を通過する流体は折り畳まれた伝熱板の上面や下面、側面(壁面)に接して移動するため、伝熱板を介して他流路との熱交換が促進される。   In general, a heat transfer plate used for a heat exchanger increases the amount of heat exchange of a fluid passing through two thermally connected flow paths, and extends the flow path by meandering the flow path or functions as a flow path resistance. There have been devised measures such as increasing the heat exchange area and increasing the heat exchange time by installing members. For example, the conventional corrugated fin shown in FIG. 7 is obtained by folding a heat transfer plate in a bellows shape, and the folded flow path functions as a flow resistance against the fluid passing through the interior. To do. Further, since the fluid passing through the inside moves in contact with the upper surface, the lower surface, and the side surface (wall surface) of the folded heat transfer plate, heat exchange with other flow paths is promoted through the heat transfer plate.

しかし、従来の伝熱板(フィン)では複数に区画された流路のそれぞれを、流体がほぼ直進して排出される。このため、流体は流れに直交する方向には流動しないため、直交方向への温度拡散性が低く、流路全域の熱量を均一にすることは困難である。   However, in the conventional heat transfer plate (fin), the fluid is almost straightly discharged through each of the plurality of divided flow paths. For this reason, since the fluid does not flow in the direction orthogonal to the flow, the temperature diffusivity in the orthogonal direction is low, and it is difficult to make the heat quantity in the entire flow path uniform.

これに対して本実施の形態で一例として用いる伝熱板は、図3に示すように、伝熱板300の表面に複数の凸部301をずらして配置している。このため、流体が伝熱板300の一端から導入されると、伝熱板300の上面を流れる流体は当初の流れ方向では必ず凸部301に衝突して、方向転換を余儀なくされる。このため、流体は伝熱板300を直進して抜けることが無く、かならず凸部301と衝突するので、凸部301は流路抵抗として機能する。よって、伝熱板300上の流体の流速は全体的に低下し、その結果として熱交換が促される。   On the other hand, the heat transfer plate used as an example in the present embodiment has a plurality of convex portions 301 shifted on the surface of the heat transfer plate 300 as shown in FIG. For this reason, when the fluid is introduced from one end of the heat transfer plate 300, the fluid flowing on the upper surface of the heat transfer plate 300 always collides with the convex portion 301 in the initial flow direction, and the direction is forced to change. For this reason, since the fluid does not go straight through the heat transfer plate 300 and always collides with the convex portion 301, the convex portion 301 functions as a flow path resistance. Therefore, the flow velocity of the fluid on the heat transfer plate 300 decreases as a whole, and as a result, heat exchange is promoted.

なお、本明細書においては、熱交換を行う対象である高温の流体と低温の流体とを総称して「流体」という。ここで流体は、以下に詳説する高温の流体としての排ガスと低温の流体としての酸化剤ガスとに限られず、その他燃料電池装置に用いられ熱交換の対象となり得る種々の気体又は液体を含むものである。   In the present specification, a high-temperature fluid and a low-temperature fluid that are heat exchange targets are collectively referred to as “fluid”. Here, the fluid is not limited to exhaust gas as a high-temperature fluid and oxidant gas as a low-temperature fluid, which will be described in detail below, and includes various gases or liquids that can be used in fuel cell devices and can be heat exchanged. .

さらに本実施の形態で一例として用いる伝熱板300は、流体が伝熱板300に流れ込む方向と直交する方向に長く拡散することが可能である。図4は本実施の形態で一例として用いる伝熱板について示す三面図であり、図4(a)は上面、図4(b)は正面(流体が流れ込む方向)、図4(c)は側面を示している。図4に示すように伝熱板300の表面には凸部301が複数設けられており、流体の流れ込む方向と直交する方向には、凸部301が複数配列された第1の領域302aと、凸部301が設けられていない第2の領域302bとが交互に繰り返すように設けられている。このため、凸部301によって流れの方向を転換された流体が第2の領域302bに進入すると、流体の衝突対象である凸部301が設けられていないために直進することが可能となり、流体は障害を受けずに広域に拡散する。このため、広域に流体が拡散可能となるから、熱の均一化を計ることができる。   Furthermore, the heat transfer plate 300 used as an example in the present embodiment can be long diffused in a direction orthogonal to the direction in which the fluid flows into the heat transfer plate 300. FIG. 4 is a three-side view showing a heat transfer plate used as an example in the present embodiment. FIG. 4 (a) is a top view, FIG. 4 (b) is a front view (direction in which fluid flows), and FIG. Is shown. As shown in FIG. 4, a plurality of convex portions 301 are provided on the surface of the heat transfer plate 300, and a first region 302 a in which a plurality of convex portions 301 are arranged in a direction orthogonal to the direction in which the fluid flows, The second regions 302b where the convex portions 301 are not provided are provided alternately. For this reason, when the fluid whose direction of flow has been changed by the convex portion 301 enters the second region 302b, the convex portion 301 that is a collision target of the fluid is not provided, so that the fluid can travel straight. Spreads over a wide area without damage. For this reason, since the fluid can be diffused in a wide area, the heat can be made uniform.

なお、図6に示す例では、凸部301は伝熱板300の両面に設けられており、点線で示す凸部301は裏面に設けられた凸部(つまり表面から見た凹部303)を示している。この場合、凸部301の設けられていない第2の領域302bには、その裏面に凸部が設けられている。   In the example shown in FIG. 6, the convex portions 301 are provided on both surfaces of the heat transfer plate 300, and the convex portions 301 indicated by dotted lines indicate the convex portions provided on the back surface (that is, the concave portions 303 viewed from the front surface). ing. In this case, a convex portion is provided on the back surface of the second region 302b where the convex portion 301 is not provided.

さらに、本実施の形態で一例として用いる伝熱板300は、伝熱板300を流れる流体を伝熱板300の上面及び下面の双方に行き渡らせながら三次元的に流動させることができるため、流路内の熱の均一性を高め、熱交換部の熱交換率を向上させることができる。   Furthermore, the heat transfer plate 300 used as an example in the present embodiment can flow in three dimensions while allowing the fluid flowing through the heat transfer plate 300 to reach both the upper and lower surfaces of the heat transfer plate 300. The uniformity of the heat in the path can be improved and the heat exchange rate of the heat exchange part can be improved.

上述したように、図7に示す従来の伝熱板300では、蛇腹状に折り畳んだ伝熱板の壁面によって流路が複数に区画されているため、それぞれの区画を流体は直進することしかできない。あるいはさらにこの壁面に通気孔を設け、区画された流路間の行き来を可能にしても、隣り合う区画の壁面によって流体の流動の大部分は遮断されるため、横方向の流体の流動性に乏しく、流路全体を均熱にするには至らない。   As described above, in the conventional heat transfer plate 300 shown in FIG. 7, the flow path is partitioned into a plurality of walls by the wall surface of the heat transfer plate folded in a bellows shape, so that the fluid can only go straight through each partition. . Alternatively, even if a vent is provided in the wall surface to allow the passage between the partitioned flow paths, the flow of the fluid is largely blocked by the wall surface of the adjacent partition. It is scarce, and it does not lead to soaking of the whole flow path.

これに対して本実施の形態で一例として用いる伝熱板は、伝熱板300の上面に凸部301と共に下面へ流体が流動可能とする通気孔を備えている。そのため、伝熱板300には伝熱板の上面と下面との間を流動可能なように複数の通気孔が設けられており、伝熱板が凸部301と通気孔を有することで、凸部301に衝突した流体は伝熱板300の上面だけでなく、下面へも流動が可能となる。従って、流体は伝熱板300の両面を使って広域に拡散することができるようになるため、熱交換効率を向上させることができる。   On the other hand, the heat transfer plate used as an example in the present embodiment includes a vent hole on the upper surface of the heat transfer plate 300 that allows fluid to flow to the lower surface together with the convex portion 301. Therefore, the heat transfer plate 300 is provided with a plurality of air holes so that the heat transfer plate can flow between the upper surface and the lower surface of the heat transfer plate. The fluid that has collided with the portion 301 can flow not only to the upper surface of the heat transfer plate 300 but also to the lower surface. Accordingly, the fluid can be diffused over a wide area by using both surfaces of the heat transfer plate 300, so that the heat exchange efficiency can be improved.

ここで本発明にかかる伝熱板300は、図3に示すように、伝熱板300に形成された凸部301と通気孔301cとを、伝熱板300から切り起こされた一対として形成することが可能である。すなわち、同一の領域に凸部301と通気孔301cが形成可能なため、高密度に形成することができ、これにより熱交換性能を高めることができる。また、複数の凸部301と通気孔301cとが一回の切り起こしよって形成することができるため、製造が非常に容易であり、製造コストを安価にすることができる。   Here, as shown in FIG. 3, the heat transfer plate 300 according to the present invention forms a convex portion 301 and a vent hole 301 c formed on the heat transfer plate 300 as a pair cut and raised from the heat transfer plate 300. It is possible. That is, since the convex part 301 and the vent hole 301c can be formed in the same area | region, it can form in high density and can improve heat exchange performance by this. In addition, since the plurality of convex portions 301 and the air holes 301c can be formed by cutting and raising once, the manufacturing is very easy and the manufacturing cost can be reduced.

なお、伝熱板300に、凸部301および凹部303を形成する際には、伝熱板300の両面をプレス機でプレスすることにより、切り起こし(打ち出し)をおこなっても良いし、ローラ加工により行っても良い。さらに、切り起こしはプレス加工とローラ加工を組み合わせて成形しても良い。   Note that when the convex portion 301 and the concave portion 303 are formed on the heat transfer plate 300, both sides of the heat transfer plate 300 may be pressed and stamped by pressing with a press machine, or roller processing may be performed. May be performed. Further, the cut and raised may be formed by combining press working and roller working.

さらに、本実施の形態で一例として用いる伝熱板300について図4と図5を参照しながら説明する。図4(c)に示すように、伝熱板300の両面は伝熱板300から切り起こされた凸部301と、切り起こしによって裏面に生じた凹部303とを有し、一方の面における第1の領域302aの裏面は第2の領域302bに対応し、第2の領域の裏面は第1の領域に対応する。すなわち、本発明における伝熱板300は、一回のプレス加工による切り起こしによって両面に凸部301、凹部303を形成することができる。これにより、3次元的に流動可能であり、また伝熱板の両面において、同質の熱交換性能を有する伝熱板を安価に製造することができる。   Further, a heat transfer plate 300 used as an example in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. As shown in FIG. 4C, both surfaces of the heat transfer plate 300 have a convex portion 301 cut and raised from the heat transfer plate 300 and a concave portion 303 generated on the back surface by the cut and raised, The back surface of the first region 302a corresponds to the second region 302b, and the back surface of the second region corresponds to the first region. That is, the heat transfer plate 300 according to the present invention can form the convex portions 301 and the concave portions 303 on both surfaces by cutting and raising by one press working. As a result, a heat transfer plate that can flow three-dimensionally and that has the same quality of heat exchange performance on both surfaces of the heat transfer plate can be manufactured at low cost.

