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JP2016039059A - Solid oxide type fuel battery device - Google Patents

Solid oxide type fuel battery device Download PDF

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JP2016039059A
JP2016039059A JP2014162316A JP2014162316A JP2016039059A JP 2016039059 A JP2016039059 A JP 2016039059A JP 2014162316 A JP2014162316 A JP 2014162316A JP 2014162316 A JP2014162316 A JP 2014162316A JP 2016039059 A JP2016039059 A JP 2016039059A
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JP2014162316A
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Japanese (ja)
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直樹 渡邉
Naoki Watanabe
直樹 渡邉
佐藤 真樹
Maki Sato
真樹 佐藤
田中 修平
Shuhei Tanaka
修平 田中
暢夫 井坂
Nobuo Isaka
暢夫 井坂
琢也 星子
Takuya Hoshiko
琢也 星子
安藤 茂
Shigeru Ando
茂 安藤
大 籾山
Dai Momiyama
大 籾山
正紀 古屋
Masanori Furuya
正紀 古屋
保夫 柿沼
Yasuo Kakinuma
保夫 柿沼
弘展 村上
Hironobu Murakami
弘展 村上
潔 端山
Kiyoshi Hayama
潔 端山
岡本 修
Osamu Okamoto
修 岡本
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Toto Ltd
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Toto Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide type fuel battery having an exhaust manifold that can prevent oxidation of a fuel electrode of a fuel battery cell while executing shutdown stop.SOLUTION: A solid oxide type fuel battery device 1 has plural fuel battery cells 16, an exhaust gas aggregation chamber 18 which surrounds the end portions of the plural fuel battery cells 16 and stores fuel off-gas, and a cell housing container 8 in which the fuel battery cells 16 and the exhaust gas aggregation chamber 18 are mounted. The exhaust gas aggregation chamber 18 has an exhaust nozzle 18d for exhausting fuel off-gas, and oxygen adsorption members 130a to 130d are arranged in a flow passage between the openings of the end portions of the plural fuel battery cells 16 and the exhaust nozzle 18d, in the exhaust manifold.SELECTED DRAWING: Figure 10

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell device, and more particularly to a solid oxide fuel cell device that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas.

固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, attaches electrodes on both sides thereof, and supplies fuel gas on one side, The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side.

特開平3−34258号公報(特許文献1)には、燃料排出室(排気マニホールド)が設けられた固体電解質型燃料電池が開示されている。排気マニホールドは、複数の燃料電池セルの上端部(下流側端部)を包囲し、発電反応に用いられなかった未反応の燃料オフガスを一時的に貯留するようになっている。そして、排気マニホールドに貯留された燃料オフガスは、その出口から排出され、ここで空気と混合され燃焼し排気される。   Japanese Unexamined Patent Publication No. 3-34258 (Patent Document 1) discloses a solid oxide fuel cell provided with a fuel discharge chamber (exhaust manifold). The exhaust manifold surrounds the upper end portions (downstream end portions) of the plurality of fuel cells, and temporarily stores unreacted fuel off-gas that has not been used for the power generation reaction. Then, the fuel off-gas stored in the exhaust manifold is discharged from its outlet, where it is mixed with air, burned and exhausted.

また、特許第5316830号公報(特許文献2)には、稼働中の燃料電池を停止させる際、発電と燃料の供給を同時に停止させるシャットダウン停止が実行される固体電解質型燃料電池が開示されている。シャットダウン停止では、発電の終了とほぼ同時に燃料の供給も停止されるため、発電に寄与しない燃料は供給されず、燃料の浪費を回避することができる。   Japanese Patent No. 5316830 (Patent Document 2) discloses a solid oxide fuel cell in which a shutdown stop is performed to stop power generation and fuel supply simultaneously when stopping a fuel cell in operation. . In the shutdown stop, the supply of fuel is stopped almost simultaneously with the end of power generation, so that fuel that does not contribute to power generation is not supplied, and waste of fuel can be avoided.

しかしながら、シャットダウン停止を実行し、発電の停止とほぼ同時に燃料の供給を停止させると、燃料電池セルは高温状態のままで燃料の供給が停止されることになる。従って、シャットダウン停止を実行した場合には、一般に、燃料電池セルの空気極側から燃料極に空気等の酸化剤ガスが進入し、依然として高温状態にある燃料極に接触して燃料極を酸化させるリスクがある。一般に、高温で稼働していた燃料電池セルのスタックが、シャットダウン停止後、燃料極が酸化されるリスクのない温度まで低下されるには数時間以上を要する。よって、燃料極酸化のリスクを回避するためにシャットダウン停止を行わず、燃料電池セルの温度が十分に低下されるまで燃料の供給を継続したとすれば、数時間以上に亘って発電に寄与しない燃料を供給し続ける必要があり、多大な燃料が浪費されることになる。   However, if the shutdown stop is executed and the supply of fuel is stopped almost simultaneously with the stop of the power generation, the supply of fuel is stopped while the fuel cell remains in a high temperature state. Therefore, when shutdown shutdown is performed, generally, an oxidant gas such as air enters the fuel electrode from the air electrode side of the fuel cell, and contacts the fuel electrode that is still in a high temperature state to oxidize the fuel electrode. There is a risk. In general, it takes several hours or more for a stack of fuel cells operating at a high temperature to be lowered to a temperature at which there is no risk of oxidation of the fuel electrode after shutdown. Therefore, if the fuel supply is continued until the temperature of the fuel cell is sufficiently lowered without shutting down in order to avoid the risk of fuel electrode oxidation, it does not contribute to power generation for several hours or more. It is necessary to continue to supply fuel, and a great deal of fuel is wasted.

特許文献2に記載の固体電解質型燃料電池においては、シャットダウン停止を実行するため、各燃料電池セルの上端部に所定の流路抵抗を有する細管が取り付けられ、機械的に空気が進入しにくい構造としており、これにより燃料極酸化のリスクを低下させている。さらに、特許文献2に記載の固体電解質型燃料電池においては、シャットダウン停止直後の各燃料電池セルの燃料極側の圧力が高く、空気の進入が発生しない期間において、空気極側に空気を導入する温度降下制御を実行することにより、燃料極酸化のリスクを十分に低下させることに成功している。   In the solid oxide fuel cell described in Patent Document 2, a thin tube having a predetermined flow path resistance is attached to the upper end portion of each fuel cell in order to execute shutdown stop, and a structure in which air does not easily enter mechanically This reduces the risk of fuel electrode oxidation. Further, in the solid oxide fuel cell described in Patent Document 2, air is introduced to the air electrode side during a period when the pressure on the fuel electrode side of each fuel cell immediately after shutdown is high and no air enters. By executing the temperature drop control, it has succeeded in sufficiently reducing the risk of anode oxidation.

特開平3−34258号公報JP-A-3-34258 特許第5316830号公報Japanese Patent No. 5316830

しかしながら、特許文献2に記載のように複数の燃料電池セルの各々の上端部に細管を取り付ける構成は、製造に手間が掛ると共に製造コストが増大するため、特許文献1に記載のように複数の燃料電池セルの上端部を包囲する排気マニホールドを有する構成の方が好ましい。一方、排気マニホールドを有する構成の燃料電池において、シャットダウン停止を実行したとすると、排気マニホールド内及び燃料電池セル内に保持されていた燃料ガスが排気マニホールドから流出して内部圧力が時間の経過と共に低下し、排気マニホールド内と燃料電池セルの空気極側との間の圧力差が徐々に小さくなっていく。この状態では、空気極側の空気又は下流側の配管を通して外部から逆流してきた空気が、拡散等により、排気マニホールド内へ進入するおそれがある。そして、燃料電池セルの燃料極が依然として酸化する温度帯域にある期間において、このような空気の進入が生じると、進入した空気によって燃料電池セルの燃料極が酸化されてしまう。   However, the configuration in which the thin tubes are attached to the upper ends of each of the plurality of fuel cells as described in Patent Document 2 is time-consuming to manufacture and increases the manufacturing cost. A configuration having an exhaust manifold surrounding the upper end portion of the fuel cell is preferable. On the other hand, in a fuel cell having an exhaust manifold, if a shutdown stop is executed, the fuel gas held in the exhaust manifold and the fuel cells flows out of the exhaust manifold and the internal pressure decreases with time. Then, the pressure difference between the exhaust manifold and the air electrode side of the fuel cell gradually decreases. In this state, air on the air electrode side or air that has flowed back from the outside through the downstream pipe may enter the exhaust manifold due to diffusion or the like. When such an intrusion of air occurs during a period in which the fuel electrode of the fuel cell is still in a temperature range where the fuel electrode is oxidized, the fuel electrode of the fuel cell is oxidized by the entered air.

また、本発明者は、このような停止工程において、燃料電池セルの管内に空気が進入すると、以下の2つの異なるメカニズムによる酸化反応が生じ、これら酸化反応を原因として電解質に微小なクラックが形成されることを突き止めている。   In addition, when the air enters the tube of the fuel cell in such a stop process, the present inventor causes an oxidation reaction due to the following two different mechanisms, and a micro crack is formed in the electrolyte due to the oxidation reaction. To find out.

まず、第1の酸化反応(雰囲気酸化反応)は、高温状態の燃料極に空気が触れることによる燃料極の酸化である。この雰囲気酸化は、燃料極に含まれる酸化反応可能な物質(例えばニッケル)が、その酸化下限温度(ニッケルの場合、約300℃)以上の高温雰囲気で空気と接触することにより生じる。なお、SOFCでは、停止工程中において、燃料極の雰囲気酸化が一度に急激に進むと、一回の停止工程を経ただけで、燃料電池セルに微小クラックが発生するおそれがある。高温状態で僅かな空気が燃料電池セル内へ進入した場合には、燃料電池セルに微小クラックは生じないまでも、僅かに燃料極の酸化が生じてしまう。このため、高温状態で燃料極に空気が触れることがないように、燃料電池セル内への空気の進入を防止する必要がある。   First, the first oxidation reaction (atmosphere oxidation reaction) is the oxidation of the fuel electrode caused by the contact of air with the high temperature fuel electrode. This atmospheric oxidation occurs when a substance capable of oxidation reaction (for example, nickel) contained in the fuel electrode comes into contact with air in a high-temperature atmosphere that is higher than the minimum oxidation temperature (about 300 ° C. in the case of nickel). In the SOFC, if the atmospheric oxidation of the fuel electrode proceeds rapidly at a time during the stop process, there is a risk that microcracks may be generated in the fuel cells only after one stop process. When a slight amount of air enters the fuel cell at a high temperature, the fuel electrode is slightly oxidized even if a micro crack does not occur in the fuel cell. For this reason, it is necessary to prevent the ingress of air into the fuel cell so that the fuel electrode is not exposed to air in a high temperature state.

次に、第2の酸化反応(電気化学的酸化反応)は、一般的には、雰囲気酸化よりも低い温度帯域において生じるものと考えられ、その発生メカニズムは以下のようなものである。
まず、燃料電池セルの電解質は、活性状態で酸素イオンを空気極から燃料極へ向けて透過させることが可能となる。電解質の活性状態は温度特性を有しており、この温度特性は下限温度値を有する。即ち、電解質は、下限温度以上で活性状態となり、酸素イオンを空気極から燃料極へ透過させる。一方、燃料極は、活性状態において、燃料(水素)と電解質を透過した酸素イオンとを反応させ、水を生成すると共に電子を放出する。このような反応を生じる燃料極の触媒活性も温度特性を有しており、この温度特性も下限温度値を有する。即ち、燃料極は、下限温度以上で活性状態となり、下限温度未満では失活状態となる。燃料極は、失活状態では酸素イオンが供給されても燃料と反応させるように作用することができない。
Next, the second oxidation reaction (electrochemical oxidation reaction) is generally considered to occur in a temperature range lower than atmospheric oxidation, and the generation mechanism is as follows.
First, the electrolyte of the fuel battery cell can transmit oxygen ions from the air electrode to the fuel electrode in an active state. The active state of the electrolyte has a temperature characteristic, and this temperature characteristic has a lower limit temperature value. That is, the electrolyte becomes active when the temperature is lower than the lower limit temperature, and allows oxygen ions to pass from the air electrode to the fuel electrode. On the other hand, in the active state, the fuel electrode reacts the fuel (hydrogen) with oxygen ions that have permeated through the electrolyte, thereby generating water and releasing electrons. The catalytic activity of the fuel electrode that causes such a reaction also has a temperature characteristic, and this temperature characteristic also has a lower limit temperature value. That is, the fuel electrode is activated when the temperature is lower than the lower limit temperature, and deactivated when the temperature is lower than the lower temperature. In the deactivated state, the fuel electrode cannot act to react with the fuel even if oxygen ions are supplied.

一般に、電解質の活性下限温度と燃料極の活性下限温度との間には温度差がある。したがって、電解質の活性下限温度よりも燃料極の活性下限温度の方が高い場合、シャットダウン停止後、温度が低下していく間に、電解質は活性状態である一方、燃料極は失活状態になる温度帯域を通過することになる。空気極が活性状態にある場合、この温度帯域では、電解質から燃料極へ酸素イオンが提供されるが、燃料極では、提供された酸素イオンを燃料と反応させることができない。   Generally, there is a temperature difference between the minimum activity temperature of the electrolyte and the minimum activity temperature of the fuel electrode. Therefore, when the lower active temperature limit of the fuel electrode is higher than the lower active temperature limit of the electrolyte, the electrolyte is in an active state while the temperature is decreasing after the shutdown is stopped, while the fuel electrode is in an inactive state. It will pass through the temperature zone. When the air electrode is in an active state, oxygen ions are provided from the electrolyte to the fuel electrode in this temperature range, but the provided oxygen ions cannot react with the fuel.

ここで、燃料極には酸素イオンと電気化学的に酸化反応可能な物質(例えばニッケル)が含まれており、この物質が、燃料と反応できない酸素イオンと反応して酸化物(例えば酸化ニッケル)が生成される。この電気化学的な酸化反応により電子が放出され、起電力が発生する。   Here, the fuel electrode contains a substance (for example, nickel) that can electrochemically react with oxygen ions, and this substance reacts with oxygen ions that cannot react with the fuel to form oxides (for example, nickel oxide). Is generated. Electrons are emitted by this electrochemical oxidation reaction, and an electromotive force is generated.

このように、燃料極の電気化学的な酸化反応は、電解質が活性状態であり、燃料極が失活状態にある温度帯域で、燃料極側と空気極(酸化剤ガス極)側に酸素分圧差が存在することにより発生する。ここで、燃料極側と空気極側の酸素分圧差は、1つの燃料電池セル内においても発生する。即ち、進入した空気が流入する燃料電池セルの一方の端部付近では酸素分圧差が小さく、他方の端部付近では空気の進入がまだ生じていないため酸素分圧差が大きくなる。このように、空気の進入に伴って燃料電池セル1つの中でも水素の濃度勾配が発生するため、燃料電池セルの酸素分圧差が大きい部分では大きな起電力が発生する一方、酸素分圧差が小さい部分では起電力はあまり発生しない。   As described above, the electrochemical oxidation reaction of the fuel electrode is performed in such a temperature range that the electrolyte is in an active state and the fuel electrode is in an inactive state, and the oxygen component is present on the fuel electrode side and the air electrode (oxidant gas electrode) side. Generated by the presence of a pressure difference. Here, the oxygen partial pressure difference between the fuel electrode side and the air electrode side also occurs in one fuel cell. That is, the oxygen partial pressure difference is small near one end of the fuel cell into which the air that has entered flows in, and the oxygen partial pressure difference increases because no air has yet entered near the other end. As described above, a hydrogen concentration gradient is generated in one of the fuel cells as air enters, so that a large electromotive force is generated in a portion where the oxygen partial pressure difference of the fuel cell is large, whereas a portion where the oxygen partial pressure difference is small. Then, electromotive force is not generated much.

これにより、1つの燃料電池セルの内部で、起電力の大きい部分から小さい部分へ電子が移動する(電流が流れる)内部電池現象が発生する。この内部電池現象により電子の移動が発生すると、活性を失っていない電解質を透過する酸素イオンの流れが促進され、燃料極の電気化学的な酸化反応が助長されてしまう。特に、1つの燃料電池セルの中でも、酸素分圧差が大きい部分には酸素イオンの流れが集中し、この部分で多くの電気化学的酸化反応が発生する。このような内部電池現象による電流は微弱ではあるが、上述のように冷却時間が数時間にも及ぶため、燃料電池セルが上記温度帯域を通過する時間も長時間になり、累積電流量(即ち、酸化物の生成量)は大きくなる。このように、空気の進入により、燃料電池セル内に水素濃度の空間的な勾配が生じると、内部電池現象によって、燃料極が電気化学的酸化反応を生じる。   As a result, an internal battery phenomenon occurs in which electrons move from a large electromotive force portion to a small portion (current flows) inside one fuel cell. When electrons move due to this internal cell phenomenon, the flow of oxygen ions that permeate the electrolyte that has not lost its activity is promoted, and the electrochemical oxidation reaction of the fuel electrode is promoted. In particular, in one fuel battery cell, the flow of oxygen ions is concentrated in a portion where the difference in oxygen partial pressure is large, and many electrochemical oxidation reactions occur in this portion. Although the current due to such an internal battery phenomenon is weak, as described above, the cooling time is several hours, so the time for the fuel cell to pass through the temperature band is long, and the accumulated current amount (ie, , The amount of oxide generated) increases. As described above, when a spatial gradient of hydrogen concentration occurs in the fuel cell due to the ingress of air, the fuel electrode undergoes an electrochemical oxidation reaction due to the internal battery phenomenon.

そして、上述のような2種類の酸化反応を生じながら停止工程が終了した後、再起動された際には、燃料極に燃料(水素)が供給されるため、停止工程中に雰囲気酸化反応及び電気化学的酸化反応により燃料極に生成された酸化物が還元作用を受ける。このように、燃料電池の停止・起動及びその後の運転が行われると、燃料極において酸化・還元反応が繰り返し発生する。そして、燃料極の微構造及び体積の変化が繰り返し発生すると、電解質に疲労が蓄積されるだけでなく、微構造変化や体積膨張が蓄積され、最終的には電解質に微小クラックが発生する。微小クラックが発生した燃料電池セルは、実用に適した発電効率を維持することができなくなる。   Then, after the stop process is completed while the two kinds of oxidation reactions as described above are occurring, when the fuel cell is restarted, fuel (hydrogen) is supplied to the fuel electrode. Oxides generated at the fuel electrode by the electrochemical oxidation reaction undergo a reducing action. As described above, when the fuel cell is stopped and started and the subsequent operation is performed, the oxidation / reduction reaction repeatedly occurs in the fuel electrode. When changes in the microstructure and volume of the fuel electrode repeatedly occur, not only fatigue is accumulated in the electrolyte, but also microstructural changes and volume expansion are accumulated, and eventually microcracks occur in the electrolyte. A fuel cell in which microcracks have occurred cannot maintain power generation efficiency suitable for practical use.

このように、SOFCでは、停止工程において、燃料電池セルの温度が上記2種類のいずれの酸化反応も生じない酸化不能な温度帯域に低下するまでの間に、燃料電池セル内に空気が進入すると、燃料極でいずれか又は両方の酸化反応が生じて、その結果、電解質に微小クラックが生じるおそれがあった。特に、特許文献1に記載のような、排気マニホールドを備えた燃料電池においてシャットダウン停止が実行され、停止工程中に排気マニホールド内に空気が進入すると、進入した空気が燃料電池セル内に容易に進入してしまうおそれがあった。さらに、シャットダウン停止が行われない場合であっても、停電等によりブラックアウト停止してしまうと、停止工程中における燃料ガスの継続的な供給というような制御による酸化防止対策の実行が不可能になる。よって、排気マニホールドを備えた燃料電池において、燃料極での酸化反応が生じない酸化不能な温度帯域に燃料電池セルの温度が低下するまで、排気マニホールドを介した燃料電池セル内への空気進入時期を構造的に遅らせることが可能な酸化防止対策が必要であった。   As described above, in the SOFC, when the temperature of the fuel cell decreases to a non-oxidizable temperature range in which neither of the two types of oxidation reactions occurs in the stop step, air enters the fuel cell. Either or both of the oxidation reactions occur at the fuel electrode, and as a result, there is a possibility that microcracks may occur in the electrolyte. In particular, when a shutdown stop is executed in a fuel cell having an exhaust manifold as described in Patent Document 1 and air enters the exhaust manifold during the stop process, the entered air easily enters the fuel cell. There was a risk of doing so. In addition, even if shutdown is not performed, if blackout is stopped due to a power failure or the like, it is impossible to execute anti-oxidation measures by control such as continuous supply of fuel gas during the stop process. Become. Therefore, in a fuel cell equipped with an exhaust manifold, the timing of air entry into the fuel cell via the exhaust manifold until the temperature of the fuel cell decreases to a non-oxidizable temperature zone where no oxidation reaction occurs at the fuel electrode. Antioxidation measures that can delay structurally were necessary.

従って、本発明は、排気マニホールドを有する固体酸化物型燃料電池装置において、シャットダウン停止を実行しながら、燃料電池セルの燃料極の酸化を防止することが可能な固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。   Accordingly, the present invention provides a solid oxide fuel cell device having an exhaust manifold capable of preventing oxidation of the fuel electrode of the fuel cell while executing shutdown stop. The purpose is to do.

