JP6300178B2

JP6300178B2 - Solid oxide fuel cell device

Info

Publication number: JP6300178B2
Application number: JP2014063150A
Authority: JP
Inventors: 直樹渡邉; 暢夫井坂; 佐藤　真樹; 真樹佐藤; 田中　修平; 修平田中; 安藤　茂; 茂安藤; 岡本　修; 修岡本; 保夫柿沼; 潔端山; 正紀古屋; 大籾山
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: JP2015185493A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に係わり、燃料電池ハウジングに収容された複数の燃料電池セルに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電する固体酸化物形燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell device, and more particularly to a solid oxide fuel cell device that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas to a plurality of fuel cells housed in a fuel cell housing.

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

特許文献１に記載の燃料電池装置は、燃料電池ハウジング内に複数の燃料電池セルが配置されている。各燃料電池セルの下端部には、燃料電池ハウジング内に供給された燃料ガスを集約する燃料供給室から燃料ガスが供給され、燃料ガスは燃料電池セルの内部を通過して、セルの上端から排出される。一方、各燃料電池セルの外部には空気が供給され、燃料ガスと空気が反応して発電するようになっている。未反応の燃料ガス（オフガス）は、燃料電池セル上端から排出された後、オフガスを集約するための上部タンク（燃料排出室２５）に送られる。さらに、上部タンクから燃焼室内に排出され、この燃焼室内で空気と混合して燃焼して排気されるようになっている。 In the fuel cell device described in Patent Document 1, a plurality of fuel cells are arranged in a fuel cell housing. Fuel gas is supplied to the lower end of each fuel cell from a fuel supply chamber that collects the fuel gas supplied into the fuel cell housing. The fuel gas passes through the inside of the fuel cell and passes from the upper end of the cell. Discharged. On the other hand, air is supplied to the outside of each fuel battery cell, and fuel gas and air react to generate power. Unreacted fuel gas (off gas) is discharged from the upper end of the fuel cell, and then sent to an upper tank (fuel discharge chamber 25) for collecting off gas. Further, the gas is discharged from the upper tank into the combustion chamber, mixed with air in the combustion chamber, burned and exhausted.

この燃料電池装置においては、燃料電池セルにおいて未反応の燃料ガスを上部タンクに集め、この集約された未反応の燃料ガスを燃焼室で燃焼するようにしているので、未反応の燃料ガスの燃焼効率が向上する。さらに、燃料電池セルの上端は上部タンクにより包括されているので、燃料電池セルの上部の集電部材が空気に晒されることがなく、集電部材の酸化が抑制される等の種々の利点がある。 In this fuel cell device, unreacted fuel gas in the fuel cell is collected in the upper tank, and the aggregated unreacted fuel gas is burned in the combustion chamber. Efficiency is improved. Furthermore, since the upper end of the fuel cell is covered by the upper tank, the current collecting member at the upper part of the fuel cell is not exposed to air, and various advantages such as suppression of oxidation of the current collecting member are provided. is there.

特開平１−３２０７７８号公報JP-A-1-320778

上述したように、固体酸化物形燃料電池装置において、未反応の燃料ガスを集める上部タンクを設けることにより種々の利点はある。
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池装置は、燃料電池ハウジング一側面に設けられた発電用空気供給口から供給した発電用空気を他側面へ向けて送っているため、発電用空気供給口から近い一側面方向の燃料電池セルと他側面方向の燃料電池セルでは、発電用空気の供給量に偏りが生じてしまい、一部の燃料電池セルに空気枯れを引き起こす懸念がある。そのため、発電用空気を大流量で流し、空気枯れを防止する必要がある。 As described above, in the solid oxide fuel cell device, there are various advantages by providing an upper tank for collecting unreacted fuel gas.
However, since the fuel cell device described in Patent Document 1 sends the power generation air supplied from the power generation air supply port provided on one side of the fuel cell housing toward the other side, the power generation air supply port In the fuel cell in the one side direction and the fuel cell in the other side direction, the supply amount of the power generation air is biased, and there is a concern that some of the fuel cells are dried up. Therefore, it is necessary to flow power generation air at a large flow rate to prevent air dying.

一方、燃料電池セルから排出されたオフガスの燃焼熱で改質触媒を加熱する形式の固体酸化物形燃料電池装置では、空気枯れを防ぐために発電用空気流量を大量に供給された場合、大量の発電用空気により改質触媒を有する改質部が冷却される。さらに、発電用空気が大流量のため発電用空気が一様に加熱されず、改質触媒の昇温に時間がかかってしまう。 On the other hand, in a solid oxide fuel cell device of the type that heats the reforming catalyst with the combustion heat of off-gas discharged from the fuel cell, when a large amount of power generation air flow is supplied to prevent air depletion, The reforming section having the reforming catalyst is cooled by the power generation air. Furthermore, since the power generation air has a large flow rate, the power generation air is not uniformly heated, and it takes time to raise the temperature of the reforming catalyst.

これに対して、燃料電池セル集合体中央から周囲方向に向けて発電用空気を噴出させることで、燃料電池セル集合体の空気の流れは軸対称な流れになる。したがって、適切な流量で発電用空気を燃料電池セル集合体にほぼムラなく供給することができる。
しかしながら、このような構成にすると、燃料電池ハウジング側面へ発電用空気を吹き付けることになり、燃料電池ハウジング側面に沿って発電用空気が上昇していく。そのため、燃焼室が上部タンク天井面に設けられた場合、上昇してきた発電用空気が燃焼室にまで回り込まず、燃焼が不安定になり、改質触媒の昇温が不十分となる。 On the other hand, by causing the power generation air to be ejected from the center of the fuel cell assembly toward the peripheral direction, the flow of air in the fuel cell assembly becomes an axisymmetric flow. Therefore, the power generation air can be supplied to the fuel cell assembly with an appropriate flow rate with almost no unevenness.
However, with such a configuration, power generation air is blown to the side surface of the fuel cell housing, and the power generation air rises along the side surface of the fuel cell housing. For this reason, when the combustion chamber is provided on the ceiling surface of the upper tank, the rising power generation air does not enter the combustion chamber, the combustion becomes unstable, and the temperature of the reforming catalyst becomes insufficient.

そのため、燃料電池セルから排出された未反応の燃料ガスの燃焼熱で改質触媒を昇温する形式の固体酸化物形燃料電池装置では、特に冷間時において、燃焼の不安定に伴い、改質触媒が十分に昇温されず、水素の精製が不十分となり、起動が不安定になる。 Therefore, in the solid oxide fuel cell device in which the temperature of the reforming catalyst is raised by the combustion heat of the unreacted fuel gas discharged from the fuel cell, particularly in the cold state, the reforming occurs due to unstable combustion. The quality of the catalyst is not sufficiently raised, hydrogen purification becomes insufficient, and the start-up becomes unstable.

従って、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、未反応の燃料ガスを集める上部タンクを設けたものにおいて、空気枯れを引き起こすことなく、上部タンクから噴出された未反応の燃料ガスの燃焼性を安定させることを目的とするものである。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and in the case where an upper tank that collects unreacted fuel gas is provided, unreacted jetted from the upper tank without causing air dying. The purpose is to stabilize the combustibility of the fuel gas.