また、図5は伝熱板300の表面の流体の流れの一例を示したものである。図5(a)は伝熱板300の斜視図、図5(b)は凸部301の拡大図、図5(c)は凹部303の拡大図である。図中の矢印は流体の流れを示し、実線矢印は伝熱板300の表面を流れる流体、点線矢印は伝熱板300の裏面を流れる流体の一例を示している。図5(a)、図5(b)を参照しながら凸部301を通過する流体の流れの一例を示す。凸部301に流れ込む流体は、図5(a)の凸部301を通過して伝熱板300の上面をそのまま吹き抜ける流路(304a)、通気孔301cを通過して伝熱板300の下面を吹き抜ける流路(304b)、凸部301の脚部301aに衝突し、屈折して流れる流路(304c)などに分散される。凸部301を通過した流体はその後、他の凸部や凹部と干渉しあい拡散し、このような流体が互いに影響しあうことで、全体として複雑でかつ広域の拡散を呈する。   FIG. 5 shows an example of the fluid flow on the surface of the heat transfer plate 300. FIG. 5A is a perspective view of the heat transfer plate 300, FIG. 5B is an enlarged view of the convex portion 301, and FIG. 5C is an enlarged view of the concave portion 303. The arrows in the figure indicate the flow of fluid, the solid line arrows indicate an example of fluid flowing on the surface of the heat transfer plate 300, and the dotted line arrows indicate an example of fluid flowing on the back surface of the heat transfer plate 300. An example of the flow of fluid passing through the convex portion 301 will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b). The fluid flowing into the convex portion 301 passes through the convex portion 301 in FIG. 5A and blows through the upper surface of the heat transfer plate 300 as it is, and passes through the vent hole 301c and passes through the lower surface of the heat transfer plate 300. Dispersed into the flow path (304b) that blows through, the flow path (304c) that refracts and collides with the leg portion 301a of the projection 301. The fluid that has passed through the convex portion 301 then diffuses by interfering with other convex portions and concave portions, and these fluids affect each other, thereby presenting a complex and wide-area diffusion as a whole.

さらに、図5(a)、図5(c)を参照して凹部303に流入する流体の流れの一例を示す。凹部303に流れ込む流体は、凹部303を真っ直ぐ吹き抜けて他の凹部303へ向かう流路(305a)、凹部303(伝熱板300の下面における通気孔301c)を通過し、下面を吹き抜ける流路(305b)、凹部303を吹き抜けた後に、凸部301の脚部301aと衝突し、屈折して流れる流路(305c)、凹部303に流入し、その凹部303に対応する凸部301の脚部301aと接触し、伝熱板300の下面を屈折して流れる流路(305d)などに分散される。そのため、凹部303を通過することにより、流体は3次元的に拡散され、熱分散性が向上する。なお、ここでは流体の流れを単純化した一例として示したものであり、本来当然に流体の流れは複雑なものであるが、本発明にかかる伝熱板300においては、流体が伝熱板300に対して3次元的に拡散するように機能するものであれば良い。   Furthermore, an example of the flow of the fluid flowing into the recess 303 will be shown with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (c). The fluid that flows into the recess 303 flows straight through the recess 303 and flows to the other recess 303 (305a) and the recess 303 (the vent hole 301c on the lower surface of the heat transfer plate 300) and flows through the lower surface (305b). ), After passing through the concave portion 303, collides with the leg portion 301 a of the convex portion 301, refracts the flow path (305 c), flows into the concave portion 303, and the leg portion 301 a of the convex portion 301 corresponding to the concave portion 303 They are in contact with each other and dispersed in the flow path (305d) that refracts the lower surface of the heat transfer plate 300 and flows. Therefore, by passing through the recess 303, the fluid is three-dimensionally diffused and heat dispersibility is improved. In addition, although it showed as an example which simplified the flow of the fluid here, naturally the flow of the fluid is naturally complicated, In the heat transfer plate 300 concerning this invention, the fluid is the heat transfer plate 300. As long as it functions so as to diffuse three-dimensionally.

さらに本発明においては、凸部301を上面視において長辺と短辺とを有し、桁部301bと脚部301aとを持つ橋形状とすることで、流体の流れを阻害する脚部301aと流路壁面に接触させて熱伝達する桁部301bと、下面への流体の移動を可能とする通気孔301cとを一体的に形成することができる。さらに当該形状は、一回のプレス加工による切り起こしによって低コストで簡易な製造工程により形成することができる。   Further, in the present invention, the convex portion 301 has a long side and a short side in a top view, and has a bridge shape having a girder portion 301b and a leg portion 301a. It is possible to integrally form a girder part 301b that contacts the flow path wall surface and transfers heat and a vent hole 301c that enables movement of fluid to the lower surface. Further, the shape can be formed by a simple manufacturing process at low cost by cutting and raising by one press working.

また、図6に示すように、複数の凸部301は上面視において、流体が伝熱板300の上に流れ込む方向に対して、長辺または短辺が斜めになるように配置されている。そのため、上面視において長辺と短辺とを有する矩形上の凸部301を流れ方向に斜めに配置することによって、凸部に衝突する流体の流れを左右方向に転換させることができ、これにより流体を広域に拡散させることができる。   Further, as shown in FIG. 6, the plurality of convex portions 301 are arranged such that the long side or the short side is inclined with respect to the direction in which the fluid flows onto the heat transfer plate 300 in a top view. Therefore, by disposing the convex part 301 on the rectangle having the long side and the short side in the top view obliquely in the flow direction, the flow of the fluid colliding with the convex part can be changed in the left-right direction. Fluid can be diffused over a wide area.

また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、図4(a)および図6に示すように、第1の領域内における複数の凸部301は、上面視において同一の方向及び角度で斜めになるように配置され、さらに間に第1の領域302aを挟んで隣り合う第1の領域302a同士では、それぞれの凸部は上面視において互いに直交するように配置されている。すなわち、隣り合う第1の領域302a内の凸部301を互いに直交するように配列することで、流れの方向が転換された流体がさらに凸部301に衝突するため、拡散性能を向上させることができる。   In addition, as shown in FIGS. 4A and 6, one aspect of the configuration of the invention disclosed in this specification is that the plurality of convex portions 301 in the first region have the same direction and angle in a top view. In the first regions 302a adjacent to each other with the first region 302a interposed therebetween, the convex portions are disposed so as to be orthogonal to each other when viewed from above. That is, by arranging the convex portions 301 in the adjacent first regions 302a so as to be orthogonal to each other, the fluid whose direction of flow has changed further collides with the convex portions 301, so that the diffusion performance can be improved. it can.

上述したように伝熱板300を構成することで、伝熱板300が流路抵抗として働き、熱交換器内部を通過する流体の滞在時間が増え、これにより必要な熱量の熱交換が可能となる。すなわち、排熱を利用する固体酸化物形燃料電池装置に伝熱板300を設けることで、シンプルな構造で熱交換効率を維持向上させるとともに、製造容易で低コストを両立する熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。   By configuring the heat transfer plate 300 as described above, the heat transfer plate 300 functions as a flow path resistance, and the residence time of the fluid passing through the heat exchanger is increased, thereby enabling heat exchange of a necessary amount of heat. Become. That is, by providing the heat transfer plate 300 in the solid oxide fuel cell device that uses exhaust heat, the heat exchange efficiency is maintained and improved with a simple structure, and the heat exchange unit that is easy to manufacture and has a low cost is provided. A solid oxide fuel cell device can be provided.

(実施の形態3)
本実施の形態では、伝熱板を用いた本発明の実施の形態の一例として、実施の形態2で説明した伝熱板を用いた固体酸化物形燃料電池装置について、図8乃至図10を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, as an example of the embodiment of the present invention using the heat transfer plate, FIGS. 8 to 10 are shown for the solid oxide fuel cell device using the heat transfer plate described in the second embodiment. It explains using.

図8は、本実施の形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置を説明する図であって、図1に対して、複数の伝熱板512のみを用いた点において相違する。伝熱板512は、排ガス通路及び酸化剤ガス通路の内部に配置されている。その他の構成については図1と同様であるため、説明は省略する。   FIG. 8 is a diagram for explaining the solid oxide fuel cell device according to the present embodiment, which is different from FIG. 1 in that only a plurality of heat transfer plates 512 are used. The heat transfer plate 512 is disposed inside the exhaust gas passage and the oxidant gas passage. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the description thereof is omitted.

図9及び図10は、モジュール容器503の側面視において、さらにモジュール容器503の左側上方を拡大したものであり、伝熱板512が配置されていない図2に対応する。排ガス通路550には伝熱板512aが設けられ、この排ガス通路550に対向するモジュール容器503の天面に設けられた酸化剤ガス通路551aには伝熱板512bが、モジュール容器の側面に設けられた酸化剤ガス通路551bには伝熱板512cが設けられている。   9 and 10 are enlarged views of the upper left side of the module container 503 in a side view of the module container 503, and correspond to FIG. 2 in which the heat transfer plate 512 is not disposed. The exhaust gas passage 550 is provided with a heat transfer plate 512a, and the oxidant gas passage 551a provided on the top surface of the module container 503 facing the exhaust gas passage 550 is provided with a heat transfer plate 512b on the side surface of the module container. A heat transfer plate 512c is provided in the oxidant gas passage 551b.

伝熱板512はモジュール容器503の内部及び、排ガス通路550と酸化剤ガス通路551a、551bとの壁面間を熱伝導させることにより、これらの内部を流れる排ガスと酸化剤ガスとの熱交換を促進するものである。伝熱板512は実施の形態2で説明したように、板状部材の表裏面に複数の凸部をずらして配置したものを用いる。   The heat transfer plate 512 facilitates heat exchange between the exhaust gas flowing through the module container 503 and the wall surfaces of the exhaust gas passage 550 and the oxidant gas passages 551a and 551b, and the oxidant gas. To do. As described in the second embodiment, the heat transfer plate 512 uses a plate member having a plurality of convex portions shifted on the front and back surfaces.

このような略平板状の伝熱板512は、排ガス通路550及び酸化剤ガス通路551a、551bの平面的な広がりにあわせて配置することができる。上記のように伝熱板512は板状部材の表裏面に複数の凸部を配置するものであるため、凸部を支えとして、板状部材が各通路間距離の概略中央に位置するように配置している。このように伝熱板512を各通路内に配置することによって、各通路の内部を上下(または左右)の空間に二分することができる。また、本実施の形態で用いる伝熱板512は、凸部の形成された位置にあわせて通気孔が形成されているため、伝熱板512により二分された空間どうしを、通路の内部を流れる流体は行き来することができる。   Such a substantially flat heat transfer plate 512 can be arranged in accordance with the planar extent of the exhaust gas passage 550 and the oxidant gas passages 551a and 551b. As described above, since the heat transfer plate 512 has a plurality of convex portions arranged on the front and back surfaces of the plate-like member, the plate-like member is positioned at the approximate center of the distance between the passages with the convex portion as a support. It is arranged. Thus, by arrange | positioning the heat exchanger plate 512 in each channel | path, the inside of each channel | path can be divided into upper and lower (or right and left) space. In addition, since the heat transfer plate 512 used in the present embodiment has a vent hole formed in accordance with the position where the convex portion is formed, the space divided by the heat transfer plate 512 flows through the inside of the passage. Fluid can go back and forth.