上述した課題を解決するために、本発明は、固体酸化物型燃料電池装置において、複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの端部を包囲し、複数の燃料電池セルの端部の開口から流出する燃料オフガスを貯留する内部空間を有する排気マニホールドと、複数の燃料電池セル及び排気マニホールドを収容するモジュールケースと、を備え、排気マニホールドは、貯留された燃料オフガスを排気するためのオフガス排気口を有し、排気マニホールド内おいて、複数の燃料電池セルの端部の開口とオフガス排気口との間の流路内に酸素吸着材が配置されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell device that surrounds a plurality of fuel cells and ends of the plurality of fuel cells, and An exhaust manifold having an internal space for storing fuel off-gas flowing out from the opening, and a module case for housing the plurality of fuel cells and the exhaust manifold, wherein the exhaust manifold is configured to exhaust the stored fuel off-gas. It has an exhaust port, and an oxygen adsorbent is disposed in a flow path between the opening of the end of the plurality of fuel cells and the off-gas exhaust port in the exhaust manifold.

このように構成された本発明においては、排気マニホールドを設けることにより、複数の燃料電池セルの端部から流出する燃料オフガスを貯留するように構成されている。このため、排気マニホールドは、複数の燃料電池セルの端部を包囲しており、貯留した燃料オフガスをオフガス排気口から噴出するように構成される。
上述のように、シャットダウン停止は、無駄な燃料消費の防止及び迅速な停止等の利点があるが、従来のように、細管等の付加的な部品を各燃料電池セルにそれぞれ配置しないと、温度降下と共に、燃料電池セルの空気極側から排気マニホールド及び燃料極側へ空気が逆流し、燃料極が酸化してしまう。燃料供給や空気供給等の制御的な手段を実行すれば、この問題を解決できるであろう。しかしながら、ブラックアウト停止のような状況では、制御的な手段の実行が不能になるので、燃料極の酸化を抑制できなくなる。したがって、制御的な手段ではなく、構造的な手段による酸化防止対策が望まれる。構造的な手段により、少なくとも燃料極の酸化が生じやすい高温帯域での酸化を抑制できれば、燃料電池セルの破損といった致命的な損害は回避することができるため、構造的な手段による酸化防止対策は非常に有効である。
The present invention configured as described above is configured to store the fuel off-gas flowing out from the ends of the plurality of fuel cells by providing an exhaust manifold. For this reason, the exhaust manifold surrounds the ends of the plurality of fuel cells, and is configured to eject the stored fuel off-gas from the off-gas exhaust port.
As described above, the shutdown stop has advantages such as prevention of wasteful fuel consumption and quick stop, but, as in the prior art, unless additional parts such as thin tubes are arranged in each fuel cell, the temperature At the same time, the air flows backward from the air electrode side of the fuel cell to the exhaust manifold and the fuel electrode side, and the fuel electrode is oxidized. This problem can be solved by implementing control means such as fuel supply and air supply. However, in a situation such as a blackout stop, the control means cannot be executed, so that the oxidation of the fuel electrode cannot be suppressed. Therefore, an antioxidation measure is desired not by a control means but by a structural means. If structural means can suppress at least oxidation in the high temperature zone where oxidation of the fuel electrode is likely to occur, fatal damage such as damage to the fuel cell can be avoided. It is very effective.

そこで、本発明においては、排気マニホールド内において、燃料電池セルの端部の開口とオフガス排気口までの流路内に酸素吸着材が配置されている。酸素吸着材は、空気と接触することにより、空気から酸素を取り込んで自らが酸化される部材である。したがって、停止工程において、排気マニホールドの外部からオフガス排気口を通って空気が逆流してきたとしても、排気マニホールド内において、空気は燃料電池セルの開口に到達する前に、酸素吸着材が配置された流路を通過しなければならない。よって、本発明では、排気マニホールド内では、先ず酸素吸着材が進入空気から酸素を取り込んで酸化されるので、酸素を殆ど含まない酸素濃度が極めて低い空気のみが燃料電池セルの開口に到達可能となる。これにより、燃料電池セルの燃料極の酸化の時間的な遅延化を図ると共に、酸化の程度を大幅に低減することができる。   Therefore, in the present invention, in the exhaust manifold, the oxygen adsorbent is disposed in the flow path from the end of the fuel cell to the off-gas exhaust port. The oxygen adsorbent is a member that takes in oxygen from the air and oxidizes itself by coming into contact with the air. Therefore, in the stop process, even if the air flows backward through the off-gas exhaust port from the outside of the exhaust manifold, the oxygen adsorbent is disposed before the air reaches the opening of the fuel cell in the exhaust manifold. Must pass through the flow path. Therefore, in the present invention, in the exhaust manifold, the oxygen adsorbent first takes in oxygen from the incoming air and is oxidized, so that only air with a very low oxygen concentration that hardly contains oxygen can reach the opening of the fuel cell. Become. As a result, the oxidation of the fuel electrode of the fuel cell can be delayed in time and the degree of oxidation can be greatly reduced.

本発明において、好ましくは、酸素吸着材は、少なくとも複数の燃料電池セルの酸化下限温度以上の温度において、空気に触れると酸化され且つ燃料オフガスに触れると還元される金属材料である。
このように構成された本発明によれば、固体酸化物型燃料電池装置の運転温度特性を考慮して、停止工程中に燃料電池セルが酸化する温度帯域においては、空気が排気マニホールド内に進入してきたとしても、燃料電池セルの代わりに酸素吸着材が酸化されるようにし、発電運転中には酸素吸着材が燃料オフガスの雰囲気下に置かれることを利用して、酸素吸着材を還元させることができる。このように、運転状況の変化に伴う排気マニホールド内の温度及び雰囲気の変化に適合して、酸化及び還元を行う金属材料を酸素吸着材として用いることにより、酸素吸着材の交換が不要で且つ任意の適宜な形状を採用できるので、部材の小型化や装着を容易にすることが可能となる。
In the present invention, preferably, the oxygen adsorbent is a metal material that is oxidized when exposed to air and reduced when exposed to fuel offgas at a temperature equal to or higher than the oxidation lower limit temperature of at least a plurality of fuel cells.
According to the present invention configured as described above, air enters the exhaust manifold in the temperature range where the fuel cell is oxidized during the stop process in consideration of the operating temperature characteristics of the solid oxide fuel cell device. Even if the oxygen adsorbent is oxidized instead of the fuel cell, the oxygen adsorbent is reduced by utilizing the fact that the oxygen adsorbent is placed in a fuel off-gas atmosphere during the power generation operation. be able to. In this way, by using a metal material that performs oxidation and reduction as an oxygen adsorbent in accordance with changes in the temperature and atmosphere in the exhaust manifold accompanying changes in operating conditions, replacement of the oxygen adsorbent is unnecessary and optional. Therefore, it is possible to facilitate the miniaturization and mounting of the member.

本発明において、好ましくは、酸化吸着材は、ニッケル及びチタンを含む。
このように構成された本発明によれば、酸素吸着材として、入手,加工及び取扱いが容易な金属材料を用いることができるので、製造コストを抑制しつつ安全性、良好な酸素吸着性を確保し、燃料極の酸化を抑制又は遅延させることが可能となる。
In the present invention, preferably, the oxidizing adsorbent includes nickel and titanium.
According to the present invention configured as described above, a metal material that is easy to obtain, process and handle can be used as the oxygen adsorbing material, so that safety and good oxygen adsorbing properties are ensured while suppressing manufacturing costs. In addition, the oxidation of the fuel electrode can be suppressed or delayed.

本発明において、好ましくは、排気マニホールド内には、酸素吸着材が配置されると共に、複数の燃料電池セルの端部の開口から流出する燃料オフガスを貯留するサブタンク室が設けられている。
このように構成された本発明によれば、排気マニホールド内には、酸素吸着材が配置されることに加えて、燃料オフガスを一時的に貯留するサブタンク室が設けられている。これにより、酸素吸着材によって排気マニホールド内に進入した空気から酸素を取り除いて燃料極の酸化リスクを低減できると共に、空気が排気マニホールド内に進入したとしても、その進入空気は、さらに燃料オフガスを貯留するサブタンク室に進入しなければ、燃料電池セルに到達することができず、空気が燃料電池セルの燃料極まで進入するリスクをより低減することができる。さらには、酸素吸着材の配置とサブタンク室の配置という構造的な酸化防止対策の組合せることによって燃料極の酸化を抑制することができるので、燃料極酸化防止のために排気マニホールド自体の容量を大きくする必要がなく、装置の小型化を図ることができる。
In the present invention, preferably, an oxygen adsorbent is disposed in the exhaust manifold, and a sub tank chamber for storing fuel off-gas flowing out from the openings at the ends of the plurality of fuel cells is provided.
According to the present invention configured as described above, in addition to the oxygen adsorbent being disposed, the sub-tank chamber for temporarily storing the fuel off-gas is provided in the exhaust manifold. As a result, the oxygen adsorbent can remove oxygen from the air that has entered the exhaust manifold to reduce the risk of oxidation of the fuel electrode, and even if air enters the exhaust manifold, the incoming air further stores fuel off-gas. If the sub tank chamber does not enter, the fuel cell cannot be reached, and the risk that air enters the fuel electrode of the fuel cell can be further reduced. Furthermore, since the oxidation of the fuel electrode can be suppressed by a combination of structural measures to prevent oxidation such as the arrangement of the oxygen adsorbent and the sub tank chamber, the capacity of the exhaust manifold itself can be reduced to prevent the oxidation of the fuel electrode. There is no need to increase the size, and the apparatus can be miniaturized.

本発明において、好ましくは、サブタンク室には、サブタンク室内とオフガス排気口とを連通する連通空間へ連通する連通口が下端部に設けられており、酸素吸着材は、サブタンク室内において、複数の燃料電池セルの端部を連結する集電体と連通口との間に配置されている。
このように構成された本発明によれば、排気マニホールドは、サブタンク室と連通空間とを有し、サブタンク室と連通空間とが連通口によって連通されている。そして、この連通口が、サブタンク室の下端部に設けられている。よって、停止工程において、オフガス排気口から空気が進入してきた場合、その空気は、連通空間を通って、サブタンク室の下端部に配置された連通口を通ってサブタンク室に進入し、さらにサブタンク室内において、連通口よりも上方に位置する燃料電池セルの端部まで上昇しなければ、燃料極に到達することができない。
In the present invention, preferably, the sub tank chamber is provided with a communication port at a lower end portion that communicates with the communication space that communicates the sub tank chamber and the off-gas exhaust port, and the oxygen adsorbent includes a plurality of fuels in the sub tank chamber. It arrange | positions between the electrical power collector which connects the edge part of a battery cell, and a communicating port.
According to the present invention configured as described above, the exhaust manifold has the sub tank chamber and the communication space, and the sub tank chamber and the communication space are communicated with each other through the communication port. And this communication port is provided in the lower end part of the sub tank chamber. Therefore, when air enters from the off-gas exhaust port in the stop step, the air enters the sub tank chamber through the communication space, through the communication port arranged at the lower end of the sub tank chamber, and further into the sub tank chamber. In this case, the fuel electrode cannot be reached unless it rises to the end of the fuel cell located above the communication port.

空気は、燃料オフガスよりも比重が軽いので、燃料オフガスが充満されたサブタンク室内に連通口を通って進入したとしても、サブタンク室の底部に溜り、上方への移動が制限される。よって、空気が燃料電池セルの端部に到達するには、燃料電池セルの端部より下方にある燃料オフガスをサブタンク室から追い出して、空気層と燃料オフガス層の境界面が燃料電池セルの端部高さに到達しなければならない。これにより、本発明では、空気が排気マニホールド内への進入を開始してから、実際に、燃料電池セルの端部に到達するまでの時間を延長することができる。また、連通口が集電体よりも下方に位置しているので、集電体に空気が触れるまでの時間も遅延化することができるため、集電体の酸化を抑制することが可能である。さらに、連通口がサブタンク室の下端部に形成されているため、連通口と燃料電池セルの端部までの鉛直方向距離を大きくすることができるので、サブタンク室の容量を大きくすることなく、空気が燃料電池セルの端部に到達する時間の長期化を図ることができる。   Since air has a lower specific gravity than the fuel off-gas, even if it enters the sub-tank chamber filled with the fuel off-gas through the communication port, it accumulates at the bottom of the sub-tank chamber and is restricted from moving upward. Therefore, in order for the air to reach the end of the fuel cell, the fuel off-gas below the end of the fuel cell is expelled from the sub tank chamber, and the interface between the air layer and the fuel off-gas layer is the end of the fuel cell. Must reach the height. Thus, in the present invention, it is possible to extend the time from when the air starts to enter the exhaust manifold until it actually reaches the end of the fuel cell. In addition, since the communication port is located below the current collector, the time until the current contacts with the current collector can also be delayed, so that the current collector can be prevented from being oxidized. . Furthermore, since the communication port is formed at the lower end of the sub tank chamber, the vertical distance between the communication port and the end of the fuel cell can be increased, so that the air volume can be increased without increasing the capacity of the sub tank chamber. It is possible to prolong the time for the fuel to reach the end of the fuel cell.

本発明において、好ましくは、サブタンク室は、連通口を通して、サブタンク室内とオフガス排気口とを連通する連通空間へ連通されており、酸素吸着材は、連通空間に配置されている。
このように構成された本発明によれば、排気マニホールドは、サブタンク室と連通空間とを有し、サブタンク室と連通空間とが連通口によって連通されている。そして、連通空間に酸素吸着材が配置されている。よって、停止工程において、排気マニホールド内にオフガス排気口を通って空気が進入したとしても、連通空間において、進入した空気から酸素吸着材によって酸素が取り除かれる。さらに、酸素が取り除かれた空気が燃料電池セルの端部に到達するには、連通口を通ってサブタンク室へ進入する必要がある。したがって、本発明では、サブタンク室内に酸素を含む空気が進入することを抑制すると共に、進入の時期を遅延化させることができる。
In the present invention, preferably, the sub tank chamber communicates with the communication space that communicates the sub tank chamber with the off-gas exhaust port through the communication port, and the oxygen adsorbent is disposed in the communication space.
According to the present invention configured as described above, the exhaust manifold has the sub tank chamber and the communication space, and the sub tank chamber and the communication space are communicated with each other through the communication port. An oxygen adsorbent is disposed in the communication space. Therefore, even if air enters the exhaust manifold through the off-gas exhaust port in the stop process, oxygen is removed from the entered air by the oxygen adsorbent in the communication space. Furthermore, in order for the air from which oxygen has been removed to reach the end of the fuel cell, it is necessary to enter the sub tank chamber through the communication port. Therefore, in the present invention, it is possible to suppress the entry of oxygen-containing air into the sub tank chamber and to delay the time of entry.

本発明において、好ましくは、酸素吸着材は、サブタンク室内、及び、サブタンク室とオフガス排気口を連通する連通空間内に配置されている。
このように構成された本発明によれば、酸素吸着材がサブタンク室内と連通空間内に配置されることにより、排気マニホールド内に進入した空気は、先ず連通空間内において酸素が奪われ、その次に、サブタンク室内に更に進入した後、サブタンク室内でも酸素が奪われる。これにより、進入空気からより確実に酸素を取り除くことができる。また、排気マニホールドが、サブタンク室を内部に含む二重構造であることと合わせて、より確実に燃料極の酸化を抑制することが可能となる。
In the present invention, preferably, the oxygen adsorbent is disposed in the sub tank chamber and in a communication space that communicates the sub tank chamber with the off-gas exhaust port.
According to the present invention configured as described above, the oxygen adsorbent is disposed in the communication space and the sub tank chamber, so that the air that has entered the exhaust manifold is first deprived of oxygen in the communication space, and then In addition, after further entering the sub tank chamber, oxygen is deprived in the sub tank chamber. Thereby, oxygen can be more reliably removed from the incoming air. In addition, the exhaust manifold has a double structure including the sub-tank chamber inside, so that the oxidation of the fuel electrode can be more reliably suppressed.

本発明において、好ましくは、酸素吸着材は、複数の燃料電池セルの電解質層に固定された金属プレートである。
このように構成された本発明によれば、酸素吸着材を金属プレートにより容易に作製することができる。また、燃料電池セルの電解質層に取り付けることにより、組み付けた容易であると共に、酸素吸着材を確実に固定した状態に保持することが可能であり、これにより、燃料電池セル同士を短絡させるおそれも回避することができる。
In the present invention, preferably, the oxygen adsorbent is a metal plate fixed to the electrolyte layers of a plurality of fuel cells.
According to the present invention configured as described above, the oxygen adsorbent can be easily manufactured by the metal plate. Moreover, by attaching to the electrolyte layer of the fuel cell, it is easy to assemble, and it is possible to hold the oxygen adsorbent in a fixed state, which may cause a short circuit between the fuel cells. It can be avoided.

本発明において、好ましくは、サブタンク室は、排気マニホールドのオフガス排気口に近接して、サブタンク室の天板が設けられ、酸素吸着材は、排気マニホールド内においてサブタンク室の天板上に配置されている。
このように構成された本発明によれば、酸素吸着材は、オフガス排気口に近接して配置されているので、発電運転中において、燃料オフガス燃焼熱によって他の部位よりも高温状態に保持される。よって、停止工程においても、他の部位に対して比較的高温を維持しているので、空気との酸化が生じ易くなる。さらに、停止工程中にオフガス排気口から空気が進入した場合には、酸素吸着材がオフガス排気口の近傍に配置されているので、進入した空気はその酸素吸着材に接触し易い。よって、本発明では、進入した空気から酸素吸着材によって酸素を効率よく取り除いて、燃料極の酸化を抑制することができる。
In the present invention, the sub tank chamber is preferably provided with a top plate of the sub tank chamber adjacent to the off-gas exhaust port of the exhaust manifold, and the oxygen adsorbent is disposed on the top plate of the sub tank chamber in the exhaust manifold. Yes.
According to the present invention configured as described above, since the oxygen adsorbent is disposed close to the off-gas exhaust port, it is held at a higher temperature than the other parts by the fuel off-gas combustion heat during the power generation operation. The Therefore, even in the stopping step, the other portions are maintained at a relatively high temperature, so that oxidation with air is likely to occur. Further, when air enters from the off-gas exhaust port during the stop process, the oxygen adsorbing material is disposed in the vicinity of the off-gas exhaust port, so that the air that has entered easily comes into contact with the oxygen adsorbing material. Therefore, in the present invention, oxygen can be efficiently removed from the air that has entered by the oxygen adsorbent, and oxidation of the fuel electrode can be suppressed.

本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、排気マニホールドを有する固体酸化物型燃料電池装置において、シャットダウン停止を実行しながら、燃料電池セルの燃料極の酸化を防止することができる。   According to the solid oxide fuel cell device of the present invention, in the solid oxide fuel cell device having an exhaust manifold, it is possible to prevent oxidation of the fuel electrode of the fuel cell while executing shutdown stop.

本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram illustrating a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールに内蔵されている燃料電池セル収容容器の断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell storage container incorporated in the fuel cell module by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールに内蔵されている燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。It is sectional drawing which decomposed | disassembled and showed the main member of the fuel cell storage container incorporated in the fuel cell module by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールに内蔵されている排気集約室の部分を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the part of the exhaust collection chamber incorporated in the fuel cell module by one Embodiment of this invention. 図2におけるV−V断面である。It is a VV cross section in FIG. (a)下端がカソードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図であり、(b)下端がアノードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図である。(A) It is sectional drawing which expands and shows the lower end part of the fuel cell by which the lower end is made into the cathode, (b) It is sectional drawing which expands and shows the lower end part of the fuel cell by which the lower end is made into the anode is there. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置における停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。3 is a time chart schematically showing an example of a stop behavior in a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention in time series. 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の停止挙動において、シャットダウン停止直後を拡大して示すタイムチャートである。6 is an enlarged time chart showing a state immediately after shutdown stop in a stop behavior of a solid oxide fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池セルを構成する燃料極,電解質,空気極の活性温度と、停止工程の関係を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the relationship between the activation temperature of the fuel electrode which comprises the fuel battery cell by one Embodiment of this invention, an electrolyte, and an air electrode, and a stop process. 本発明の一実施形態による排気集約室の停止工程における作用の説明図である。It is explanatory drawing of the effect | action in the stop process of the exhaust concentration chamber by one Embodiment of this invention.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)1は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell device (SOFC) including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram illustrating a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) including a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4 according to an embodiment of the present invention.

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、外側断熱材7を介して燃料電池セル収容容器8が配置されている。この燃料電池セル収容容器8内の内部には発電室10が構成され、この発電室10の中には複数の燃料電池セル16が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル16により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a fuel cell storage container 8 is disposed inside the housing 6 via an outer heat insulating material 7. A power generation chamber 10 is configured inside the fuel cell storage container 8, and a plurality of fuel cell cells 16 are concentrically arranged in the power generation chamber 10. With these fuel cell cells 16, A power generation reaction of air, which is fuel gas and oxidant gas, is performed.

各燃料電池セル16の上端部には、排気集約室18が取り付けられている。各燃料電池セル16において発電反応に使用されずに残った残余の燃料(オフガス)は、上端部に取り付けられた排気集約室18に集められ、この排気集約室18の上部に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室10内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。   An exhaust collecting chamber 18 is attached to the upper end of each fuel cell 16. The remaining fuel (off-gas) that is not used in the power generation reaction in each fuel cell 16 is collected in an exhaust collection chamber 18 attached to the upper end, and a plurality of fuel cells 16 provided above the exhaust collection chamber 18 are collected. It flows out from the spout. The fuel that has flowed out is burned by the air remaining in the power generation chamber 10 without being used for power generation, and exhaust gas is generated.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの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、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。   Next, the auxiliary unit 4 stores a water from a water supply source 24 such as a tap water and uses a filter to obtain pure water, and a water for adjusting the flow rate of the water supplied from the pure water tank. A water flow rate adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) as a supply device is provided. The auxiliary unit 4 also has a fuel blower 38 (a “fuel pump” driven by a motor) that is a fuel supply device that adjusts the flow rate of a hydrocarbon-based raw fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas. Etc.).