炭化水素系の原燃料ガスが改質された燃料ガスと、酸化剤ガスとにより発電する固体酸化物形燃料電池装置であって、原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質部と、内部に燃料ガス通路を備え且つ外表面に一つ、または複数の電極層を備えた上下方向に延びる複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの周囲を取り囲むように形成された内側ケース部材と、内側ケース部材の周囲を取り囲むように形成された外側ケース部材と、内側ケース部材の外壁面と外側ケース部材の内壁面との間に形成された、燃料ガスを複数の燃料電池セルの下端へ供給する燃料ガス供給流路と、内側ケース部材の内部の中心に配置された酸化剤ガス供給管と、複数の燃料電池セルの各々の上端を内包すると共に、複数の燃料電池セルの各々の上端から噴出される未反応の燃料ガスを集約する上部タンクと、を備え、所定の間隔で、上部タンクの側面と内側ケース部材の内壁面との間に設けられ、酸化剤ガス供給管から内側ケース部材の内壁面へ向けてガスが通過する第一発電用空気流路を有し、第一発電用空気流路に未反応の燃料ガスを燃焼させた横方向の燃焼炎が形成され、改質部は、燃料ガス供給流路内に燃料電池セルの上部を取り囲み、燃焼炎からの熱を受けるように配置されていることを特徴とする。 A solid oxide fuel cell device that generates power by using a fuel gas obtained by reforming a hydrocarbon-based raw fuel gas and an oxidant gas, a reforming unit that reforms the raw fuel gas into a fuel gas, and an internal A plurality of fuel cells extending in the vertical direction and having one or a plurality of electrode layers on the outer surface, and an inner case member formed so as to surround the periphery of the plurality of fuel cells. The fuel gas formed between the outer case member formed so as to surround the inner case member and the outer wall surface of the inner case member and the inner wall surface of the outer case member is transferred to the lower ends of the plurality of fuel cells. A fuel gas supply channel to be supplied, an oxidant gas supply pipe disposed in the center of the inner case member, and an upper end of each of the plurality of fuel cells, and an upper end of each of the plurality of fuel cells Erupted from An upper tank that collects the corresponding fuel gas, and is provided between the side surface of the upper tank and the inner wall surface of the inner case member at a predetermined interval, and from the oxidant gas supply pipe to the inner wall surface of the inner case member A first power generation air passage through which gas passes, and a lateral combustion flame is formed in the first power generation air passage by burning unreacted fuel gas. It is characterized by surrounding the upper part of the fuel cell in the supply channel and receiving heat from the combustion flame.

このように構成された本発明においては、燃料電池セルの集合体に囲まれた酸化剤ガス供給管から内側ケース部材の方向へ酸化剤ガスが供給され、上部タンクの側面と内側ケース部材の内壁との間に構成された第一発電用空気流路を通過させることで、酸化剤ガス供給管に対して軸対称な流れを形成することができる。したがって、燃料電池セル集合体に均等に発電用空気を供給することが可能になり、セルの空気枯れを防止できる。さらに、上部タンク側面と内側ケース部材内壁面の間の第一発電用空気流路に発電用空気を集め、発電用空気の流路上に横方向の燃焼炎を形成させることで、継続的に空気を供給することが可能になるため、燃焼を安定させることができる。それに加えて、改質部に燃焼炎が向いているので、燃焼炎の輻射熱により改質触媒を昇温させることができ、冷間時においても改質部の昇温を効率よく行い、水素を迅速に供給することができる。 In the present invention configured as described above, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply pipe surrounded by the fuel cell assembly toward the inner case member, and the side surface of the upper tank and the inner wall of the inner case member are supplied. By passing through the first power generation air flow path formed between the two, an axially symmetric flow can be formed with respect to the oxidant gas supply pipe. Therefore, it is possible to supply the power generation air evenly to the fuel cell assembly, and the cell can be prevented from being dried up. Further, the power generation air is collected in the first power generation air flow path between the upper tank side surface and the inner case member inner wall surface, and a horizontal combustion flame is formed on the power generation air flow path so that the air is continuously generated. Therefore, combustion can be stabilized. In addition, since the combustion flame is suitable for the reforming section, it is possible to raise the temperature of the reforming catalyst by the radiant heat of the combustion flame. It can be supplied quickly.

酸化剤ガス供給管は上部タンクの中央を貫通して延びるように配置され、所定の間隔で全周に渡って、上部タンクの内周面と酸化剤ガス供給管の外周面との間に設けられ、酸化剤ガス供給管から上部タンクの上方へと酸化剤ガスが通過する第二発電用空気流路を備えていることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、上部タンクは上面視においてドーナツ状に形成されており、上部タンクの中央を酸化剤ガス供給管が貫通するように延びている。上部タンクの内周面と酸化剤ガス供給管外周面との間は全周に渡って均等に間隔が設けられているため、全周に渡って酸化剤ガスを均一に上部タンクの上方へ供給することができる。したがって、上部タンクの上方からも燃焼室へ空気が供給できるようになり、且つ燃料電池セル集合体の中央上部方向における空気枯れを防ぐことができる。 The oxidant gas supply pipe is disposed so as to extend through the center of the upper tank, and is provided between the inner peripheral surface of the upper tank and the outer peripheral surface of the oxidant gas supply pipe over the entire circumference at predetermined intervals. And a second power generation air passage through which the oxidant gas passes from the oxidant gas supply pipe to above the upper tank.
In the present invention configured as described above, the upper tank is formed in a donut shape when viewed from above, and extends so that the oxidant gas supply pipe passes through the center of the upper tank. Since the gap between the inner peripheral surface of the upper tank and the outer peripheral surface of the oxidant gas supply pipe is evenly distributed over the entire circumference, the oxidant gas is uniformly supplied to the upper part of the upper tank over the entire circumference. can do. Therefore, air can be supplied from above the upper tank to the combustion chamber, and air erosion in the central upper direction of the fuel cell assembly can be prevented.

上部タンクは段状に形成され、上部タンク段状部と内側ケース部材内壁面とで構成される空間に熱溜部が形成され、排気ガスは内側ケース部材に設けられた排気ガス噴出孔から噴出され、改質部に熱を与えつつ外部へ排出されることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、上部タンクを段状に形成すると、上部タンクの角部の形状により、空気の戻りが生じて発電用空気が滞留しやすくなる。さらに、横向きの燃焼炎からの熱を滞留している発電用空気に蓄熱することができ、熱溜部が形成される。したがって、その熱溜部からの熱により、改質触媒の充填された内側ケース部材を温めることができる。且つ、下方から供給された発電用空気を熱溜部での熱交換により昇温することが可能になるので、排ガスは高温になり、排気の過程で改質部に熱を与えて暖めることができ、冷間時においても迅速な昇温が可能となる。 The upper tank is formed in a step shape, a heat reservoir is formed in a space formed by the upper tank step portion and the inner case member inner wall surface, and exhaust gas is ejected from an exhaust gas ejection hole provided in the inner case member. And being discharged to the outside while applying heat to the reforming section.
In the present invention configured as described above, when the upper tank is formed in a step shape, the shape of the corner portion of the upper tank causes the return of air and the power generation air tends to stay. Furthermore, heat from the horizontal combustion flame can be stored in the remaining power generation air, and a heat reservoir is formed. Therefore, the inner case member filled with the reforming catalyst can be warmed by the heat from the heat reservoir. In addition, since it is possible to raise the temperature of the power generation air supplied from below by heat exchange in the heat reservoir, the exhaust gas becomes high temperature, and heat can be given to the reforming part during the exhaust process to warm it up. It is possible to quickly raise the temperature even when it is cold.

本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、未反応の燃料ガスを集める上部タンクを設けた形式において、横向きの燃焼炎を上部タンクと内側ケース部材との間に形成させることで、少量の発電用空気で空気枯れを引き起こすことなく、未反応の燃料ガスの燃焼性が安定した固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。 According to the solid oxide fuel cell device of the present invention, in a form in which an upper tank that collects unreacted fuel gas is provided, a lateral combustion flame is formed between the upper tank and the inner case member, thereby reducing a small amount. Thus, it is possible to provide a solid oxide fuel cell device in which the flammability of unreacted fuel gas is stable without causing air exhaustion with the power generation air.

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）に内蔵されている燃料電池ハウジングの断面図である。1 is a cross-sectional view of a fuel cell housing built in a solid oxide fuel cell device (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置に内蔵されている燃料電池ハウジングの、主なガスの流れを示す燃料電池ハウジングの断面図である1 is a cross-sectional view of a fuel cell housing showing a main gas flow of a fuel cell housing built in 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固体酸化物形燃料電池装置に内蔵されている上部タンクを拡大して示す斜視図である。It is a perspective view which expands and shows the upper tank built in the solid oxide fuel cell apparatus by one Embodiment of this invention. （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.