ここで、排ガス通路を流れる排ガスと酸化剤ガス通路を流れる酸化剤ガスとは、それぞれの通路の一部を構成する共通の面であるモジュール容器503の天面554を熱交換面として熱の授受を行う。このため、熱交換効率を高めるためには、排ガスを伝熱板512aによって二分された排ガス通路550のうち下層560bよりも上層560a側に流れるようにし、酸化剤ガスを伝熱板512bによって二分された酸化剤ガス通路551aのうち上層561aよりも下層561bに流れるようにすることが好ましい。排ガス及び酸化剤ガスを熱交換面であるモジュール容器503の天面に接して流すことで、熱交換効率を向上させることができる。   Here, the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage and the oxidant gas flowing through the oxidant gas passage exchange heat with the top surface 554 of the module container 503 that is a common surface constituting a part of each passage. I do. Therefore, in order to increase the heat exchange efficiency, the exhaust gas is made to flow to the upper layer 560a side of the lower layer 560b in the exhaust gas passage 550 divided into two by the heat transfer plate 512a, and the oxidant gas is divided into two by the heat transfer plate 512b. The oxidant gas passage 551a preferably flows to the lower layer 561b rather than the upper layer 561a. Heat exchange efficiency can be improved by flowing exhaust gas and oxidant gas in contact with the top surface of the module container 503 which is a heat exchange surface.

ここで、酸化剤ガス通路は、モジュール容器503の天面554に設けられた酸化剤ガス通路551aと、モジュール容器503の側面558に設けられた酸化剤ガス通路551bとで構成される。それぞれの酸化剤ガス通路は伝熱板512b、512cによって二分される。このとき、カバー部材510がモジュール容器503の角部で屈曲することにより形成される酸化剤ガス通路のコーナー角部557において、その形状はR形状であることが好ましい。当該構成により、酸化剤ガス通路の容積を最大化させることでコーナー角部557における酸化剤ガスによる圧力損失の増加を抑制することができるとともに、モジュール容器503の天面554及び側面558に位置する酸化剤ガス通路のそれぞれに、伝熱板をコーナー角部557で互いに接して配置することができる。酸化剤ガス通路のコーナー角部557において二つの伝熱板を直交するように接して配置することで、酸化剤ガス通路551aから酸化剤ガス通路551bにわたる一続きの酸化剤ガス通路において、酸化剤ガス通路の上層561aと下層561bとを確実に区分することができる。このように、酸化剤ガス通路の上下層を明確に区分したため、熱交換効率向上のために下層に主体的に酸化剤ガスを流すことが可能となる。   Here, the oxidant gas passage includes an oxidant gas passage 551 a provided on the top surface 554 of the module container 503 and an oxidant gas passage 551 b provided on the side surface 558 of the module container 503. Each oxidant gas passage is divided into two by heat transfer plates 512b and 512c. At this time, the corner member 557 of the oxidant gas passage formed by bending the cover member 510 at the corner portion of the module container 503 preferably has an R shape. With this configuration, it is possible to suppress an increase in pressure loss due to the oxidant gas at the corner corner portion 557 by maximizing the volume of the oxidant gas passage and to be positioned on the top surface 554 and the side surface 558 of the module container 503. In each of the oxidant gas passages, a heat transfer plate can be disposed in contact with each other at a corner corner portion 557. By arranging the two heat transfer plates in contact with each other at the corner corner portion 557 of the oxidant gas passage so as to be orthogonal to each other, in the continuous oxidant gas passage extending from the oxidant gas passage 551a to the oxidant gas passage 551b, the oxidant The upper layer 561a and the lower layer 561b of the gas passage can be reliably separated. Thus, since the upper and lower layers of the oxidant gas passage are clearly separated, the oxidant gas can flow mainly to the lower layer in order to improve the heat exchange efficiency.

また、酸化剤ガス通路において、カバー部材557が屈曲するコーナー角壁557における下層561b部分には、伝熱板512b、512cのうち凸部は配置されていないことが好ましい。カバー部材の屈曲により形成される酸化剤ガス通路のコーナー角壁557においては、二層に区画する伝熱板512b、512cが有する凸部が位置しないように配置することで、上層561aに比べ下層561bを流れる酸化剤ガスの圧力損失が少ないため、コーナー角部557において下層に酸化剤ガスを主体的に流動させることができる。このため、酸化剤ガスをモジュール容器503の天面554及び側面558に接するように流すことができ、熱交換効率を高めることができる。   Further, in the oxidant gas passage, it is preferable that the convex portion of the heat transfer plates 512b and 512c is not arranged in the lower layer 561b portion of the corner corner wall 557 where the cover member 557 is bent. In the corner angle wall 557 of the oxidant gas passage formed by bending the cover member, the convex portions of the heat transfer plates 512b and 512c divided into two layers are arranged so as not to be positioned, so that the lower layer compared to the upper layer 561a. Since the pressure loss of the oxidant gas flowing through 561b is small, the oxidant gas can flow mainly in the lower layer at the corner corner portion 557. For this reason, oxidant gas can be flowed so that the top surface 554 and side 558 of module container 503 may be touched, and heat exchange efficiency can be raised.

また、図10に示すように、排ガス通路550内には、排ガス通路550をモジュール容器503の天面554に平行な二層の通路(上層560a及び下層560b)に区画する伝熱板512aが配置され、伝熱板512aは熱交換部507の内部において排ガス導入口555よりも内側に配置されている   As shown in FIG. 10, a heat transfer plate 512 a that divides the exhaust gas passage 550 into two-layer passages (upper layer 560 a and lower layer 560 b) parallel to the top surface 554 of the module container 503 is disposed in the exhaust gas passage 550. The heat transfer plate 512a is arranged inside the exhaust gas inlet 555 inside the heat exchange unit 507.

排ガス導入口555の近傍に伝熱板512aを配置すると、伝熱板512aがガス流動を妨げる障害として機能することで、排ガスが流入するコーナー角部553において圧力損失が増加してしまうことになる。そこで、伝熱板512aを排ガス導入口555に対してオフセット配置することによって、コーナー角部553における圧力損失の増加を緩和することができる。なお、伝熱板512aの排ガス導入口555とのオフセット距離は、短すぎると排ガス導入口555近傍での圧力損失が増大する一方で、長すぎる場合には排ガスを伝熱板512aで区分する上層560aに集中させることで熱交換効率を向上させる面積が少なくなることから、モジュール容器503や排ガス通路550等の設計に併せて適切なオフセット距離を適宜設定することが望ましい。   If the heat transfer plate 512a is disposed in the vicinity of the exhaust gas inlet 555, the heat transfer plate 512a functions as an obstacle that prevents gas flow, and pressure loss increases at the corner corner portion 553 into which the exhaust gas flows. . Therefore, by increasing the heat transfer plate 512a with respect to the exhaust gas inlet 555, an increase in pressure loss at the corner corner portion 553 can be mitigated. If the offset distance between the heat transfer plate 512a and the exhaust gas inlet 555 is too short, the pressure loss near the exhaust gas inlet 555 increases, whereas if it is too long, the upper layer that separates the exhaust gas by the heat transfer plate 512a. Since the area for improving the heat exchange efficiency is reduced by concentrating on 560a, it is desirable to appropriately set an appropriate offset distance in accordance with the design of the module container 503, the exhaust gas passage 550, and the like.

また、伝熱板512aは、排ガス通路550をモジュール容器503の天面554に平行な二層の通路に区画する主面と、二層の通路(上層560a及び下層560b)のうち一方の層から他方の層へ排ガスの流動を可能とするとともにモジュール容器503の天面554と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、二層に区分された排ガス通路550のうち、上層560aの排ガス導入口555の近傍には、伝熱板512aの凸部は配置されていないことが好ましい。   Further, the heat transfer plate 512a includes a main surface that divides the exhaust gas passage 550 into two-layer passages parallel to the top surface 554 of the module container 503, and one of the two-layer passages (upper layer 560a and lower layer 560b). It has a pair of convex portions and a plurality of vents arranged on the main surface to allow the exhaust gas to flow to the other layer and to conduct heat with the top surface 554 of the module container 503, and is divided into two layers. In the exhaust gas passage 550, it is preferable that the convex portion of the heat transfer plate 512a is not disposed in the vicinity of the exhaust gas inlet 555 of the upper layer 560a.

このようにコーナー角壁553においては、二層に区画する伝熱板512aの主面に有する凸部が位置しないように配置することで、コーナー角壁において上層560aに排ガスを主体的に流動させることができる。このため、排ガスをモジュール容器503の壁面に接するように流すことで酸化剤ガスとの熱交換を促進することができ、熱交換効率を高めることができる。   As described above, in the corner corner wall 553, the exhaust gas is mainly caused to flow to the upper layer 560 a in the corner corner wall by disposing the convex portion on the main surface of the heat transfer plate 512 a partitioned into two layers. be able to. For this reason, it is possible to promote heat exchange with the oxidant gas by flowing the exhaust gas so as to be in contact with the wall surface of the module container 503, and to improve heat exchange efficiency.

次に、添付図面を参照して、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置の実施例について説明する。   Embodiments of a solid oxide fuel cell device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図11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11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. 11 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して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が収容置されている。この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(図15参照)が直列接続されて構成されている。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。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a metal module container 8 is built in the housing 6 via a heat insulating material 7. In the power generation chamber 10, which is the lower portion of the module container 8, which is a sealed space, a fuel cell that performs a power generation reaction using fuel gas and oxidant gas (hereinafter referred to as “power generation air” or “air” as appropriate). A cell assembly 12 is accommodated. The fuel cell assembly 12 includes a plurality of fuel cell units 16 (see FIG. 15) connected in series. In this example, the fuel cell assembly 12 has 128 fuel cell units 16.

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18が形成され、この燃焼部18で、発電反応に使用されなかった(発電に寄与しなかった)残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとが燃焼し、排ガス(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、この燃焼部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。   A combustion section 18 is formed above the power generation chamber 10 of the module container 8 of the fuel cell module 2. In this combustion section 18, the remaining fuel gas that has not been used for power generation reaction (has not contributed to power generation) and The remaining oxidant gas is combusted to generate exhaust gas (in other words, combustion gas). Furthermore, the module container 8 is covered with the heat insulating material 7, and the heat inside the fuel cell module 2 is suppressed from being diffused to the outside air. Further, a reformer 120 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion section 18, and the reformer 120 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. Yes.

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。   Further, an evaporator 140 is provided in the heat insulating material 7 above the module container 8 in the housing 6. The evaporator 140 performs heat exchange between the supplied water and the exhaust gas, thereby evaporating the water to generate water vapor, and a mixed gas (hereinafter referred to as “fuel gas”) of the water vapor and the raw fuel gas. Is supplied to the reformer 120 in the module container 8.

