JP2017199599A

JP2017199599A - High-temperature operation fuel cell and fuel cell system

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Publication number: JP2017199599A
Application number: JP2016090423A
Authority: JP
Inventors: 泰金子; Yasushi Kaneko; 辻　庸一郎; Yoichiro Tsuji; 庸一郎辻
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: JP6719070B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-temperature operation fuel cell and a fuel cell system that perform pre-heating on air to be transmitted to a fuel cell stack more efficiently than before.SOLUTION: A high-temperature operation fuel cell 100 comprises: an inner wall comprising side surfaces, top surface, and bottom surface, the inner wall being installed so as to surround a fuel cell stack 1; an outer wall 3 comprising side surfaces 3S, top surface 3U, and bottom surface 3D, the outer wall being installed so as to surround the inner wall 2; a first air path 5 formed between the top surface 2U of the inner wall and the top surface of the outer wall; a second air path 6 formed between the side surfaces of the inner wall and the side surfaces of the outer wall; a third air path 7 formed between the bottom surface of the inner wall and the bottom surface of the outer wall; an air inflow path 4 connected to the first air path; an air supply port 8 for supplying air from the third air path to the fuel cell stack; and a fuel gas supply path 9 for supplying a fuel gas. Air passes through the air inflow path, first air path, second air path, third air path, and air supply port in this order. The bottom surface of the inner wall is in surface contact with the fuel cell stack.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は高温動作形燃料電池および燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a high-temperature operating fuel cell and a fuel cell system.

燃料電池システムでは、発電部の本体である燃料電池スタックに、燃料ガスおよび空気が供給され、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応が進行する。これにより、燃料電池で生じる化学的なエネルギーを電気的なエネルギーとして取り出すことができる。このため、高効率発電とともに、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用できるので、エネルギー利用効率が高い分散型の発電システムとして開発および商品化が進められている。 In a fuel cell system, fuel gas and air are supplied to a fuel cell stack which is a main body of a power generation unit, and an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air proceeds. Thereby, chemical energy generated in the fuel cell can be extracted as electrical energy. For this reason, in addition to high-efficiency power generation, thermal energy generated during power generation operation can be easily used, and therefore, development and commercialization of a distributed power generation system with high energy utilization efficiency are being promoted.

例えば、特許文献１には、ガス供給流路が設けられた媒体供給プレートの上部に、燃料電池スタックを直接積層する構成が開示されている。また、特許文献２には、熱交換器と改質器と燃料電池スタックとを収容するハウジングが、燃焼排ガスを排出する排気孔を備え、この排気孔が、燃料電池スタックの下側に設けられる構成が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a configuration in which a fuel cell stack is directly stacked on an upper part of a medium supply plate provided with a gas supply channel. In Patent Document 2, a housing that houses a heat exchanger, a reformer, and a fuel cell stack includes an exhaust hole that discharges combustion exhaust gas, and the exhaust hole is provided on the lower side of the fuel cell stack. A configuration is disclosed.

特許第５３２２９５０号公報Japanese Patent No. 5322950 特開２０１５−９５３００号公報JP2015-95300A

しかし、従来例は、燃料電池スタックに送る空気の予熱特性の観点、および、装置の小型化の観点から未だ改善の余地がある。 However, the conventional example still has room for improvement from the viewpoint of preheating characteristics of air sent to the fuel cell stack and from the viewpoint of miniaturization of the apparatus.

本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得る高温動作形燃料電池および燃料電池システムを提供する。また、本開示の一態様は、従来に比べ、装置の小型化を図り得る高温動作形燃料電池および燃料電池システムを提供する。 An aspect of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and provides a high-temperature operation fuel cell and a fuel cell system capable of preheating air sent to a fuel cell stack more efficiently than before. To do. In addition, one aspect of the present disclosure provides a high-temperature operating fuel cell and a fuel cell system that can reduce the size of the device as compared with the related art.

上記課題を解決するため、本開示の一態様の高温動作形燃料電池は、平板状に積層された複数のセルを備え、燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、側面と天面と底面とを備え、前記燃料電池スタックを囲うように設置された内壁と、側面と天面と底面とを備え、前記内壁を囲うように設置された外壁と、前記内壁の天面と前記外壁の天面との間に形成された第１空気経路と、前記内壁の側面と前記外壁の側面との間に形成された第２空気経路と、前記内壁の底面と前記外壁の底面との間に形成された第３空気経路と、前記第１空気経路と接続されている空気流入経路と、前記３空気経路から前記燃料電池スタックへ前記空気を供給するための空気供給口と、前記燃料電池スタックへ前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、を備え、前記空気は、前記空気流入経路、前記第１空気経路、前記第２空気経路、前記第３空気経路および前記空気供給口をこの順に通過し、前記内壁の底面と前記燃料電池スタックとが面接触している。 In order to solve the above-described problem, a high-temperature operating fuel cell according to an aspect of the present disclosure includes a plurality of cells stacked in a flat plate shape, a fuel cell stack that generates power using fuel gas and air, a side surface, and a top surface And an inner wall installed so as to surround the fuel cell stack, a side surface, a top surface, and a bottom surface, an outer wall installed so as to surround the inner wall, and a top surface of the inner wall and the outer wall A first air path formed between the top surface of the inner wall, a second air path formed between the side surface of the inner wall and the side surface of the outer wall, and between the bottom surface of the inner wall and the bottom surface of the outer wall. A third air path formed in the first air path, an air inflow path connected to the first air path, an air supply port for supplying the air from the three air path to the fuel cell stack, and the fuel cell Fuel gas for supplying the fuel gas to the stack And the air passes through the air inflow path, the first air path, the second air path, the third air path, and the air supply port in this order, and the bottom surface of the inner wall and the air path The fuel cell stack is in surface contact.