なお、燃料ブロア38を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール2内に配置された脱硫器36を介して燃料ガス供給流路20(図2)に供給される。また、脱硫器36においては、原燃料ガスに水素ガスを添加しておくことにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去することができる。このため、補機ユニット4には、原燃料ガスに水素ガスを添加するための凝縮器33、オリフィス34及び電磁弁35が内蔵されている。   The raw fuel gas that has passed through the fuel blower 38 is supplied to the fuel gas supply channel 20 (FIG. 2) via the desulfurizer 36 disposed in the fuel cell module 2. Further, in the desulfurizer 36, the sulfur component in the raw fuel gas can be removed by adding hydrogen gas to the raw fuel gas. For this reason, the auxiliary unit 4 includes a condenser 33, an orifice 34, and a solenoid valve 35 for adding hydrogen gas to the raw fuel gas.

また、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、燃料ガス流路をパージするための空気流量調整ユニット46(同じく「空気ブロア」等)とを備えている。   The auxiliary unit 4 includes an air flow rate adjustment unit 45 (such as an “air blower” driven by a motor) that is an oxidant gas supply device that adjusts the flow rate of air supplied from the air supply source 40, and fuel gas. An air flow rate adjusting unit 46 (also “air blower” or the like) for purging the flow path is provided.

さらに、補機ユニット4には、燃料電池モジュール2からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置50が備えられている。この温水製造装置50には、水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュール2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。
Further, the auxiliary unit 4 is provided with a hot water production device 50 for recovering the heat of the exhaust gas from the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
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 2 to the outside.

次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による燃料電池モジュール2に内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図2は燃料電池モジュール2の断面図であり、図3は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
図2に示すように、燃料電池セル収容容器8内の空間には、複数の燃料電池セル16が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料ガス通路である燃料ガス供給流路20、排気ガス通路である排ガス排出流路21、酸化剤ガス供給流路22が順に同心円状に形成されている。
Next, the internal structure of the fuel cell housing container built in the fuel cell module 2 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2, and FIG. 3 is an exploded cross-sectional view of the main members of the fuel cell storage container.
As shown in FIG. 2, a plurality of fuel cells 16 are concentrically arranged in a space in the fuel cell storage container 8, and a fuel gas supply channel 20 that is a fuel gas passage so as to surround the periphery thereof. An exhaust gas exhaust passage 21 and an oxidant gas supply passage 22 which are exhaust gas passages are formed concentrically in order.

まず、図2に示すように、燃料電池セル収容容器8は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ56が接続され、底面には、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ58が接続されている。   First, as shown in FIG. 2, the fuel cell storage container 8 is a substantially cylindrical hermetic container, and an oxidant gas introduction pipe serving as an oxidant gas inlet for supplying air for power generation is provided on the side surface thereof. An exhaust gas exhaust pipe 58 for exhaust gas exhaust is connected to the bottom surface.

図2及び図3に示すように、燃料電池セル収容容器8の内部には、燃料電池セル16の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材64、外側円筒部材66、内側円筒容器68、外側円筒容器70が配置されている。上述した燃料ガス供給流路20、排ガス排出流路21、及び酸化剤ガス供給流路22は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、燃料ガス供給流路20は発電室10を取り囲むように配置され、排ガス排出流路21は燃料ガス供給流路20を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路22は排ガス排出流路21を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器8の下端側の空間には、排ガス排出流路21によって導かれた排気ガスが流入する排気ガス室23が設けられている。   As shown in FIGS. 2 and 3, inside the fuel cell storage container 8, an inner cylindrical member 64, which is a power generation chamber constituting member, and an outer cylindrical member in order from the inside so as to surround the periphery of the fuel cell 16. 66, an inner cylindrical container 68 and an outer cylindrical container 70 are arranged. The above-described fuel gas supply flow path 20, exhaust gas discharge flow path 21, and oxidant gas supply flow path 22 are flow paths configured between these cylindrical members and cylindrical containers, respectively, and between adjacent flow paths. Heat exchange takes place at. That is, the fuel gas supply channel 20 is disposed so as to surround the power generation chamber 10, the exhaust gas discharge channel 21 is disposed so as to surround the fuel gas supply channel 20, and the oxidant gas supply channel 22 is configured as the exhaust gas discharge channel. 21 is arranged so as to surround 21. In addition, an exhaust gas chamber 23 into which the exhaust gas guided by the exhaust gas discharge passage 21 flows is provided in the space on the lower end side of the fuel cell storage container 8.

内側円筒部材64は、概ね円筒状の中空体であり、その上端及び下端は開放されている。また、内側円筒部材64の内壁面には、分散室形成板である円形の第1固定部材63が気密的に溶接されている。この第1固定部材63の下面と、内側円筒部材64の内壁面と、分散室底部材72の上面により、燃料ガス分散室76が画定される。また、第1固定部材63には、各々燃料電池セル16を挿通させる複数の挿通穴63aが形成されており、各燃料電池セル16は、各挿通穴63aに挿通された状態で、セラミック接着剤により第1固定部材63に接着されている。このように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置1においては、燃料電池モジュール2を構成する部材間相互の接合部には、セラミック接着剤が充填され、硬化されることにより、各部材が相互に気密的に接合されている。   The inner cylindrical member 64 is a substantially cylindrical hollow body, and its upper end and lower end are open. A circular first fixing member 63 that is a dispersion chamber forming plate is airtightly welded to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64. A fuel gas dispersion chamber 76 is defined by the lower surface of the first fixing member 63, the inner wall surface of the inner cylindrical member 64, and the upper surface of the dispersion chamber bottom member 72. The first fixing member 63 is formed with a plurality of insertion holes 63a through which the fuel battery cells 16 are inserted, and each fuel battery cell 16 is inserted into each insertion hole 63a in the ceramic adhesive. Is bonded to the first fixing member 63. As described above, in the solid oxide fuel cell device 1 of the present embodiment, each member constituting the fuel cell module 2 is filled with the ceramic adhesive in the joint portion between the members constituting the fuel cell module 2 and cured. Are hermetically joined to each other.

外側円筒部材66は、内側円筒部材64の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材64との間に円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材64と概ね相似形に形成されている。さらに、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間には中間円筒部材65が配置されている。中間円筒部材65は、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間に配置された円筒状の管である。内側円筒部材64の外側円筒部材66の間の空間上部には改質部94が構成されている。また、中間円筒部材65の外周面と、外側円筒部材66の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路20として機能する。このため、改質部94及び燃料ガス供給流路20は、燃料電池セル16における発熱及び排気集約室18上端における残余燃料の燃焼により熱を受ける。また、内側円筒部材64の上端部と外側円筒部材66の上端部は溶接により気密的に接合されており、燃料ガス供給流路20の上端は閉鎖されている。さらに、中間円筒部材65の下端と、内側円筒部材64の外周面は、溶接により気密的に接合されている。   The outer cylindrical member 66 is a cylindrical tube disposed around the inner cylindrical member 64, and is generally similar to the inner cylindrical member 64 so that an annular flow path is formed between the outer cylindrical member 66 and the inner cylindrical member 64. It is formed into a shape. Further, an intermediate cylindrical member 65 is disposed between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66. The intermediate cylindrical member 65 is a cylindrical tube disposed between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66. A reforming portion 94 is formed in the upper portion of the space between the outer cylindrical member 66 of the inner cylindrical member 64. An annular space between the outer peripheral surface of the intermediate cylindrical member 65 and the inner peripheral surface of the outer cylindrical member 66 functions as the fuel gas supply channel 20. Therefore, the reforming unit 94 and the fuel gas supply channel 20 receive heat due to heat generation in the fuel cell 16 and combustion of residual fuel at the upper end of the exhaust collecting chamber 18. Further, the upper end portion of the inner cylindrical member 64 and the upper end portion of the outer cylindrical member 66 are hermetically joined by welding, and the upper end of the fuel gas supply channel 20 is closed. Furthermore, the lower end of the intermediate cylindrical member 65 and the outer peripheral surface of the inner cylindrical member 64 are hermetically joined by welding.

内側円筒容器68は、外側円筒部材66の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材66との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材66と概ね相似形に形成されている。この内側円筒容器68は、内側円筒部材64の上端の開放部を覆うように配置される。外側円筒部材66の外周面と、内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路21(図2)として機能する。この排ガス排出流路21は、内側円筒部材64の上端部に設けられた複数の小穴64aを介して内側円筒部材64の内側の空間と連通している。また、外側円筒部材66の下部内周面と、内側円筒部材64の下部外周面を接続するように、排気ガス横断通路23aが設けられている。この排気ガス横断通路23aにより、燃料ガス供給流路20を横断して、排ガス排出流路21と排気ガス室23が連通される。   The inner cylindrical container 68 is a cup-shaped member having a circular cross section disposed around the outer cylindrical member 66, and an annular flow path having a substantially constant width is formed between the inner cylindrical container 68 and the outer cylindrical member 66. The side surface is formed in a generally similar shape to the outer cylindrical member 66. The inner cylindrical container 68 is disposed so as to cover the open portion at the upper end of the inner cylindrical member 64. An annular space between the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 functions as the exhaust gas discharge passage 21 (FIG. 2). The exhaust gas discharge passage 21 communicates with the space inside the inner cylindrical member 64 through a plurality of small holes 64 a provided in the upper end portion of the inner cylindrical member 64. Further, an exhaust gas crossing passage 23 a is provided so as to connect the lower inner peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the lower outer peripheral surface of the inner cylindrical member 64. Through the exhaust gas crossing passage 23 a, the exhaust gas discharge passage 21 and the exhaust gas chamber 23 are communicated with each other across the fuel gas supply passage 20.

排ガス排出流路21の下部には、燃焼触媒器60及びこれを加熱するためのヒーターであるシースヒーター61が配置されている。
燃焼触媒器60は、排気ガス横断通路23aよりも上方に、外側円筒部材66の外周面と内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路21を下降した排気ガスは、燃焼触媒器60を通過することにより一酸化炭素が除去され、排気ガス横断通路23aを通って排気ガス室23に流入する。
シースヒーター61は、燃焼触媒器60の下方の、外側円筒部材66の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置1の起動時において、シースヒーター61に通電することにより、その近傍に配置されている燃焼触媒器60が活性温度まで加熱される。
A combustion catalyst 60 and a sheath heater 61 that is a heater for heating the combustion catalyst 60 are disposed below the exhaust gas discharge passage 21.
The combustion catalyst 60 is a catalyst filled in an annular space between the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 above the exhaust gas crossing passage 23 a. The exhaust gas descending the exhaust gas discharge passage 21 passes through the combustion catalyst 60 to remove carbon monoxide and flows into the exhaust gas chamber 23 through the exhaust gas crossing passage 23a.
The sheath heater 61 is an electric heater attached so as to surround the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 below the combustion catalyst 60. When the solid oxide fuel cell device 1 is started, the sheath heater 61 is energized, whereby the combustion catalyst 60 disposed in the vicinity thereof is heated to the activation temperature.

外側円筒容器70は、内側円筒容器68の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器68との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器68と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器68の外周面と、外側円筒容器70の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路22として機能する。また、外側円筒容器70の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ56が接続されており、酸化剤ガス供給流路22が酸化剤ガス導入パイプ56に連通される。   The outer cylindrical container 70 is a cup-shaped member having a circular cross section disposed around the inner cylindrical container 68, and an annular channel having a substantially constant width is formed between the outer cylindrical container 70 and the inner cylindrical container 68. The side surface is formed in a substantially similar shape to the inner cylindrical container 68. An annular space between the outer peripheral surface of the inner cylindrical container 68 and the inner peripheral surface of the outer cylindrical container 70 functions as the oxidant gas supply channel 22. Further, an oxidant gas introduction pipe 56 is connected to the lower side surface of the outer cylindrical container 70, and the oxidant gas supply flow path 22 communicates with the oxidant gas introduction pipe 56.

分散室底部材72は、概ね円形の皿状の部材であり、内側円筒部材64の内壁面にセラミック接着剤により気密的に固定される。これにより、第1固定部材63と分散室底部材72の間に、燃料ガス分散室76が構成される。また、分散室底部材72の中央には、バスバー80(図2)を挿通させるためのバスバー通路である挿通管72aが設けられている。各燃料電池セル16に電気的に接続されたバスバー80は、この挿通管72aを通して燃料電池セル収容容器8の外部に引き出される。また、挿通管72aには、セラミック接着剤が充填されることにより、バスバー80が固定され、燃料ガス分散室76の気密性が確保されている。また、セラミック接着剤は断熱性が高いため、燃料ガス分散室76から、挿通管72aを介した熱の流失も抑制することができる。   The dispersion chamber bottom member 72 is a substantially circular dish-like member, and is hermetically fixed to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64 with a ceramic adhesive. Thereby, a fuel gas dispersion chamber 76 is formed between the first fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72. Further, at the center of the dispersion chamber bottom member 72, an insertion tube 72a that is a bus bar passage for inserting the bus bar 80 (FIG. 2) is provided. The bus bar 80 electrically connected to each fuel cell 16 is drawn out of the fuel cell storage container 8 through the insertion tube 72a. Further, the insertion tube 72a is filled with a ceramic adhesive, whereby the bus bar 80 is fixed, and the airtightness of the fuel gas dispersion chamber 76 is secured. Further, since the ceramic adhesive has high heat insulating properties, heat loss from the fuel gas dispersion chamber 76 through the insertion tube 72a can be suppressed.

さらに、内側円筒部材64の内周面、分散室底部材72の底面、及び挿通管72aの外周面によって画定される円環状の空間は、排気ガス室23として利用される。即ち、排気ガス室23は、円環状の排ガス排出流路21及び燃料ガス供給流路20の内側で、燃料ガス分散室76に対して発電室10の反対側に位置するように設けられている。なお、本明細書において、「排ガス排出流路21の内側」とは、円環状の排ガス排出流路21を軸線方向に投影した投影面の中に排気ガス室23の少なくとも一部が存在することを意味する。「燃料ガス供給流路20の内側」についても同様である。この排気ガス室23には、その側面上部に排気ガス横断通路23aが接続され、排気ガスが導入される。また、排気ガス室23の底面には、排ガス排出パイプ58が接続され、この排ガス排出パイプ58を通して排気ガスが燃料電池モジュール2の外部へ排出される。   Further, an annular space defined by the inner peripheral surface of the inner cylindrical member 64, the bottom surface of the dispersion chamber bottom member 72, and the outer peripheral surface of the insertion tube 72 a is used as the exhaust gas chamber 23. That is, the exhaust gas chamber 23 is provided inside the annular exhaust gas discharge passage 21 and the fuel gas supply passage 20 so as to be located on the opposite side of the power generation chamber 10 with respect to the fuel gas dispersion chamber 76. . In the present specification, “inside the exhaust gas discharge passage 21” means that at least a part of the exhaust gas chamber 23 exists in a projection plane obtained by projecting the annular exhaust gas discharge passage 21 in the axial direction. Means. The same applies to “the inside of the fuel gas supply channel 20”. The exhaust gas chamber 23 is connected to an exhaust gas crossing passage 23a at the upper part of the side surface, and exhaust gas is introduced. An exhaust gas discharge pipe 58 is connected to the bottom surface of the exhaust gas chamber 23, and the exhaust gas is discharged outside the fuel cell module 2 through the exhaust gas discharge pipe 58.

図2に示すように、内側円筒部材64の内周面、分散室底部材72の底面、及び挿通管72aの外周面によって画定される円環状の空間内には断熱材が配置されている。この断熱材は、燃料ガス分散室76(分散室底部材72の底面)に沿って配置された断熱材板状部73aと、この断熱材板状部73aから挿通管72aの周囲を取り囲むように延びる断熱材突出部73bから構成されている。このため、上記の円環状の空間のうち、断熱材板状部73a及び断熱材突出部73bによって占められた空間を除いた空間が排気ガス室23として機能する。これらの断熱材板状部73a及び断熱材突出部73bは、燃料ガス分散室76と排気ガス室23との間を断熱するように配置されている。なお、分散室底部材72は金属製であるため、その全体が燃料ガス分散室76内の温度と同程度まで温度上昇するが、挿通管72aの周囲にも断熱材突出部73bが配置されているため、分散室底部材72を介した排気ガス室23への熱の流出も抑制される。   As shown in FIG. 2, a heat insulating material is disposed in an annular space defined by the inner peripheral surface of the inner cylindrical member 64, the bottom surface of the dispersion chamber bottom member 72, and the outer peripheral surface of the insertion tube 72a. The heat insulating material surrounds the periphery of the insertion tube 72a from the heat insulating material plate-like portion 73a disposed along the fuel gas dispersion chamber 76 (the bottom surface of the dispersion chamber bottom member 72). It is comprised from the heat insulating material protrusion part 73b extended. For this reason, a space excluding the space occupied by the heat insulating material plate-like portion 73 a and the heat insulating material protrusion 73 b in the annular space functions as the exhaust gas chamber 23. These heat insulating material plate portion 73 a and heat insulating material protrusion 73 b are arranged so as to insulate between the fuel gas dispersion chamber 76 and the exhaust gas chamber 23. Since the dispersion chamber bottom member 72 is made of metal, the temperature of the entire dispersion chamber rises to the same level as the temperature in the fuel gas dispersion chamber 76, but a heat insulating material protrusion 73b is also arranged around the insertion tube 72a. Therefore, the outflow of heat to the exhaust gas chamber 23 via the dispersion chamber bottom member 72 is also suppressed.

また、排気ガス室23内には、断熱材突出部73bを取り囲むように、水添脱硫器である脱硫器36が配置されている。この脱硫器36は、排気ガス室23に導入される排気ガスにより、触媒作用が可能な温度に加熱される。
図2に示すように、燃料ガス分散室76には、水素取出管92が接続されている。この水素取出管92は、燃料ガス分散室76の内部と連通し、断熱材板状部73aを貫通し、さらに排気ガス室23を貫通して燃料電池モジュール2の外部まで延びている。図1に示すように、水素取出管92は、補機ユニット4に内蔵された凝縮器33に接続されている。燃料ガス分散室76内の燃料ガスは、水素ガスと共に多くの水蒸気を含んでいる。凝縮器33においては、燃料ガスに含まれている水蒸気が凝縮され、水素ガスと分離される。水蒸気を分離された水素ガスは、オリフィス34及び電磁弁35を介して、燃料供給源30から供給された原燃料ガスに、燃料ブロア38の上流側で混合される。水素ガスが添加された原燃料ガスは、燃料ブロア38により脱硫器36に送り込まれる。
Further, in the exhaust gas chamber 23, a desulfurizer 36, which is a hydrodesulfurizer, is disposed so as to surround the heat insulating material protrusion 73b. The desulfurizer 36 is heated to a temperature capable of catalysis by the exhaust gas introduced into the exhaust gas chamber 23.
As shown in FIG. 2, a hydrogen extraction pipe 92 is connected to the fuel gas dispersion chamber 76. The hydrogen extraction pipe 92 communicates with the inside of the fuel gas dispersion chamber 76, penetrates the heat insulating material plate-like portion 73 a, further penetrates the exhaust gas chamber 23, and extends to the outside of the fuel cell module 2. As shown in FIG. 1, the hydrogen extraction pipe 92 is connected to a condenser 33 built in the auxiliary machine unit 4. The fuel gas in the fuel gas dispersion chamber 76 contains a lot of water vapor together with hydrogen gas. In the condenser 33, the water vapor contained in the fuel gas is condensed and separated from the hydrogen gas. The hydrogen gas from which the water vapor has been separated is mixed with the raw fuel gas supplied from the fuel supply source 30 via the orifice 34 and the electromagnetic valve 35 on the upstream side of the fuel blower 38. The raw fuel gas to which the hydrogen gas is added is sent to the desulfurizer 36 by the fuel blower 38.

燃料ガス分散室76内の圧力は燃料ブロア38の上流側の圧力よりも高いため、この圧力差により、改質された燃料ガスが燃料ガス分散室76から取り出される。オリフィス34は、燃料ガス分散室76から燃料ブロア38の上流側へ戻る流路に適度な流路抵抗を与え、適量の水素ガスが原燃料ガスに添加されるように調整されている。また、原燃料ガスへの水素の添加を行わないときは、電磁弁35が閉弁される。なお、燃料ガス分散室76から水素取出管92によって取り出される燃料ガス(水素ガス)には水蒸気が混入しているが、水素取出管92は比較的温度が高い排気ガス室23を通って引き出されているため、取り出された水蒸気が凝縮器33に到達する前に、管路内で凝縮されることはない。このため、燃料ガス分散室76から安定して水素ガスを取り出すことができる。   Since the pressure in the fuel gas dispersion chamber 76 is higher than the pressure on the upstream side of the fuel blower 38, the reformed fuel gas is taken out from the fuel gas dispersion chamber 76 due to this pressure difference. The orifice 34 is adjusted so as to give an appropriate flow path resistance to the flow path returning from the fuel gas dispersion chamber 76 to the upstream side of the fuel blower 38 and an appropriate amount of hydrogen gas is added to the raw fuel gas. Further, when hydrogen is not added to the raw fuel gas, the electromagnetic valve 35 is closed. In addition, although water vapor is mixed in the fuel gas (hydrogen gas) taken out from the fuel gas dispersion chamber 76 through the hydrogen extraction pipe 92, the hydrogen extraction pipe 92 is drawn out through the exhaust gas chamber 23 having a relatively high temperature. Therefore, the extracted water vapor is not condensed in the pipe line before reaching the condenser 33. For this reason, hydrogen gas can be stably taken out from the fuel gas dispersion chamber 76.