次に、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の原料ガスの供給減である燃料供給源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、酸化剤ガス供給源40から供給される酸化剤ガスを遮断する電磁弁42と、酸化剤ガスの流量を調整する改質用酸化剤ガス流量調整ユニット44及び酸化剤ガス流量調整ユニット45(モータで駆動される「酸化剤ガスブロア」等)と、改質器120に供給される改質用酸化剤ガスを加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される酸化剤ガスを加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores pure water tank 26 that stores water condensed from moisture contained in the exhaust from the fuel cell module 2 and makes it pure water with a filter, and water supplied from the water storage tank. Is provided with a water flow rate adjusting unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor). The auxiliary unit 4 includes a gas shutoff valve 32 that shuts off the fuel supplied from the fuel supply source 30 that is a reduction in the supply of raw material gas such as city gas, and a desulfurizer 36 that removes sulfur from the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) for adjusting the flow rate of the fuel gas, and a valve 39 for shutting off the fuel gas flowing out from the fuel flow rate adjusting unit 38 when the power is lost. Yes. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 for cutting off the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply source 40, a reforming oxidant gas flow rate adjusting unit 44 for adjusting the flow rate of the oxidant gas, and an oxidant. A gas flow rate adjusting unit 45 (such as an “oxidant gas blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming oxidant gas supplied to the reformer 120, and an oxidant supplied to the power generation chamber And a second heater 48 for heating the agent gas. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

なお、本実施例では、装置の起動時に改質器120内において、部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよいし、POX工程及びATR工程を省略してSR工程のみが行われるように構成してもよい。なお、SR工程のみが行われる構成では、改質用酸化剤ガス流量調整ユニット44は不要である。   In this embodiment, the partial oxidation reforming reaction (POX) and the steam reforming reaction (SR) are performed from the POX process in which only the partial oxidation reforming reaction (POX) occurs in the reformer 120 when the apparatus is started. The SR process in which only the steam reforming reaction is performed may be performed through the ATR process in which the mixed autothermal reforming reaction (ATR) occurs, or the POX process may be omitted and the ATR process may be changed to the SR process. You may comprise so that it may transfer, and it may comprise so that a POX process and an ATR process may be abbreviate | omitted and only an SR process may be performed. In the configuration in which only the SR step is performed, the reforming oxidant gas flow rate adjustment unit 44 is unnecessary.

次に、燃料電池モジュール2には、排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、この水道水が排ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。   Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from a water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of exhaust gas to be supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown). The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like. Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に、図12乃至図13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12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13は、モジュール容器及び酸化剤ガス通路カバー(カバー部材)の分解斜視図である。   Next, the structure of the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 13 is an exploded perspective view of a module container and an oxidant gas passage cover (cover member). It is.

図12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 FIG. 12, the fuel cell module 2 includes a fuel cell assembly 12 and a reformer 120 provided inside a module container 8 covered with a heat insulating material 7, and outside the module container 8. In addition, an evaporator 140 provided in the heat insulating material 7 is provided.

まず、モジュール容器8は、図13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12の左右方向)に延びる辺どうし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の幅方向に延びる辺どうしを連結する閉鎖側板8d、8eからなる。   First, as shown in FIG. 13, the module container 8 includes a substantially rectangular top plate 8a, a bottom plate 8c, and a pair of opposing side plates 8b that connect the sides extending in the longitudinal direction (left-right direction in FIG. 12). It consists of a cylindrical body and closed side plates 8d and 8e that close two opposite openings at both ends in the longitudinal direction of the cylindrical body and connect the sides extending in the width direction of the top plate 8a and the bottom plate 8c.

モジュール容器8は、酸化剤ガス通路カバー(カバー部材とも呼ぶ)160によって天板8a及び側板8bが覆われている。酸化剤ガス通路カバー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。酸化剤ガス通路カバー160aの天板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、酸化剤ガス通路カバー160の天板160a及び側板160bとの間には、天板160a及び側板160bの外面に沿って、酸化剤ガス供給通路としての酸化剤ガス通路161a、161bが形成されている。   In the module container 8, the top plate 8 a and the side plate 8 b are covered with an oxidant gas passage cover (also referred to as a cover member) 160. The oxidant gas passage cover 160 has a top plate 160a and a pair of side plates 160b facing each other. An opening 167 for allowing the exhaust pipe 171 to pass therethrough is provided at a substantially central portion of the top plate 160a. The top plate 160a and the top plate 8a of the oxidant gas passage cover 160a and the side plate 160b and the side plate 8b are separated by a predetermined distance. Thereby, between the outer side of the module container 8 and the heat insulating material 7, specifically, between the top plate 8a and the side plate 8b of the module container 8 and the top plate 160a and the side plate 160b of the oxidant gas passage cover 160. The oxidant gas passages 161a and 161b as the oxidant gas supply passages are formed along the outer surfaces of the top plate 160a and the side plates 160b.

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13参照)。酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路カバー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酸化剤ガス導入管74から流路方向調整部164を介して酸化剤ガス通路161a内に供給される(図12、図13参照)。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路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13参照)。   At the lower part of the side plate 8b of the module container 8, air outlets 8f that are a plurality of through holes are provided (see FIG. 13). The oxidant gas is supplied from an oxidant gas introduction pipe 74 provided at a substantially central portion on the closed side plate 8e side of the module container 8 in the top plate 160a of the oxidant gas passage cover 160 through the flow direction adjustment unit 164. It is supplied into the oxidant gas passage 161a (see FIGS. 12 and 13). Then, the oxidant gas is injected into the power generation chamber 10 through the oxidant gas passages 161a and 161b from the outlet 8f toward the fuel cell assembly 12 (see FIG. 13).

また、酸化剤ガス通路161a、161bの内部には、排ガス通路172及び排ガス流路173内の排ガスと酸化剤ガス通路161a、161b内の酸化剤ガスとの間の熱交換を促進する熱交換促進部材としての伝熱板162、163が設けられている(図17参照)。伝熱板162は、モジュール容器8の天板8aと酸化剤ガス通路カバー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ている。すなわち、伝熱板162は、酸化剤ガス通路161a内の後述する排ガス通路172に対応する部分に設けられている。また、伝熱板163は、モジュール容器8の側板8bと酸化剤ガス通路カバー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。すなわち、伝熱板163は、酸化剤ガス通路161b内の後述する排ガス流路177及び排ガス集中部176に対応する部分に設けられている。   Further, inside the oxidant gas passages 161a and 161b, heat exchange promotion that promotes heat exchange between the exhaust gas in the exhaust gas passage 172 and the exhaust gas passage 173 and the oxidant gas in the oxidant gas passages 161a and 161b. Heat transfer plates 162 and 163 as members are provided (see FIG. 17). The heat transfer plate 162 is provided in the horizontal direction so as to extend in the longitudinal direction and the width direction between the top plate 8 a of the module container 8 and the top plate 160 a of the oxidant gas passage cover 160. That is, the heat transfer plate 162 is provided in a portion corresponding to an exhaust gas passage 172 described later in the oxidant gas passage 161a. Further, the heat transfer plate 163 is located between the side plate 8b of the module container 8 and the side plate 160b of the oxidant gas passage cover 160 and in a position above the fuel cell unit 16 in the longitudinal direction and the vertical direction. It is provided to extend. That is, the heat transfer plate 163 is provided in a portion corresponding to an exhaust gas passage 177 and an exhaust gas concentration portion 176 described later in the oxidant gas passage 161b.

酸化剤ガス通路161a、161bを流れる酸化剤ガスは、特に伝熱板162、163を通過する際に、これら伝熱板162、163の内側のモジュール容器8内を通過する排ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、狭い通路として構成された排ガス通路173を流れる排ガスと酸化剤ガス通路161aにおいて伝熱板162が設けられた部分は、熱交換効率の高い熱交換部として機能する。このため、伝熱板162が設けられた部分が主たる熱交換部として機能し、伝熱板163が設けられた部分も副次的に熱交換機能を有する。   The oxidant gas flowing through the oxidant gas passages 161a and 161b is heated between the exhaust gas passing through the module container 8 inside the heat transfer plates 162 and 163, particularly when passing through the heat transfer plates 162 and 163. It will be exchanged and heated. In particular, the portion where the heat transfer plate 162 is provided in the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage 173 configured as a narrow passage and the oxidant gas passage 161a functions as a heat exchange portion with high heat exchange efficiency. For this reason, the part in which the heat exchanger plate 162 was provided functions as a main heat exchange part, and the part in which the heat exchanger plate 163 was provided also has a secondary heat exchange function.

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12及び図17参照)。   Next, the evaporator 140 is fixed on the top plate 8a of the module container 8 so as to extend in the horizontal direction. Further, a portion 7a of the heat insulating material 7 is disposed between the evaporator 140 and the module container 8 so as to fill these gaps (see FIGS. 12 and 17).

具体的には、蒸発器140は、長手方向(図12の左右方向)の一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用の酸化剤ガスを含めてもよい)を供給する燃料供給配管63と、排ガスを排出するための排ガス排出管82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、酸化剤ガス通路カバー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上に形成された排ガス排出口111に連結されている。排ガス排出口111は、モジュール容器8内の燃焼部18で生成された排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 evaporator 140 supplies fuel and raw fuel gas (which may include reforming oxidant gas) to one side end side in the longitudinal direction (left-right direction in FIG. 12). The pipe 63 and an exhaust gas discharge pipe 82 for discharging exhaust gas are connected, and the upper end of the exhaust pipe 171 is connected to the other side end side in the longitudinal direction. The exhaust pipe 171 extends downward through an opening 167 formed in the top plate 160 a of the oxidant gas passage cover 160, and is connected to the exhaust gas discharge port 111 formed on the top plate 8 a of the module container 8. Yes. The exhaust gas discharge port 111 is an opening through which the exhaust gas generated in the combustion unit 18 in the module container 8 is discharged to the outside of the module container 8, and is substantially at the center of the top plate 8 a that is substantially rectangular in top view. Is formed.

また、蒸発器140は、図12及び図17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。   In addition, as shown in FIGS. 12 and 17, the evaporator 140 has a substantially rectangular evaporator case 141 in a top view. The evaporator case 141 is formed by joining two low-profile bottomed rectangular cylindrical upper case 142 and lower case 143 with an intermediate plate 144 sandwiched therebetween.

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。   Accordingly, the evaporator case 141 has a two-layer structure in the vertical direction, and an exhaust passage portion 140A through which the exhaust gas supplied from the exhaust pipe 171 passes is formed in the lower layer portion, and a fuel supply is supplied in the upper layer portion. An evaporation unit 140B that evaporates water supplied from the pipe 63 to generate water vapor, and a mixing unit 140C that mixes the water vapor generated by the evaporation unit 140B and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 63 are provided. ing.

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。   The evaporator 140B and the mixer 140C are formed in a space where the evaporator 140 is partitioned by a partition plate provided with a plurality of communication holes (slits). The evaporation unit 140B is filled with alumina balls (not shown).

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。   Similarly, the exhaust passage portion 140A is partitioned into three spaces from the upstream side to the downstream side of the exhaust gas by two partition plates having a plurality of communication holes. The second space is filled with a combustion catalyst (not shown). That is, the evaporator 140 of the present embodiment includes a combustion catalyst device.

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を通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排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を通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。   In such an evaporator 140, heat exchange is performed between the water in the evaporation section 140B and the exhaust gas passing through the exhaust passage section 140A, and the water in the evaporation section 140B is evaporated by the heat of the exhaust gas, so that water vapor is generated. Will be generated. Further, heat exchange is performed between the mixed gas in the mixing section 140C and the exhaust gas passing through the exhaust passage section 140A, and the temperature of the mixed gas is raised by the heat of the exhaust gas.

さらに、図12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. 12, a mixed gas supply pipe 112 for supplying a mixed gas to the reformer 120 is connected to the mixing unit 140C. The mixed gas supply pipe 112 is disposed so as to pass through the inside of the exhaust pipe 171, one end is connected to an opening 144 a formed in the intermediate plate 144, and the other end is formed on the top surface of the reformer 120. Connected to the mixed gas supply port 120a. The mixed gas supply pipe 112 passes through the exhaust passage portion 140A and the exhaust pipe 171 and extends vertically downward into the module container 8, where it is bent approximately 90 ° and extends horizontally along the top plate 8a. , Bent downward by approximately 90 ° and connected to the reformer 120.