また、上記課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、
上記記載の高温動作形燃料電池と、
前記燃料ガスとして、原料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスが拡散燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼排ガスと前記空気とが熱交換する空気熱交換器と、を備える水素生成装置と、
を備え、
前記水素生成装置は、前記高温動作形燃料電池の上方に配置され、前記空気熱交換器で熱交換が行われた空気が前記第１空気経路へ送られ、前記高温動作形燃料電池の水平断面の面積は、前記水素生成装置の水平断面の面積よりも大きい。 In order to solve the above problem, a fuel cell system according to one embodiment of the present disclosure includes:
A high-temperature operating fuel cell as described above;
As the fuel gas, a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by reforming a raw material, an evaporator that generates water vapor to be supplied to the reformer, and an anode discharged from the fuel cell stack A hydrogen generator comprising: a combustor in which off-gas and cathode off-gas are diffusion-combusted; and an air heat exchanger in which heat is exchanged between the combustion exhaust gas generated in the combustor and the air;
With
The hydrogen generating device is disposed above the high temperature operation type fuel cell, and air exchanged by the air heat exchanger is sent to the first air path, and a horizontal section of the high temperature operation type fuel cell is provided. The area of is larger than the area of the horizontal section of the hydrogen generator.

本開示の一態様の高温動作形燃料電池および燃料電池システムは、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得るという効果を奏する。また、本開示の一態様の高温動作形燃料電池および燃料電池システムは、従来に比べ、装置の小型化を図り得るという効果を奏する。 The high-temperature operating fuel cell and the fuel cell system according to one aspect of the present disclosure have an effect that air sent to the fuel cell stack can be preheated more efficiently than before. In addition, the high-temperature operation fuel cell and the fuel cell system according to one aspect of the present disclosure have an effect that the apparatus can be reduced in size as compared with the related art.

図１は、第１実施形態の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a high-temperature operating fuel cell according to the first embodiment. 図２Ａは、第１実施形態の第１変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。FIG. 2A is a diagram illustrating an example of a high-temperature operating fuel cell according to a first modification of the first embodiment. 図２Ｂは、第１実施形態の第１変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。FIG. 2B is a diagram illustrating an example of a high-temperature operating fuel cell according to a first modification of the first embodiment. 図２Ｃは、第１実施形態の第１変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。FIG. 2C is a diagram illustrating an example of a high-temperature operating fuel cell according to a first modification of the first embodiment. 図３は、第１実施形態の第２変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a high-temperature operating fuel cell according to a second modification of the first embodiment. 図４は、第１実施形態の第３変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a high-temperature operating fuel cell according to a third modification of the first embodiment. 図５は、第２実施形態の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a high-temperature operating fuel cell according to the second embodiment. 図６は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the third embodiment.

燃料電池スタックに送る空気の予熱特性、および、装置の小型化について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。 The diligent study was conducted on the preheating characteristics of the air sent to the fuel cell stack and the miniaturization of the apparatus, and the following knowledge was obtained.

特許文献１の燃料電池システムの如く、ガス供給流路が設けられた媒体供給プレートの上部に、固体酸化物形燃料電池を設置して、固体酸化物形燃料電池の側面を経由して媒体供給プレートから空気を燃料電池に供給する場合、固体酸化物形燃料電池には、高温状態の空気を供給する必要がある。よって、媒体供給プレートに空気を供給する前に、このような空気を予熱するための別体の熱交換器を設ける場合が多い。しかし、固体酸化物形燃料電池と熱交換器との配置関係、媒体供給プレートへのガス配管の引き回しの方法などによって、燃料電池システムの小型化が困難となる可能性がある。逆に、このような熱交換器を設けない場合は、空気の予熱が不十分となる可能性がある。 As in the fuel cell system of Patent Document 1, a solid oxide fuel cell is installed on the top of a medium supply plate provided with a gas supply channel, and the medium is supplied via the side of the solid oxide fuel cell. When air is supplied from the plate to the fuel cell, it is necessary to supply high-temperature air to the solid oxide fuel cell. Therefore, before supplying air to the medium supply plate, a separate heat exchanger for preheating such air is often provided. However, it may be difficult to reduce the size of the fuel cell system depending on the arrangement relationship between the solid oxide fuel cell and the heat exchanger, the method of routing the gas piping to the medium supply plate, and the like. Conversely, if such a heat exchanger is not provided, air preheating may be insufficient.

特許文献２では、上記のとおり、熱交換器と改質器と燃料電池スタックとを収容するハウジングが、燃焼排ガスを排出する排気孔を備え、排気孔が燃料電池スタックの下側に設けられている。このような燃料電池システムでは、燃料電池に供給される空気を予熱するために、排気孔から排出された燃焼排ガスの熱を空気の加熱に用いる別体の熱交換器を設ける場合が多い。しかし、ハウジングと熱交換器との配置関係、ハウジングへのガス配管の引き回し方法などによって、燃料電池システムの小型化が困難となる可能性がある。逆に、このような熱交換器を設けない場合は、空気の予熱が不十分となる可能性がある。 In Patent Document 2, as described above, the housing that houses the heat exchanger, the reformer, and the fuel cell stack includes an exhaust hole that discharges combustion exhaust gas, and the exhaust hole is provided below the fuel cell stack. Yes. In such a fuel cell system, in order to preheat the air supplied to the fuel cell, a separate heat exchanger is often provided that uses the heat of the combustion exhaust gas discharged from the exhaust holes for heating the air. However, it may be difficult to reduce the size of the fuel cell system depending on the positional relationship between the housing and the heat exchanger, the gas piping route to the housing, and the like. Conversely, if such a heat exchanger is not provided, air preheating may be insufficient.

つまり、発明者らは、以上のような従来例に関する改善すべき事項を見出し、以下の本開示の一態様に想到した。 That is, the inventors have found the matters to be improved regarding the conventional example as described above, and have come up with the following one aspect of the present disclosure.