なお、図2に示すように、水素取出管92は、燃料ガス分散室76の底部で、即ち、断熱材板状部73aに近い側で、燃料ガス分散室76に連通されている。また、各燃料電池セル16は、燃料ガス分散室76の天井面で、即ち、発電室10に近い側で、燃料ガス分散室76に連通されている。このように、水素取出管92は各燃料電池セル16から十分に離れた位置に連通されているため、水素取出管92による燃料ガスの取り出しが、各燃料電池セル16への燃料ガスの流入に悪影響を与えることはない。従って、水素取出管92による燃料ガスの取り出しを行っても、各燃料電池セル16には均等に燃料ガスが流入し、燃料の供給ムラが発生することはない。   As shown in FIG. 2, the hydrogen take-out pipe 92 communicates with the fuel gas dispersion chamber 76 at the bottom of the fuel gas dispersion chamber 76, that is, on the side close to the heat insulating material plate-like portion 73 a. Each fuel cell 16 communicates with the fuel gas dispersion chamber 76 on the ceiling surface of the fuel gas dispersion chamber 76, that is, on the side close to the power generation chamber 10. As described above, since the hydrogen extraction pipes 92 are communicated with positions sufficiently away from the respective fuel cells 16, the removal of the fuel gas by the hydrogen extraction pipes 92 is caused to flow into the fuel cells 16. There is no adverse effect. Therefore, even when the fuel gas is taken out by the hydrogen take-out pipe 92, the fuel gas flows evenly into each fuel battery cell 16, and the fuel supply unevenness does not occur.

脱硫器36は円環状の断面を有する容器であり、内部に脱硫触媒が充填されている。この脱硫器36中央の空洞部には、分散室底部材72の挿通管72a、及びその中に延びているバスバー80が受け入れられている(図2)。この構成により、排気ガス室23内に流入した排気ガスは、脱硫器36の外周面に接触し、脱硫器36を加熱する。また、脱硫器36と断熱材板状部73aとの間には隙間が設けられているため(図2)、この隙間にも排気ガスが流入し、脱硫器36は上端面からも加熱される。これにより、脱硫器36は、燃料電池モジュールの起動後、早期に脱硫可能な温度まで加熱される。   The desulfurizer 36 is a container having an annular cross section, and is filled with a desulfurization catalyst. An insertion tube 72a of the dispersion chamber bottom member 72 and a bus bar 80 extending therein are received in the hollow portion at the center of the desulfurizer 36 (FIG. 2). With this configuration, the exhaust gas flowing into the exhaust gas chamber 23 contacts the outer peripheral surface of the desulfurizer 36 and heats the desulfurizer 36. Further, since a gap is provided between the desulfurizer 36 and the heat insulating plate 73a (FIG. 2), exhaust gas flows into this gap, and the desulfurizer 36 is also heated from the upper end surface. . Accordingly, the desulfurizer 36 is heated to a temperature at which desulfurization can be performed early after the fuel cell module is started.

脱硫器36の内部は、2枚のドーナツ型の仕切板によって、分散層、触媒層、及び集約層の3層に区切られている。上側の仕切板の上方の空間である分散層には、脱硫器流入管36cが接続されており、燃料ブロア38(図1)によって、脱硫器流入管36cを介して原燃料ガスが送り込まれる。   The inside of the desulfurizer 36 is divided into three layers of a dispersion layer, a catalyst layer, and an aggregation layer by two donut-shaped partition plates. A desulfurizer inflow pipe 36c is connected to the dispersion layer, which is the space above the upper partition plate, and the raw fuel gas is sent by the fuel blower 38 (FIG. 1) through the desulfurizer inflow pipe 36c.

脱硫器流入管36cを介して導入された原燃料ガスは、分散層内で全周に分散され、仕切板に設けられた多数の小孔を通って触媒層に流入する。触媒層に流入した原燃料ガスは、そこに充填されている脱硫触媒に接触し、原燃料ガスに混入されている硫黄成分が除去される。このように、本実施形態においては、脱硫器36を円環状に形成することにより、原燃料ガスが脱硫触媒に接触して流れる流路を長くしている。これにより、硫黄成分の除去効率を向上させると共に、円環状の内側の空間もデッドスペースとせず、挿通管72aを挿入する空間として有効活用している。また、本実施形態において、脱硫器36は、原燃料ガス中の硫黄成分を触媒により水素と反応させる水素化脱硫方式による水添脱硫器である。   The raw fuel gas introduced through the desulfurizer inflow pipe 36c is dispersed all around in the dispersion layer, and flows into the catalyst layer through a large number of small holes provided in the partition plate. The raw fuel gas that has flowed into the catalyst layer comes into contact with the desulfurization catalyst filled therein, and sulfur components mixed in the raw fuel gas are removed. Thus, in this embodiment, the flow path through which the raw fuel gas flows in contact with the desulfurization catalyst is lengthened by forming the desulfurizer 36 in an annular shape. As a result, the efficiency of removing sulfur components is improved, and the space inside the annular shape is not used as a dead space, but is effectively utilized as a space for inserting the insertion tube 72a. In the present embodiment, the desulfurizer 36 is a hydrodesulfurization type hydrodesulfurizer that reacts a sulfur component in the raw fuel gas with hydrogen using a catalyst.

触媒層において硫黄成分が除去された原燃料ガスは、仕切板に設けられた多数の小孔を通って集約層に流入する。集約層に流入した原燃料ガスは、集約層に接続された脱硫器流出管36dを通って脱硫器36から流出する。脱硫器流出管36dは燃料ガス供給パイプ90に接続されており(図2)、脱硫器36を通過した原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ90を通って燃料ガス供給流路20に導入される。   The raw fuel gas from which the sulfur component has been removed in the catalyst layer flows into the aggregation layer through a large number of small holes provided in the partition plate. The raw fuel gas flowing into the aggregated layer flows out of the desulfurizer 36 through the desulfurizer outflow pipe 36d connected to the aggregated layer. The desulfurizer outflow pipe 36d is connected to the fuel gas supply pipe 90 (FIG. 2), and the raw fuel gas that has passed through the desulfurizer 36 is introduced into the fuel gas supply flow path 20 through the fuel gas supply pipe 90. .

一方、内側円筒容器68の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ74が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ74は、内側円筒容器68の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル16が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ74の上端が内側円筒容器68の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器68と外側円筒容器70の間に形成されている酸化剤ガス供給流路22と酸化剤ガス噴射用パイプ74が連通される。酸化剤ガス供給流路22を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ74の先端から下方に噴射され、第1固定部材63の上面に当たって、発電室10内全体に広がる。   On the other hand, an oxidant gas injection pipe 74 having a circular cross section for injecting air for power generation is attached so as to hang down from the ceiling surface of the inner cylindrical container 68. The oxidant gas injection pipe 74 extends in the vertical direction on the central axis of the inner cylindrical container 68, and each fuel cell 16 is disposed on a concentric circle around it. By attaching the upper end of the oxidant gas injection pipe 74 to the ceiling surface of the inner cylindrical container 68, the oxidant gas supply flow path 22 and the oxidant gas formed between the inner cylindrical container 68 and the outer cylindrical container 70 are formed. An injection pipe 74 is communicated. The air supplied through the oxidant gas supply channel 22 is injected downward from the tip of the oxidant gas injection pipe 74, hits the upper surface of the first fixing member 63, and spreads throughout the power generation chamber 10.

燃料ガス分散室76は、第1固定部材63と分散室底部材72の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル16が林立されている。第1固定部材63の上面に取り付けられた各燃料電池セル16は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室76の内部と連通されている。各燃料電池セル16の下端部は、第1固定部材63の挿通穴63aを貫通して燃料ガス分散室76の内部に突出し、各燃料電池セル16は第1固定部材63に、接着により固定されている。   The fuel gas dispersion chamber 76 is a cylindrical airtight chamber formed between the first fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72, and each fuel cell 16 is forested on the upper surface thereof. Each fuel cell 16 attached to the upper surface of the first fixing member 63 has an inner fuel electrode communicating with the inside of the fuel gas dispersion chamber 76. The lower end portion of each fuel cell 16 penetrates the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and protrudes into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell 16 is fixed to the first fixing member 63 by adhesion. ing.

図2に示すように、内側円筒部材64には、第1固定部材63よりも下方に複数の小穴64bが設けられている。内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の空間は、複数の小穴64bを介して燃料ガス分散室76内に連通されている。供給された燃料は、外側円筒部材66の内周と中間円筒部材65の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の空間を下降し、複数の小穴64bを通って燃料ガス分散室76内に流入する。燃料ガス分散室76に流入した燃料は、燃料ガス分散室76の天井面(第1固定部材63)に取り付けられた各燃料電池セル16の燃料極に分配される。   As shown in FIG. 2, the inner cylindrical member 64 is provided with a plurality of small holes 64 b below the first fixing member 63. A space between the outer periphery of the inner cylindrical member 64 and the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 is communicated with the fuel gas dispersion chamber 76 through a plurality of small holes 64b. The supplied fuel once rises in the space between the inner circumference of the outer cylindrical member 66 and the outer circumference of the intermediate cylindrical member 65, and then descends in the space between the outer circumference of the inner cylindrical member 64 and the inner circumference of the intermediate cylindrical member 65. Then, it flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the plurality of small holes 64b. The fuel that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 is distributed to the fuel electrode of each fuel cell 16 attached to the ceiling surface (first fixing member 63) of the fuel gas dispersion chamber 76.

さらに、燃料ガス分散室76内に突出している各燃料電池セル16の下端部は、燃料ガス分散室76内でバスバー80に電気的に接続され、挿通管72aを通して電力が外部に引き出される。バスバー80は、各燃料電池セル16により生成された電力を、燃料電池セル収容容器8の外部へ取り出すための細長い金属導体であり、碍子78を介して分散室底部材72の挿通管72aに固定されている。バスバー80は、燃料ガス分散室76の内部において、各燃料電池セル16に取り付けられた集電体82と電気的に接続されている。また、バスバー80は、燃料電池セル収容容器8の外部において、インバータ54(図1)に接続される。なお、集電体82は、排気集約室18内に突出している各燃料電池セル16の上端部にも取り付けられている(図4)。これら上端部及び下端部の集電体82により、複数の燃料電池セル16が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル16が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー80に接続される。   Further, the lower end portion of each fuel cell 16 projecting into the fuel gas dispersion chamber 76 is electrically connected to the bus bar 80 in the fuel gas dispersion chamber 76, and electric power is drawn out through the insertion tube 72a. The bus bar 80 is an elongated metal conductor for taking out the electric power generated by each fuel battery cell 16 to the outside of the fuel battery cell container 8, and is fixed to the insertion pipe 72 a of the dispersion chamber bottom member 72 via the insulator 78. Has been. The bus bar 80 is electrically connected to a current collector 82 attached to each fuel cell 16 inside the fuel gas dispersion chamber 76. The bus bar 80 is connected to the inverter 54 (FIG. 1) outside the fuel cell storage container 8. The current collector 82 is also attached to the upper end portion of each fuel cell 16 projecting into the exhaust collection chamber 18 (FIG. 4). The current collectors 82 at the upper end and the lower end connect the plurality of fuel cells 16 in parallel electrically, and connect the plurality of sets of fuel cells 16 connected in parallel electrically in series. The both ends of this series connection are connected to the bus bar 80, respectively.

集電体82は、導電性金属(例えば、ニッケル,チタン等)からなる略円形の金属プレートであり、各燃料電池セル16の配置位置に対応して貫通孔が形成されている。各燃料電池セル16は、この貫通孔に挿入させることにより、集電体82に取り付けることができる。   The current collector 82 is a substantially circular metal plate made of a conductive metal (for example, nickel, titanium, etc.), and through holes are formed corresponding to the arrangement positions of the fuel cells 16. Each fuel cell 16 can be attached to the current collector 82 by being inserted into the through hole.

次に、図4及び図5を参照して、排気集約室の構成を説明する。
図4は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図5は、図2におけるV−V断面である。
図4に示すように、排気集約室18は、各燃料電池セル16の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室18の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74が貫通して延びている。
Next, the configuration of the exhaust gas collecting chamber will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the exhaust collecting chamber, and FIG. 5 is a VV cross section in FIG.
As shown in FIG. 4, the exhaust concentration chamber 18 is a donut-shaped cross-section chamber attached to the upper end of each fuel cell 16, and an oxidant gas injection pipe 74 is provided at the center of the exhaust concentration chamber 18. Extends through.

図5に示すように、内側円筒部材64の内壁面には、排気集約室18支持用の3つのステー64cが等間隔に取り付けられている。図4に示すように、各ステー64cは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、排気集約室18を各ステー64cの上に載置することにより、排気集約室18は内側円筒部材64と同心円上に位置決めされる。これにより、排気集約室18の外周面と内側円筒部材64の内周面の間の隙間、及び排気集約室18の内周面と酸化剤ガス噴射用パイプ74の外周面との間の隙間は、全周で均一になる(図5)。   As shown in FIG. 5, three stays 64 c for supporting the exhaust collecting chamber 18 are attached to the inner wall surface of the inner cylindrical member 64 at equal intervals. As shown in FIG. 4, each stay 64 c is a small piece obtained by bending a thin metal plate. By placing the exhaust collection chamber 18 on each stay 64 c, the exhaust collection chamber 18 is concentric with the inner cylindrical member 64. Positioned above. As a result, the gap between the outer peripheral surface of the exhaust collecting chamber 18 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical member 64 and the gap between the inner peripheral surface of the exhaust collecting chamber 18 and the outer peripheral surface of the oxidizing gas injection pipe 74 are as follows. , Uniform over the entire circumference (FIG. 5).

排気集約室18は、集約室上部材18a及び集約室下部材18bが気密的に接合されることにより構成されている。
集約室下部材18bは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材18aは、下方が開放された段付き円形カップ状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材18aの下部は、集約室下部材18bの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。
The exhaust collecting chamber 18 is configured by hermetically joining the collecting chamber upper member 18a and the collecting chamber lower member 18b.
The aggregation chamber lower member 18b is a circular dish-shaped member opened upward, and a cylindrical portion for allowing the oxidant gas injection pipe 74 to pass therethrough is provided at the center thereof.
The aggregation chamber upper member 18a is a stepped circular cup-shaped member that is open at the bottom, and an opening for penetrating the oxidant gas injection pipe 74 is provided at the center thereof. The lower part of the aggregation chamber upper member 18a is configured to be fitted into a donut-shaped cross-sectional area opened above the aggregation chamber lower member 18b.

集約室下部材18bの周囲の壁の内周面と集約室上部材18aの外周面の間の隙間にはセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング19aが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング19aは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室18に固定される。   The gap between the inner peripheral surface of the wall around the aggregation chamber lower member 18b and the outer peripheral surface of the aggregation chamber upper member 18a is filled with a ceramic adhesive and cured, so that the airtightness of the joint is ensured. Yes. Further, a large-diameter seal ring 19a is disposed on the ceramic adhesive layer formed of the ceramic adhesive filled in the joint portion, and covers the ceramic adhesive layer. The large-diameter seal ring 19a is an annular thin plate, is disposed so as to cover the filled ceramic adhesive after being filled with the ceramic adhesive, and is fixed to the exhaust collecting chamber 18 by curing of the adhesive.

一方、集約室下部材18b中央の円筒部の外周面と、集約室上部材18a中央の開口部の縁の間にもセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、小径シールリング19bが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。小径シールリング19bは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室18に固定される。   On the other hand, the ceramic adhesive is also filled and hardened between the outer peripheral surface of the cylindrical portion at the center of the aggregation chamber lower member 18b and the edge of the opening at the center of the aggregation chamber upper member 18a. It is secured. Further, a small-diameter seal ring 19b is disposed on the ceramic adhesive layer formed of the ceramic adhesive filled in the joint portion, and covers the ceramic adhesive layer. The small-diameter seal ring 19b is an annular thin plate, is disposed so as to cover the filled ceramic adhesive after being filled with the ceramic adhesive, and is fixed to the exhaust collecting chamber 18 by curing of the adhesive.

集約室下部材18bの底面には複数の円形の挿通穴18cが設けられている。各挿通穴18cには燃料電池セル16の上端部が夫々挿通され、各燃料電池セル16は各挿通穴18cを貫通して延びている。各燃料電池セル16が貫通している集約室下部材18bの底面上にはセラミック接着剤が流し込まれ、これが硬化されることにより、各燃料電池セル16の外周と各挿通穴18cの間の隙間が気密的に充填されると共に、各燃料電池セル16が集約室下部材18bに固定されている。   A plurality of circular insertion holes 18c are provided on the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b. The upper end portions of the fuel cells 16 are respectively inserted into the insertion holes 18c, and the fuel cells 16 extend through the insertion holes 18c. A ceramic adhesive is poured onto the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b through which each fuel cell 16 penetrates, and is cured, whereby a gap between the outer periphery of each fuel cell 16 and each insertion hole 18c. Are hermetically filled, and each fuel cell 16 is fixed to the aggregation chamber lower member 18b.

さらに、集約室下部材18bの底面上に流し込まれたセラミック接着剤の上には、円形薄板状のカバー部材19cが配置され、セラミック接着剤の硬化により集約室下部材18bに固定されている。カバー部材19cには、集約室下部材18bの各挿通穴18cと同様の位置に複数の挿通穴が設けられており、各燃料電池セル16の上端部はセラミック接着剤の層及びカバー部材19cを貫通して延びている。   Further, a circular thin plate-like cover member 19c is disposed on the ceramic adhesive poured on the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b, and is fixed to the aggregation chamber lower member 18b by hardening of the ceramic adhesive. The cover member 19c is provided with a plurality of insertion holes at positions similar to the insertion holes 18c of the aggregation chamber lower member 18b, and the upper end portion of each fuel cell 16 has a ceramic adhesive layer and the cover member 19c. It extends through.

一方、集約室上部材18a上段の側面には、排気集約室18内に集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口18dが設けられている(図4)。各噴出口18dは、集約室上部材18a上段の側面に、等間隔に配置されている。図4に矢印で示すように、発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル16の上端から排気集約室18内に流出し、排気集約室18内で集約された燃料は各噴出口18dから流出し、そこで燃焼される。   On the other hand, the upper side surface of the aggregation chamber upper member 18a is provided with a plurality of jet outlets 18d for ejecting the fuel gas concentrated in the exhaust aggregation chamber 18 (FIG. 4). The respective outlets 18d are arranged at equal intervals on the upper side surface of the aggregation chamber upper member 18a. As shown by arrows in FIG. 4, the remaining fuel that is not used for power generation flows into the exhaust collection chamber 18 from the upper end of each fuel cell 16, and the fuel collected in the exhaust collection chamber 18 It exits from the outlet 18d and is burned there.

また、集約室下部材18bの底面には、略円形の上面部(天板)120aの周縁部から下方に円筒状の側面部120bが延びる形状の、下方が開口したカップ状の包囲部材120が取り付けられている。包囲部材120の下方開口の周縁部は、集約室下部材18bの底面に溶接やセラミック接着剤等により、気密的に連結されている。上面部120aには、中央に略円形の貫通孔120cが形成されており、この貫通孔120cに集約室下部材18bの円筒部が挿入され、この円筒部に貫通孔120cが気密的に連結されている。さらに、包囲部材120の下方開口の周縁部には、周方向に数か所(本実施形態では4箇所)に、切欠き状の連通口120dが形成されている。   Further, on the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b, there is a cup-shaped surrounding member 120 having a cylindrical side surface portion 120b extending downward from a peripheral edge portion of a substantially circular upper surface portion (top plate) 120a. It is attached. The peripheral edge of the lower opening of the surrounding member 120 is airtightly connected to the bottom surface of the aggregation chamber lower member 18b by welding, ceramic adhesive, or the like. A substantially circular through hole 120c is formed at the center of the upper surface portion 120a. The cylindrical portion of the aggregation chamber lower member 18b is inserted into the through hole 120c, and the through hole 120c is airtightly connected to the cylindrical portion. ing. Furthermore, at the peripheral edge of the lower opening of the surrounding member 120, notched communication ports 120d are formed at several locations in the circumferential direction (four locations in the present embodiment).

このような構成により、排気集約室18内は、包囲部材120と集約室下部材18bの底面との間のサブタンク室18Aと、サブタンク室18Aの外部空間であって噴出口18dに連通する連通空間18Bとに区画されている。サブタンク室18Aと連通空間18Bとは、連通口120dにより連通されている。したがって、燃料電池セル16の上端から流出した燃料オフガスは、一旦、サブタンク室18A内に貯留され、その後、サブタンク室18Aの下端部にある連通口120dを通って連通空間18B内へ押し出された後、上方へ移動して噴出口18dから流出する。   With such a configuration, the inside of the exhaust collecting chamber 18 is a communication space that communicates with the sub tank chamber 18A between the surrounding member 120 and the bottom surface of the collecting chamber lower member 18b and the outer space of the sub tank chamber 18A and communicates with the jet outlet 18d. 18B. The sub tank chamber 18A and the communication space 18B are communicated with each other through a communication port 120d. Therefore, after the fuel off gas flowing out from the upper end of the fuel cell 16 is once stored in the sub tank chamber 18A and then pushed out into the communication space 18B through the communication port 120d at the lower end of the sub tank chamber 18A. Then, it moves upward and flows out of the jet outlet 18d.