図１により、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池ハウジング８の内部構造を説明する。
この燃料電池ハウジング８内の内部には発電室１０が設けられ、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発電用空気の発電反応が行われる。 The internal structure of a fuel cell housing 8 built in a fuel cell module of a solid oxide fuel cell device (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
A power generation chamber 10 is provided inside the fuel cell housing 8, and a plurality of fuel cell cells 16 are concentrically arranged in the power generation chamber 10. Then, a power generation reaction of power generation air that is an oxidant gas is performed.

各燃料電池セル１６の上端部には、上部タンク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未反応の燃料（オフガス）は、上端部に取り付けられた上部タンク１８に集められ、この上部タンク１８は段状に形成されており、上部タンクに設けられた複数の噴出孔と内側ケース部材との間に形成された燃焼室１７へ流出される。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、燃焼室１７内で燃焼され、排気ガスが生成される。 An upper tank 18 is attached to the upper end portion of each fuel cell 16. The remaining unreacted fuel (off-gas) that is not used in the power generation reaction in each fuel cell 16 is collected in an upper tank 18 attached to the upper end, and the upper tank 18 is formed in a step shape. And flows out into the combustion chamber 17 formed between the plurality of ejection holes provided in the upper tank and the inner case member. The fuel that has flowed out is burned in the combustion chamber 17 by the air remaining without being used for power generation in the power generation chamber 10, and exhaust gas is generated.

図１に示すように、燃料電池ハウジング８は、概ね円筒状の密閉容器であり、燃料電池ハウジング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ている。さらに、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路２０、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。ここで、排ガス排出流路２１及び酸化剤ガス供給流路２２は、酸化剤ガスを供給／排出する酸化剤ガス流路として機能する。 As shown in FIG. 1, the fuel cell housing 8 is a substantially cylindrical sealed container, and a plurality of fuel cells 16 are concentrically arranged in a space in the fuel cell housing 8. Further, a fuel gas supply channel 20, which is a fuel channel, an exhaust gas discharge channel 21, and an oxidant gas supply channel 22 are formed concentrically in order so as to surround the periphery. Here, the exhaust gas discharge channel 21 and the oxidant gas supply channel 22 function as an oxidant gas channel that supplies / discharges the oxidant gas.

燃料電池ハウジング８の下方からは、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、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８、さらに、上部タンク１８から流出した残余燃料に点火するための点火ヒーター６２が接続されている。図１に示すように、これらの配管はすべて下方から接続されているため、燃料電池ハウジング８を縦長に形成でき、コンパクトに形成することができる。なお、点火ヒータ−６２は上部タンク１８の噴出孔１８ｄと向き合うように設けられているため、確実に着火することができる。 From below the fuel cell housing 8, an oxidant gas introduction pipe 56 that is an oxidant gas inlet for supplying air for power generation, an exhaust gas discharge pipe 58 that discharges exhaust gas, and residual fuel that has flowed out of the upper tank 18. An ignition heater 62 for igniting is connected. As shown in FIG. 1, since these pipes are all connected from below, the fuel cell housing 8 can be formed vertically long and can be formed compactly. Since the ignition heater 62 is provided so as to face the ejection hole 18d of the upper tank 18, it can be ignited with certainty.

さらに、燃料電池ハウジング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ケース部材６４、外側ケース部材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形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、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、燃料電池ハウジング８の下端部の開放空間は、燃料を各燃料電池セル１６に分散させる燃料ガス分散室７６の底面となる概ね円形の分散室底部材７２により塞がれている。 Further, inside the fuel cell housing 8, an inner case member 64, which is a power generation chamber constituting member, an outer case member 66, an inner cylindrical container 68, and an outer cylindrical container are sequentially arranged from the inner side so as to surround the fuel cell 16. 70 is 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 formed between these cylindrical members and cylindrical containers, respectively, and between adjacent flow paths. Heat exchange takes place at. That is, the exhaust gas discharge passage 21 is disposed so as to surround the fuel gas supply passage 20, and the oxidant gas supply passage 22 is disposed so as to surround the exhaust gas discharge passage 21. Further, the open space at the lower end of the fuel cell housing 8 is closed by a substantially circular dispersion chamber bottom member 72 serving as the bottom surface of the fuel gas dispersion chamber 76 that disperses the fuel into each fuel cell 16.

内側ケース部材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、内側ケース部材６４の内壁面には、分散室形成板である円形の固定部材６３が気密的に溶接されている。この固定部材６３の下面と、内側ケース部材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、固定部材６３には、各燃料電池セル１６を挿通させる複数の挿通穴（図示せず）が形成されており、各燃料電池セル１６は、各挿通穴６３に挿通された状態で、セラミック接着剤により固定部材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形燃料電池装置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 case member 64 is a substantially cylindrical hollow body, and its upper end and lower end are open. A circular fixing member 63 that is a dispersion chamber forming plate is airtightly welded to the inner wall surface of the inner case member 64. A fuel gas dispersion chamber 76 is defined by the lower surface of the fixing member 63, the inner wall surface of the inner case member 64, and the upper surface of the dispersion chamber bottom member 72. The fixing member 63 is formed with a plurality of insertion holes (not shown) through which the fuel cells 16 are inserted, and the fuel cells 16 are inserted into the insertion holes 63 in a ceramic state. It is adhered to the fixing member 63 with an adhesive. 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 at the joint portion between the members constituting the fuel cell module 2 and cured. Are hermetically joined to each other.

外側ケース部材６６は、内側ケース部材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、内側ケース部材６４と概ね相似形に形成されている。さらに、内側ケース部材６４と外側ケース部材６６の間には中間ケース部材６５が配置されている。中間ケース部材６５は、内側ケース部材６４と外側ケース部材６６の間に配置された円筒状の管であり、内側ケース部材６４の外周面と外側ケース部材６６、及び中間ケース部材６５により燃料ガス供給流路２０として機能する。その燃料ガス供給流路２０内に改質触媒９６を充填させることで改質部９４が形成されている。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、及び段状に形成された上部タンク１８の上段側側面に設けられた噴出孔における残余燃料の燃焼熱を受ける。また、内側ケース部材６４の上端部と外側ケース部材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、中間ケース部材６５の下端と、内側ケース部材６４の外周面は、溶接により気密的に接合されている。 The outer case member 66 is a cylindrical tube disposed around the inner case member 64 and is generally similar to the inner case member 64 so that an annular flow path is formed between the outer case member 66 and the inner case member 64. It is formed into a shape. Further, an intermediate case member 65 is disposed between the inner case member 64 and the outer case member 66. The intermediate case member 65 is a cylindrical tube disposed between the inner case member 64 and the outer case member 66. Fuel gas is supplied by the outer peripheral surface of the inner case member 64, the outer case member 66, and the intermediate case member 65. It functions as the flow path 20. A reforming portion 94 is formed by filling the fuel gas supply channel 20 with the reforming catalyst 96. For this reason, the reforming unit 94 and the fuel gas supply channel 20 generate heat generated in the fuel cells 16 and combustion heat of the remaining fuel in the ejection holes provided on the upper side surface of the upper tank 18 formed in a step shape. receive. Further, the upper end portion of the inner case member 64 and the upper end portion of the outer case 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 case member 65 and the outer peripheral surface of the inner case member 64 are hermetically joined by welding.

内側円筒容器６８は、外側ケース部材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、外側ケース部材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、側面が外側ケース部材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。外側ケース部材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として機能する。この排ガス排出流路２１は、内側ケース部材６４の上端部に設けられた複数の小穴６４ａを介して内側ケース部材６４の内側の空間と連通している。また、外側ケース部材の下部側面には、排ガス流出口である排ガス排出パイプ５８が接続されており、排ガス排出流路２１が排ガス排出パイプ５８に連通される。 The inner cylindrical container 68 is a cup-shaped member having a circular cross section disposed around the outer case member 66, and an annular channel having a substantially constant width is formed between the inner cylindrical container 68 and the outer case member 66. The side surface is formed in a generally similar shape to the outer case 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 case member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 functions as the exhaust gas discharge passage 21. The exhaust gas discharge passage 21 communicates with the space inside the inner case member 64 through a plurality of small holes 64 a provided in the upper end portion of the inner case member 64. Further, an exhaust gas exhaust pipe 58 that is an exhaust gas outlet is connected to the lower side surface of the outer case member, and the exhaust gas exhaust passage 21 is communicated with the exhaust gas exhaust pipe 58.