次に、改質器120は、燃焼部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との間にガス断熱層135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に形成された排ガス排出口111と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔120bの中央位置に排ガス排出口111が形成される。   Next, the reformer 120 is disposed so as to extend in the horizontal direction along the longitudinal direction of the module container 8 above the combustion unit 18, and the gas insulating layer 135 is interposed between the reformer 120 and the top plate 8 a of the module container 8. And fixed to the top plate 8a with a predetermined distance. The reformer 120 has a substantially rectangular outer shape in a top view, but is an annular structure in which a through hole 120b is formed in the center, and has a casing in which an upper case 121 and a lower case 122 are joined. ing. The through hole 120b is positioned so as to overlap the exhaust gas discharge port 111 formed in the top plate 8a in a top view, and preferably, the exhaust gas discharge port 111 is formed at the center position of the through hole 120b.

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、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(改質用の酸化剤ガスを含めてもよい))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。   On one end side in the longitudinal direction of the reformer 120 (closed side plate 8e side of the module container 8), the mixed gas supply pipe 112 is connected to the mixed gas supply port 120a provided in the upper case 121, and the other end side ( On the closed side plate 8 d side), the fuel gas supply pipe 64 is connected to the lower case 122, and the hydrogen desulfurizer hydrogen extraction pipe 65 extending to the desulfurizer 36 is connected to the upper case 121. Therefore, the reformer 120 receives the mixed gas (that is, the raw fuel gas mixed with water vapor (which may include the oxidizing gas for reforming)) from the mixed gas supply pipe 112 and modifies the mixed gas therein. The reformed gas (i.e., fuel gas) is discharged from the fuel gas supply pipe 64 and the hydrogen desulfurizer hydrogen extraction pipe 65.

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12参照)。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 reformer 120 is divided into three spaces by two partition plates 123a and 123b so that the reformer 120 receives a mixed gas from the mixed gas supply pipe 112 into the reformer 120. And a reforming section 120B filled with a reforming catalyst (not shown) for reforming the mixed gas, and a gas discharge section 120C for discharging the gas that has passed through the reforming section 120B are formed. (See FIG. 12). The reforming unit 120B is a space sandwiched between the partition plates 123a and 123b, and the reforming catalyst is held in this space. The mixed gas and the reformed fuel gas are movable through a plurality of communication holes (slits) provided in the partition plates 123a and 123b. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

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 evaporator 140 through the mixed gas supply pipe 112 is ejected to the mixed gas receiving unit 120A through the mixed gas supply port 120a. The mixed gas is expanded in the mixed gas receiving unit 120A, the jetting speed is reduced, and is supplied to the reforming unit 120B through the partition plate 123a.
In the reforming unit 120B, the mixed gas moving at a low speed is reformed into a fuel gas by the reforming catalyst, and the fuel gas passes through the partition plate 123b and is supplied to the gas discharge unit 120C.
In the gas discharge unit 120C, the fuel gas is discharged to the fuel gas supply pipe 64 and the hydrogen extraction pipe 65 for the hydrodesulfurizer.

燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64は、モジュール容器8内を閉鎖側板8dに沿って下方へ延び、底板8c付近で略90°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内へ入り、さらにマニホールド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。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、燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、燃料電池セルユニット16を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。また、燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼部18に設けられている。   A fuel gas supply pipe 64 as a fuel gas supply passage extends downward in the module container 8 along the closed side plate 8d, bends approximately 90 ° in the vicinity of the bottom plate 8c, and extends in the horizontal direction. It enters into a manifold 66 formed below the base plate, and further extends horizontally in the manifold 66 to the vicinity of the closed side plate 8e on the opposite side. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b. A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell unit 16 is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 is supplied into the fuel cell unit 16. The An ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and oxidant gas is provided in the combustion unit 18.

ガス断熱層135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。ガス断熱層135は、上下方向に所定距離だけ離間された下面部材131及び上面部材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12参照)。上面部材132は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下面部材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、ガス断熱層135及び改質器120を天板8aに固定している。   The gas heat insulating layer 135 is disposed so as to extend in the horizontal direction along the longitudinal direction of the module container 8 between the reformer 120 and the top plate 8a. The gas heat insulating layer 135 includes a lower surface member 131 and an upper surface member 132 that are separated by a predetermined distance in the vertical direction, and connecting plates 133 and 134 to which both ends of the longitudinal direction are attached (see FIG. 12). The upper surface member 132 is bent at both ends in the width direction downward and connected to the lower surface member 131. The connecting plates 133 and 134 have upper ends connected to the top plate 8a and lower ends connected to the reformer 120, thereby fixing the gas heat insulating layer 135 and the reformer 120 to the top plate 8a. Yes.

図17に示すように、下面部材131は、幅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、上面部材132は、下面部材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、上面部材132及び下面部材131を貫通して、改質器120に連結されている。   As shown in FIG. 17, the lower surface member 131 is formed with a convex step portion 131 a in which the center portion in the width direction protrudes downward. On the other hand, similarly to the lower surface member 131, the upper surface member 132 is formed with a concave portion 132 a so that the central portion in the width direction is concave downward. The convex step portion 131a and the concave portion 132a extend in the longitudinal direction in parallel in the vertical direction. The mixed gas supply pipe 112 extends in the recess 132a in the module container 8 in the horizontal direction, then bends downward near the closed side plate 8e, penetrates the upper surface member 132 and the lower surface member 131, and is reformed. Connected to the container 120.

ガス断熱層135は、上面部材132、下面部材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により形成されている。このガス断熱層135は、燃焼部18と流体連通している。すなわち、上面部材132、下面部材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。ガス断熱層135には、運転中に燃焼部18から排ガスが流入したり、停止時に外部から酸化剤ガスが流入したりすることが可能となっているが、総じてガス断熱層135の内外間のガスの移動は緩やかである。   The gas heat insulating layer 135 is formed by a gas reservoir that is an internal space functioning as a heat insulating layer by the upper surface member 132, the lower surface member 131, and the connecting plates 133 and 134. This gas insulation layer 135 is in fluid communication with the combustion section 18. That is, the upper surface member 132, the lower surface member 131, and the connection plates 133 and 134 are connected so as to form a predetermined gap, and are not airtightly connected. The gas heat insulation layer 135 can flow exhaust gas from the combustion section 18 during operation, or can flow oxidant gas from the outside during stoppage. Gas movement is slow.

ガス断熱層135の天面を形成する上面部材132は、モジュール容器の天板8aと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上面部材132の上面と天板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ガス通路172が形成されている。この排ガス通路172は、モジュール容器8の天板8aを挟んで酸化剤ガス通路161aと並設されており、排ガス通路172内には、酸化剤ガス通路161a内の伝熱板162と同様な伝熱板175が配置されている。この伝熱板175は、伝熱板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。ガス断熱層135の上面部材132は、上面部材132の側面と側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、上面部材132の側面と側板8bとの間には、長手方向及び上下方向に延びる排ガス流路177が形成されている。排ガス流路177は上部において排ガス通路172と連通している。   The upper surface member 132 that forms the top surface of the gas heat insulating layer 135 is arranged at a predetermined vertical distance from the top plate 8a of the module container, and between the upper surface of the upper surface member 132 and the top plate 8a, An exhaust gas passage 172 extending in the horizontal direction along the longitudinal direction and the width direction is formed. The exhaust gas passage 172 is arranged in parallel with the oxidant gas passage 161a with the top plate 8a of the module container 8 interposed therebetween, and the exhaust gas passage 172 has the same heat transfer plate as the heat transfer plate 162 in the oxidant gas passage 161a. A hot plate 175 is disposed. The heat transfer plate 175 is provided at substantially the same location as the heat transfer plate 162 in a top view, and is opposed in the vertical direction with the top plate 8a interposed therebetween. The upper surface member 132 of the gas heat insulating layer 135 is disposed at a predetermined horizontal distance from the side surface of the upper surface member 132 and the side plate 8b, and between the side surface of the upper surface member 132 and the side plate 8b in the longitudinal direction and the upper and lower sides. An exhaust gas passage 177 extending in the direction is formed. The exhaust gas channel 177 communicates with the exhaust gas channel 172 in the upper part.

酸化剤ガス通路161a、161bと、排ガス通路172及び排ガス流路177のうち、酸化剤ガス通路161aを流れる酸化剤ガスと排ガス通路172を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排ガスの熱により酸化剤ガスが昇温されることとなる。また酸化剤ガス通路161bを流れる排ガスと排ガス流露177を流れる排ガスとの間でも副次的に熱交換が行われる、当該箇所においても排ガスの熱により酸化剤ガスの昇温が可能となる。   Of the oxidant gas passages 161a and 161b, the exhaust gas passage 172, and the exhaust gas passage 177, efficient heat exchange is performed between the oxidant gas flowing through the oxidant gas passage 161a and the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage 172. The oxidant gas is heated by the heat of the exhaust gas. In addition, heat exchange is performed secondarily between the exhaust gas flowing through the oxidant gas passage 161b and the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow dew 177, and the temperature of the oxidant gas can also be increased by the heat of the exhaust gas at the relevant location.

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、排ガスを下方から上方へ通過させる排ガス流路173が形成されている。   The reformer 120 is disposed at a predetermined horizontal distance from the side plate 8b of the module container 8, and the exhaust gas that allows the exhaust gas to pass from below to above is disposed between the reformer 120 and the side plate 8b. A flow path 173 is formed.

さらに、下面部材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、下面部材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ガスを通過させる排ガス流路174を形成している。この排ガス流路174は、改質器120の上方、かつ、側板8bの近傍で排ガス流路173と合流し、排ガスが集中する排ガス集中部176が形成される。   Further, the lower surface member 131 is disposed at a predetermined vertical distance from the top surface of the upper case 121 of the reformer 120, and between the lower surface member 131 and the upper case 121 and between the reformer 120. The through hole 120b forms an exhaust gas flow path 174 through which the exhaust gas that has passed through the through hole 120b from the bottom to the top passes. The exhaust gas flow path 174 joins the exhaust gas flow path 173 above the reformer 120 and in the vicinity of the side plate 8b to form an exhaust gas concentration portion 176 where exhaust gas concentrates.

図14は、排ガス通路172及びこれに対応する酸化剤ガス通路161aの部分を拡大して示す鉛直断面図である。図14に示すように、伝熱板175は、上面部材132と、モジュール容器8の天板8aとに挟まれて配置されている。伝熱板175は、天板8bとは凸部204の上面で接触しているが、上面部材132の上面とは下方に張り出した凸部の下面に設けた突起部205を介して接触している。   FIG. 14 is an enlarged vertical sectional view showing the exhaust gas passage 172 and the portion of the oxidant gas passage 161a corresponding thereto. As shown in FIG. 14, the heat transfer plate 175 is disposed between the upper surface member 132 and the top plate 8 a of the module container 8. The heat transfer plate 175 is in contact with the top plate 8b on the upper surface of the convex portion 204, but is in contact with the upper surface of the upper surface member 132 through a protrusion 205 provided on the lower surface of the convex portion protruding downward. Yes.