なお、連通口120dは、サブタンク室18Aの最下部に形成されているが、これに限らず、包囲部材120の側面部120b或いは上面部120aに貫通孔を設けて連通口を形成してもよい。しかしながら、連通口120dは、燃料電池セル16の上端の開口、更には集電体82より鉛直下方に位置することが好ましい。   Although the communication port 120d is formed at the lowermost portion of the sub tank chamber 18A, the communication port may be formed by providing a through hole in the side surface portion 120b or the upper surface portion 120a of the surrounding member 120. . However, it is preferable that the communication port 120d be positioned vertically below the opening at the upper end of the fuel cell 16 and further the current collector 82.

また、複数の連通口120dは、その流路抵抗が、複数の噴出口18dの流路抵抗よりも大きくなるように寸法設計されており、よって、連通口120dによる圧力損失が噴出口18dによる圧力損失よりも大きくなっている。したがって、連通空間18Bから噴出口18dを通って発電室10内へのガスの移動よりも、サブタンク室18Aから連通口120dを通って連通空間18Bへのガスの移動の方が、移動又は流出し難くなっている(逆方向においても同じである)。   In addition, the plurality of communication ports 120d are dimensioned so that the flow resistance of the plurality of communication ports 120d is larger than the flow resistance of the plurality of jet ports 18d. It is bigger than the loss. Therefore, the movement of the gas from the sub tank chamber 18A through the communication port 120d to the communication space 18B moves or flows out, rather than the movement of the gas from the communication space 18B through the jet outlet 18d into the power generation chamber 10. It is difficult (the same is true in the reverse direction).

また、サブタンク室18A内において、各燃料電池セル16の上端部には集電体82が取り付けられている。集電体82は、燃料電池セル16の電極層に電気的に接続されており、本実施形態では、この電極層は燃料電池セル16を構成する管状の多孔質支持体の表面に順に積層された燃料極層,電解質層,空気極層のうち、最下層の燃料極層と同じ材料で形成されている。さらに、各燃料電池セル16の上端部には、複数の酸素吸着材130aが取り付けられている。酸素吸着材130aは、高温状態で酸化雰囲気において酸化し(即ち、空気中の酸素を吸着し)、還元雰囲気において水素により還元される(即ち、水素と反応して酸素を放出する)ものであり、集電体82と同じ部材とすることができる(例えば、ニッケル、チタン)。ただし、酸素吸着材130aは、燃料電池セル16の上端部において、空気極層を取り除いて露出した電解質層に取り付けられている。   A current collector 82 is attached to the upper end of each fuel cell 16 in the sub tank chamber 18A. The current collector 82 is electrically connected to the electrode layer of the fuel battery cell 16. In this embodiment, this electrode layer is sequentially laminated on the surface of the tubular porous support that constitutes the fuel battery cell 16. Of the fuel electrode layer, the electrolyte layer, and the air electrode layer, the same material as that of the lowermost fuel electrode layer is formed. Further, a plurality of oxygen adsorbents 130 a are attached to the upper end portion of each fuel battery cell 16. The oxygen adsorbent 130a is oxidized in an oxidizing atmosphere at a high temperature (that is, adsorbs oxygen in the air) and is reduced by hydrogen in a reducing atmosphere (that is, reacts with hydrogen and releases oxygen). , And the same member as the current collector 82 (for example, nickel, titanium). However, the oxygen adsorbent 130a is attached to the electrolyte layer exposed by removing the air electrode layer at the upper end portion of the fuel battery cell 16.

さらに、連通空間18B内において、集約室上部材18aの側壁の内側面,包囲部材120の側面部120bの外側面に、それぞれ円筒状の酸素吸着材130b,130cが取り付けられている。また、包囲部材120の上面部120aの上面には、中央に貫通孔が形成された略円環形状の酸素吸着材130dが配置されている。この酸素吸着材130dは、周方向に配置された噴出口18dの近傍に沿って、これら噴出口18dに包囲されるように配置されている。これら酸素吸着材130b,130c,130dも、酸素吸着材130aと同様の材料で形成されている。
なお、サブタンク室18A及び連通空間18B内において、酸素吸着材をさらに別の位置に配置してもよい。また、酸素吸着材として、金属プレートの形状ではなく、粉体形状、多孔質形状等としてもよい。この場合、側壁等にセラミック接着剤等により固定することができる。
Further, in the communication space 18B, cylindrical oxygen adsorbents 130b and 130c are attached to the inner side surface of the side wall of the aggregation chamber upper member 18a and the outer side surface of the side surface portion 120b of the surrounding member 120, respectively. Further, a substantially annular oxygen adsorbent 130d having a through hole formed in the center is disposed on the upper surface of the upper surface portion 120a of the surrounding member 120. The oxygen adsorbent 130d is arranged so as to be surrounded by the jet outlets 18d along the vicinity of the jet outlets 18d arranged in the circumferential direction. These oxygen adsorbents 130b, 130c, and 130d are also formed of the same material as the oxygen adsorbent 130a.
In addition, you may arrange | position an oxygen adsorption material in another position in 18 A of subtank chambers, and the communication space 18B. Further, the oxygen adsorbent may be a powder shape, a porous shape, or the like instead of a metal plate shape. In this case, it can be fixed to the side wall or the like with a ceramic adhesive or the like.

次に、図2を参照して、燃料供給源30から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路20の下部には、水蒸気改質用の水蒸気を生成するための蒸発部86が設けられている。蒸発部86は、外側円筒部材66の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板86a及び水供給パイプ88から構成されている。また、蒸発部86は、排ガス排出流路21内に配置されたシースヒーター61と、排気ガス室23内に配置された断熱材板状部73aとの間に配置されている。傾斜板86aは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材66の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板86aの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板86aの内周縁と、内側円筒部材64の外壁面との間には隙間が設けられている。
Next, a configuration for reforming the raw fuel gas supplied from the fuel supply source 30 will be described with reference to FIG.
First, an evaporating section 86 for generating steam for steam reforming is provided in the lower part of the fuel gas supply flow path 20 formed by a space between the inner cylindrical member 64 and the outer cylindrical member 66. . The evaporation unit 86 includes a ring-shaped inclined plate 86 a attached to the lower inner periphery of the outer cylindrical member 66 and a water supply pipe 88. The evaporation unit 86 is disposed between the sheath heater 61 disposed in the exhaust gas discharge passage 21 and the heat insulating material plate-shaped portion 73 a disposed in the exhaust gas chamber 23. The inclined plate 86 a is a metal thin plate formed in a ring shape, and its outer peripheral edge is attached to the inner wall surface of the outer cylindrical member 66. On the other hand, the inner peripheral edge of the inclined plate 86 a is positioned above the outer peripheral edge, and a gap is provided between the inner peripheral edge of the inclined plate 86 a and the outer wall surface of the inner cylindrical member 64.

水供給パイプ88は内側円筒部材64の下端から燃料ガス供給流路20内に鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット28から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ88を介して蒸発部86に供給される。水供給パイプ88の上端は、傾斜板86aを貫通して傾斜板86aの上面側まで延び、傾斜板86aの上面側に供給された水は、傾斜板86aの上面と外側円筒部材66の内壁面の間に留まる。傾斜板86aの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。   The water supply pipe 88 is a pipe that extends in the vertical direction from the lower end of the inner cylindrical member 64 into the fuel gas supply flow path 20, and the water for steam reforming supplied from the water flow rate adjustment unit 28 passes through the water supply pipe 88. To the evaporation unit 86. The upper end of the water supply pipe 88 passes through the inclined plate 86a and extends to the upper surface side of the inclined plate 86a, and the water supplied to the upper surface side of the inclined plate 86a is the upper surface of the inclined plate 86a and the inner wall surface of the outer cylindrical member 66. Stay between. The water supplied to the upper surface side of the inclined plate 86a is evaporated there to generate water vapor.

また、蒸発部86の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路20内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア38から送られた原燃料ガスは、脱硫器36及び燃料ガス供給パイプ90を介して燃料ガス供給流路20に導入される。燃料ガス供給パイプ90は内側円筒部材64の下端から燃料ガス供給流路20内に鉛直方向に延びるパイプである。また、燃料ガス供給パイプ90の上端は、傾斜板86aよりも下方に位置している。燃料ガス供給パイプ90から流出した原燃料ガスは、傾斜板86aの下側に導入され、傾斜板86aの傾斜により流路を絞られながら傾斜板86aの上側へ上昇する。傾斜板86aの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部86で生成された水蒸気と共に上昇しながら、十分に混合される。   A fuel gas introduction part for introducing the raw fuel gas into the fuel gas supply channel 20 is provided below the evaporation part 86. The raw fuel gas sent from the fuel blower 38 is introduced into the fuel gas supply passage 20 through the desulfurizer 36 and the fuel gas supply pipe 90. The fuel gas supply pipe 90 is a pipe extending vertically from the lower end of the inner cylindrical member 64 into the fuel gas supply flow path 20. Further, the upper end of the fuel gas supply pipe 90 is positioned below the inclined plate 86a. The raw fuel gas flowing out from the fuel gas supply pipe 90 is introduced to the lower side of the inclined plate 86a and rises to the upper side of the inclined plate 86a while the flow path is narrowed by the inclination of the inclined plate 86a. The raw fuel gas that has risen to the upper side of the inclined plate 86a is sufficiently mixed while rising together with the water vapor generated in the evaporation section 86.

さらに、中間円筒部材65の上部、内周側及び外周側の円環状の空間には、改質部94が設けられている。改質部94は、各燃料電池セル16の上部と、その上方の排気集約室18の周囲を取り囲むように配置されている。改質部94は、内側円筒部材64の外壁面及び中間円筒部材65の外壁面に取り付けられた触媒保持板(図示せず)と、これにより保持された改質触媒96によって構成されている。   Furthermore, a reforming portion 94 is provided in the annular space on the upper, inner and outer peripheral sides of the intermediate cylindrical member 65. The reforming part 94 is arranged so as to surround the upper part of each fuel battery cell 16 and the periphery of the exhaust collecting chamber 18 above it. The reforming unit 94 includes a catalyst holding plate (not shown) attached to the outer wall surface of the inner cylindrical member 64 and the outer wall surface of the intermediate cylindrical member 65, and the reforming catalyst 96 held thereby.

原燃料ガスと水蒸気の混合ガスは、中間円筒部材65の外周と外側円筒部材66の内周の間の流路を上方に流れた後、折り返して、内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の流路を下方に流れる。改質部94内に充填された改質触媒96に、混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部94内においては、式(1)に示す水蒸気改質反応SRが進行する。
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
The mixed gas of the raw fuel gas and the water vapor flows upward in the flow path between the outer periphery of the intermediate cylindrical member 65 and the inner periphery of the outer cylindrical member 66 and then turns back to return to the outer periphery of the inner cylindrical member 64 and the intermediate cylindrical member 65. Flows downward in the flow path between the inner peripheries. When the mixed raw fuel gas and water vapor come into contact with the reforming catalyst 96 filled in the reforming section 94, the steam reforming reaction SR shown in the formula (1) proceeds in the reforming section 94.
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)

この水蒸気改質反応SRにより、原燃料ガスは、水素が豊富に含まれる燃料ガスに改質される。改質部94において改質された燃料ガスは、中間円筒部材65の内周と内側円筒部材64の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室76に流入して、各燃料電池セル16に供給される。水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室18から流出するオフガスの燃焼熱、及び各燃料電池セル16において発生する発電熱により供給される。   By this steam reforming reaction SR, the raw fuel gas is reformed into a fuel gas rich in hydrogen. The fuel gas reformed in the reforming section 94 flows downward in the space between the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 and the outer periphery of the inner cylindrical member 64, flows into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell. 16 is supplied. Although the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the heat required for the reaction is supplied by the combustion heat of off-gas flowing out from the exhaust collecting chamber 18 and the generated heat generated in each fuel cell 16.

次に、図6を参照して、燃料電池セル16について説明する。
本発明の実施形態による燃料電池モジュール2においては、燃料電池セル16として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル16上には、複数の単セル16aが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより1本の燃料電池セル16が構成されている。各燃料電池セル16は、その一端がアノード(陽極)、他端がカソード(陰極)となるように構成され、複数の燃料電池セル16のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
Next, the fuel battery cell 16 will be described with reference to FIG.
In the fuel cell module 2 according to the embodiment of the present invention, a cylindrical horizontal stripe cell using a solid oxide is employed as the fuel cell 16. On each fuel cell 16, a plurality of single cells 16a are formed in a horizontal stripe shape, and one fuel cell 16 is configured by electrically connecting them in series. Each fuel cell 16 is configured such that one end thereof is an anode (anode) and the other end is a cathode (cathode), and half of the plurality of fuel cells 16 has an upper end as an anode and a lower end as a cathode. The other half are arranged so that the upper end is a cathode and the lower end is an anode.

図6(a)は、下端がカソードにされている燃料電池セル16の下端部を拡大して示す断面図であり、図6(b)は、下端がアノードにされている燃料電池セル16の下端部を拡大して示す断面図である。   FIG. 6A is an enlarged cross-sectional view showing a lower end portion of the fuel battery cell 16 whose lower end is a cathode, and FIG. 6B is a cross-sectional view of the fuel battery cell 16 whose lower end is an anode. It is sectional drawing which expands and shows a lower end part.

図6に示すように、燃料電池セル16は、細長い円筒状の多孔質支持体97と、この多孔質支持体97の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。多孔質支持体97の周囲には、内側から順に、燃料極層98、反応抑制層99、固体電解質層100、空気極層101が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料ガス分散室76を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル16の多孔質支持体97の内部を流れ、酸化剤ガス噴射用パイプ74から噴射された空気は、空気極層101の外側を流れる。燃料電池セル16上に形成された各単セル16aは、一組の燃料極層98、反応抑制層99、固体電解質層100、及び空気極層101から構成されている。1つの単セル16aの燃料極層98は、インターコネクタ層102を介して、隣接する単セル16aの空気極層101に電気的に接続されている。これにより、1本の燃料電池セル16上に形成された複数の単セル16aが、電気的に直列に接続される。   As shown in FIG. 6, the fuel cell 16 is formed of an elongated cylindrical porous support body 97 and a plurality of layers formed in a horizontal stripe pattern on the outside of the porous support body 97. Around the porous support 97, a fuel electrode layer 98, a reaction suppression layer 99, a solid electrolyte layer 100, and an air electrode layer 101 are formed in a horizontal stripe shape in order from the inside. For this reason, the fuel gas supplied through the fuel gas dispersion chamber 76 flows inside the porous support body 97 of each fuel battery cell 16, and the air injected from the oxidant gas injection pipe 74 is the air electrode. It flows outside the layer 101. Each single cell 16 a formed on the fuel cell 16 is composed of a set of fuel electrode layer 98, reaction suppression layer 99, solid electrolyte layer 100, and air electrode layer 101. The fuel electrode layer 98 of one single cell 16 a is electrically connected to the air electrode layer 101 of the adjacent single cell 16 a via the interconnector layer 102. Thereby, the several single cell 16a formed on the one fuel cell 16 is electrically connected in series.

図6(a)に示すように、燃料電池セル16のカソード側端部には、多孔質支持体97の外周に電極層103aが形成され、この電極層103aの外側にリード膜層104aが形成されている。カソード側端部においては、端部に位置する単セル16aの空気極層101と電極層103aが、インターコネクタ層102により電気的に接続されている。これらの電極層103a及びリード膜層104aは、燃料電池セル16端部において第1固定部材63を貫通し、第1固定部材63よりも下方に突出するように形成されている。電極層103aは、リード膜層104aよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層103aに集電体82が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル16aの空気極層101がインターコネクタ層102、電極層103aを介して集電体82に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第1固定部材63の挿通穴63aの縁とリード膜層104aの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル16は、リード膜層104aの外周で第1固定部材63に固定される。   As shown in FIG. 6A, an electrode layer 103a is formed on the outer periphery of the porous support 97 at the cathode side end of the fuel battery cell 16, and a lead film layer 104a is formed outside the electrode layer 103a. Has been. At the cathode side end, the air electrode layer 101 and the electrode layer 103a of the single cell 16a located at the end are electrically connected by the interconnector layer 102. The electrode layer 103 a and the lead film layer 104 a are formed so as to penetrate the first fixing member 63 at the end portion of the fuel cell 16 and protrude downward from the first fixing member 63. The electrode layer 103a is formed below the lead film layer 104a, and the current collector 82 is electrically connected to the electrode layer 103a exposed to the outside. As a result, the air electrode layer 101 of the single cell 16a located at the end is connected to the current collector 82 via the interconnector layer 102 and the electrode layer 103a, and current flows as shown by the arrows in the figure. Further, a gap between the edge of the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and the lead film layer 104a is filled with a ceramic adhesive, and the fuel cell 16 is fixed first on the outer periphery of the lead film layer 104a. It is fixed to the member 63.

図6(b)に示すように、燃料電池セル16のアノード側端部においては、端部に位置する単セル16aの燃料極層98が延長されており、燃料極層98の延長部が電極層103bとして機能する。電極層103bの外側にはリード膜層104bが形成されている。これらの電極層103b及びリード膜層104bは、燃料電池セル16端部において第1固定部材63を貫通し、第1固定部材63よりも下方に突出するように形成されている。電極層103bは、リード膜層104bよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層103bに集電体82が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル16aの燃料極層98が、一体的に形成された電極層103bを介して集電体82に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第1固定部材63の挿通穴63aの縁とリード膜層104bの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル16は、リード膜層104bの外周で第1固定部材63に固定される。   As shown in FIG. 6B, at the anode side end of the fuel battery cell 16, the fuel electrode layer 98 of the single cell 16a located at the end is extended, and the extension of the fuel electrode layer 98 is the electrode. It functions as the layer 103b. A lead film layer 104b is formed outside the electrode layer 103b. The electrode layer 103 b and the lead film layer 104 b are formed so as to penetrate the first fixing member 63 at the end portion of the fuel cell 16 and protrude downward from the first fixing member 63. The electrode layer 103b is formed below the lead film layer 104b, and the current collector 82 is electrically connected to the electrode layer 103b exposed to the outside. As a result, the fuel electrode layer 98 of the single cell 16a located at the end is connected to the current collector 82 via the electrode layer 103b formed integrally, and a current flows as shown by an arrow in the figure. Further, a gap between the edge of the insertion hole 63a of the first fixing member 63 and the lead film layer 104b is filled with a ceramic adhesive, and the fuel cell 16 is first fixed on the outer periphery of the lead film layer 104b. It is fixed to the member 63.

図6(a)(b)においては、各燃料電池セル16の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル16の上端部における構成も同様である。なお、上端部においては、各燃料電池セル16は、排気集約室18の集約室下部材18bに固定されているが、固定部分の構成は下端部における第1固定部材63に対する固定と同様である。   6A and 6B, the configuration of the lower end portion of each fuel cell 16 has been described, but the configuration of the upper end portion of each fuel cell 16 is also the same. In the upper end portion, each fuel cell 16 is fixed to the aggregation chamber lower member 18b of the exhaust aggregation chamber 18, but the configuration of the fixed portion is the same as the fixing to the first fixing member 63 in the lower end portion. .

次に、多孔質支持体97及び各層の構成を説明する。
多孔質支持体97は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層98は、本実施形態においては、NiO粉末及び10YSZ(10mol%Y23−90mol%ZrO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
Next, the structure of the porous support body 97 and each layer is demonstrated.
In the present embodiment, the porous support body 97 is formed by extruding and sintering a mixture of forsterite powder and a binder.
In this embodiment, the fuel electrode layer 98 is a conductive thin film composed of a mixture of NiO powder and 10YSZ (10 mol% Y 2 O 3 -90 mol% ZrO 2 ) powder.

反応抑制層99は、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物(LDC40。すなわち、40mol%のLa23−60mol%のCeO2)等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層98と固体電解質層100の間の化学反応を抑制している。
固体電解質層100は、本実施形態においては、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.23の組成のLSGM粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層100を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。
In the present embodiment, the reaction suppression layer 99 is a thin film composed of a cerium-based composite oxide (LDC 40, that is, 40 mol% La 2 O 3 -60 mol% CeO 2 ). The chemical reaction between the layer 98 and the solid electrolyte layer 100 is suppressed.
In the present embodiment, the solid electrolyte layer 100 is a thin film made of LSGM powder having a composition of La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . Electric energy is generated by the reaction between oxide ions and hydrogen or carbon monoxide through the solid electrolyte layer 100.

空気極層101は、本実施形態においては、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.23の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層102は、本実施形態においては、SLT(ランタンドープストロンチウムチタネート)により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル16上の隣接する単セル16aはインターコネクタ層102を介して接続される。
電極層103a、103bは、本実施形態においては、燃料極層98と同一の材料で形成されている。
リード膜層104a、104bは、本実施形態においては、固体電解質層100と同一の材料で形成されている。
In this embodiment, the air electrode layer 101 is a conductive thin film made of powder having a composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 .
In this embodiment, the interconnector layer 102 is a conductive thin film made of SLT (lanthanum-doped strontium titanate). Adjacent single cells 16 a on the fuel cell 16 are connected via the interconnector layer 102.
The electrode layers 103a and 103b are formed of the same material as the fuel electrode layer 98 in the present embodiment.
In this embodiment, the lead film layers 104a and 104b are made of the same material as that of the solid electrolyte layer 100.