排ガス排出流路２１の下部には、燃焼触媒６０及びこれを加熱するためのシースヒーター６１が配置されている。
燃焼触媒６０は、排ガス排出パイプ５８よりも上方に、外側ケース部材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６０を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８から排出される。
シースヒーター６１は、燃焼触媒６０の下方の、外側ケース部材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。固体酸化物形燃料電池装置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、燃焼触媒６０が活性温度まで加熱される。 A combustion catalyst 60 and a sheath heater 61 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 case member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 above the exhaust gas discharge pipe 58. Exhaust gas descending the exhaust gas discharge passage 21 passes through the combustion catalyst 60 to remove carbon monoxide and is discharged from the exhaust gas discharge pipe 58.
The sheath heater 61 is an electric heater attached so as to surround the outer peripheral surface of the outer case member 66 below the combustion catalyst 60. When the solid oxide fuel cell device 1 is started, the combustion catalyst 60 is heated to the activation temperature by energizing the sheath heater 61.

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、燃料電池ハウジング８の下方には、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. An oxidant gas introduction pipe 56 is connected below the fuel cell housing 8, and the oxidant gas supply flow path 22 is communicated 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、内側ケース部材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、固定部材６３と分散室底部材７２の間に、燃料ガス分散室７６が形成される。また、分散室底部材７２の中央には、バスバー８０（図１）を挿通させるための挿通管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を通して燃料電池ハウジング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、燃料ガス分散室７８の気密性が確保されている。 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 case member 64 with a ceramic adhesive. As a result, a fuel gas dispersion chamber 76 is formed between the fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72. In addition, an insertion tube 72 a for inserting the bus bar 80 (FIG. 1) is provided at the center of the dispersion chamber bottom member 72. The bus bar 80 electrically connected to each fuel cell 16 is drawn out of the fuel cell housing 8 through the insertion tube 72a. Further, the insertion tube 72 a is filled with a ceramic adhesive, and the airtightness of the fuel gas dispersion chamber 78 is ensured.

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供給管７４が取り付けられている。この酸化剤ガス供給管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。酸化剤ガス供給管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と酸化剤ガス供給管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発電用空気は、酸化剤ガス供給管７４の先端から下方に噴射され、固定部材６３の上面に当たって、発電室１０内全体に広がる。 An oxidant gas supply 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 supply 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 supply pipe 74 to the ceiling surface of the inner cylindrical container 68, the oxidant gas supply flow path 22 and the oxidant gas supply formed between the inner cylindrical container 68 and the outer cylindrical container 70 are provided. A tube 74 is communicated. The power generation air supplied through the oxidant gas supply channel 22 is jetted downward from the tip of the oxidant gas supply pipe 74, hits the upper surface of the fixing member 63, and spreads throughout the power generation chamber 10.

燃料ガス分散室７６は、固定部材６３と分散室底部材７２の間に形成される円筒形の気密性のあるチャンバであり、その上面に各燃料電池セル１６が林立されている。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、固定部材６３の挿通穴６３ａ（図示せず）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 fixed member 63 and the dispersion chamber bottom member 72, and each fuel cell 16 is forested on the upper surface thereof. Each fuel battery cell 16 attached to the upper surface of the 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 passes through an insertion hole 63a (not shown) of the fixing member 63 and protrudes into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell 16 is fixed to the fixing member 63 by bonding. Has been.

図１に示すように、内側ケース部材６４には、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。内側ケース部材６４の外周と中間ケース部材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、外側ケース部材６６の内周と中間ケース部材６５の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材６４の外周と中間ケース部材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（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. 1, the inner case member 64 is provided with a plurality of small holes 64 b below the fixing member 63. A space between the outer periphery of the inner case member 64 and the inner periphery of the intermediate case 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 periphery of the outer case member 66 and the outer periphery of the intermediate case member 65, and then descends in the space between the outer periphery of the inner cylindrical member 64 and the inner periphery of the intermediate case member 65. Then, it flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the plurality of small holes 64b. The fuel flowing into the fuel gas dispersion chamber 76 is distributed to the fuel electrode of each fuel cell 16 attached to the ceiling surface (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、燃料電池ハウジング８の外部へ取り出すための細長い金属プレート導体であり、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、燃料電池ハウジング８の外部において、インバータに接続される。なお、集電体８２は、上部タンク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。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 plate conductor for taking out the electric power generated by each fuel cell 16 to the outside of the fuel cell housing 8, and is fixed to the insertion tube 72 a of the dispersion chamber bottom member 72 via the insulator 78. ing. 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 outside the fuel cell housing 8. The current collector 82 is also attached to the upper end portion of each fuel cell 16 projecting into the upper tank 18. With the current collectors 82 at the upper end and the lower end, the plurality of fuel cells 16 are electrically connected in parallel, and the plurality of fuel cells 16 connected in parallel are electrically connected in series, Both ends of this series connection are connected to the bus bar 80, respectively.

次に、図１及び図３を参照して、上部タンクの構造を説明する。図１に示すように、上部タンク１８は、各燃料電池セル１６の上端部に取り付けられた段状のドーナツ型断面のチャンバーであり、この上部タンク１８の中央には、酸化剤ガス供給管７４が貫通して延びている。 Next, the structure of the upper tank will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the upper tank 18 is a stepped donut-shaped cross-section chamber attached to the upper end of each fuel cell 16, and an oxidant gas supply pipe 74 is provided at the center of the upper tank 18. Extends through.

さらに、内側ケース部材６４の内壁面には、上部タンク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。各ステー６４ｃは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、上部タンク１８を各ステー６４ｃの上に載置することにより、上部タンク１８は内側ケース部材６４と同心円上に位置決めされる。これにより、上部タンク１８の外周面と内側ケース部材６４の内周面の間の隙間、及び上部タンク１８の内周面と酸化剤ガス供給管７４の外周面との間の隙間は、全周で均一になる（図１）。 Further, three stays 64c for supporting the upper tank 18 are attached to the inner wall surface of the inner case member 64 at equal intervals. Each stay 64c is a small piece formed by bending a thin metal plate, and the upper tank 18 is positioned concentrically with the inner case member 64 by placing the upper tank 18 on each stay 64c. Thereby, the gap between the outer peripheral surface of the upper tank 18 and the inner peripheral surface of the inner case member 64 and the gap between the inner peripheral surface of the upper tank 18 and the outer peripheral surface of the oxidizing gas supply pipe 74 are all around the circumference. (FIG. 1).

一方、図３に示すように上部タンク１８は、燃焼炎が形成される燃焼炎形成部１８ｆと、燃焼炎形成部１８ｆよりも下方に設けられ、燃焼炎形成部１８ｆよりも水平方向における外径幅が大きい燃料ガス貯留部１８ｅからなる。燃焼炎形成部１８ｆの側面には、集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出孔１８ｄが設けられている（図３）。このように、上部タンク１８を段状形成しているため、未反応の燃料ガスを燃焼させるための点火手段を配置するためのスペースを別段に設ける必要がない。 On the other hand, as shown in FIG. 3, the upper tank 18 is provided below the combustion flame forming portion 18f where the combustion flame is formed, and the outer diameter in the horizontal direction than the combustion flame forming portion 18f. The fuel gas storage portion 18e has a large width. A plurality of ejection holes 18d for ejecting the aggregated fuel gas are provided on the side surface of the combustion flame forming portion 18f (FIG. 3). As described above, since the upper tank 18 is formed in a step shape, it is not necessary to provide a separate space for disposing ignition means for burning unreacted fuel gas.