すなわち、本開示の第１の態様の高温動作形燃料電池は、平板状に積層された複数のセルを備え、燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、側面と天面と底面とを備え、燃料電池スタックを囲うように設置された内壁と、側面と天面と底面とを備え、内壁を囲うように設置された外壁と、内壁の天面と外壁の天面との間に形成された第１空気経路と、内壁の側面と外壁の側面との間に形成された第２空気経路と、内壁の底面と外壁の底面との間に形成された第３空気経路と、第１空気経路と接続されている空気流入経路と、燃料電池スタックの底面から燃料電池スタックへ空気を供給するための空気供給口と、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、を備え、空気は、空気流入経路、第１空気経路、第２空気経路、第３空気経路および空気供給口をこの順に通過し、内壁の底面と燃料電池スタックとが面接触している。 That is, the high temperature operation fuel cell according to the first aspect of the present disclosure includes a plurality of cells stacked in a flat plate shape, a fuel cell stack that generates power using fuel gas and air, a side surface, a top surface, and a bottom surface. An inner wall installed to surround the fuel cell stack, a side surface, a top surface, and a bottom surface, and between the outer wall installed to surround the inner wall and the top surface of the inner wall and the top surface of the outer wall A first air path formed, a second air path formed between the side surface of the inner wall and the side surface of the outer wall, a third air path formed between the bottom surface of the inner wall and the bottom surface of the outer wall, An air inflow path connected to one air path, an air supply port for supplying air from the bottom surface of the fuel cell stack to the fuel cell stack, and a fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell stack; And the air is an air inflow path, a first air path. , The second air path, the third air path and air supply port passing in this order, a bottom surface and a fuel cell stack of the inner wall are in surface contact.

かかる構成によると、本態様の高温動作形燃料電池は、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本態様の高温動作形燃料電池は、従来に比べ小型化を図り得る。 According to such a configuration, the high-temperature operating fuel cell of this aspect can preheat the air sent to the fuel cell stack more efficiently than before. Further, the high-temperature operating fuel cell of this aspect can be reduced in size as compared with the conventional one.

具体的には、燃料電池スタックを囲うように設置された内壁の天面、側面および底面のいずれもが、燃料電池スタックに送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。つまり、高温動作形燃料電池の発電に伴う発熱により、燃料電池スタックからの輻射熱を利用して、燃料電池スタックの周囲に設置された内壁を介して、空気を適温にまで加熱できる。 Specifically, all of the top surface, the side surface, and the bottom surface of the inner wall installed so as to surround the fuel cell stack function as a heat transfer surface on which the air sent to the fuel cell stack is heated. In other words, the heat generated by the power generation of the high-temperature operation type fuel cell can heat the air to an appropriate temperature through the inner wall installed around the fuel cell stack using the radiant heat from the fuel cell stack.

特に、燃料電池スタックに流入する直前の空気が流れる第３空気経路に対応する内壁の底面と高温状態の燃料電池スタックとが面接触しているので、第３空気経路を流れる空気を、燃料電池スタックの伝熱により効率的に加熱することができる。 In particular, since the bottom surface of the inner wall corresponding to the third air path through which the air immediately before flowing into the fuel cell stack flows is in surface contact with the fuel cell stack in the high temperature state, the air flowing through the third air path is used as the fuel cell. It can be heated efficiently by heat transfer of the stack.

また、燃料電池スタックに供給する空気経路を配管などで構成する場合、配管を引き回すための領域が必要であるので、高温動作形燃料電池の小型化が困難となる可能性がある。 Further, when the air path to be supplied to the fuel cell stack is constituted by piping or the like, an area for routing the piping is necessary, and thus it may be difficult to reduce the size of the high-temperature operating fuel cell.

これに対して、本態様の高温動作形燃料電池では、上記のとおり、内壁の底面と燃料電池スタックとが面接触している。よって、このような配管の引き回しを減らすことができるので、上記の可能性を低減できる。 On the other hand, in the high temperature operation type fuel cell of this aspect, as described above, the bottom surface of the inner wall and the fuel cell stack are in surface contact. Therefore, since such piping routing can be reduced, the above-described possibility can be reduced.

本開示の第２の態様の高温動作形燃料電池は、第１の態様の高温動作形燃料電池において、内壁の底面は、底面から上方へ突出する段差部を備え、段差部と燃料電池スタックとが面接触している。 The high temperature operation type fuel cell according to the second aspect of the present disclosure is the high temperature operation type fuel cell according to the first aspect, wherein the bottom surface of the inner wall includes a step portion protruding upward from the bottom surface, and the step portion and the fuel cell stack Is in surface contact.

かかる構成によると、本態様の高温動作形燃料電池は、燃料電池スタックの底面から下方に突出する突起物が存在する場合でも、第３空気経路を流れる空気を効率的に加熱することができる。これは以下の理由による。 According to such a configuration, the high temperature operation type fuel cell of this aspect can efficiently heat the air flowing through the third air path even when there is a protrusion protruding downward from the bottom surface of the fuel cell stack. This is due to the following reason.

燃料電池スタックの底面には、燃料電池スタックの構成によっては、例えば、複数のセルを締結する締結ボルト、電力取り出し部などの突起物を設ける場合がある。 Depending on the configuration of the fuel cell stack, for example, a protrusion such as a fastening bolt for fastening a plurality of cells and a power extraction unit may be provided on the bottom surface of the fuel cell stack.

そこで、本態様の高温動作形燃料電池は、上記の段差部を設けることにより、このような突起物が存在する場合でも、突起物が内壁の底面に当接せずに、段差部と燃料電池スタックとを適切に面接触させるように構成できる。よって、第３空気経路を流れる空気を、燃料電池スタックの伝熱により効率的に加熱することができる。 Therefore, the high temperature operation type fuel cell according to this aspect is provided with the above-described step portion, so that even when such a protrusion exists, the protrusion does not contact the bottom surface of the inner wall, and the step portion and the fuel cell. It can be configured to properly contact the stack. Therefore, the air flowing through the third air path can be efficiently heated by the heat transfer of the fuel cell stack.

本開示の第３の態様の高温動作形燃料電池は、第１の態様または第２の態様の高温動作形燃料電池において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスが集約するアノードオフガス排出経路と、燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスが集約するカソードオフガス排出経路と、を備え、アノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路は、拡散燃焼が行われる燃焼器へと上方に延伸している。 A high temperature operation type fuel cell according to a third aspect of the present disclosure is the high temperature operation type fuel cell according to the first aspect or the second aspect, wherein an anode off gas discharge path in which anode off gas discharged from the fuel cell stack is aggregated; A cathode offgas discharge path for collecting the cathode offgas discharged from the fuel cell stack, and the anode offgas discharge path and the cathode offgas discharge path extend upward to a combustor in which diffusion combustion is performed.