突起部205は、天板部204b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、凸部204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205は、熱伝導性の良好な伝熱板とは別部材とすることもできる。この場合、伝熱板よりも熱伝導性の低い材料で形成すると好適である。   The protrusion part 205 is formed so that a contact area becomes smaller than the top-plate part 204b, for example, can be formed by protruding a part of convex part 204 outward. Moreover, the protrusion part 205 can also be made into a member different from the heat exchanger plate with favorable heat conductivity. In this case, it is preferable to form with a material having lower thermal conductivity than the heat transfer plate.

突起部205は、上面部材132の上面側のすべての凸部204の下面に設けられてはおらず、下方に張り出した凸部204の少なくとも1つに設けられている。このため、下方に向けて突出する凸部204のうち、ほとんどの凸部204が上面部材132の上面と接触せず、1つ又は少数の凸部204のみが突起部205を介して上面部材132の上面と接触している。   The protruding portion 205 is not provided on the lower surface of all the convex portions 204 on the upper surface side of the upper surface member 132, but is provided on at least one of the convex portions 204 protruding downward. For this reason, among the convex portions 204 protruding downward, most of the convex portions 204 do not come into contact with the upper surface of the upper surface member 132, and only one or a few of the convex portions 204 are interposed via the protrusions 205. It is in contact with the top surface.

このように、伝熱板175は、天板8aに対しては凸部204を介して接触しているが、上面部材132の上面に対しては、接触面積が小さく、好ましくは熱伝導性が低い突起部205を介して接触している。このため、伝熱板175は、ガス断熱層135を画成する上面部材132よりも、酸化剤ガス通路161aへの熱の伝達量を増加させることができる。これにより、排ガス流路172の排ガスと酸化剤ガス通路161aの酸化剤ガスとの間の熱交換効率より向上させることができる。   Thus, although the heat transfer plate 175 is in contact with the top plate 8a via the convex portion 204, the contact area is small with respect to the upper surface of the upper surface member 132, and preferably has thermal conductivity. Contact is made through the low protrusion 205. For this reason, the heat transfer plate 175 can increase the amount of heat transferred to the oxidant gas passage 161a as compared with the upper surface member 132 that defines the gas heat insulating layer 135. Thereby, it is possible to improve the heat exchange efficiency between the exhaust gas in the exhaust gas channel 172 and the oxidant gas in the oxidant gas passage 161a.

また、伝熱板162は、モジュール容器8の天板8aと酸化剤ガス通路カバー160の天板160aに挟まれて配置されている。伝熱板175と同様に、伝熱板162は、モジュール容器の天板8aとは凸部202の下面で接触しているが、酸化剤ガス通路カバー160の天板160aとは凸部202の上面に設けた突起部203を介して接触している。   The heat transfer plate 162 is disposed between the top plate 8 a of the module container 8 and the top plate 160 a of the oxidant gas passage cover 160. Similar to the heat transfer plate 175, the heat transfer plate 162 is in contact with the top plate 8a of the module container on the lower surface of the convex portion 202, but the top plate 160a of the oxidant gas passage cover 160 is not in the convex portion 202. Contact is made via a protrusion 203 provided on the upper surface.

突起部203は、凸部202の上面よりも接触面積が小さくなるように形成されており、突起部203は、熱伝導性の良好な伝熱板とは別部材とすることもできる。この場合、伝熱板よりも熱伝導性の低い材料で形成すると好適である。   The protrusion 203 is formed to have a smaller contact area than the upper surface of the protrusion 202, and the protrusion 203 can be a separate member from the heat transfer plate with good thermal conductivity. In this case, it is preferable to form with a material having lower thermal conductivity than the heat transfer plate.

また、突起部203は、酸化剤ガス通路カバー160の天板160a側のすべての凸部202の上面に設けられておらず、1つ又は少数の凸部202のみが突起部203を介して側板160bと接触している。   Further, the protrusions 203 are not provided on the upper surfaces of all the protrusions 202 on the top plate 160 a side of the oxidant gas passage cover 160, and only one or a few protrusions 202 are disposed on the side plate via the protrusions 203. It is in contact with 160b.

このため、伝熱板162から天板160a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、排ガス通路172の排ガスと酸化剤ガス通路161aの酸化剤ガスとの間の熱交換効率より向上させることができる。なお、伝熱板163でも同様である。   For this reason, it becomes possible to suppress heat dissipation (heat loss) from the heat transfer plate 162 to the external heat insulating material 7 through the top plate 160a, and oxidation of the exhaust gas in the exhaust gas passage 172 and the oxidant gas passage 161a. The heat exchange efficiency with the agent gas can be improved. The same applies to the heat transfer plate 163.

このように、酸化剤ガス通路161a及び排ガス通路172のそれぞれに伝熱板を配置することによって、各通路を上下の空間に区分することができる。ここで、酸化剤ガスと排ガスとが熱交換する熱交換面は天板160aであるため、伝熱板によって上下層に区画される酸化剤ガス通路161aのうち酸化剤ガスは熱交換面を下面としてもつ下層に酸化剤ガスを主体的に流し、伝熱板によって上下層に区画される排ガス通路172のうち熱交換面を上面としてもつ上層に排ガスを主体的に流すことで、熱交換部における熱交換効率を向上させることができる。   Thus, by arranging the heat transfer plates in the oxidant gas passage 161a and the exhaust gas passage 172, the respective passages can be divided into upper and lower spaces. Here, since the heat exchange surface where the oxidant gas and the exhaust gas exchange heat is the top plate 160a, the oxidant gas in the oxidant gas passage 161a partitioned into upper and lower layers by the heat transfer plate lowers the heat exchange surface. In the heat exchange section, the oxidant gas is mainly flowed to the lower layer and the exhaust gas is mainly flowed to the upper layer having the heat exchange surface as the upper surface of the exhaust gas passage 172 divided into upper and lower layers by the heat transfer plate. Heat exchange efficiency can be improved.

次に、図15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15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。   Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

図15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。   As shown in FIG. 15, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 that are caps respectively connected to both ends of the fuel cell 84.

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、酸化剤ガスと接触する空気極であり、(+)極となっている。   The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode layer 92, an inner electrode layer 90, and an outer side. An electrolyte layer 94 is provided between the electrode layer 92 and the electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with the oxidant gas and becomes a (+) electrode. .

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

この燃料ガス流路細管98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド66(図12参照)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を通って燃焼部18(図12参照)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。   The fuel gas passage narrow tube 98 is an elongated thin tube provided so as to extend in the axial direction of the fuel cell 84 from the center of the inner electrode terminal 86. For this reason, a predetermined pressure loss occurs in the flow of the fuel gas flowing from the manifold 66 (see FIG. 12) into the fuel gas passage 88 through the fuel gas passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86. To do. Accordingly, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86 acts as an inflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value. Further, a predetermined pressure loss also occurs in the flow of the fuel gas flowing out from the fuel gas flow path 88 to the combustion section 18 (see FIG. 12) through the fuel gas flow path narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86. Therefore, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86 acts as an outflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value.

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

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 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 from at least one of the following.

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

燃料電池セル集合体12は、各燃料電池セルユニット16の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が、他の燃料電池セルユニット16の空気極である外側電極層92の外周面に電気的に接続されることにより、128本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されて構成される。   In the fuel cell assembly 12, the inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is the fuel electrode of each fuel cell unit 16 has the outer electrode layer 92 that is the air electrode of the other fuel cell unit 16. By electrically connecting to the outer peripheral surface, all 128 fuel cell units 16 are connected in series.

次に、図16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16は、図12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る。図16は、それぞれ、図12中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図であり、説明の便宜上、断熱材7を取り除いた状態の図を示している。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は酸化剤ガスの流れ、一点鎖線矢印は排ガスの流れを示す。   Next, 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 with reference to FIG. FIG. 16 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. FIG. 16 is a diagram in which an arrow indicating a gas flow is newly added in FIG. 12, and shows a state in which the heat insulating material 7 is removed for convenience of explanation. In the figure, solid arrows indicate the flow of fuel gas, broken arrows indicate the flow of oxidant gas, and alternate long and short dash arrows indicate the flow of exhaust gas.

図16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を流れる排ガスにより加熱される。   As shown in FIG. 16, water and raw fuel gas (fuel gas) are fed into an evaporation section 140 </ b> B provided in an upper layer of the evaporator 140 from a fuel supply pipe 63 connected to one end side in the longitudinal direction of the evaporator 140. Supplied. The water supplied to the evaporator 140B is heated by the exhaust gas flowing through the exhaust passage 140A provided in the lower layer of the evaporator 140, and becomes water vapor. The water vapor and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 63 flow downstream in the evaporation unit 140B and are mixed in the mixing unit 140C. The mixed gas in the mixing section 140C is heated by the exhaust gas flowing through the lower exhaust passage section 140A.

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及び排ガス通路172を順に通過しているため、これらの通路を流れる排ガスにより、混合ガス供給管112内の混合ガスはさらに加熱される。   The mixed gas (fuel gas) formed in the mixing unit 140 </ b> C is supplied to the reformer 120 in the module container 8 through the mixed gas supply pipe 112. Since the mixed gas supply pipe 112 passes through the exhaust passage portion 140A, the exhaust pipe 171 and the exhaust gas passage 172 in order, the mixed gas in the mixed gas supply pipe 112 is further heated by the exhaust gas flowing through these passages.

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 gas receiving part 120A in the reformer 120, and from here passes through the partition plate 123a and flows into the reforming part 120B. The mixed gas is reformed in the reforming unit 120B to become fuel gas. The fuel gas thus generated passes through the partition plate 123b and flows into the gas discharge part 120C.

さらに、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からマニホールド66内に供給され、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 part 120 </ b> C into the fuel gas supply pipe 64 and the hydrodesulfurizer hydrogen extraction pipe 65. The fuel gas that has flowed into the fuel gas supply pipe 64 is supplied into the manifold 66 from the fuel supply hole 64 b provided in the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and from the manifold 66 into each fuel cell unit 16. Supplied.

また、図16に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入管74から酸化剤ガス通路161aに供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路161a、161b内において、伝熱板162を通過する際に、伝熱板162の下部のモジュール容器8内に形成された排気通路172を通過する排ガスとの間でも効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。   Also, as shown in FIG. 16, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas introduction pipe 74 to the oxidant gas passage 161a. When the oxidant gas passes through the heat transfer plate 162 in the oxidant gas passages 161a and 161b, the oxidant gas passes through the exhaust gas passing through the exhaust passage 172 formed in the module container 8 below the heat transfer plate 162. However, efficient heat exchange is performed, and heating is performed.

この後、酸化剤ガスは、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、この部位において酸化剤ガスと排ガスとの間の熱交換は抑制される。したがって、燃料電池セル集合体12の側方部位において、酸化剤ガス通路161b内の酸化剤ガスに上下方向の温度ムラが生じ難くなっている。   Thereafter, the oxidant gas is injected into the power generation chamber 10 from the plurality of outlets 8f provided at the lower portion of the side plate 8b of the module container 8 toward the fuel cell assembly 12. In the present embodiment, since the exhaust passage is not formed in the side portion of the fuel cell assembly 12, heat exchange between the oxidant gas and the exhaust gas is suppressed at this portion. Therefore, in the side part of the fuel cell assembly 12, it is difficult for the oxidant gas in the oxidant gas passage 161b to have temperature unevenness in the vertical direction.