各噴出孔１８ｄは、燃焼炎形成部１８ｆの側面に、ほぼ等間隔に円周状に配置されている。このように上部タンク１８の側面に噴出孔１８ｄを設けることにより燃焼炎を横向きに形成することができる。発電に使用されずに残った未反応の燃料ガスは、各燃料電池セル１６の上端から上部タンク１８内に流出し、上部タンク１８内で集約された燃料は各噴出孔１８ｄから、上部タンク１８と内側ケース部材６４との間に形成された燃焼室１７に流出し、図１で示すように燃焼室１７で燃焼される。 The respective ejection holes 18d are circumferentially arranged on the side surface of the combustion flame forming portion 18f at substantially equal intervals. Thus, by providing the ejection hole 18d on the side surface of the upper tank 18, the combustion flame can be formed sideways. Unreacted fuel gas remaining without being used for power generation flows into the upper tank 18 from the upper end of each fuel cell 16, and the fuel concentrated in the upper tank 18 passes through the respective ejection holes 18 d and passes through the upper tank 18. 1 flows into the combustion chamber 17 formed between the inner case member 64 and the inner case member 64, and is combusted in the combustion chamber 17 as shown in FIG.

次に、図１を参照して、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、内側ケース部材６４と外側ケース部材６６の間の空間により形成されている燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側ケース部材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から形成されている。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８よりも上方に配置されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側ケース部材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、内側ケース部材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 will be described with reference to FIG.
First, an evaporating portion 86 for evaporating water for steam reforming is provided in the lower part of the fuel gas supply flow path 20 formed by the space between the inner case member 64 and the outer case member 66. . The evaporation portion 86 is formed by a ring-shaped inclined plate 86 a and a water supply pipe 88 attached to the lower inner periphery of the outer case member 66. The evaporator 86 is disposed below the oxidant gas introduction pipe 56 for introducing power generation air and above the exhaust gas discharge pipe 58 that discharges exhaust gas. The inclined plate 86 a is a metal thin plate formed in a ring shape, and the outer peripheral edge thereof is attached to the inner wall surface of the outer case 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 case member 64.

水供給パイプ８８は内側ケース部材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の上面と外側ケース部材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 case member 64 into the fuel gas supply flow path 20, and the water for steam reforming supplied from the water flow rate adjustment unit passes through the water supply pipe 88. And supplied to the evaporator 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 case 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おり、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は内側ケース部材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。燃料ブロアから送られた原燃料ガスは、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する。 A fuel gas introduction section for introducing the raw fuel gas into the fuel gas supply flow path 20 is provided below the evaporation section 86, and the fuel gas supply flow path 20 is provided via the fuel gas supply pipe 90. To be introduced. The fuel gas supply pipe 90 is a pipe that extends vertically from the lower end of the inner case 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 sent from the fuel blower 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 86 a rises together with the water vapor generated in the evaporation section 86.

燃料ガス供給流路２０内の蒸発部８６上方には、燃料ガス供給流路隔壁９２が設けられている。燃料ガス供給流路隔壁９２は、外側ケース部材６６の内周と中間ケース部材６５の外周の間の円環状の空間を上下に隔てるように設けられた円環状の金属板である。この燃料ガス供給流路隔壁９２の円周上には等間隔に複数の噴射口９２ａが設けられており、これらの噴射口９２ａにより燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間と下側の空間が連通されている。燃料ガス供給パイプ９０から導入された原燃料ガス及び蒸発部８６で生成された水蒸気は、一旦、燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留した後、各噴射口９２ａを通って燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間に噴射される。各噴射口９２ａから燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の広い空間に噴射されると、原燃料ガス及び水蒸気は急激に減速され、ここで十分に混合される。 A fuel gas supply channel partition wall 92 is provided above the evaporation portion 86 in the fuel gas supply channel 20. The fuel gas supply channel partition wall 92 is an annular metal plate provided so as to vertically separate an annular space between the inner periphery of the outer case member 66 and the outer periphery of the intermediate case member 65. A plurality of injection ports 92a are provided at equal intervals on the circumference of the fuel gas supply channel partition wall 92, and the upper space and the lower space of the fuel gas supply channel partition wall 92 are formed by these injection ports 92a. Is communicated. The raw fuel gas introduced from the fuel gas supply pipe 90 and the water vapor generated in the evaporation portion 86 once stay in the space below the fuel gas supply flow path partition wall 92 and then pass through each injection port 92a to become fuel. It is injected into the space above the gas supply channel partition wall 92. When injected from each injection port 92a into a wide space above the fuel gas supply flow path partition wall 92, the raw fuel gas and water vapor are rapidly decelerated and mixed sufficiently here.

さらに、外側ケース部材６６の内周と内側ケース部材６４の外周の間の、円環状の空間の上部には、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、その上方の上部タンク１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、図１に示すように、内側ケース部材６４の外壁面と外側ケース部材６６の内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。 Further, a reforming portion 94 is provided in the upper part of the annular space between the inner periphery of the outer case member 66 and the outer periphery of the inner case member 64. The reforming part 94 is arranged so as to surround the upper part of each fuel cell 16 and the upper tank 18 above it. As shown in FIG. 1, the reforming unit 94 includes a catalyst holding plate (not shown) attached to the outer wall surface of the inner case member 64 and the inner wall surface of the outer case member 66, and the reforming catalyst held thereby. 96.

図２に示すように、改質触媒９６は外側ケース部材６６の内壁面、内側ケース部材６４の外壁面、および中間ケース部材６５の外壁面で規定される折り返し部分から、発電部にいたるまで充填される。このように構成されることで、改質部９４の距離が確保され、確実に改質反応を起こすことができる。さらに、改質部９４は排ガス排出流路２１に隣接しており、排ガスが排ガス排出流路２１に流出しても、熱を与えつつ排出することができるので、改質部９４は発電熱や未反応の燃料ガスの燃焼炎による輻射熱に加えて、排ガスの熱を受けることができる。したがって、起動時などの改質触媒９６が昇温しがたい状態においても、迅速な昇温が可能である。 As shown in FIG. 2, the reforming catalyst 96 is filled from the folded portion defined by the inner wall surface of the outer case member 66, the outer wall surface of the inner case member 64, and the outer wall surface of the intermediate case member 65 to the power generation unit. Is done. By being configured in this way, the distance of the reforming portion 94 is ensured, and the reforming reaction can be surely caused. Further, the reforming section 94 is adjacent to the exhaust gas discharge passage 21, and even if the exhaust gas flows into the exhaust gas discharge passage 21, it can be discharged while applying heat. In addition to the radiant heat generated by the combustion flame of unreacted fuel gas, the heat of the exhaust gas can be received. Therefore, even when the reforming catalyst 96 is difficult to increase in temperature at the time of startup or the like, rapid temperature increase is possible.

このように、改質部９４内に充填された改質触媒９６に、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間で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。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１） As described above, when the raw fuel gas and water vapor mixed in the space above the fuel gas supply passage partition wall 92 come into contact with the reforming catalyst 96 filled in the reforming unit 94, The steam reforming reaction SR shown in the formula (1) proceeds.
C _m H _n + xH ₂ O → aCO ₂ + bCO + cH ₂ (1)

改質部９４において改質された燃料ガスは、中間ケース部材６５の内周と内側ケース部材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、上部タンク１８から流出する未反応の燃料ガス（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熱により供給される。 The fuel gas reformed in the reforming portion 94 flows downward in the space between the inner periphery of the intermediate case member 65 and the outer periphery of the inner case 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 the unreacted fuel gas (off-gas) flowing out from the upper tank 18 and the heat generated in each fuel cell 16. .

次に、図４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固体酸化物形燃料電池装置においては、燃料電池セル１６は、固体酸化物を用いたセルであり、さらに、複数の電極が上下方向に沿って配置された円筒横縞型セルである。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となる。 Next, the fuel cell 16 will be described with reference to FIG.
In the solid oxide fuel cell device according to the embodiment of the present invention, the fuel cell 16 is a cell using a solid oxide, and a cylindrical horizontal stripe cell in which a plurality of electrodes are arranged along the vertical direction. It is. On each fuel cell 16, a plurality of single cells 16 a are formed in a horizontal stripe shape, and these are electrically connected in series to form one fuel cell 16.