かかる構成によると、アノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路のそれぞれが燃焼器に接続される。これにより、燃焼器で拡散燃焼が行われる。この際に、これらのアノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路を高温動作形燃料電池の側方へ引き回す必要がないので、ガス配管の構成が簡素化する。また、アノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路を高温動作形燃料電池の側方へ引き回す場合、高温動作形燃料電池の設置面積が増加する可能性があるが、上記の構成により、このような可能性を低減できる。 According to such a configuration, each of the anode offgas discharge path and the cathode offgas discharge path is connected to the combustor. Thereby, diffusion combustion is performed in the combustor. At this time, since it is not necessary to route these anode off-gas discharge path and cathode off-gas discharge path to the side of the high-temperature operation type fuel cell, the configuration of the gas piping is simplified. In addition, when the anode offgas discharge path and the cathode offgas discharge path are routed to the side of the high temperature operation type fuel cell, the installation area of the high temperature operation type fuel cell may increase. Can be reduced.

本開示の第４の態様の燃料電池システムは、
第１の態様の高温動作形燃料電池と、
燃料ガスとして、原料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスが拡散燃焼する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼排ガスと空気とが熱交換する空気熱交換器と、を備える水素生成装置と、
を備え、
水素生成装置は、高温動作形燃料電池の上方に配置され、空気熱交換器で熱交換が行われた空気が第１空気経路へ送られ、高温動作形燃料電池の水平断面の面積は、水素生成装置の水平断面の面積よりも大きい。 A fuel cell system according to a fourth aspect of the present disclosure includes:
A high-temperature operating fuel cell according to the first aspect;
As a fuel gas, a reformer that generates a hydrogen-containing reformed gas by reforming a raw material, an evaporator that generates water vapor to be supplied to the reformer, an anode offgas and a cathode discharged from the fuel cell stack A hydrogen generator comprising: a combustor in which off-gas is diffusely burned; and an air heat exchanger in which heat is exchanged between combustion exhaust gas generated in the combustor and air;
With
The hydrogen generator is disposed above the high temperature operation type fuel cell, and air that has undergone heat exchange by the air heat exchanger is sent to the first air path. It is larger than the area of the horizontal cross section of the generator.

かかる構成によると、本態様の燃料電池システムは、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本態様の燃料電池システムは、従来に比べ小型化を図り得る。 According to such a configuration, the fuel cell system of this aspect can preheat the air sent to the fuel cell stack more efficiently than before. Further, the fuel cell system of this aspect can be reduced in size as compared with the conventional one.

具体的には、燃料電池スタックに送る空気は、空気熱交換器の熱交換、および燃料電池スタックを囲うように設置された内壁の天面、側面および底面における輻射熱を利用して、
従来に比べ、燃料電池スタックに送る空気を効率的に予熱することができる。 Specifically, the air sent to the fuel cell stack uses the heat exchange of the air heat exchanger and the radiant heat on the top, side and bottom surfaces of the inner wall installed so as to surround the fuel cell stack,
Compared with the prior art, the air sent to the fuel cell stack can be preheated more efficiently.

また、燃料電池システムは、水素生成装置が高温動作形燃料電池の上方に配置されるとともに、高温動作形燃料電池の水平断面が水素生成装置の水平断面よりも大面積で構成されている。よって、高温動作形燃料電池に供給される空気を予熱するための空気熱交換器を設ける構成であっても、燃料電池システムの設置面積の増加を抑制できる。 In the fuel cell system, the hydrogen generator is disposed above the high-temperature operation fuel cell, and the horizontal section of the high-temperature operation fuel cell is configured to have a larger area than the horizontal cross-section of the hydrogen generator. Therefore, even if it is the structure which provides the air heat exchanger for preheating the air supplied to a high temperature operation type fuel cell, the increase in the installation area of a fuel cell system can be suppressed.

また、高温動作形燃料電池の水平断面の面積を大きくすることで、セル１枚あたりの電極面積を増加させ得るので、高温動作形燃料電池の高出力化を図ることもできる。 Moreover, since the electrode area per cell can be increased by increasing the area of the horizontal section of the high temperature operation type fuel cell, the output of the high temperature operation type fuel cell can be increased.

以下、添付図面を参照しつつ、本開示の第１実施形態、第１実施形態の第１〜第３変形例、第２実施形態および第３実施形態について説明する。なお、以下で説明する第１実施形態、第１実施形態の第１〜第３変形例、第２実施形態および第３実施形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。つまり、以下に示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態はいずれも一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下に示される構成要素のうち、本開示の最上位概念を規定する独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比等については正確な表示ではない場合がある。 Hereinafter, a first embodiment of the present disclosure, first to third modifications of the first embodiment, a second embodiment, and a third embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. Note that each of the first embodiment, the first to third modifications of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment described below is a specific example of the present disclosure. That is, the numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions of the constituent elements, and connection forms shown below are only examples, and do not limit the present disclosure. Among the constituent elements shown below, constituent elements that are not described in the independent claims that define the highest concept of the present disclosure are described as optional constituent elements. In the drawings, the same reference numerals are sometimes omitted. In addition, the drawings schematically show the respective components for easy understanding, and there are cases where the shape, dimensional ratio, and the like are not accurately displayed.

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 (First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an example of a high-temperature operating fuel cell according to the first embodiment.

以下、高温動作形燃料電池の具体例として、発電部に固体酸化物形燃料電池スタック１（以下、ＳＯＦＣスタック１）を備える固体酸化物形燃料電池１００（以下、ＳＯＦＣ１００）を挙げて説明するが、これに限定されない。高温動作形燃料電池は、高温（例えば、６００℃以上）で動作する燃料電池であれば、どのような構成であっても構わない。 Hereinafter, as a specific example of the high temperature operation type fuel cell, a solid oxide fuel cell 100 (hereinafter referred to as SOFC 100) including the solid oxide fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as SOFC stack 1) in the power generation unit will be described. However, the present invention is not limited to this. The high-temperature operating fuel cell may have any configuration as long as it is a fuel cell that operates at a high temperature (for example, 600 ° C. or higher).