また、発電室10内で発電に利用されなかった燃料ガスは、燃焼部18で燃焼されて排ガス(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、改質器120の外側面とモジュール容器8の側板8bとの間を流れる排ガス流路173と、改質器120の貫通孔120bから改質器120とガス断熱層135との間を流れる排ガス流路174とに分岐して通過する。このとき、排ガス流路174を通過する排ガスは、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、ガス断熱層135の下方に留まることなく排ガス流路173に向けて誘導され、排ガス集中部176において排ガス流路173を流れる排ガスに合流する。   Further, the fuel gas that has not been used for power generation in the power generation chamber 10 is burned in the combustion section 18 to become exhaust gas (combustion gas), and rises in the module container 8. Specifically, the exhaust gas flow path 173 that flows between the outer surface of the reformer 120 and the side plate 8 b of the module container 8, and the reformer 120 and the gas heat insulation layer 135 from the through hole 120 b of the reformer 120. It branches into an exhaust gas flow path 174 that flows between them. At this time, the exhaust gas passing through the exhaust gas flow path 174 is divided into two in the width direction by the convex step portion 131a disposed above the through hole 120b of the reformer 120, and does not stay below the gas heat insulating layer 135. It is guided toward the flow path 173 and merges with the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path 173 at the exhaust gas concentration part 176.

その後、排ガスは、排ガス集中部176から排ガス流路177に流れる。そして、排ガス流路177を通過した排ガスは、排ガス通路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ガス排出口111から流出する。   Thereafter, the exhaust gas flows from the exhaust gas concentration part 176 to the exhaust gas flow path 177. The exhaust gas that has passed through the exhaust gas passage 177 flows in the horizontal direction in the exhaust gas passage 172, and flows out from the exhaust gas discharge port 111 formed at the center of the top plate 8 a of the module container 8.

ここで、排ガスが排ガス通路172を流れていく際に、排ガス通路172内に設けられた伝熱板175と、酸化剤ガス通路161a内に設けられた伝熱板162とを介して、酸化剤ガスと排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、排ガスの熱により酸化剤ガスが昇温される。   Here, when the exhaust gas flows through the exhaust gas passage 172, the oxidant is passed through the heat transfer plate 175 provided in the exhaust gas passage 172 and the heat transfer plate 162 provided in the oxidant gas passage 161a. An efficient heat exchange is performed between the gas and the exhaust gas. In this way, the temperature of the oxidant gas is raised by the heat of the exhaust gas.

そして、排ガス排出口111から流出した排ガスは、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から排ガス排出管82へ排出される。排ガスは、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 from the exhaust gas discharge port 111 passes through the exhaust pipe 171 provided outside the module container 8, flows into the exhaust passage part 140A of the evaporator 140, passes through the exhaust passage part 140A, and then evaporates. From the vessel 140 to the exhaust gas discharge pipe 82. As described above, the exhaust gas exchanges heat with the mixed gas in the mixing section 140C of the evaporator 140 and the water in the evaporation section 140B when flowing through the exhaust passage section 140A of the evaporator 140.

本実施例による固体酸化物形燃料電池装置1によれば以下の効果が奏される。すなわち、本実施例では、モジュール容器8の天板8aと改質器120との間に、周囲が金属製の下面部材131及び上面部材132で画成されたガス断熱層135を設け、これによりガス断熱層135とモジュール容器8の天板8a及び側板8bとの間に排ガス通路172及び排ガス流路177が形成されている。これにより、改質器120の貫通孔120bを通過した排ガス流路174内の(すなわち、上流側の)高温の排ガスから、排ガス通路172内の(すなわち、下流側の)低温の排ガスへ熱が移動するのを抑止することができ、高温な排ガスが排ガス集中部176から排ガス流路177及び排ガス通路172へ流れこむ。このため、熱交換性能が向上され、短い熱交換距離であっても排ガスと酸化剤ガスとの間で十分な熱交換を行うことができる。   According to the solid oxide fuel cell device 1 of the present embodiment, the following effects are exhibited. That is, in the present embodiment, a gas heat insulating layer 135 is provided between the top plate 8a of the module container 8 and the reformer 120, and the periphery is defined by a lower surface member 131 and an upper surface member 132 made of metal. An exhaust gas passage 172 and an exhaust gas passage 177 are formed between the gas heat insulating layer 135 and the top plate 8 a and the side plate 8 b of the module container 8. Thereby, heat is transferred from the high-temperature exhaust gas in the exhaust gas flow path 174 (that is, upstream) that has passed through the through-hole 120b of the reformer 120 to the low-temperature exhaust gas in the exhaust gas passage 172 (that is, downstream). It is possible to suppress the movement, and high-temperature exhaust gas flows from the exhaust gas concentration part 176 into the exhaust gas passage 177 and the exhaust gas passage 172. For this reason, heat exchange performance is improved and sufficient heat exchange can be performed between the exhaust gas and the oxidant gas even at a short heat exchange distance.

また、排ガス通路172に伝熱板162を設けることにより、排ガス通路172内の排ガスと酸化剤ガス通路161a内の酸化剤ガスとの間の熱交換を短い距離で行うことができる。   Further, by providing the heat transfer plate 162 in the exhaust gas passage 172, heat exchange between the exhaust gas in the exhaust gas passage 172 and the oxidant gas in the oxidant gas passage 161a can be performed at a short distance.

ここで、ガス断熱層135とモジュール容器8の天板8aとの間に設けられる排ガス通路172への排ガス導入口の近傍(図17の排ガス流路177)では、燃焼部18より上昇する排ガスが集中して排ガスの導入に支障がでるおそれがあった。このため、比較例では、図17に矢印Cで示すように、排ガス流路177内に滞留する排ガスからガス断熱層135への排熱の散逸が生じてしまい、排ガスの温度が低下し、排ガスと酸化剤ガスとの熱交換の効率が低下してしまうおそれがあった。そこで、モジュール容器8の天板8aと側板8bとが連設するコーナー角壁において、曲率をもたせた形状とすることで、上昇する排ガスを水平方向の進路に転換することでスムーズに排ガス通路172へ誘導することを可能にした。   Here, in the vicinity of the exhaust gas inlet to the exhaust gas passage 172 provided between the gas heat insulation layer 135 and the top plate 8a of the module container 8 (exhaust gas channel 177 in FIG. 17), the exhaust gas rising from the combustion unit 18 is exhausted. There was a risk that the concentration of exhaust gas would be hindered. For this reason, in the comparative example, as indicated by an arrow C in FIG. 17, exhaust heat is dissipated from the exhaust gas staying in the exhaust gas flow path 177 to the gas heat insulating layer 135, and the temperature of the exhaust gas is reduced. There is a risk that the efficiency of heat exchange between the oxidant gas and the oxidant gas may be reduced. In view of this, the corner square wall where the top plate 8a and the side plate 8b of the module container 8 are connected to each other has a curved shape so that the rising exhaust gas is smoothly changed to a horizontal path so that the exhaust gas passage 172 can be smoothly formed. It was possible to guide to.

さらに、排ガス通路172及び酸化剤ガス通路161a、161bの通路の内部に通路をガスの進行方向に対して水平に上下二層に区分する伝熱板を配置するとともに、伝熱板に設けられる凸部をコーナー角壁から遠ざかる位置に配置し、また伝熱板を排ガス導入口からオフセット配置することで、排ガス及び酸化剤ガスを熱交換面に直接接する層に流して、熱交換効率を高めることができる。   Furthermore, a heat transfer plate that divides the passage into two upper and lower layers horizontally with respect to the gas traveling direction is disposed inside the exhaust gas passage 172 and the oxidant gas passages 161a and 161b. By disposing the part away from the corner corner wall and offsetting the heat transfer plate from the exhaust gas inlet, the exhaust gas and oxidant gas can flow through the layer that is in direct contact with the heat exchange surface to increase heat exchange efficiency. Can do.

このようにして、本実施形態によれば、燃料電池装置の小型化を図りつつ、モジュール容器の天面付近に形成された熱交換部により排ガスと酸化剤ガスとの間の熱交換を効率的に行うことができる。   Thus, according to the present embodiment, the heat exchange between the exhaust gas and the oxidant gas can be efficiently performed by the heat exchange part formed near the top surface of the module container while reducing the size of the fuel cell device. Can be done.

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置は、モジュール容器天面に熱交換部を有する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 having a heat exchange part on the top surface of the module container.