次に、図1及び図2を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1の作用を説明する。
まず、固体酸化物型燃料電池装置1の起動工程において、燃料ブロア38が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター61への通電が開始される。シースヒーター61への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒器60が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部86も加熱される。燃料ブロア38により供給された燃料は、脱硫器36を介して、燃料ガス供給パイプ90から燃料ガス供給流路20に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路20内を上昇して改質部94に至り、次いで改質部94内を下降し、内側円筒部材64の下部に設けられた多数の小穴64bを通って燃料ガス分散室76に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置1の起動直後においては、改質部94内の改質触媒96の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。
Next, with reference to FIG.1 and FIG.2, the effect | action of the solid oxide fuel cell apparatus 1 is demonstrated.
First, in the starting process of the solid oxide fuel cell device 1, the fuel blower 38 is started, fuel supply is started, and energization to the sheath heater 61 is started. When energization of the sheath heater 61 is started, the combustion catalyst 60 disposed above the sheath heater 61 is heated, and the evaporator 86 disposed inside is also heated. The fuel supplied by the fuel blower 38 flows into the fuel gas supply channel 20 from the fuel gas supply pipe 90 via the desulfurizer 36. The inflowed fuel ascends in the fuel gas supply flow path 20 to reach the reforming portion 94, then descends in the reforming portion 94, and passes through a number of small holes 64b provided in the lower portion of the inner cylindrical member 64. It flows into the fuel gas dispersion chamber 76. Immediately after the solid oxide fuel cell device 1 is started, the temperature of the reforming catalyst 96 in the reforming unit 94 has not risen sufficiently, so that fuel reforming is not performed.

燃料ガス分散室76に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室76の第1固定部材63に取り付けられた各燃料電池セル16の内側(燃料極側)を通って排気集約室18に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置1の起動直後においては、各燃料電池セル16の温度が十分に上昇しておらず、また、インバータ54への電力の取り出しも行われていないため、発電反応は発生しない。   The fuel gas that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 flows into the exhaust collection chamber 18 through the inside (fuel electrode side) of each fuel cell 16 attached to the first fixing member 63 of the fuel gas dispersion chamber 76. Immediately after the start of the solid oxide fuel cell device 1, the temperature of each fuel cell 16 has not risen sufficiently, and power is not taken out to the inverter 54. Does not occur.

排気集約室18に流入した燃料は、排気集約室18の噴出口18dから噴出される。噴出口18dから噴出された燃料は、点火ヒーター(図示せず)により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、排気集約室18の周囲に配置された改質部94が加熱される。また、燃焼により生成された排気ガスは、内側円筒部材64の上部に設けられた小穴64aを通って排ガス排出流路21に流入する。高温の排気ガスは、排ガス排出流路21内を下降し、その内側に設けられた燃料ガス供給流路20を流れる燃料、外側に設けられた酸化剤ガス供給流路22内を流れる発電用の空気を加熱する。さらに、排気ガスは、排ガス排出流路21内に配置された燃焼触媒器60を通ることにより一酸化炭素が除去される。一酸化炭素が除去された排気ガスは、排気ガス横断通路23aを通って半径方向内方に流れ、排気ガス室23に流入する。排気ガス室23に流入した排気ガスは、排気ガス室23内に配置された脱硫器36を加熱し、排ガス排出パイプ58を通って燃料電池モジュールから排出される。   The fuel that has flowed into the exhaust aggregation chamber 18 is ejected from the ejection port 18 d of the exhaust aggregation chamber 18. The fuel ejected from the ejection port 18d is ignited by an ignition heater (not shown) and burned there. Due to this combustion, the reforming section 94 disposed around the exhaust aggregation chamber 18 is heated. Further, the exhaust gas generated by the combustion flows into the exhaust gas discharge passage 21 through the small hole 64 a provided in the upper part of the inner cylindrical member 64. The high-temperature exhaust gas descends in the exhaust gas discharge passage 21 and is used for power generation that flows in the fuel gas supply passage 20 provided on the inside and the oxidant gas supply passage 22 provided on the outside. Heat the air. Further, the carbon monoxide is removed from the exhaust gas by passing through the combustion catalyst device 60 disposed in the exhaust gas discharge passage 21. The exhaust gas from which the carbon monoxide has been removed flows radially inward through the exhaust gas crossing passage 23 a and flows into the exhaust gas chamber 23. The exhaust gas flowing into the exhaust gas chamber 23 heats the desulfurizer 36 disposed in the exhaust gas chamber 23 and is discharged from the fuel cell module through the exhaust gas discharge pipe 58.

排気ガス及びシースヒーター61により蒸発部86が加熱されると、蒸発部86に供給された水蒸気改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。水蒸気改質用の水は、水流量調整ユニット28により、水供給パイプ88を介して燃料電池セル収容容器8内の蒸発部86に供給される。蒸発部86で生成された水蒸気と、燃料ガス供給パイプ90を介して供給された原燃料ガスは、燃料ガス供給流路20内で十分に混合される。
なお、蒸発部86は、シースヒーター61に隣接して配置されているため、起動後早期に温度が上昇し、水蒸気を生成できる状態となる。また、蒸発部86は、シースヒーター61と断熱材板状部73aの間に配置されているため、シースヒーター61の熱が逃げにくく、早期に温度上昇する。さらに、蒸発部86の下方、近傍には排気ガス横断通路23aが設けられているため、蒸発部86は排気ガス横断通路23a内を流れる排気ガスの熱によっても加熱される。
When the evaporation section 86 is heated by the exhaust gas and the sheath heater 61, the water for steam reforming supplied to the evaporation section 86 is evaporated and steam is generated. The water for steam reforming is supplied by the water flow rate adjusting unit 28 to the evaporation unit 86 in the fuel cell storage container 8 through the water supply pipe 88. The water vapor generated by the evaporator 86 and the raw fuel gas supplied via the fuel gas supply pipe 90 are sufficiently mixed in the fuel gas supply flow path 20.
In addition, since the evaporation part 86 is arrange | positioned adjacent to the sheath heater 61, it will be in the state which temperature rises early after starting and can produce | generate water vapor | steam. Moreover, since the evaporation part 86 is arrange | positioned between the sheath heater 61 and the heat insulating plate-shaped part 73a, the heat | fever of the sheath heater 61 cannot escape easily and temperature rises early. Further, since the exhaust gas crossing passage 23a is provided below and in the vicinity of the evaporation unit 86, the evaporation unit 86 is also heated by the heat of the exhaust gas flowing in the exhaust gas crossing passage 23a.

混合された原燃料ガス及び水蒸気は、燃料ガス供給流路20内を上昇し、改質部94に流入する。改質部94の改質触媒96が改質可能な温度まで上昇している状態においては、原燃料ガス及び水蒸気の混合気が改質部94を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合気が水素を多く含む燃料ガスに改質される。改質された燃料ガスは、小穴64bを通って燃料ガス分散室76に流入する。燃料ガス分散室76に流入した水素を豊富に含む燃料ガスは、各燃料電池セル16に流入する一方、一部が水素取出管92を通って燃料電池モジュール2の外へ取り出される。   The mixed raw fuel gas and water vapor rise in the fuel gas supply channel 20 and flow into the reforming unit 94. In a state where the reforming catalyst 96 of the reforming section 94 has risen to a temperature at which reforming is possible, when the mixture of raw fuel gas and steam passes through the reforming section 94, a steam reforming reaction occurs, The air-fuel mixture is reformed to a fuel gas containing a large amount of hydrogen. The reformed fuel gas flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the small hole 64b. The fuel gas containing abundant hydrogen that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 flows into each fuel cell 16, while a part thereof is taken out of the fuel cell module 2 through the hydrogen extraction pipe 92.

取り出された燃料ガス(水素)は、補機ユニット4の凝縮器33に導入され、ここで、混合されている水蒸気が除去される。水蒸気が除去された燃料ガス(水素)は、オリフィス34、及び電磁弁35を通って、燃料ブロア38の上流側で原燃料ガスに添加される。水素が添加された原燃料ガスは、燃料ブロア38により脱硫器36に送り込まれる。排気ガス室23内の脱硫器36が排気ガスにより所定温度まで加熱された状態においては、原燃料ガス中の硫黄成分が、添加された水素と脱硫触媒により反応され、除去される。なお、本実施形態においては、脱硫器36内の脱硫触媒は、約200〜300℃に加熱された状態において触媒作用する。脱硫器36において硫黄成分を除去された原燃料ガスは、上述したように、燃料ガス供給パイプ90を通って燃料ガス供給流路20に流入する。   The taken-out fuel gas (hydrogen) is introduced into the condenser 33 of the auxiliary unit 4 where the mixed water vapor is removed. The fuel gas (hydrogen) from which the water vapor has been removed passes through the orifice 34 and the electromagnetic valve 35 and is added to the raw fuel gas upstream of the fuel blower 38. The raw fuel gas to which hydrogen is added is sent to the desulfurizer 36 by the fuel blower 38. In a state where the desulfurizer 36 in the exhaust gas chamber 23 is heated to a predetermined temperature by the exhaust gas, the sulfur component in the raw fuel gas is reacted with the added hydrogen and the desulfurization catalyst and removed. In the present embodiment, the desulfurization catalyst in the desulfurizer 36 catalyzes when heated to about 200 to 300 ° C. The raw fuel gas from which the sulfur component has been removed in the desulfurizer 36 flows into the fuel gas supply channel 20 through the fuel gas supply pipe 90 as described above.

一方、燃料ガス分散室76から各燃料電池セル16に流入した改質された燃料ガスは、各燃料電池セル16の内部(燃料極側)を上昇する。なお、燃料ガス分散室76の小穴64bは、その周囲に多数設けられ、燃料ガス分散室76として十分な容積が確保されているため、改質された燃料は、燃料ガス分散室76内に突出している各燃料電池セル16に均等に流入する。   On the other hand, the reformed fuel gas flowing into each fuel cell 16 from the fuel gas dispersion chamber 76 rises inside each fuel cell 16 (fuel electrode side). The small holes 64 b of the fuel gas dispersion chamber 76 are provided around the periphery, and a sufficient volume is secured as the fuel gas dispersion chamber 76, so that the reformed fuel protrudes into the fuel gas dispersion chamber 76. Evenly flows into each fuel cell 16.

一方、空気流量調整ユニット45により供給された酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス導入パイプ56を介して酸化剤ガス供給流路22に流入する。酸化剤ガス供給流路22に流入した空気は、内側を流れる排気ガスにより加熱されながら酸化剤ガス供給流路22内を上昇する。酸化剤ガス供給流路22内を上昇した空気は、燃料電池セル収容容器8内の上端部で中央に集められ、酸化剤ガス供給流路22に連通された酸化剤ガス噴射用パイプ74に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ74に流入した空気は下端から発電室10内に噴射され、噴射された空気は第1固定部材63の上面に当たって発電室10内全体に広がる。発電室10内に流入した空気は、排気集約室18の外周壁と内側円筒部材64の内周壁の間の隙間、及び排気集約室18の内周壁と酸化剤ガス噴射用パイプ74の外周面の間の隙間を通って上昇する。   On the other hand, the air, which is the oxidant gas supplied by the air flow rate adjusting unit 45, flows into the oxidant gas supply passage 22 through the oxidant gas introduction pipe 56. The air flowing into the oxidant gas supply channel 22 rises in the oxidant gas supply channel 22 while being heated by the exhaust gas flowing inside. The air rising in the oxidant gas supply passage 22 is collected at the center at the upper end portion in the fuel cell storage container 8 and flows into the oxidant gas injection pipe 74 communicated with the oxidant gas supply passage 22. To do. The air flowing into the oxidant gas injection pipe 74 is injected into the power generation chamber 10 from the lower end, and the injected air hits the upper surface of the first fixing member 63 and spreads throughout the power generation chamber 10. The air that has flowed into the power generation chamber 10 flows into the gap between the outer peripheral wall of the exhaust collecting chamber 18 and the inner peripheral wall of the inner cylindrical member 64, and between the inner peripheral wall of the exhaust collecting chamber 18 and the outer peripheral surface of the oxidizing gas injection pipe 74. Ascend through the gaps in between.

この際、各燃料電池セル16の外側(空気極側)を通って流れる空気の一部は発電反応に利用される。また、排気集約室18の上方に上昇した空気の一部は、排気集約室18の噴出口18dから噴出する燃料の燃焼に利用される。燃焼により生成された排気ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った空気は、小穴64aを通って排ガス排出流路21に流入する。排ガス排出流路21に流入した排気ガス及び空気は、燃焼触媒器60により一酸化炭素が除去された後、排出される。   At this time, a part of the air flowing through the outside (air electrode side) of each fuel cell 16 is used for the power generation reaction. Further, a part of the air that has risen above the exhaust aggregation chamber 18 is used for the combustion of fuel ejected from the ejection port 18d of the exhaust aggregation chamber 18. Exhaust gas generated by the combustion and air remaining without being used for power generation and combustion flow into the exhaust gas discharge passage 21 through the small hole 64a. The exhaust gas and air that have flowed into the exhaust gas discharge passage 21 are discharged after carbon monoxide is removed by the combustion catalyst 60.

このように、各燃料電池セル16が発電可能な温度である650℃程度まで上昇し、各燃料電池セル16の内側(燃料極側)に改質された燃料が流れ、外側(空気極側)に空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池セル収容容器8から引き出されているバスバー80にインバータ54が接続されると、各燃料電池セル16から電力が取り出され、発電が行われる。   In this way, the temperature rises to about 650 ° C., which is the temperature at which each fuel cell 16 can generate electricity, and the reformed fuel flows inside each fuel cell 16 (fuel electrode side) and outside (air electrode side). When air flows through the chamber, an electromotive force is generated by a chemical reaction. In this state, when the inverter 54 is connected to the bus bar 80 drawn out from the fuel cell storage container 8, electric power is taken out from each fuel cell 16 to generate power.

次に、図7及び図8を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1における停止処理を時系列に沿って説明する。
図7は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置1において、シャットダウン停止が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図8は、図7のシャットダウン停止直後の状態を拡大して示すタイムチャートである。
Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, the stop process in the solid oxide fuel cell device 1 will be described in time series.
FIG. 7 is a time chart schematically showing an example of the stop behavior when the shutdown stop is executed in the solid oxide fuel cell device 1 according to the embodiment of the present invention. FIG. 8 is an enlarged time chart showing a state immediately after the shutdown stop in FIG.

図8に示すタイムチャートの例では、時刻t101において、使用者により停止スイッチが操作され、停止前制御が開始されている。固体酸化物型燃料電池装置1の制御部(停止前処理回路)が以下の停止前制御を実行する。停止前制御においては、まず、燃料電池モジュール2による外部への出力が停止される。これにより、図8に細い一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール2から取り出される電流、電力が急速に低下する。なお、停止前制御においては、燃料電池モジュール2から外部への電流出力は停止されるが、固体酸化物型燃料電池装置1の補機ユニット4を作動させるための一定の微弱な電流(1A程度)の取り出しは、所定期間に亘って継続される。このため、時刻t101において発電電流が大幅に低下した後も、停止前制御中においては燃料電池モジュール2から微弱な電流が取り出される。また、図8に破線で示すように、燃料電池モジュール2の出力電圧は、取り出される電流の低下と共に上昇する。このように、停止前制御中において、電力の取り出し量を制限し、微弱な電流を取り出しながら所定電力の発電を継続することにより、供給された燃料の一部が発電に使用されるため、発電に使用されずに残る余剰燃料の著しい増加が回避され、燃料電池モジュール2内の温度が低下される。   In the example of the time chart shown in FIG. 8, the stop switch is operated by the user at time t101, and the pre-stop control is started. The control unit (pre-stop processing circuit) of the solid oxide fuel cell device 1 executes the following pre-stop control. In the pre-stop control, first, output to the outside by the fuel cell module 2 is stopped. As a result, as indicated by a thin one-dot chain line in FIG. 8, the current and power taken out from the fuel cell module 2 rapidly decrease. In the pre-stop control, the current output from the fuel cell module 2 to the outside is stopped, but a certain weak current (about 1 A) for operating the auxiliary unit 4 of the solid oxide fuel cell device 1 is stopped. ) Is continued for a predetermined period. For this reason, a weak current is taken out from the fuel cell module 2 during the pre-stop control even after the generated current significantly decreases at time t101. Further, as indicated by a broken line in FIG. 8, the output voltage of the fuel cell module 2 increases with a decrease in the extracted current. In this way, during the pre-stop control, by limiting the amount of power to be extracted and continuing the power generation with a predetermined power while extracting a weak current, a part of the supplied fuel is used for power generation. Thus, a significant increase in surplus fuel that remains unused is avoided, and the temperature in the fuel cell module 2 is lowered.

さらに、停止前制御においては、時刻t101の後、図8に点線で示す燃料供給量、及び細い実線で示す改質用の水の供給量が直線的に低下される。一方、太い一点鎖線で示す発電用の空気供給量は直線的に増加される。従って、停止前制御中においては、燃料電池モジュール2から取り出される電力に対応した量よりも多くの空気が供給される。このように、空気供給量を増加させることにより、改質部94から熱を奪い、燃料電池モジュール2内の温度上昇を抑制している。続いて、図8に示す例では、時刻t101から約20秒後の時刻t102において、燃料供給量及び水供給量が、燃料電池モジュール2から取り出されている微弱な電流に対応した供給量まで低下され、その後、低下された供給量が維持される。このように、停止前制御として、燃料供給量及び水供給量を低下させておくことにより、燃料供給の完全停止時に大流量の燃料が急激に停止されることによる燃料電池モジュール2内の気流の乱れや、燃料供給の完全停止後における大量の燃料の改質部94、燃料ガス分散室76内への残留を防止している。なお、時刻t101の後、燃料供給量を減少させ、空気供給量を増加させることにより、図8に太い実線で示す燃料電池モジュール2内の空気極側の空気の温度は低下される。しかしながら、燃料電池モジュール2を取り囲む断熱材7等には依然として大量の熱量が蓄積されている。また、停止前制御中においては、外部への電流出力は停止されているものの、燃料及び水の供給が継続されているため、発電用の空気の供給を継続しても、排気集約室18を介して各燃料電池セル16内部の燃料極側へ空気が進入することはない。従って、安全に空気の供給を継続することができる。   Further, in the pre-stop control, after time t101, the fuel supply amount indicated by the dotted line in FIG. 8 and the supply amount of reforming water indicated by the thin solid line are linearly reduced. On the other hand, the air supply amount for power generation indicated by a thick dashed line is increased linearly. Therefore, during the pre-stop control, more air is supplied than the amount corresponding to the electric power extracted from the fuel cell module 2. In this way, by increasing the air supply amount, heat is taken from the reforming unit 94 and the temperature rise in the fuel cell module 2 is suppressed. Subsequently, in the example shown in FIG. 8, at time t <b> 102 about 20 seconds after time t <b> 101, the fuel supply amount and the water supply amount are reduced to the supply amount corresponding to the weak current extracted from the fuel cell module 2. And then the reduced supply is maintained. As described above, as the pre-stop control, by reducing the fuel supply amount and the water supply amount, the air flow in the fuel cell module 2 caused by the rapid stop of the large flow rate of fuel when the fuel supply is completely stopped. It prevents turbulence and a large amount of fuel remaining in the reforming section 94 and the fuel gas dispersion chamber 76 after the fuel supply is completely stopped. After time t101, the temperature of the air on the air electrode side in the fuel cell module 2 indicated by the thick solid line in FIG. 8 is lowered by decreasing the fuel supply amount and increasing the air supply amount. However, a large amount of heat is still accumulated in the heat insulating material 7 and the like surrounding the fuel cell module 2. In addition, during the pre-stop control, the current output to the outside is stopped, but the supply of fuel and water is continued. Thus, air does not enter the fuel electrode inside each fuel cell 16. Therefore, the supply of air can be continued safely.

図8に示す例では、停止前制御が開始された時刻t101から約2分後の時刻t103において、燃料供給量及び改質用の水供給量がゼロにされ、燃料電池モジュール2からの取り出し電流もゼロにされ、シャットダウン停止されている。   In the example shown in FIG. 8, the fuel supply amount and the water supply amount for reforming are made zero at time t103 about 2 minutes after the time t101 when the pre-stop control is started, and the current taken out from the fuel cell module 2 It is also zeroed and shutdown is stopped.

また、図8に示す例では、時刻t103におけるシャットダウン停止後も、温度降下制御として、発電用空気の供給(ただし、発電は完全に停止されている)が継続されている(排熱、排気送風制御)。これにより、燃料電池モジュール2内(燃料電池セル16の空気極側)の空気、及びシャットダウン停止後に排気集約室18から流出した燃料オフガスが排出されるので、温度降下制御は排気工程として機能する。   Further, in the example shown in FIG. 8, after the shutdown is stopped at time t103, the supply of power generation air (however, the power generation is completely stopped) is continued as the temperature drop control (exhaust heat, exhaust air blow). control). As a result, the air in the fuel cell module 2 (air electrode side of the fuel cell 16) and the fuel off-gas that has flowed out of the exhaust collecting chamber 18 after the shutdown is stopped are discharged, so that the temperature drop control functions as an exhaust process.