なお、図１において（他の図面も同じ）、便宜上、同図のように「上」および「下」が取られ、重力は上から下に作用するものとする。また、重力が作用する上下方向（鉛直方向という場合もある）に垂直な方向を水平方向といい、この水平方向を含む面を水平面というものとする。 In FIG. 1 (the same applies to other drawings), for the sake of convenience, “upper” and “lower” are taken, and gravity acts from top to bottom. In addition, a direction perpendicular to the vertical direction (sometimes referred to as a vertical direction) in which gravity acts is referred to as a horizontal direction, and a plane including this horizontal direction is referred to as a horizontal plane.

図１に示す例では、ＳＯＦＣ１００は、ＳＯＦＣスタック１と、内壁２と、外壁３と、第１空気経路５と、第２空気経路６と、第３空気経路７と、空気供給口８と、燃料ガス供給経路９と、空気流入経路４と、を備える。 In the example shown in FIG. 1, the SOFC 100 includes an SOFC stack 1, an inner wall 2, an outer wall 3, a first air path 5, a second air path 6, a third air path 7, an air supply port 8, A fuel gas supply path 9 and an air inflow path 4 are provided.

ＳＯＦＣ１００の内壁２は、側面２Ｓと天面２Ｕと底面２Ｄとを備え、ＳＯＦＣスタック１を囲うように設置されている。つまり、内壁２は、ＳＯＦＣスタック１の上面全域を上方から覆う天面２ＵとＳＯＦＣスタック１の下面全域を下方から覆う底面２Ｄと、天面２Ｕの端部と底面２Ｄの端部とを接続するように鉛直方向に立設している側面２Ｓと、を備える。 The inner wall 2 of the SOFC 100 includes a side surface 2S, a top surface 2U, and a bottom surface 2D, and is installed so as to surround the SOFC stack 1. That is, the inner wall 2 connects the top surface 2U that covers the entire upper surface of the SOFC stack 1 from above, the bottom surface 2D that covers the entire bottom surface of the SOFC stack 1 from below, and the end of the top surface 2U and the end of the bottom 2D. Side surface 2S standing upright in the vertical direction.

ＳＯＦＣ１００の外壁３は、側面３Ｓと天面３Ｕと底面３Ｄとを備え、内壁２を囲うように設置されている。つまり、外壁３は、内壁２の天面２Ｕの全域を上方から覆う天面３Ｕと内壁２の底面２Ｄの全域を下方から覆う底面３Ｄと、天面３Ｕの端部と底面３Ｄの端部とを接続するように鉛直方向に立設している側面３Ｓと、を備える。 The outer wall 3 of the SOFC 100 includes a side surface 3S, a top surface 3U, and a bottom surface 3D, and is installed so as to surround the inner wall 2. That is, the outer wall 3 includes a top surface 3U that covers the entire top surface 2U of the inner wall 2 from above, a bottom surface 3D that covers the entire bottom surface 2D of the inner wall 2 from below, an end portion of the top surface 3U, and an end portion of the bottom surface 3D. And a side surface 3S standing in the vertical direction so as to be connected.

外壁３の側面３Ｓは、内壁２の側面２Ｓに対して、所定の隙間を隔てて同軸状の外側に配置されている。外壁３の天面３Ｕは、内壁２の天面２Ｕに対して、所定の隙間を隔てて上方に配置されている。外壁３の底面３Ｄは、内壁２の底面２Ｄに対して、所定の隙間を隔てて下方に配置されている。 The side surface 3S of the outer wall 3 is disposed on the outer side of the coaxial shape with a predetermined gap with respect to the side surface 2S of the inner wall 2. The top surface 3U of the outer wall 3 is disposed above the top surface 2U of the inner wall 2 with a predetermined gap therebetween. The bottom surface 3D of the outer wall 3 is disposed below the bottom surface 2D of the inner wall 2 with a predetermined gap therebetween.

そして、以上の隙間のそれぞれが、ＳＯＦＣスタック１に供給する空気が通過する空間となっている。 Each of the above gaps is a space through which air supplied to the SOFC stack 1 passes.

具体的には、第１空気経路５は、内壁２の天面２Ｕと外壁３の天面３Ｕとの間に形成されている。第２空気経路６は、内壁２の側面２Ｓと外壁３の側面３Ｓとの間に形成されている。第３空気経路７は、内壁２の底面２Ｄと外壁３の底面３Ｄとの間に形成されている。 Specifically, the first air path 5 is formed between the top surface 2U of the inner wall 2 and the top surface 3U of the outer wall 3. The second air path 6 is formed between the side surface 2S of the inner wall 2 and the side surface 3S of the outer wall 3. The third air path 7 is formed between the bottom surface 2D of the inner wall 2 and the bottom surface 3D of the outer wall 3.

ここで、本実施形態のＳＯＦＣ１００では、空気流入経路４が、第１空気経路５と接続されている。具体的には、空気流入経路４が、外壁３の天面３Ｕに対して鉛直方向に延伸しており、空気流入経路４の下流端に相当する開口が天面３Ｕに形成されている。 Here, in the SOFC 100 of the present embodiment, the air inflow path 4 is connected to the first air path 5. Specifically, the air inflow path 4 extends in the vertical direction with respect to the top surface 3U of the outer wall 3, and an opening corresponding to the downstream end of the air inflow path 4 is formed in the top surface 3U.

また、内壁２の底面２ＤとＳＯＦＣスタック１とが面接触しており、空気供給口８が、第３空気経路７からＳＯＦＣスタック１へ空気を供給するための開口である。よって、ここでは、空気供給口８は、内壁２の底面２Ｄの中心部付近に形成されている。 Further, the bottom surface 2D of the inner wall 2 and the SOFC stack 1 are in surface contact, and the air supply port 8 is an opening for supplying air from the third air path 7 to the SOFC stack 1. Therefore, here, the air supply port 8 is formed near the center of the bottom surface 2D of the inner wall 2.