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。 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４（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４（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. 4A 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. 4B 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４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。この多孔質支持体９７には、その下端から上端まで燃料ガス通路９７ａが形成されている。多孔質支持体９７の周囲には、内側から順に、多孔質の燃料極層９８、多孔質の反応抑制層９９、緻密な固体電解質層１００、多孔質の空気極層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、酸化剤ガス供給管７４から噴射された発電用空気は、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. 4, 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. The porous support 97 is formed with a fuel gas passage 97a from its lower end to its upper end. Around the porous support 97, a porous fuel electrode layer 98, a porous reaction suppression layer 99, a dense solid electrolyte layer 100, and a porous air electrode layer 101 are formed in horizontal stripes in order from the inside. Has been. For this reason, the fuel gas supplied through the fuel gas dispersion chamber 76 flows inside the porous support body 97 of each fuel cell 16, and the power generation air injected from the oxidant gas supply pipe 74 is air. It flows outside the polar 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４（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の外周に多孔質の電極層（リード膜層）１０３ａが形成され、この電極層１０３ａの外側に緻密なリード膜保護層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及びリード膜保護層１０４ａは、燃料電池セル１６端部において固定部材６３を貫通し、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、リード膜保護層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に緻密な集電体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、固定部材６３の挿通穴６３の縁とリード膜保護層１０４ａの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されてセラミック接着剤層１２２となり、このセラミック接着剤が硬化されることにより、燃料電池セル１６は、リード膜保護層１０４ａの外周で固定部材６３に固定される。 As shown in FIG. 4A, a porous electrode layer (lead film layer) 103a is formed on the outer periphery of the porous support 97 at the cathode side end of the fuel cell 16, and the electrode layer 103a A dense lead film protective layer 104a is formed on the outside. 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 protective layer 104 a are formed so as to penetrate the fixing member 63 at the end of the fuel cell 16 and protrude downward from the fixing member 63. The electrode layer 103a is formed below the lead film protective layer 104a, and a dense 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. In addition, a gap between the edge of the insertion hole 63 of the fixing member 63 and the lead film protective layer 104a is filled with a ceramic adhesive to form a ceramic adhesive layer 122. The battery cell 16 is fixed to the fixing member 63 on the outer periphery of the lead film protective layer 104a.

ここで、緻密な電解質層であるリード膜保護層１０４ａは、セラミック接着剤層１２２の所定の基準接着領域よりも上下方向にそれぞれより広くなる領域に設けられ、このリード膜保護層１０４ａにより電極層１０３ａ及び支持体９７の端部が覆われている。 Here, the lead film protective layer 104a, which is a dense electrolyte layer, is provided in a region that is wider in the vertical direction than the predetermined reference adhesive region of the ceramic adhesive layer 122, and the lead film protective layer 104a provides an electrode layer. 103a and the end of the support 97 are covered.

図４（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保護層１０４ｂが形成されている。これらの電極層１０３ｂ及びリード膜保護層１０４ｂは、燃料電池セル１６端部において固定部材６３を貫通し、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、リード膜保護層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、固定部材６３の挿通穴６３の縁とリード膜保護層１０４ｂの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されてセラミック接着剤層１２２となり、このセラミック接着剤が硬化されることにより、燃料電池セル１６は、リード膜保護層１０４ｂの外周で固定部材６３に固定される。 As shown in FIG. 4B, at the anode side end of the fuel 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 an electrode. It functions as the layer 103b. A lead film protective layer 104b is formed outside the electrode layer 103b. The electrode layer 103 b and the lead film protective layer 104 b are formed so as to penetrate the fixing member 63 at the end portion of the fuel cell 16 and protrude downward from the fixing member 63. The electrode layer 103b is formed below the lead film protective 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. In addition, a gap between the edge of the insertion hole 63 of the fixing member 63 and the lead film protective layer 104b is filled with a ceramic adhesive to form a ceramic adhesive layer 122. The battery cell 16 is fixed to the fixing member 63 on the outer periphery of the lead film protective layer 104b.

同様に、緻密な電解質層であるリード膜保護層１０４ｂは、セラミック接着剤層１２２の所定の基準接着領域よりも上下方向にそれぞれより広くなる領域に設けられ、このリード膜保護層１０４ｂにより電極層１０３ｂ及び支持体９７の端部が覆われている。 Similarly, the lead film protective layer 104b, which is a dense electrolyte layer, is provided in a region that is wider in the vertical direction than the predetermined reference adhesion region of the ceramic adhesive layer 122. 103b and the end of the support 97 are covered.

図４（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。 4A and 4B, 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.

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％Ｙ₂Ｏ₃−９０ｍｏｌ％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Ｌａ₂Ｏ₃−６０ｍｏｌ％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、Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.2Ｏ₃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、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4Ｃｏ_0.8Ｆｅ_0.2Ｏ₃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）から作ら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。
リード膜保護層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.
The lead film protective layers 104a and 104b are formed of the same material as the solid electrolyte layer 100 in this embodiment.

次に、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の作用を説明する。
まず、固体酸化物形燃料電池装置の起動工程において、燃料供給パイプ９０から原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。図２の実線の矢印に示すように、燃料ガス供給パイプ９０から燃料電池ハウジング８の内部に流入した燃料は、燃料ガス供給流路２０内を上昇した後、改質部９４内通過し、内側ケース部材６４の下部に設けられた小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。なお、固体酸化物形燃料電池装置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 by embodiment of this invention is demonstrated.
First, in the starting process of the solid oxide fuel cell device, supply of raw fuel from the fuel supply pipe 90 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. As shown by the solid line arrow in FIG. 2, the fuel that has flowed into the fuel cell housing 8 from the fuel gas supply pipe 90 rises in the fuel gas supply flow path 20, then passes through the reforming portion 94, and enters the inside. It flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through a small hole 64 b provided in the lower part of the case member 64. Immediately after starting the solid oxide fuel cell device, the temperature of the reforming catalyst 96 in the reforming unit 94 has not risen sufficiently, so that the reforming of the fuel 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）を通って上部タンク１８に流入する。なお、固体酸化物形燃料電池装置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 upper tank 18 through the inner side (fuel electrode side) of each fuel cell 16 attached to the fixing member 63 of the fuel gas dispersion chamber 76. Immediately after the start of the solid oxide fuel cell device, the temperature of each fuel cell 16 does not rise sufficiently, and the power is not taken out to the inverter, so that a power generation reaction occurs. do not do.

上部タンク１８に流入した燃料は、上部タンク１８の噴出孔１８ｄから噴出される。噴出孔１８ｄから噴出された燃料は、点火ヒーター６２により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、上部タンク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、内側ケース部材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。その後、排気ガスは、排ガス排出流路２１内に配置された燃焼触媒６０を通ることにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池ハウジング８から排出される。 The fuel that has flowed into the upper tank 18 is ejected from the ejection hole 18 d of the upper tank 18. The fuel ejected from the ejection hole 18d is ignited by the ignition heater 62 and burned there. Due to this combustion, the reforming section 94 disposed around the upper tank 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 case member 64. Thereafter, the exhaust gas passes through the combustion catalyst 60 disposed in the exhaust gas discharge passage 21 to remove carbon monoxide and is discharged from the fuel cell housing 8 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、水供給源から、水供給パイプ８８を介して燃料電池ハウジング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燃料は、一旦、燃料ガス供給流路２０内の燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留し、燃料ガス供給流路隔壁９２に設けられた複数の噴射口９２ａから噴射される。噴射口９２ａから勢いよく噴射された燃料及び水蒸気は、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間内で減速されることにより、十分に混合される。 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 from the water supply source to the evaporation section 86 in the fuel cell housing 8 through the water supply pipe 88. The water vapor generated in the evaporation unit 86 and the fuel supplied via the fuel gas supply pipe 90 are temporarily retained in the space below the fuel gas supply flow path partition wall 92 in the fuel gas supply flow path 20. The fuel gas is supplied from a plurality of injection ports 92 a provided in the fuel gas supply channel partition wall 92. The fuel and water vapor that are vigorously injected from the injection port 92 a are sufficiently mixed by being decelerated in the space above the fuel gas supply flow path partition wall 92.