1 固体酸化物形燃料電池装置
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 モジュール容器
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d 閉鎖側板
8e 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼部
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
39 バルブ
40 酸化剤ガス供給源
42 電磁弁
44 改質用酸化剤ガス流量調整ユニット
45 発電用酸化剤ガス流量調整ユニット
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
63 燃料供給配管
64 燃料ガス供給管
64a 水平部
64b 燃料供給孔
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
74 酸化剤ガス導入管
82 排ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
88 燃料ガス流路
90 内側電極層
92 外側電極層
94 電解質層
96 シール材
98 燃料ガス流路細管
111 排ガス排出口
112 混合ガス供給管
120 改質器
120A 混合ガス受入部
120B 改質部
120C ガス排出部
120a 混合ガス供給口
120b 貫通孔
121 上側ケース
122 下側ケース
123a 仕切り板
123b 仕切り板
131 下面部材
131a 凸状段部
132 上面部材
132a 凹部
133 連結板
134 連結板
135 ガス断熱層(ガス溜)
140 蒸発器
140A 排気通路部
140B 蒸発部
140C 混合部
141 蒸発器ケース
142 上側ケース
143 下側ケース
144 中間板
144a 開口
160 酸化剤ガス通路カバー
160a 天板
160b 側板
161a 酸化剤ガス通路
161b 酸化剤ガス通路
162 伝熱板
163 伝熱板
164 流路方向調整部
167 開口部
171 排気管
172 排ガス通路
173 排ガス流路
174 排ガス流路
175 伝熱板
176 排ガス集中部
177 排ガス流路
202 凸部
203 突起部
204 凸部
205 突起部
300 伝熱板
301 凸部
301a 脚部
301b 桁部
301c 通気孔
302a 第1の領域
302b 第2の領域
303 凹部
500 固体酸化物形燃料電池装置
501 断熱材
502 燃料電池セル
503 モジュール容器
504 改質器
505 燃焼部
506 蒸発器
507 熱交換部
508 酸化剤ガス供給通路
509 燃料ガスマニホールド
510 カバー部材
511 板状部材
512 伝熱板
512a 伝熱板
512b 伝熱板
512c 伝熱板
550 排ガス通路
551a 酸化剤ガス通路
551b 酸化剤ガス通路
552 排ガス排出口
553 コーナー角壁、排ガス誘導部
554 天面、熱交換面
555 排ガス導入口
556 混合ガス供給管
557 コーナー角壁
558 側面
560a 上層
560b 下層
561a 上層
561b 下層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell apparatus 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 6 Housing 7 Heat insulating material 8 Module container 8a Top plate 8b Side plate 8c Bottom plate 8d Closed side plate 8e Closed side plate 8f Outlet 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 16 Fuel cell unit 18 Combustion unit 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 32 Gas shutoff valve 36 Desulfurizer 38 Fuel flow rate adjustment unit 39 Valve 40 Oxidant gas supply source 42 Electromagnetic valve 44 Reformation Oxidant gas flow rate adjustment unit 45 Power generation oxidant gas flow rate adjustment unit 46 First heater 48 Second heater 50 Hot water production device 52 Control box 54 Inverter 63 Fuel supply pipe 64 Fuel gas supply pipe 64a Horizontal portion 64b Fuel supply hole 65 Hydrogen extraction pipe 66 for hydrodesulfurizer Manifold 68 Lower support plate 74 Acid Agent gas introduction pipe 82 Exhaust gas discharge pipe 83 Ignition device 84 Fuel cell 86 Inner electrode terminal 88 Fuel gas channel 90 Inner electrode layer 92 Outer electrode layer 94 Electrolyte layer 96 Sealing material 98 Fuel gas channel narrow tube 111 Exhaust gas outlet 112 Mixing Gas supply pipe 120 Reformer 120A Mixed gas receiving portion 120B Reforming portion 120C Gas discharge portion 120a Mixed gas supply port 120b Through hole 121 Upper case 122 Lower case 123a Partition plate 123b Partition plate 131 Lower surface member 131a Convex stepped portion 132 Upper surface member 132a Recess 133 Connection plate 134 Connection plate 135 Gas heat insulation layer (gas reservoir)
140 Evaporator 140A Exhaust passage part 140B Evaporation part 140C Mixer part 141 Evaporator case 142 Upper case 143 Lower case 144 Intermediate plate 144a Opening 160 Oxidant gas passage cover 160a Top plate 160b Side plate 161a Oxidant gas passage 161b Oxidant gas passage 161b 162 Heat transfer plate 163 Heat transfer plate 164 Flow path direction adjustment portion 167 Opening portion 171 Exhaust pipe 172 Exhaust gas passage 173 Exhaust gas flow channel 174 Exhaust gas flow channel 175 Heat transfer plate 176 Exhaust gas concentration portion 177 Exhaust gas flow channel 202 Convex portion 203 Protrusion portion 204 Convex part 205 Protrusion part 300 Heat transfer plate 301 Convex part 301a Leg part 301b Girder part 301c Vent hole 302a First region 302b Second region 303 Concave 500 Solid oxide fuel cell device 501 Insulating material 502 Fuel cell 503 Module Container 504 Reformer 505 Fuel Baking part 506 Evaporator 507 Heat exchange part 508 Oxidant gas supply passage 509 Fuel gas manifold 510 Cover member 511 Plate member 512 Heat transfer plate 512a Heat transfer plate 512b Heat transfer plate 512c Heat transfer plate 550 Exhaust gas passage 551a Oxidant gas passage 551b Oxidant gas passage 552 Exhaust gas outlet 553 Corner corner wall, exhaust gas induction section 554 Top surface, heat exchange surface 555 Exhaust gas inlet 556 Mixed gas supply pipe 557 Corner corner wall 558 Side surface 560a Upper layer 560b Lower layer 561a Upper layer 561b Lower layer

Claims (7)

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する複数の燃料電池セルを用いた固体酸化物形燃料電池装置において、
前記複数の燃料電池セルを収容する直方体状のモジュール容器と、
前記モジュール容器の周囲を覆う断熱材と、
燃料ガスを前記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、
前記モジュール容器内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを燃料ガスに改質して前記燃料ガス供給通路に供給する改質器と、
前記複数の燃料電池セルの発電において残余する燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により上方に設けられた前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記モジュール容器の外部で且つ前記断熱材内に配置され、供給された水を蒸発させて生成した水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを前記改質器に供給する蒸発器と、
前記モジュール容器の天面の一端から他端にかけて設けられ、前記燃焼部の燃焼により生成された排ガスと、前記モジュール容器の外部より供給された酸化剤ガスとが熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部から前記モジュール容器の外部に排ガスを排出する、前記モジュール容器天面の中央部に設けられた排ガス排出口と、
前記熱交換部から排出された酸化剤ガスを前記複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガス供給通路と、を有し、
前記熱交換部は、前記モジュール容器の天面と前記モジュール容器の内部に設けられた板状部材でなる下面とで形成された排ガス通路を流れる排ガスと、前記モジュール容器の天面と前記モジュール容器の外部に設けられたカバー部材でなる上面とで形成された酸化剤ガス通路を流れる酸化剤ガスとが、前記モジュール容器の天面を介して熱交換するように構成され、
前記熱交換部の排ガス導入口は、前記モジュール容器の天面における一対の端部の双方に位置し、且つ前記モジュール容器の天面と直交する面に位置し、
排ガスの流れに対して前記熱交換部の上流側であって前記排ガス導入口の近傍には、前記排ガスを前記排ガス通路へ誘導する排ガス誘導部が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
In a solid oxide fuel cell device using a plurality of fuel cells that generate power by reaction of fuel gas and oxidant gas,
A rectangular parallelepiped module container accommodating the plurality of fuel cells;
A heat insulating material covering the periphery of the module container;
A fuel gas supply passage for supplying fuel gas to the plurality of fuel cells, and
A reformer disposed in the module container and reforming raw fuel gas into fuel gas by steam and supplying the fuel gas to the fuel gas supply passage;
A combustion section that burns fuel gas remaining in power generation of the plurality of fuel cells and heats the reformer provided above by combustion heat;
An evaporator which is disposed outside the module container and in the heat insulating material, and supplies a mixed gas of water vapor and raw fuel gas generated by evaporating the supplied water to the reformer;
A heat exchanging unit which is provided from one end to the other end of the top surface of the module container, and exchanges heat between the exhaust gas generated by the combustion of the combustion unit and the oxidant gas supplied from the outside of the module container;
Exhaust gas discharged from the heat exchange part to the outside of the module container, provided in the center of the top surface of the module container,
An oxidant gas supply passage for supplying the oxidant gas discharged from the heat exchange unit to the plurality of fuel cells, and
The heat exchanging unit includes exhaust gas flowing through an exhaust gas passage formed by a top surface of the module container and a lower surface made of a plate-like member provided inside the module container, a top surface of the module container, and the module container An oxidant gas flowing through an oxidant gas passage formed by an upper surface formed of a cover member provided outside the heat exchanger, and configured to exchange heat through the top surface of the module container,
The exhaust gas inlet of the heat exchange part is located on both of the pair of end parts on the top surface of the module container, and is located on a surface orthogonal to the top surface of the module container,
A solid oxide, characterized in that an exhaust gas guiding part for guiding the exhaust gas to the exhaust gas passage is provided in the vicinity of the exhaust gas introduction port on the upstream side of the heat exchange part with respect to the flow of the exhaust gas. Fuel cell device.
前記排ガス誘導部は、前記モジュール容器の天面と前記モジュール容器の側面とが連設する前記モジュール容器のコーナー角壁であって、前記モジュール容器の内部を上昇する排ガスが前記排ガス導入口に向かうように曲率を有していることを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池装置。   The exhaust gas guiding portion is a corner corner wall of the module container where a top surface of the module container and a side surface of the module container are connected to each other, and the exhaust gas rising inside the module container is directed to the exhaust gas inlet. 2. The solid oxide fuel cell device according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell device has a curvature as described above. 前記酸化剤ガス通路は、前記カバー部材が前記モジュール容器の天面から側面にかけて屈曲して延在することで、前記モジュール容器の側面の一部に延在し、
前記コーナー角壁の曲率は、前記屈曲することで形成される前記カバー部材のコーナー角壁の曲率よりも小さいことを特徴とする、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The oxidant gas passage extends to a part of the side surface of the module container by bending and extending the cover member from the top surface to the side surface of the module container.
3. The solid oxide fuel cell device according to claim 2, wherein a curvature of the corner corner wall is smaller than a curvature of the corner corner wall of the cover member formed by the bending.
前記酸化剤ガス通路は、前記カバー部材が前記モジュール容器の天面から側面にかけて屈曲して延在することで、前記モジュール容器の側面の一部に延在し、
前記屈曲することで形成される前記カバー部材の角壁はR形状であり、
前記カバー部材と前記モジュール容器の天面との間、および前記カバー部材と前記モジュール容器の側面との間にそれぞれ形成される前記酸化剤ガス通路内のそれぞれには、前記酸化剤ガス通路を前記モジュール容器の壁面に平行な二層の通路に区画する伝熱板が配置され、これらの伝熱板は前記角壁において接していることを特徴とする、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The oxidant gas passage extends to a part of the side surface of the module container by bending and extending the cover member from the top surface to the side surface of the module container.
The square wall of the cover member formed by bending is R-shaped,
In each of the oxidant gas passages formed between the cover member and the top surface of the module container and between the cover member and a side surface of the module container, the oxidant gas passages are respectively provided in the oxidant gas passages. 3. The solid oxide form according to claim 2, wherein heat transfer plates that are divided into two-layer passages parallel to the wall surface of the module container are disposed, and these heat transfer plates are in contact with each other at the square wall. Fuel cell device.
前記伝熱板は、前記酸化剤ガス通路を前記モジュール容器の壁面に平行な二層の通路に区画する主面と、前記二層の通路のうち一方の層から他方の層へ酸化剤ガスの流動を可能とするとともに前記モジュール容器の天面と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、
前記二層に区分された前記酸化剤ガス通路のうち、前記カバー部材のコーナー角壁における下層部分には、前記伝熱板の凸部は配置されていないことを特徴とする、請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The heat transfer plate includes a main surface that divides the oxidant gas passage into two-layer passages parallel to the wall surface of the module container, and oxidant gas from one layer to the other of the two-layer passages. In order to allow the flow and heat conduction with the top surface of the module container, a plurality of a plurality of convex portions and a vent hole arranged on the main surface,
The convex portion of the heat transfer plate is not disposed in a lower layer portion of the corner wall of the cover member in the oxidant gas passage divided into the two layers. The solid oxide fuel cell device described.
前記排ガス通路内には、前記排ガス通路を前記モジュール容器の天面に平行な二層の通路に区画する伝熱板が配置され、前記伝熱板は前記熱交換部の内部において前記排ガス導入口よりも内側に配置されていることを特徴とする、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池装置。   A heat transfer plate that divides the exhaust gas passage into two-layer passages parallel to the top surface of the module container is disposed in the exhaust gas passage, and the heat transfer plate is disposed in the exhaust gas inlet in the heat exchange section. The solid oxide fuel cell device according to claim 2, wherein the solid oxide fuel cell device is disposed on the inner side. 前記伝熱板は、前記排ガス通路を前記モジュール容器の天面に平行な二層の通路に区画する主面と、前記二層の通路のうち一方の層から他方の層へ排ガスの流動を可能とするとともに前記モジュール容器の天面と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、
前記二層に区分された前記排ガス通路のうち、上層の排ガス導入口の近傍には、前記伝熱板の凸部は配置されていないことを特徴とする、請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The heat transfer plate enables the exhaust gas to flow from one layer to the other of the two layers of the main surface that divides the exhaust gas passage into a two-layer passage parallel to the top surface of the module container. And a plurality of a plurality of convex portions and a vent hole arranged on the main surface for conducting heat with the top surface of the module container,
7. The solid oxide according to claim 6, wherein, in the exhaust gas passage divided into the two layers, a convex portion of the heat transfer plate is not disposed in the vicinity of the upper exhaust gas inlet. Fuel cell device.
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