以上により、ＳＯＦＣスタック１の発電用の空気は、空気流入経路４、第１空気経路５、第２空気経路６、第３空気経路７および空気供給口８をこの順に通過する。具体的には、空気流入経路４からの空気は、空気流入経路４の下流端から第１空気経路５を水平方向の外向きに流れる。そして、空気は、第１空気経路５の下流端で直角に向きを変えて、第２空気経路６を鉛直の下方向に流れる。その後、空気は、第２空気経路６の下流端で再び、直角に向きを変えて、第３空気経路７を水平方向の内向きに流れ、空気供給口８からＳＯＦＣスタック１内へ流入する。 As described above, the power generation air of the SOFC stack 1 passes through the air inflow path 4, the first air path 5, the second air path 6, the third air path 7, and the air supply port 8 in this order. Specifically, the air from the air inflow path 4 flows outward in the horizontal direction from the downstream end of the air inflow path 4 through the first air path 5. Then, the air changes its direction at a right angle at the downstream end of the first air path 5 and flows downward in the second air path 6. Thereafter, the air turns again at a right angle at the downstream end of the second air path 6, flows in the third air path 7 inward in the horizontal direction, and flows into the SOFC stack 1 from the air supply port 8.

なお、内壁２および外壁３はいずれも、例えば、耐蝕性が高いステンレススチールなどの金属で構成されていてもよい。 In addition, both the inner wall 2 and the outer wall 3 may be comprised, for example with metals, such as stainless steel with high corrosion resistance.

本実施形態のＳＯＦＣ１００では、平面視において、内壁２の側面２Ｓおよび外壁３の側面３Ｓはいずれも円筒状に構成され、内壁２の天面２Ｕおよび底面２Ｄ、ならびに、外壁３の天面３Ｕおよび底面３Ｄはいずれも円盤状に構成されている。しかし、内壁２および外壁３の形状は、これに限らない。例えば、内壁２の側面２Ｓおよび外壁３の側面２Ｓは、矩形体であってもよいし、円筒体の一部と矩形体の一部とを組み合わせたような形状（例えば、一対の半円部と一対の直線部とを備えるオーバル形状）の筒体であってもよい。 In the SOFC 100 of the present embodiment, the side surface 2S of the inner wall 2 and the side surface 3S of the outer wall 3 are both configured in a cylindrical shape in plan view, and the top surface 2U and the bottom surface 2D of the inner wall 2 and the top surface 3U of the outer wall 3 and All the bottom surfaces 3D are formed in a disc shape. However, the shapes of the inner wall 2 and the outer wall 3 are not limited to this. For example, the side surface 2S of the inner wall 2 and the side surface 2S of the outer wall 3 may be a rectangular body or a shape in which a part of a cylindrical body and a part of a rectangular body are combined (for example, a pair of semicircular parts) And an oval-shaped cylindrical body including a pair of straight portions.

但し、内壁２の側面２Ｓおよび外壁３の側面２Ｓを円筒状またはオーバル状に構成する方が、矩形状に構成する場合に比べ放熱を抑制できる点で有利である。 However, it is advantageous that the side surface 2S of the inner wall 2 and the side surface 2S of the outer wall 3 are formed in a cylindrical shape or an oval shape in that heat radiation can be suppressed as compared with a rectangular shape.

また、ＳＯＦＣ１００の運転温度が、高温（例えば、６００℃以上）となるので、ＳＯＦＣ１００の外壁３の周囲を、図示しない断熱材で覆い、外部への放熱を抑える構成を取ることが多い。 Further, since the operating temperature of the SOFC 100 becomes high (for example, 600 ° C. or higher), the outer wall 3 of the SOFC 100 is often covered with a heat insulating material (not shown) to suppress heat radiation to the outside.

燃料ガス供給経路９は、ＳＯＦＣスタック１へ燃料ガスを供給するための流路である。具体的には、燃料ガス供給経路９は、ＳＯＦＣ１００外から外壁３の天面３Ｕおよび内壁２の天面２Ｕを鉛直方向に気密に貫通し、ＳＯＦＣスタック１に接続するように延伸している。燃料ガスとして、例えば、改質ガス、水素ガスなどを例示できる。なお、燃料ガスが、改質ガスである場合、燃料ガス供給経路９の上流端は、適宜の改質器に接続される。また、ＳＯＦＣスタック１の発電に使用しなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃焼器で燃焼される。改質器および燃焼器の詳細は後述する。 The fuel gas supply path 9 is a flow path for supplying fuel gas to the SOFC stack 1. Specifically, the fuel gas supply path 9 extends from the outside of the SOFC 100 so as to penetrate the top surface 3U of the outer wall 3 and the top surface 2U of the inner wall 2 in an airtight manner in the vertical direction and connect to the SOFC stack 1. Examples of the fuel gas include reformed gas and hydrogen gas. When the fuel gas is a reformed gas, the upstream end of the fuel gas supply path 9 is connected to an appropriate reformer. Further, the reformed gas (anode off gas) that has not been used for the power generation of the SOFC stack 1 is burned in the combustor. Details of the reformer and the combustor will be described later.

ＳＯＦＣスタック１は、平板状に積層された複数のセル（図示せず）を備え、燃料ガスおよび空気を用いて発電する。つまり、ＳＯＦＣスタック１は、平板形の単セルおよびインターコネクタなどの部材を積層した平板形スタックで構成され、ＳＯＦＣスタック１のカソードには、上記の空気供給口８からの空気が供給され、ＳＯＦＣスタック１のアノードには、燃料ガス供給経路９からの燃料ガスが供給され、空気中の酸素と燃料ガス中の水素とを用いて発電が行われる。 The SOFC stack 1 includes a plurality of cells (not shown) stacked in a flat plate shape, and generates power using fuel gas and air. That is, the SOFC stack 1 is constituted by a flat stack in which members such as a flat single cell and an interconnector are stacked. Air from the air supply port 8 is supplied to the cathode of the SOFC stack 1, and the SOFC The fuel gas from the fuel gas supply path 9 is supplied to the anode of the stack 1, and power generation is performed using oxygen in the air and hydrogen in the fuel gas.