混合された燃料及び水蒸気は、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、燃料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に改質される。改質された燃料は、小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。小穴６４ｂは燃料ガス分散室７６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。 The mixed fuel 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 unit 94 has risen to a temperature at which reforming can be performed, when the fuel / steam mixture passes through the reforming unit 94, a steam reforming reaction occurs, and the mixture Is reformed into a fuel rich in hydrogen. The reformed fuel flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the small hole 64b. A large number of small holes 64 b are provided around the fuel gas dispersion chamber 76, 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 the battery cells 16.

一方、図１で示すように、空気流量調整ユニットにより供給された酸化剤ガスである発電用空気は、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に流入した発電用空気は、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内を上昇した発電用空気は、燃料電池ハウジング８内の上端部で中央に集められ、図２の点線の矢印で示すように、酸化剤ガス供給流路２２に連通された酸化剤ガス供給管７４に流入する。酸化剤ガス供給管７４に流入した発電用空気は下端から発電室１０内に噴射され、噴射された発電用空気は固定部材６３の上面に当たって発電室１０内全体に広がる。発電室１０内に流入した発電用空気は、上部タンク１８の外周壁と内側ケース部材６４の内周壁の間の隙間の第一発電用空気流路１２３を通過する。 On the other hand, as shown in FIG. 1, the power generation air that is the oxidant gas supplied by the air flow rate adjustment unit flows into the oxidant gas supply flow path 22 through the oxidant gas introduction pipe 56. The power generation 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 power generation air that has risen in the oxidant gas supply flow path 22 is collected in the center at the upper end in the fuel cell housing 8 and communicates with the oxidant gas supply flow path 22 as indicated by the dotted arrows in FIG. The oxidant gas supply pipe 74 flows. The power generation air flowing into the oxidant gas supply pipe 74 is injected into the power generation chamber 10 from the lower end, and the injected power generation air hits the upper surface of the fixing member 63 and spreads throughout the power generation chamber 10. The power generation air that has flowed into the power generation chamber 10 passes through the first power generation air passage 123 in the gap between the outer peripheral wall of the upper tank 18 and the inner peripheral wall of the inner case member 64.

図２で示すように、第一発電用空気通路１２３から上昇した酸化剤ガスは、上部タンク１８の燃焼炎形成部１８ｆの側面と内側ケース部材６４の内壁面とで構成される空間へ流入する。そして、流入した発電用空気は燃焼炎形成部１８ｆの側面に衝突して折り返し、内側ケース部材６４へ向かう流れを形成するため、その場に滞留することができる。ゆえに、燃焼炎形成部１８ｆの側面と内側ケース部材６４の側面とで形成される空間には、滞留した発電用空気に横向きの燃焼炎の熱が蓄熱され、熱溜部１９が形成される。 As shown in FIG. 2, the oxidant gas rising from the first power generation air passage 123 flows into a space formed by the side surface of the combustion flame forming portion 18 f of the upper tank 18 and the inner wall surface of the inner case member 64. . The inflowing power generation air collides with the side surface of the combustion flame forming portion 18f and turns back to form a flow toward the inner case member 64, so that it can stay there. Therefore, in the space formed by the side surface of the combustion flame forming portion 18f and the side surface of the inner case member 64, the heat of the horizontal combustion flame is stored in the accumulated power generation air, and the heat reservoir portion 19 is formed.

その熱溜部１９に蓄熱された熱により改質触媒９６の充填された内側ケース部材６６を加熱することができる。さらに、発電室１０内に流入した発電用空気は、燃料電池セル１６の集合体の中央上部方向にも十分に空気を供給した後に、上部タンク１８の内周壁と酸化剤ガス供給管７４の外周面の間の隙間の第二発電用空気流路１２４を通って上昇する。 The inner case member 66 filled with the reforming catalyst 96 can be heated by the heat stored in the heat reservoir 19. Furthermore, the power generation air that has flowed into the power generation chamber 10 is sufficiently supplied also in the central upper direction of the assembly of the fuel cells 16, and then the inner peripheral wall of the upper tank 18 and the outer periphery of the oxidant gas supply pipe 74. It rises through the second power generation air passage 124 in the gap between the surfaces.

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は発電反応に利用される。また、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。 At this time, the air flowing through the outside (air electrode side) of each fuel cell 16 is used for the power generation reaction. Further, the exhaust gas generated by the combustion and the air remaining without being used for power generation and combustion flow into the exhaust gas discharge passage 21 through the small hole 64a.

さらに、図２の一点鎖線で示すように高温の排気ガスは、排ガス排出流路２１内を下降し、その外側に設けられた酸化剤ガス供給流路２２内を流れる発電用空気、内側に設けられた燃料ガス供給流路２０を流れる燃料、および燃料ガス供給流路２０内に設けられた改質部９４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６０を通ることにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池ハウジング８から排出される。 Further, as shown by the one-dot chain line in FIG. 2, the high-temperature exhaust gas descends in the exhaust gas discharge passage 21, and is provided inside the power generation air flowing inside the oxidant gas supply passage 22 provided outside. The fuel flowing through the fuel gas supply channel 20 and the reforming unit 94 provided in the fuel gas supply channel 20 are heated. Further, the exhaust gas is removed from the fuel cell housing 8 through the exhaust gas exhaust pipe 58 by removing carbon monoxide by passing through the combustion catalyst 60 disposed in the exhaust gas exhaust passage 21.

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）に発電用空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池ハウジング８から引き出されているバスバー８０にインバータが接続されると、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 the power generation air flows through, an electromotive force is generated by a chemical reaction. In this state, when an inverter is connected to the bus bar 80 drawn from the fuel cell housing 8, electric power is taken out from each fuel cell 16 and electric power is generated.

次に、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の上部タンク１８における作用を説明する。本実施形態の固体酸化物形燃料電池装置においては、発電用の空気は、発電室１０の中央に配置された酸化剤ガス供給管７４から噴射され、発電室１０内を上部タンク１８と内側ケース部材６４の間の均等な隙間である第一発電用空気流路１２３、さらに上部タンク１８と酸化剤ガス供給管７４の間の均等な隙間である第二発電用空気流路１２４通って上昇する。このため、発電室１０内の発電用空気の流れは、ほぼ完全に酸化剤ガス供給管７４に対して軸対称の流れとなり、各燃料電池セル１６の周囲には、ムラなく酸化剤ガスが流れる。 Next, the operation in the upper tank 18 of the solid oxide fuel cell device according to the embodiment of the present invention will be described. In the solid oxide fuel cell device of the present embodiment, power generation air is injected from an oxidant gas supply pipe 74 disposed in the center of the power generation chamber 10, and the upper tank 18 and the inner case are passed through the power generation chamber 10. Ascending through the first power generation air flow path 123 which is a uniform gap between the members 64 and the second power generation air flow path 124 which is a uniform gap between the upper tank 18 and the oxidant gas supply pipe 74. . For this reason, the flow of power generation air in the power generation chamber 10 is almost completely axisymmetric with respect to the oxidant gas supply pipe 74, and the oxidant gas flows uniformly around each fuel cell 16. .

さらに、上部タンク１８と内側ケース部材６４内壁面の間の第一発電用空気流路１２３に発電用空気を集め、その部分に横方向の燃焼炎を形成させることで、安定的に燃焼に必要な空気を供給できるため燃焼を安定させることができる。且つ、改質部９４に燃焼炎が向いているので、燃焼炎の輻射熱により改質触媒９６を昇温させることができ、冷間時においても改質部９４の昇温を効率よく行い、水素を迅速に供給することができる。 Furthermore, the power generation air is collected in the first power generation air flow path 123 between the upper tank 18 and the inner case member 64, and a horizontal combustion flame is formed in that portion, so that stable combustion is necessary. Combustion can be stabilized because a simple air can be supplied. In addition, since the combustion flame is suitable for the reforming portion 94, the temperature of the reforming catalyst 96 can be raised by the radiant heat of the combustion flame, and the temperature of the reforming portion 94 is efficiently raised even in the cold state. Can be supplied quickly.