本実施形態においては、時刻t103において燃料供給が完全に停止された後、時刻t104までの所定期間、大量の発電用空気の供給が継続されている。また、本実施形態においては、発電用の空気供給量は、停止前制御中に最大の空気供給量まで増加され、その後もこの空気供給量が維持される。なお、温度降下制御が実施される期間においては、排気集約室18,燃料電池セル16の燃料極側及び改質部94内に燃料が残存しており、排気集約室18及び燃料極側(各燃料電池セル16の内部)は依然として圧力が十分に高い状態にある。従って、温度降下制御が実施される所定期間においては、燃料供給が停止された状態で発電用の空気を供給しても、排気集約室18及び燃料極側に空気が進入することはない。   In the present embodiment, after the fuel supply is completely stopped at time t103, a large amount of power generation air is continuously supplied for a predetermined period until time t104. In the present embodiment, the air supply amount for power generation is increased to the maximum air supply amount during the pre-stop control, and this air supply amount is maintained thereafter. During the period in which the temperature drop control is performed, fuel remains in the exhaust aggregation chamber 18, the fuel electrode side of the fuel cell 16 and the reforming portion 94, and the exhaust aggregation chamber 18 and the fuel electrode side (each The pressure inside the fuel cell 16 is still sufficiently high. Therefore, in the predetermined period in which the temperature drop control is performed, even if the power generation air is supplied in a state where the fuel supply is stopped, the air does not enter the exhaust collecting chamber 18 and the fuel electrode side.

次に、燃料電池モジュール2内の温度が約300℃(燃料極の雰囲気酸化による酸化下限温度)まで低下した時刻t105において、固体酸化物型燃料電池装置1の制御部(シャットダウン停止回路)は冷却運転制御を開始させる。従って、時刻t104から時刻t105の間は、燃料電池モジュール2は自然放置により冷却される。一方、冷却運転制御においては、空気流量調整ユニット45が大流量で連続的に作動される。この時点では、シャットダウン停止から数時間(5〜6時間程度)が経過しており、排気集約室18、及び、各燃料電池セル16の燃料極側、空気極側ともほぼ大気圧まで低下し、空気極側の空気が排気集約室18を介して燃料極側に拡散することが可能となる。冷却運転制御において、燃料電池モジュール2内に大量の空気を送り込むことにより、燃料電池セル16を急速に冷却する。燃料電池セル16を冷却することにより、各燃料電池セル16の電解質層の温度が低下される。電解質層が失活性状態となるまで冷却されると、酸素イオンは電解質層を透過しなくなり、燃料極の電気化学的酸化のリスクがなくなる。なお、燃料電池セル16の空気極側に連続的に大流量で空気を送り込むことにより、排気集約室18を介して燃料電池セル16の燃料極側への空気の進入が発生し得る。しかしながら、空気が進入すると、空気極側と燃料極側の酸素分圧がほぼ等しくなるため、燃料極の電気化学的酸化のリスクは大幅に低下される。   Next, at time t105 when the temperature in the fuel cell module 2 is lowered to about 300 ° C. (the lower limit temperature for oxidation due to atmospheric oxidation of the fuel electrode), the control unit (shutdown stop circuit) of the solid oxide fuel cell device 1 is cooled. Start operation control. Therefore, between time t104 and time t105, the fuel cell module 2 is naturally cooled. On the other hand, in the cooling operation control, the air flow rate adjustment unit 45 is continuously operated at a large flow rate. At this point, several hours (about 5 to 6 hours) have passed since the shutdown stopped, and the exhaust concentration chamber 18 and the fuel electrode side and the air electrode side of each fuel battery cell 16 are reduced to almost atmospheric pressure, The air on the air electrode side can diffuse to the fuel electrode side through the exhaust collecting chamber 18. In the cooling operation control, the fuel cell 16 is rapidly cooled by sending a large amount of air into the fuel cell module 2. By cooling the fuel cell 16, the temperature of the electrolyte layer of each fuel cell 16 is lowered. When the electrolyte layer is cooled to a deactivated state, oxygen ions do not permeate the electrolyte layer and there is no risk of electrochemical oxidation of the fuel electrode. In addition, when air is continuously fed at a large flow rate to the air electrode side of the fuel cell 16, air may enter the fuel electrode side of the fuel cell 16 through the exhaust collecting chamber 18. However, when the air enters, the oxygen partial pressures on the air electrode side and the fuel electrode side become substantially equal, so the risk of electrochemical oxidation of the fuel electrode is greatly reduced.

さらに、燃料電池モジュール2内の温度が約150℃まで低下した時刻t106において、制御部(シャットダウン停止回路)はパージ用の空気流量調整ユニット46を作動させる。空気流量調整ユニット46が作動されることにより、改質部94、燃料ガス分散室76を介して、燃料電池セル16の燃料極側(各燃料電池セル16の内側)及び排気集約室18に空気が直接供給される。また、空気流量調整ユニット45による空気の供給もそのまま継続される。パージ用の空気流量調整ユニット46を作動させ、燃料極側に空気を直接供給することにより、改質部94、燃料ガス分散室76、各燃料電池セル16の内側等に残留している燃料、水蒸気等が排出される。これにより、空気極側と燃料極側の酸素分圧は完全に等しくなるため、仮に燃料電池セル16が局所的に温度が高い状態であっても、燃料極の電気化学的酸化のリスクが実質的にゼロになると共に、安全性を確保することができる。なお、パージ用の空気流量調整ユニット46による燃料極側への空気の供給は、空気流量調整ユニット45による発電室10内の強制空冷と同様に、燃料電池モジュール2内の温度約300℃から開始しても良い。また、パージ用の空気流量調整ユニット46によるパージを停止工程中に実行することに加えて、又は、停止工程中には実行せずに、次の起動工程において、特にその初期段階又は開始時に実行するようにしてもよい。   Further, at time t106 when the temperature in the fuel cell module 2 has decreased to about 150 ° C., the control unit (shutdown stop circuit) operates the purge air flow rate adjustment unit 46. By operating the air flow rate adjusting unit 46, air is supplied to the fuel electrode side (inside each fuel cell 16) and the exhaust collecting chamber 18 of the fuel cell 16 via the reforming unit 94 and the fuel gas dispersion chamber 76. Is supplied directly. Further, the supply of air by the air flow rate adjusting unit 45 is continued as it is. By operating the purge air flow rate adjusting unit 46 and supplying air directly to the fuel electrode side, the fuel remaining in the reforming portion 94, the fuel gas dispersion chamber 76, the inside of each fuel cell 16, etc., Water vapor is discharged. As a result, the oxygen partial pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are completely equal, so that even if the temperature of the fuel cell 16 is locally high, the risk of electrochemical oxidation of the fuel electrode is substantial. As a result, safety can be ensured. The supply of air to the fuel electrode side by the purge air flow rate adjustment unit 46 starts from a temperature in the fuel cell module 2 of about 300 ° C., similarly to the forced air cooling in the power generation chamber 10 by the air flow rate adjustment unit 45. You may do it. In addition to performing the purge by the purge air flow rate adjusting unit 46 during the stop process, or not performing it during the stop process, it is performed in the next start-up process, particularly at the initial stage or at the start. You may make it do.

次に、図9を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1における停止処理と燃料電池セル16の温度との関連について説明する。
本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置1は、通常運転で発電を実行中には、燃料電池セル16が約650℃以上に保持されている。この状態で、停止スイッチが操作されると、停止前処理が行われた後、シャットダウン停止が実行される。
Next, with reference to FIG. 9, the relationship between the stop process in the solid oxide fuel cell device 1 and the temperature of the fuel cell 16 will be described.
In the solid oxide fuel cell device 1 of the present embodiment, the fuel cell 16 is held at about 650 ° C. or higher during power generation in normal operation. When the stop switch is operated in this state, shutdown stop is executed after pre-stop processing is performed.

本実施形態では、燃料電池セル16の燃料極がニッケルを含んでおり、ニッケルの雰囲気酸化が発生し得る最低温度である酸化下限温度(300℃)に対して、これよりも高めにマージン分を含む酸化抑制温度Te(350℃)が設定されている。酸化抑制温度とは、燃料極が雰囲気酸化されるリスクが十分に低下される温度を意味している。燃料極が酸化されるリスクは、温度の低下と共に少しずつ減少して、やがてゼロになる。このため、燃料極の酸化下限温度よりも少し高い温度帯域の酸化抑制温度であっても、燃料極酸化のリスクを十分に低減することができる。   In the present embodiment, the fuel electrode of the fuel battery cell 16 contains nickel, and the margin is set higher than the lower limit oxidation temperature (300 ° C.) that is the lowest temperature at which nickel atmosphere oxidation can occur. An oxidation suppression temperature Te (350 ° C.) is set. The oxidation suppression temperature means a temperature at which the risk that the fuel electrode is oxidized in the atmosphere is sufficiently reduced. The risk of the anode being oxidized gradually decreases with decreasing temperature and eventually becomes zero. For this reason, even if it is the oxidation suppression temperature of a temperature range a little higher than the oxidation minimum temperature of a fuel electrode, the risk of fuel electrode oxidation can fully be reduced.

本実施形態では、燃料電池セル16の燃料極の触媒が活性状態となる下限温度である燃料極の活性下限温度Taは、酸化抑制温度Teよりも低い約290℃である。燃料極は、発電運転温度帯域から活性下限温度Taに低下するまでは、電解質層から酸素イオンを受け取って、受け取った酸素イオンを燃料(水素)と反応させて、水を生成すると共に、電子を放出することができる。しかしながら、燃料極は、活性下限温度Taよりも温度が低いときは、酸素イオンを受け取っても燃料と反応させて、発電反応を生じさせることはできない。   In the present embodiment, the lower limit temperature Ta of the fuel electrode, which is the lower limit temperature at which the catalyst of the fuel electrode of the fuel cell 16 is activated, is about 290 ° C., which is lower than the oxidation suppression temperature Te. The fuel electrode receives oxygen ions from the electrolyte layer and reacts the received oxygen ions with fuel (hydrogen) until the temperature decreases from the power generation operating temperature range to the activation lower limit temperature Ta, thereby generating water and generating electrons. Can be released. However, when the temperature of the fuel electrode is lower than the activation lower limit temperature Ta, even if oxygen ions are received, the fuel electrode cannot react with the fuel and cause a power generation reaction.

一方、電解質層が酸素イオンを空気極から燃料極へ透過可能な活性状態となる電解質の活性下限温度Tbは、燃料極の活性下限温度Taよりも低い約200℃である。電解質層は、発電運転温度帯域から活性下限温度Tbに低下するまでは、空気極から受け取った酸素イオンを燃料極へ透過可能である。しかしながら、電解質層は、活性下限温度Tbよりも温度が低くなると、空気極から酸素イオンを受け取っても、燃料極へ酸素イオンを透過させることはできない。
なお、空気極は、電解質層の活性下限温度Tb以上では、空気中の酸素を酸素イオンに変換可能な活性状態となっている。
On the other hand, the minimum active temperature Tb of the electrolyte in which the electrolyte layer is in an active state capable of transmitting oxygen ions from the air electrode to the fuel electrode is about 200 ° C., which is lower than the minimum active temperature Ta of the fuel electrode. The electrolyte layer can transmit oxygen ions received from the air electrode to the fuel electrode until the electrolyte layer falls from the power generation operating temperature range to the activation lower limit temperature Tb. However, when the temperature of the electrolyte layer is lower than the lower limit activation temperature Tb, oxygen ions cannot be transmitted to the fuel electrode even if oxygen ions are received from the air electrode.
Note that the air electrode is in an active state capable of converting oxygen in the air into oxygen ions at the activation lower limit temperature Tb or higher of the electrolyte layer.

図9に示すように、燃料極の活性下限温度Taと電解質の活性下限温度Tbの間の温度帯域Tcでは、電解質層は酸素イオンを燃料極へ透過可能な活性状態にあるが、燃料極は触媒活性が失われた失活状態にある。したがって、シャットダウン停止後、燃料電池セル16がこの温度帯域Tcにあるときは、燃料極には電解質層を通して酸素イオンが供給される。   As shown in FIG. 9, in the temperature zone Tc between the activation lower limit temperature Ta of the fuel electrode and the activation lower limit temperature Tb of the electrolyte, the electrolyte layer is in an active state capable of transmitting oxygen ions to the fuel electrode. It is in a deactivated state in which the catalytic activity is lost. Therefore, after the shutdown is stopped, when the fuel cell 16 is in this temperature zone Tc, oxygen ions are supplied to the fuel electrode through the electrolyte layer.

温度帯域Tcでは、電解質層及び空気極は活性状態にあり、酸素イオンは空気極、電解質層を通して燃料極へ透過可能であるが、燃料極は触媒活性が失活状態にある。したがって燃料極は、供給された酸素イオンを燃料(水素)と反応させる通常の発電反応を生じさせることができない。   In the temperature zone Tc, the electrolyte layer and the air electrode are in an active state, and oxygen ions can pass through the air electrode and the electrolyte layer to the fuel electrode, but the fuel electrode has a deactivated catalyst activity. Therefore, the fuel electrode cannot cause a normal power generation reaction that causes the supplied oxygen ions to react with the fuel (hydrogen).

一方、燃料極はニッケルを含んでおり、ニッケルは酸化抑制温度Te(約350℃)以上の高温雰囲気では、空気中の酸素と反応して酸化ニッケルになり易いが、酸化抑制温度Teよりも低い温度帯域Tcでは、ニッケルは空気中の酸素とは反応しにくい状態にある。
しかしながら、温度帯域Tcにおいて、電解質層を通過した酸素イオンが燃料極に供給されると、燃料極中のニッケルは、電気化学的酸化反応により、酸素イオンと結びついて酸化ニッケルになり得る。この反応が生じると電子が放出される。したがって、上記の電気化学的酸化反応が起こると、通常の発電反応とは異なるメカニズムで電荷が生じる。
なお、燃料極が活性状態にある場合は、酸素イオンが燃料と結びつく通常の発電反応のみが起こり、酸素イオンがニッケルと結びつく非正常な反応は実質的に起きないと考えられる。
On the other hand, the fuel electrode contains nickel, and nickel is likely to react with oxygen in the air to form nickel oxide in a high temperature atmosphere at or above the oxidation suppression temperature Te (about 350 ° C.), but lower than the oxidation suppression temperature Te. In the temperature zone Tc, nickel is in a state of hardly reacting with oxygen in the air.
However, when oxygen ions that have passed through the electrolyte layer are supplied to the fuel electrode in the temperature zone Tc, nickel in the fuel electrode can be combined with oxygen ions to become nickel oxide by an electrochemical oxidation reaction. When this reaction occurs, electrons are emitted. Therefore, when the above electrochemical oxidation reaction occurs, a charge is generated by a mechanism different from that of a normal power generation reaction.
When the fuel electrode is in an active state, it is considered that only a normal power generation reaction in which oxygen ions are combined with fuel occurs, and an abnormal reaction in which oxygen ions are combined with nickel does not occur substantially.

一方、シャットダウン停止後においては、燃料電池モジュール2からの電力の取り出しは停止されているため、電気化学的酸化反応により電荷が発生したとしても実質的に電流が流れることはないと考えられていた。しかしながら、本件発明者は、電力の取り出しが停止され、燃料極と空気極の間が電気的に非導通状態(開回路)とされていたとしても、局部的に微弱な電流が流れ得ることを見出した。   On the other hand, after the shutdown is stopped, the extraction of electric power from the fuel cell module 2 is stopped, so that it is considered that no current flows even if charges are generated by the electrochemical oxidation reaction. . However, the present inventor has found that even if the extraction of electric power is stopped and the fuel electrode and the air electrode are electrically non-conductive (open circuit), a weak current can flow locally. I found it.

即ち、電気化学的酸化反応は、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差に基づいて発生する。従って、燃料極側に多くの水素が残存している状態では、燃料極側の酸素分圧が低く、空気極側との酸素分圧の差が大きくなるため、電解質層を通して酸素イオンが流れやすくなる。従って、例えば、燃料電池セル16の上端部付近に空気が進入した場合、燃料電池セル16の上端部付近の酸素分圧の差は小さくなる。   That is, the electrochemical oxidation reaction occurs based on the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side. Therefore, when a large amount of hydrogen remains on the fuel electrode side, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side is low, and the difference in oxygen partial pressure on the air electrode side is large. Therefore, oxygen ions easily flow through the electrolyte layer. Become. Therefore, for example, when air enters the vicinity of the upper end portion of the fuel cell 16, the difference in oxygen partial pressure near the upper end portion of the fuel cell 16 is reduced.

このため、燃料電池セル16の下端部付近では多くの電気化学的酸化反応が発生することにより多量の電荷が生成され、上端部付近では相対的に生成される電荷が少なくなる。この結果、1本の燃料電池セル16の燃料極の中で電位差が生まれ、局部的な電荷の移動(微弱な電流)が発生する。このような局部電池現象による微弱な電流が流れると、ニッケルの電気化学的酸化反応が更に進行する。特に、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差が大きい各燃料電池セル16の下端部付近に酸素イオンの流れが集中し、この部分で多くの電気化学的酸化反応が発生する。   For this reason, many electrochemical oxidation reactions occur in the vicinity of the lower end portion of the fuel battery cell 16 to generate a large amount of charge, and relatively less charge is generated in the vicinity of the upper end portion. As a result, a potential difference is generated in the fuel electrode of one fuel battery cell 16, and local charge movement (weak current) occurs. When a weak current due to such a local battery phenomenon flows, the electrochemical oxidation reaction of nickel further proceeds. In particular, the flow of oxygen ions concentrates near the lower end of each fuel cell 16 where the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side is large, and many electrochemical oxidation reactions occur in this portion.

電気化学的酸化反応により生成された酸化ニッケルは、発電運転中において燃料極側に供給される燃料(水素)により還元を受ける。このように、燃料極に含有されたニッケルが、停止及び起動とその後の運転により、電気化学的酸化・還元反応を生じると、燃料極は微構造及び体積に変化を生じる。
さらに、燃料電池モジュールの停止・起動が高頻度で繰り返されることに加え、停止及び起動工程において、特に長時間を要する停止工程において、ニッケルの電気化学的酸化反応が比較的長い時間起こる。
Nickel oxide generated by the electrochemical oxidation reaction is reduced by the fuel (hydrogen) supplied to the fuel electrode during the power generation operation. As described above, when the nickel contained in the fuel electrode undergoes an electrochemical oxidation / reduction reaction by stopping and starting and subsequent operation, the fuel electrode changes in the microstructure and volume.
Furthermore, in addition to the frequent stopping and starting of the fuel cell module, the electrochemical oxidation reaction of nickel occurs for a relatively long time in the stopping and starting process, particularly in the stopping process that requires a long time.

このように、燃料極の微構造及び体積の変化が生じると、電解質層に引張り応力がかかる。そして、長期的な使用により停止・起動が多数回繰り返され、電気化学的酸化・還元反応を受けるニッケルの累積量が増えていくと、局部電池現象による酸素イオンの流れが集中する各燃料電池セル16の下端部付近において、最終的に電解質層に微小なクラックが生じる。
このように、本発明者は、温度帯域Tcにおいて、燃料極が含有する特定の物質であるニッケルが電気化学的な酸化を受ける状態にあり、電気化学的に酸化し、その後の運転時に還元を受けると、燃料極の微構造及び体積に変化を生じ、電解質層に引張り応力を与え、最終的に電解質層に微小なクラックが生じて燃料電池セルを損傷させることを発見した。
Thus, when a change in the microstructure and volume of the fuel electrode occurs, tensile stress is applied to the electrolyte layer. Each fuel cell where the flow of oxygen ions due to local battery phenomenon concentrates as the cumulative amount of nickel that undergoes electrochemical oxidation / reduction reactions increases many times due to long-term use. In the vicinity of the lower end of 16, a minute crack is finally generated in the electrolyte layer.
Thus, the present inventors are in a state where nickel, which is a specific substance contained in the fuel electrode, is subjected to electrochemical oxidation in the temperature zone Tc, and is electrochemically oxidized and reduced during the subsequent operation. Upon receipt, it was discovered that the microstructure and volume of the fuel electrode changed, gave tensile stress to the electrolyte layer, and finally caused minute cracks in the electrolyte layer to damage the fuel cell.

本実施形態におけるシャットダウン停止では、温度降下制御の終了後において、燃料電池セル16又は発電室10の温度を測定する発電室温度センサの測定温度が、燃料極の酸化抑制温度Teよりも低い温度である300℃(燃料極の酸化下限温度)に低下するまで自然放置される。また、発電室10の温度が300℃に達すると、燃料極の雰囲気酸化のおそれがなくなるので、空気冷却を行うことが可能になる。そこで、空気流量調整ユニット45,46の作動による空気冷却を行うことにより、燃料電池モジュール2内の温度を急速に低下させることができる。この温度低下過程で、燃料電池セル16が、電解質の活性下限温度Tb未満へ急速冷却されるので、電気化学的酸化の発生が極めて抑制される。   In the shutdown stop according to the present embodiment, the temperature measured by the power generation chamber temperature sensor that measures the temperature of the fuel battery cell 16 or the power generation chamber 10 is lower than the oxidation suppression temperature Te of the fuel electrode after the end of the temperature drop control. It is allowed to stand naturally until it drops to a certain 300 ° C. (the minimum oxidation temperature of the fuel electrode). Further, when the temperature of the power generation chamber 10 reaches 300 ° C., there is no possibility of atmospheric oxidation of the fuel electrode, so that air cooling can be performed. Therefore, the temperature in the fuel cell module 2 can be rapidly lowered by performing air cooling by operating the air flow rate adjusting units 45 and 46. In this temperature lowering process, the fuel cell 16 is rapidly cooled to below the activation lower limit temperature Tb of the electrolyte, so that the occurrence of electrochemical oxidation is extremely suppressed.