なお、ＳＯＦＣ１００には、ＳＯＦＣスタック１の動作温度（例えば、６００℃以上）を検知する温度検知器（図示せず）、ＳＯＦＣスタック１の電力を取り出すための電力取り出し部（図示せず）などが設けられている。なお、ＳＯＦＣスタック１の内部の構成は、一般的な平板形のＳＯＦＣスタックと同様であるので詳細な構成の説明および図示は省略する。 The SOFC 100 includes a temperature detector (not shown) for detecting the operating temperature of the SOFC stack 1 (for example, 600 ° C. or higher), a power extraction unit (not shown) for taking out the power of the SOFC stack 1, and the like. Is provided. The internal configuration of the SOFC stack 1 is the same as that of a general flat plate-type SOFC stack, and therefore detailed description and illustration thereof are omitted.

以上により、本実施形態のＳＯＦＣ１００は、ＳＯＦＣスタック１に送るための空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本実施形態のＳＯＦＣ１００は、従来に比べ小型化を図り得る。 As described above, the SOFC 100 of the present embodiment can preheat the air to be sent to the SOFC stack 1 more efficiently than before. Further, the SOFC 100 of the present embodiment can be reduced in size as compared with the conventional one.

具体的には、ＳＯＦＣスタック１を囲うように設置された内壁２の天面２Ｕ、側面２Ｓおよび底面２Ｄのいずれもが、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。つまり、ＳＯＦＣ１００の発電に伴う発熱により、ＳＯＦＣスタック１からの輻射熱を利用して、ＳＯＦＣスタック１の周囲に設置された内壁２を介して空気を適温にまで加熱できる。 Specifically, all of the top surface 2U, the side surface 2S, and the bottom surface 2D of the inner wall 2 installed so as to surround the SOFC stack 1 function as heat transfer surfaces on which the air sent to the SOFC stack 1 is heated. That is, due to the heat generated by the power generation of the SOFC 100, the air can be heated to an appropriate temperature through the inner wall 2 installed around the SOFC stack 1 using the radiant heat from the SOFC stack 1.

特に、ＳＯＦＣスタック１に流入する直前の空気が流れる第３空気経路７に対応する内壁２の底面２Ｄと高温状態のＳＯＦＣスタック１とが面接触しているので、第３空気経路７を流れる空気を、ＳＯＦＣスタック１の伝熱により効率的に加熱することができる。 In particular, since the bottom surface 2D of the inner wall 2 corresponding to the third air path 7 through which air immediately before flowing into the SOFC stack 1 flows is in surface contact with the high-temperature SOFC stack 1, the air flowing through the third air path 7 Can be efficiently heated by the heat transfer of the SOFC stack 1.

また、ＳＯＦＣスタック１に供給する空気経路を配管などで構成する場合、配管を引き回すための領域が必要であるので、ＳＯＦＣ１００の小型化が困難となる可能性がある。 Further, when the air path to be supplied to the SOFC stack 1 is configured by piping or the like, an area for routing the piping is necessary, so that the SOFC 100 may be difficult to downsize.

これに対して、本実施形態のＳＯＦＣ１００では、上記のとおり、内壁２の底面２ＤとＳＯＦＣスタック１とが面接触している。よって、このような配管の引き回しを減らすことができるので、上記の可能性を低減できる。 On the other hand, in the SOFC 100 of the present embodiment, the bottom surface 2D of the inner wall 2 and the SOFC stack 1 are in surface contact as described above. Therefore, since such piping routing can be reduced, the above-described possibility can be reduced.

（第１変形例）
第１実施形態のＳＯＦＣ１００では、第１空気経路５を構成する内壁２の天面２Ｕが、ＳＯＦＣスタック１の上面全域を上方から覆う水平面で構成されている例を説明したが、これに限らない。 (First modification)
In SOFC100 of 1st Embodiment, although the top surface 2U of the inner wall 2 which comprises the 1st air path 5 demonstrated the example comprised by the horizontal surface which covers the upper surface whole region of the SOFC stack 1 from upper direction, it is not restricted to this. .

例えば、図２Ａに示すように、第１空気経路５を構成する内壁２の天面２Ｕが、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみを上方から覆う水平面であってもよい。これにより、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみと対向する水平面が、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。 For example, as shown in FIG. 2A, the top surface 2U of the inner wall 2 constituting the first air path 5 may be a horizontal surface that covers only the end of the upper surface of the SOFC stack 1 from above. Thereby, the horizontal surface facing only the end of the upper surface of the SOFC stack 1 functions as a heat transfer surface on which the air sent to the SOFC stack 1 is heated.

また、図２Ｂに示すように、第１空気経路５を構成する内壁２の天面２Ｕが、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみを上方から覆う傾斜面であってもよい。これにより、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみと対向する傾斜面が、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。 Further, as shown in FIG. 2B, the top surface 2U of the inner wall 2 constituting the first air path 5 may be an inclined surface that covers only the end of the upper surface of the SOFC stack 1 from above. Thereby, the inclined surface facing only the end of the upper surface of the SOFC stack 1 functions as a heat transfer surface on which the air sent to the SOFC stack 1 is heated.

さらに、図２Ｃに示すように、第１空気経路５を構成する内壁２の天面２Ｕが、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみを上方から覆い、図２Ａの水平面および図２Ｂの傾斜面を組合せたような複数の折れ線を備える屈曲面であってもよい。これにより、ＳＯＦＣスタック１の上面の端部のみと対向する屈曲面が、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する。 Furthermore, as shown in FIG. 2C, the top surface 2U of the inner wall 2 constituting the first air path 5 covers only the end of the upper surface of the SOFC stack 1 from above, and the horizontal surface of FIG. 2A and the inclined surface of FIG. It may be a bent surface having a plurality of broken lines as combined. As a result, the bent surface facing only the end of the upper surface of the SOFC stack 1 functions as a heat transfer surface on which the air sent to the SOFC stack 1 is heated.

本変形例のＳＯＦＣ１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣ１００と同様に構成されてもよい。 The SOFC 100 of this modification may be configured in the same manner as the SOFC 100 of the first embodiment except for the above features.