このように構成された本発明においては、上部タンク１８は上面視においてドーナツ状に形成されており、上部タンク１８の中央を酸化剤ガス供給管７４が貫通するように延びている。上部タンク１８の内周面と酸化剤ガス供給管７４の外周面との間は全周に渡って均等に間隔が設けられているため、全周に渡って酸化剤ガスを均一に上部タンク１８の上方へ供給することができる。したがって、図２の点線で示すように、上部タンクの１８上方からも燃焼室１７へ空気が供給できるようになり、且つ複数の燃料電池セル１６の集合体の上部方向中央における空気枯れを防ぐことができる。 In the present invention thus configured, the upper tank 18 is formed in a donut shape when viewed from above, and extends so that the oxidant gas supply pipe 74 penetrates the center of the upper tank 18. Since the space between the inner peripheral surface of the upper tank 18 and the outer peripheral surface of the oxidant gas supply pipe 74 is evenly spaced over the entire periphery, the oxidant gas is uniformly distributed over the entire periphery. Can be supplied above. Therefore, as shown by the dotted line in FIG. 2, air can be supplied to the combustion chamber 17 from above the upper tank 18, and air exhaustion at the center in the upper direction of the assembly of the plurality of fuel cells 16 can be prevented. Can do.

さらに、本実施形態によれば、図２の点線矢印に示すように、上部タンク１８を段状に構成すると、段状部に発電用空気に滞留させることができ、滞留した発電用空気に燃焼炎の熱を蓄熱した熱溜部１９が形成される。
別言すると、図３に示すように上部タンク１８は、燃焼炎が形成される燃焼炎形成部１８ｆと、燃焼炎形成部１８ｆよりも下方に設けられ、燃焼炎形成部１８ｆよりも水平方向における外径幅が大きい燃料ガス貯留部１８ｅからなる。第一発電用空気通路１２３から上昇した酸化剤ガスは、上部タンク１８の燃焼炎形成部１８ｆの側面と内側ケース部材６４の内壁面とで構成される空間へ流入する。そして、流入した発電用空気は燃焼炎形成部１８ｆの側面に衝突して折り返し、内側ケース部材６４へ向かう流れを形成するため、その場に滞留することができる。ゆえに、燃焼炎形成部１８ｆの側面と内側ケース部材６４の側面とで形成される空間には、滞留した発電用空気に横向きの燃焼炎の熱が蓄熱され、熱溜部１９が形成される。 Furthermore, according to the present embodiment, as shown by the dotted arrow in FIG. 2, when the upper tank 18 is configured in a step shape, the power generation air can be retained in the stepped portion and burned into the retained power generation air. A heat reservoir 19 that stores the heat of the flame is formed.
In other words, as shown in FIG. 3, the upper tank 18 is provided below the combustion flame forming portion 18f where the combustion flame is formed, and below the combustion flame forming portion 18f, and in the horizontal direction than the combustion flame forming portion 18f. The fuel gas storage part 18e has a large outer diameter width. The oxidant gas rising from the first power generation air passage 123 flows into a space formed by the side surface of the combustion flame forming portion 18 f of the upper tank 18 and the inner wall surface of the inner case member 64. The inflowing power generation air collides with the side surface of the combustion flame forming portion 18f and turns back to form a flow toward the inner case member 64, so that it can stay there. Therefore, in the space formed by the side surface of the combustion flame forming portion 18f and the side surface of the inner case member 64, the heat of the horizontal combustion flame is stored in the accumulated power generation air, and the heat reservoir portion 19 is formed.

したがって、その熱溜部１９からの熱により、改質触媒９６の充填された内側ケース部材６６を温めることができる。さらに、第一発電用空気流路１２３から供給された発電用空気を熱溜部１９での熱交換により昇温することが可能になるので、排ガスは高温になり、排気の過程で改質部９４を加熱することができ、冷間時においても改質部９４の迅速な昇温が可能となる。
なお、本実施例において燃料電池ハウジング８や収容される部材を円筒形状で説明したが、本発明はこれに限ったものではなく、直方体や多角形でもよい。
Therefore, the inner case member 66 filled with the reforming catalyst 96 can be warmed by the heat from the heat reservoir 19. Furthermore, since it is possible to raise the temperature of the power generation air supplied from the first power generation air flow path 123 by heat exchange in the heat storage section 19, the exhaust gas becomes high temperature, and the reforming section is in the process of exhaust. 94 can be heated, and the temperature of the reforming section 94 can be quickly raised even when cold.
In the present embodiment, the fuel cell housing 8 and the members to be accommodated have been described as being cylindrical, but the present invention is not limited to this and may be a rectangular parallelepiped or a polygon.

８燃料電池ハウジング
１０発電室
１６燃料電池セル
１６ａ単セル
１７燃焼室
１８上部タンク
１８ｄ噴出孔
１９熱溜部
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
６２点火ヒーター
６３固定部材
６４内側ケース部材
６５中間ケース部材
６６外側ケース部材
７２分散室底部材
７４酸化剤ガス供給管
７６燃料ガス分散室
９４改質部
９７多孔質支持体
９７ａ燃料ガス通路
９８燃料極層
１００固体電解質層
１０１空気極層
１０３ａ電極層（リード膜層）
１０４ａリード膜保護層
１２２セラミック接着剤層
１２３第一発電用空気流路
１２４第二発電用空気流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Fuel cell housing 10 Power generation chamber 16 Fuel cell 16a Single cell 17 Combustion chamber 18 Upper tank 18d Injection hole 19 Heat storage part 20 Fuel gas supply flow path 21 Exhaust gas discharge flow path 22 Oxidant gas supply flow path 62 Ignition heater 63 Fixed Member 64 Inner case member 65 Intermediate case member 66 Outer case member 72 Dispersion chamber bottom member 74 Oxidant gas supply pipe 76 Fuel gas dispersion chamber 94 Reforming portion 97 Porous support 97a Fuel gas passage 98 Fuel electrode layer 100 Solid electrolyte layer 101 Air electrode layer 103a Electrode layer (lead film layer)
104a Lead film protective layer 122 Ceramic adhesive layer 123 First power generation air flow path 124 Second power generation air flow path

Claims

A solid oxide fuel cell device that generates electricity using a fuel gas obtained by reforming a hydrocarbon-based raw fuel gas and an oxidant gas,
A reforming section for reforming the raw fuel gas into the fuel gas;
A plurality of fuel cells each having a fuel gas passage extending in the vertical direction;
An inner case member formed to surround the periphery of the plurality of fuel cells;
An outer case member formed to surround the inner case member;
A fuel gas supply passage formed between an outer wall surface of the inner case member and an inner wall surface of the outer case member, for supplying the fuel gas to lower ends of the plurality of fuel cells;
An oxidant gas supply pipe disposed in the center of the inner case member;
An upper tank that includes upper ends of each of the plurality of fuel cells and collects unreacted fuel gas ejected from the upper ends of each of the plurality of fuel cells;
With
The first gas is provided between the side surface of the upper tank and the inner wall surface of the inner case member at a predetermined interval, and the oxidant gas passes from the oxidant gas supply pipe toward the inner wall surface of the inner case member. A power generation air flow path,
A lateral combustion flame is formed by burning the unreacted fuel gas in the first power generation air flow path,
The reforming section surrounds the upper part of the fuel cell in the fuel gas supply flow path and is disposed so as to receive heat from the combustion flame.

The oxidant gas supply pipe is disposed to extend through the center of the upper tank,
It is provided between the inner peripheral surface of the upper tank and the outer peripheral surface of the oxidant gas supply pipe over the entire circumference at a predetermined interval, and the oxidation is performed from the oxidant gas supply pipe to above the upper tank. The solid oxide fuel cell device according to claim 1, further comprising a second power generation air passage through which the agent gas passes.

The upper tank is formed in a step shape, a heat reservoir is formed in a space formed by the upper tank stepped portion and the inner wall surface of the inner case member, and the exhaust gas is an exhaust gas provided in the inner case member 3. The solid oxide fuel cell device according to claim 2, wherein the solid oxide fuel cell device is ejected from an ejection hole and discharged to the outside while applying heat to the reforming section.