次に、図10を参照して、固体酸化物型燃料電池装置1のシャットダウン停止後における排気集約室18の作用について説明する。
シャットダウン停止直後は、排気集約室18及び各燃料電池セル内部の燃料極側の圧力が、燃料電池セル外部の空気極側の圧力よりも高い状態が保持される。このため、排気集約室18及び各燃料電池セル16内に存在していた燃料ガスは、これらの外部の空気極側との圧力差に基づいて、空気極側に徐々に噴出される。したがって、燃料ガスは、排気集約室18の噴出口18dを通して噴出される。
Next, with reference to FIG. 10, the operation of the exhaust concentration chamber 18 after the shutdown of the solid oxide fuel cell device 1 is stopped will be described.
Immediately after the shutdown is stopped, the pressure on the fuel electrode side inside the exhaust collecting chamber 18 and each fuel cell is maintained higher than the pressure on the air electrode outside the fuel cell. For this reason, the fuel gas existing in the exhaust collecting chamber 18 and each fuel cell 16 is gradually ejected to the air electrode side based on the pressure difference from the external air electrode side. Therefore, the fuel gas is jetted through the jet outlet 18d of the exhaust collecting chamber 18.

また、各燃料電池セル16の空気極側に存在していた空気(及び噴出口18dから噴出した燃料ガス)は、空気極側の圧力(発電室内の圧力)と大気圧との圧力差に基づいて、燃料電池モジュールの外部に排出される。従って、シャットダウン停止の後、各燃料電池セルの燃料極側及び空気極側の圧力並びに排気集約室18内の圧力は、自然に低下する。   Further, the air (and the fuel gas ejected from the ejection port 18d) existing on the air electrode side of each fuel battery cell 16 is based on the pressure difference between the pressure on the air electrode side (pressure in the power generation chamber) and the atmospheric pressure. And discharged outside the fuel cell module. Therefore, after the shutdown is stopped, the pressure on the fuel electrode side and the air electrode side of each fuel cell and the pressure in the exhaust collecting chamber 18 naturally decrease.

しかしながら、排気集約室18は、所定の流路抵抗を有する複数の噴出口18d、及び、更に大きな流路抵抗を有する連通口120dを備えているので、燃料供給及び発電が停止された後の燃料極側の圧力低下が、空気極側の圧力低下よりも緩やかにされ、シャットダウン停止後も長時間に亘って燃料が残存するように構成されている。   However, since the exhaust collecting chamber 18 includes a plurality of jet outlets 18d having a predetermined flow path resistance and a communication port 120d having a larger flow path resistance, the fuel after the fuel supply and power generation are stopped. The pressure drop on the pole side is made more gradual than the pressure drop on the air electrode side, and the fuel remains for a long time after shutdown.

さらに、本実施形態では、連通口120dによる圧力損失が噴出口18dによる圧力損失よりも大きく設定されているので、シャットダウン停止後において、排気集約室18内の連通空間18Bよりもサブタンク室18Aの方が、内圧が高く維持されるように構成されている。   Further, in the present embodiment, the pressure loss due to the communication port 120d is set to be larger than the pressure loss due to the jet port 18d, so that after the shutdown is stopped, the sub tank chamber 18A is more than the communication space 18B in the exhaust collecting chamber 18. However, the internal pressure is configured to be maintained high.

これにより、本実施形態では、シャットダウン停止後の自然放置期間中に、燃料電池セル16が少なくとも酸化抑制温度以下に低下するまで燃料極側に燃料ガスを残存させることにより、燃料極において雰囲気酸化が生じるリスクが抑制されている。
そして、本実施形態では、燃料電池セル16の温度が300℃に達すると、空気流量調整ユニット45による空気冷却が開始されることにより、燃料電池セル16が強制冷却され燃料極の電気化学的酸化を抑制しつつ、いずれの酸化反応も生じない温度帯域である再起動可能温度まで低下させることができる。
Thus, in the present embodiment, during the natural standing period after the shutdown is stopped, the fuel gas is left on the fuel electrode side until the fuel cell 16 is at least lowered to the oxidation suppression temperature or less, so that atmospheric oxidation is performed at the fuel electrode. The resulting risk is suppressed.
In this embodiment, when the temperature of the fuel cell 16 reaches 300 ° C., air cooling by the air flow rate adjustment unit 45 is started, so that the fuel cell 16 is forcibly cooled and the fuel electrode is electrochemically oxidized. Can be reduced to a restartable temperature which is a temperature range in which any oxidation reaction does not occur.

しかしながら、停止工程中において、特に自然放置中において、排気集約室18の内圧よりも空気極側の内圧の方が高くなったり、双方の内圧が所定期間よりも早期に等圧になったりするおそれがある。例えば、外部の天候の変化により、気圧が高くなるような場合や、何らかの原因により燃料供給流路よりも発電室10内の方が温度が高めに維持される場合が想定される。この場合、空気極側の空気が、排気集約室18を介して燃料極側へ拡散等により進入し、雰囲気酸化が発生してしまうおそれがある。   However, during the stop process, especially during natural standing, the internal pressure on the air electrode side may be higher than the internal pressure of the exhaust collecting chamber 18, or both internal pressures may become equal pressure earlier than a predetermined period. There is. For example, a case where the atmospheric pressure increases due to a change in external weather, or a case where the temperature in the power generation chamber 10 is maintained higher than the fuel supply flow path for some reason is assumed. In this case, air on the air electrode side may enter the fuel electrode side through the exhaust collecting chamber 18 by diffusion or the like, and atmosphere oxidation may occur.

このように、空気が空気極側から排気集約室18内へ進入する場合、本実施形態では、図10に示すように、空気は、先ず噴出口18dを通って連通空間18B内に進入し、連通空間18B内を下方へ移動し、包囲部材120の下端に設けられた連通口120dを通ってサブタンク室18A内へ進入し、サブタンク室18A内を上方へ移動して、燃料電池セル16の上端に到達する。   As described above, when air enters the exhaust collection chamber 18 from the air electrode side, as shown in FIG. 10, the air first enters the communication space 18B through the jet outlet 18d, It moves downward in the communication space 18B, enters the sub tank chamber 18A through the communication port 120d provided at the lower end of the surrounding member 120, moves upward in the sub tank chamber 18A, and moves to the upper end of the fuel cell 16. To reach.

本実施形態では、包囲部材120を排気集約室18内に設けたことにより、噴出口18dから燃料電池セル16の上端部に至る空気の進入経路が、直線的でなく、迂回されている。これにより、空気の進入経路を長くして、噴出口18dから進入した空気が、燃料電池セル16の上端部に到達する時間を遅らせることができる。   In the present embodiment, the surrounding member 120 is provided in the exhaust collecting chamber 18 so that the air entry path from the jet outlet 18d to the upper end portion of the fuel cell 16 is not linear but is detoured. Thereby, the air entry path can be lengthened, and the time for the air that has entered from the jet outlet 18d to reach the upper end of the fuel cell 16 can be delayed.

また、本実施形態では、空気よりも比重の軽い燃料ガス(水素)により充満されたサブタンク室18A内に、連通口120dを通って空気が進入したとしても、その空気はサブタンク室18Aの底部に溜まり、上方への移動が規制される。そして、進入した空気量が多くなるに連れて、サブタンク室18A内の空気層が徐々に厚くなり、空気層と燃料ガス層の境界面が上昇することになる。したがって、本実施形態では、空気と燃料ガスの境界面が燃料電池セル16の上端開口に到達するまで、空気が燃料電池セル16内の燃料極側に進入することを時間的に延長することができる。   In the present embodiment, even if air enters the sub tank chamber 18A filled with fuel gas (hydrogen) having a specific gravity lighter than air through the communication port 120d, the air enters the bottom of the sub tank chamber 18A. Accumulation and upward movement are restricted. As the amount of entered air increases, the air layer in the sub tank chamber 18A gradually increases, and the boundary surface between the air layer and the fuel gas layer rises. Therefore, in the present embodiment, it is possible to extend in time that the air enters the fuel electrode in the fuel cell 16 until the interface between the air and the fuel gas reaches the upper end opening of the fuel cell 16. it can.

また、本実施形態では、連通口120dが集電体82よりも鉛直下方に配置されているので、進入してきた空気がニッケル等の酸化反応可能な物質を含む集電体82に接触する時期を遅らせることができる。さらに、本実施形態では、集電体82が取り付けられた燃料電池セル16の電極層も、ニッケル等の酸化反応可能な物質を含むため、露出した電極層に進入してきた空気が接触する時期も遅らせることができる。これにより、停止工程中の高温状態において、集電体82及び電極層が雰囲気酸化されることによる性能劣化を抑制することができる。さらに、電極層の雰囲気酸化防止のために、空気を遮断する保護コーティングを電極層に対して行う必要がなくなるので、製造コストを低減することができる。   In the present embodiment, since the communication port 120d is disposed vertically below the current collector 82, the time when the air that has entered comes into contact with the current collector 82 containing a substance capable of oxidation reaction such as nickel is determined. Can be delayed. Furthermore, in this embodiment, since the electrode layer of the fuel battery cell 16 to which the current collector 82 is attached also contains a substance capable of oxidation reaction such as nickel, the time when the air that has entered the exposed electrode layer comes into contact with the electrode layer. Can be delayed. Thereby, in the high temperature state in the stop process, it is possible to suppress performance deterioration due to atmospheric oxidation of the current collector 82 and the electrode layer. Furthermore, since it is not necessary to apply a protective coating for blocking air to the electrode layer to prevent atmospheric oxidation of the electrode layer, the manufacturing cost can be reduced.

また、本実施形態では、連通口120dが包囲部材120の下端に設けられているので、連通口120dを通って進入した空気をサブタンク室18A内の底部に溜め易くしている。これにより、サブタンク室18Aの容積を必要以上に大きくしなくても、燃料電池セル16の上端部への空気の到達時期を十分に遅らせることができるので、包囲部材120を比較的小さく、コンパクトにすることが可能であり、装置全体の小型化に寄与する。   In the present embodiment, since the communication port 120d is provided at the lower end of the surrounding member 120, the air that has entered through the communication port 120d can be easily stored in the bottom of the sub tank chamber 18A. Thereby, even if the volume of the sub tank chamber 18A is not increased more than necessary, the arrival time of the air to the upper end of the fuel cell 16 can be sufficiently delayed, so that the surrounding member 120 can be made relatively small and compact. This contributes to the miniaturization of the entire apparatus.

また、本実施形態では、連通空間18B内には酸素吸着材130b−130dが配置され、サブタンク室18A内には酸素吸着材130aが配置されている。これにより、噴出口18dから進入した空気は、先ず包囲部材120の上面部120a上に配置された酸素吸着材130dによって吸着される。酸素吸着材130dは、複数の噴出口18dに沿って、これらの近傍に設けられているため、噴出口18dでの燃料オフガスの燃焼熱により、発電中において他の部位よりも更に高温状態に維持される。このため、酸素吸着材130dを雰囲気酸化可能な状態に長期間保持できるので、進入した空気が酸素吸着材130d近傍を通過する際に、酸素吸着材130dによって酸素を取り込み易くすることが可能である。   In the present embodiment, oxygen adsorbents 130b to 130d are arranged in the communication space 18B, and an oxygen adsorbent 130a is arranged in the sub tank chamber 18A. Thereby, the air that has entered from the jet port 18d is first adsorbed by the oxygen adsorbent 130d disposed on the upper surface portion 120a of the surrounding member 120. Since the oxygen adsorbent 130d is provided in the vicinity of the plurality of jet outlets 18d, the oxygen adsorbent 130d is maintained at a higher temperature than other parts during power generation by the combustion heat of the fuel off-gas at the jet outlet 18d. Is done. For this reason, since the oxygen adsorbent 130d can be maintained in a state where it can be oxidized in the atmosphere for a long period of time, it is possible to easily take in oxygen by the oxygen adsorbent 130d when the entering air passes in the vicinity of the oxygen adsorbent 130d. .

次に、進入した空気は、連通空間18B内において、酸素吸着材130aよりも上流側(燃料ガスの流れ方向に対して)に配置された酸素吸着材130b,130cに接触し、これらにより酸素が吸着される。さらに、連通口120dを通ってサブタンク室18A内に進入した空気は、集電体82よりも鉛直下方に配置された複数の金属円板状の酸素吸着材130aと接触し、これらにより酸素が吸着される。さらに、集電体82によっても酸素が吸着され得る。なお、酸素を吸着して酸化した酸素吸着材130a−130dは、停止工程後の起動後に、燃料ガスによる還元雰囲気によって還元され、酸素を放出する。   Next, the air that has entered comes into contact with the oxygen adsorbents 130b and 130c disposed upstream of the oxygen adsorbent 130a (with respect to the flow direction of the fuel gas) in the communication space 18B, and oxygen is thereby absorbed. Adsorbed. Further, the air that has entered the sub tank chamber 18A through the communication port 120d comes into contact with a plurality of metal disk-like oxygen adsorbents 130a arranged vertically below the current collector 82, and thereby adsorbs oxygen. Is done. Furthermore, oxygen can also be adsorbed by the current collector 82. Note that the oxygen adsorbents 130a to 130d that have been oxidized by adsorbing oxygen are reduced in a reducing atmosphere by the fuel gas after the activation after the stop process, and oxygen is released.

このように、本実施形態では、排気集約室18内にサブタンク室18Aを設けたことによって、噴出口18dから燃料電池セル16の上端(下流側端部)に至る空気の進入を時間的に遅らせることができる。これにより、停止工程において、燃料電池セル16の温度が、燃料極の酸化下限温度又は酸化抑制温度以下に低下するまで、さらには、電気化学的酸化反応が生じる温度帯域以下に低下するまで、空気が燃料電池セル16内に進入することを規制し、燃料極の酸化及びこれに関連した燃料電池セル16の破損を抑制することができる。   Thus, in this embodiment, by providing the sub tank chamber 18A in the exhaust gas collecting chamber 18, the entry of air from the jet outlet 18d to the upper end (downstream end) of the fuel cell 16 is delayed in time. be able to. As a result, in the stopping step, the air until the temperature of the fuel battery cell 16 is lowered below the oxidation lower limit temperature or the oxidation suppression temperature of the fuel electrode, and further below the temperature range where the electrochemical oxidation reaction occurs. Can be prevented from entering the fuel cell 16, and oxidation of the fuel electrode and damage to the fuel cell 16 associated therewith can be suppressed.

また、本実施形態では、噴出口18dから燃料電池セル16の上端に至る経路内に酸素吸着材130a−130dを配置したことによって、進入してきた空気から酸素を除去して、酸素が含まれない若しくは酸素濃度が低下した空気のみを燃料極側へ進入させることができる。これにより、仮に空気が燃料極に接触したとしても、燃料極の酸化する程度を大幅に低減することが可能となる。
本実施形態では、排気集約室18に、サブタンク室18A及び/又は酸素吸着材130a−130dという構造的な酸化防止対策を施したことにより、制御的な酸化防止対策を実行することなく、燃料極の酸化に起因する燃料電池セル16の破損のリスクを大幅に低減することができる。
Further, in the present embodiment, the oxygen adsorbents 130a to 130d are arranged in the path from the jet outlet 18d to the upper end of the fuel cell 16, so that oxygen is removed from the entering air and oxygen is not included. Alternatively, only air with a reduced oxygen concentration can enter the fuel electrode side. Thereby, even if air contacts the fuel electrode, the degree of oxidation of the fuel electrode can be greatly reduced.
In the present embodiment, the exhaust electrode collecting chamber 18 is provided with a structural anti-oxidation measure such as the sub tank chamber 18A and / or the oxygen adsorbents 130a to 130d. The risk of breakage of the fuel battery cell 16 due to the oxidation of can be greatly reduced.

1 固体酸化物型燃料電池装置
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
8 燃料電池セル収容容器(モジュールケース)
10 発電室
16 燃料電池セル
18 排気集約室(排気マニホールド)
18A サブタンク室
18B 連通空間
18d 噴出口(オフガス排気口)
18a 集約室上部材
18b 集約室下部材
18d 噴出口
20 燃料ガス供給流路
21 排ガス排出流路
22 酸化剤ガス供給流路
56 酸化剤ガス導入パイプ
58 排ガス排出パイプ
74 酸化剤ガス噴射用パイプ
76 燃料ガス分散室
82 集電体
94 改質部
120 包囲部材
120a 上面部(天板)
120b 側面部
120d 連通口
130a−130d 酸素吸着材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell apparatus 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 8 Fuel cell storage container (module case)
10 Power generation chamber 16 Fuel cell 18 Exhaust concentration chamber (exhaust manifold)
18A Sub tank chamber 18B Communication space 18d Spout (off-gas exhaust)
18a Aggregation chamber upper member 18b Aggregation chamber lower member 18d Spout 20 Fuel gas supply channel 21 Exhaust gas discharge channel 22 Oxidant gas supply channel 56 Oxidant gas introduction pipe 58 Exhaust gas discharge pipe 74 Oxidant gas injection pipe 76 Fuel Gas dispersion chamber 82 Current collector 94 Reforming part 120 Enclosing member 120a Upper surface part (top plate)
120b Side surface portion 120d Communication port 130a-130d Oxygen adsorbent

Claims (9)

固体酸化物型燃料電池装置において、
複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの端部を包囲し、前記複数の燃料電池セルの端部の開口から流出する燃料オフガスを貯留する内部空間を有する排気マニホールドと、
前記複数の燃料電池セル及び前記排気マニホールドを収容するモジュールケースと、を備え、
前記排気マニホールドは、貯留された燃料オフガスを排気するためのオフガス排気口を有し、
前記排気マニホールド内おいて、前記複数の燃料電池セルの端部の開口と前記オフガス排気口との間の流路内に酸素吸着材が配置されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
In the solid oxide fuel cell device,
A plurality of fuel cells;
An exhaust manifold that surrounds the ends of the plurality of fuel cells and has an internal space for storing fuel offgas flowing out from the openings at the ends of the plurality of fuel cells;
A module case for accommodating the plurality of fuel cells and the exhaust manifold,
The exhaust manifold has an off-gas exhaust port for exhausting the stored fuel off-gas,
A solid oxide fuel cell, wherein an oxygen adsorbent is disposed in a flow path between the opening of the end portions of the plurality of fuel cells and the off-gas exhaust port in the exhaust manifold. apparatus.
前記酸素吸着材は、少なくとも前記複数の燃料電池セルの酸化下限温度以上の温度において、空気に触れると酸化され且つ燃料オフガスに触れると還元される金属材料であることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   The oxygen adsorbent is a metal material that is oxidized when exposed to air and reduced when exposed to fuel off-gas at least at a temperature equal to or higher than an oxidation lower limit temperature of the plurality of fuel cells. The solid oxide fuel cell device described. 前記酸化吸着材は、ニッケル及びチタンを含むことを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   The solid oxide fuel cell device according to claim 2, wherein the oxidation adsorbent contains nickel and titanium. 前記排気マニホールド内には、前記酸素吸着材が配置されると共に、前記複数の燃料電池セルの端部の開口から流出する燃料オフガスを貯留するサブタンク室が設けられていることを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   The sub-chamber chamber is provided in the exhaust manifold, and the sub-tank chamber for storing the fuel off-gas flowing out from the openings at the ends of the plurality of fuel cells is provided in the exhaust manifold. 4. The solid oxide fuel cell device according to 3. 前記サブタンク室には、前記サブタンク室内と前記オフガス排気口とを連通する連通空間へ連通する連通口が下端部に設けられており、
前記酸素吸着材は、前記サブタンク室内において、前記複数の燃料電池セルの端部を連結する集電体と前記連通口との間に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
In the sub tank chamber, a communication port that communicates with a communication space that communicates the sub tank chamber and the off-gas exhaust port is provided at a lower end portion.
5. The solid according to claim 4, wherein the oxygen adsorbent is disposed in the sub tank chamber between a current collector that connects end portions of the plurality of fuel cells and the communication port. Oxide fuel cell device.
前記サブタンク室は、連通口を通して、前記サブタンク室内と前記オフガス排気口とを連通する連通空間へ連通されており、
前記酸素吸着材は、前記連通空間に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
The sub tank chamber is communicated with a communication space that communicates the sub tank chamber and the off-gas exhaust port through a communication port.
The solid oxide fuel cell device according to claim 4, wherein the oxygen adsorbent is disposed in the communication space.
前記酸素吸着材は、前記サブタンク室内、及び、前記サブタンク室と前記オフガス排気口を連通する連通空間内に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   5. The solid oxide fuel cell device according to claim 4, wherein the oxygen adsorbent is disposed in the subtank chamber and a communication space that communicates the subtank chamber and the off-gas exhaust port. 6. 前記酸素吸着材は、前記複数の燃料電池セルの電解質層に固定された金属プレートであることを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池装置。   4. The solid oxide fuel cell device according to claim 3, wherein the oxygen adsorbent is a metal plate fixed to an electrolyte layer of the plurality of fuel cells. 前記サブタンク室は、前記排気マニホールドの前記オフガス排気口に近接して、前記サブタンク室の天板が設けられ、
前記酸素吸着材は、前記排気マニホールド内において前記サブタンク室の天板上に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
The sub tank chamber is provided near the off gas exhaust port of the exhaust manifold, and a top plate of the sub tank chamber is provided.
5. The solid oxide fuel cell device according to claim 4, wherein the oxygen adsorbent is disposed on a top plate of the sub tank chamber in the exhaust manifold.
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