（第２変形例）
第１実施形態のＳＯＦＣ１００では、内壁２の天面２Ｕ、側面２Ｓおよび底面２Ｄの全域が、ＳＯＦＣスタック１に送る空気の加熱が行われる伝熱面として機能する例を説明したが、これに限らない。内壁２の天面２Ｕ、側面２Ｓおよび底面２Ｄの一部が、このような伝熱面の機能を果たさなくても構わない。 (Second modification)
In the SOFC 100 of the first embodiment, the example has been described in which the top surface 2U, the side surface 2S, and the bottom surface 2D of the inner wall 2 function as heat transfer surfaces on which the air sent to the SOFC stack 1 is heated. Absent. A part of the top surface 2U, the side surface 2S, and the bottom surface 2D of the inner wall 2 may not fulfill such a function of the heat transfer surface.

例えば、ＳＯＦＣスタック１の温度を検知するための温度検知器のセンシング部、ＳＯＦＣスタック１の電力を取り出すためのバスパーなどをＳＯＦＣ１００の収容容器内に挿入するには、これらの配線２０が内壁２および外壁３を気密に貫通する構成を取る必要がある。このとき、配線２０と内壁２および外壁３との溶接個所は、図３に示すように、内壁２および外壁３同士を部分的に接合する絞り構造を用いることが多い。この場合、絞り構造に対応する内壁２は、伝熱面の機能を果たさない。 For example, in order to insert a sensing unit of a temperature detector for detecting the temperature of the SOFC stack 1 and a bus bar for taking out the power of the SOFC stack 1 into the storage container of the SOFC 100, these wirings 20 are connected to the inner wall 2 and It is necessary to take a structure that penetrates the outer wall 3 in an airtight manner. At this time, as shown in FIG. 3, the welded portion between the wiring 20 and the inner wall 2 and the outer wall 3 often uses a drawing structure that partially joins the inner wall 2 and the outer wall 3. In this case, the inner wall 2 corresponding to the throttle structure does not function as a heat transfer surface.

また、図示を省略するが、例えば、内壁２と外壁３との間の隙間が一定の寸法に維持されるように、内壁２と外壁３との間に棒部材を挟み込む場合、内壁２または外壁３から突起部を形成する場合などがある。これらの場合、棒部材および突起部に対応する内壁２は、伝熱面の機能を果たさない。 Although illustration is omitted, for example, when a rod member is sandwiched between the inner wall 2 and the outer wall 3 so that the gap between the inner wall 2 and the outer wall 3 is maintained at a constant size, the inner wall 2 or the outer wall 3 may form a protrusion. In these cases, the inner wall 2 corresponding to the rod member and the protrusion does not function as a heat transfer surface.

さらに、図示を省略するが、例えば、内壁２と外壁３との間の隙間に、空気流れが周方向に均一化し得るように、通気孔が周方向に均等に形成された環状の整流板を設ける場合がある。この場合、整流板に対応する内壁２は、伝熱面の機能を果たさない。 Furthermore, although illustration is omitted, for example, an annular rectifying plate in which air holes are uniformly formed in the circumferential direction so that the air flow can be made uniform in the circumferential direction in the gap between the inner wall 2 and the outer wall 3 is provided. May be provided. In this case, the inner wall 2 corresponding to the current plate does not function as a heat transfer surface.

（第３変形例）
図４は、第１実施形態の第３変形例の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 (Third Modification)
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a high-temperature operating fuel cell according to a third modification of the first embodiment.

図４に示す例では、ＳＯＦＣ１００は、ＳＯＦＣスタック１と、内壁１２と、外壁３と、第１空気経路５と、第２空気経路６と、第３空気経路７と、空気供給口８と、燃料ガス供給経路９と、空気流入経路４と、を備える。 In the example shown in FIG. 4, the SOFC 100 includes the SOFC stack 1, the inner wall 12, the outer wall 3, the first air path 5, the second air path 6, the third air path 7, the air supply port 8, A fuel gas supply path 9 and an air inflow path 4 are provided.

ＳＯＦＣスタック１、外壁３、第１空気経路５、第２空気経路６、第３空気経路７、空気供給口８、燃料ガス供給経路９および空気流入経路４については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。 The SOFC stack 1, the outer wall 3, the first air path 5, the second air path 6, the third air path 7, the air supply port 8, the fuel gas supply path 9, and the air inflow path 4 are the same as in the first embodiment. Therefore, explanation is omitted.

本変形例のＳＯＦＣ１００では、内壁１２の底面１２Ｄは、底面１２Ｄから上方へ突出する段差部１２Ｅを備える。そして、段差部１２ＥとＳＯＦＣスタック１とが面接触している。 In the SOFC 100 of the present modification, the bottom surface 12D of the inner wall 12 includes a step portion 12E that protrudes upward from the bottom surface 12D. The step portion 12E and the SOFC stack 1 are in surface contact.

ＳＯＦＣスタック１の底面には、ＳＯＦＣスタック１の構成によっては、例えば、複数のセルを締結する締結ボルト、電力取り出し部などの突起物を設ける場合がある。 Depending on the configuration of the SOFC stack 1, for example, a protrusion such as a fastening bolt for fastening a plurality of cells and a power extraction unit may be provided on the bottom surface of the SOFC stack 1.

ここでは、ＳＯＦＣスタック１の底面の隅部から下方に突出する複数の突起物３０が図示されている。 Here, a plurality of protrusions 30 protruding downward from the corners of the bottom surface of the SOFC stack 1 are shown.

そこで、本変形例のＳＯＦＣ１００では、段差部１２Ｅは、段差部１２Ｅの水平方向の寸法（幅寸法）が突起物３０の水平方向の間隔よりも短く、かつ、段差部１２Ｅの上下方向の寸法（高さ）が突起物３０の上下方向の寸法よりも長くなるように、内壁１２の底面１２Ｄから鉛直方向に立設している。 Therefore, in the SOFC 100 of this modification, the stepped portion 12E has a horizontal dimension (width dimension) of the stepped portion 12E shorter than the horizontal interval between the protrusions 30 and a vertical dimension of the stepped portion 12E ( The height is set up vertically from the bottom surface 12 D of the inner wall 12 so that the height is longer than the vertical dimension of the protrusion 30.

以上により、ＳＯＦＣスタック１の底面から下方に突出する突起物３０が存在する場合でも、突起物３０が内壁１２の底面１２Ｄに当接せずに、段差部１２Ｅの表面と高温状態のＳＯＦＣスタック１とを適切に面接触させることができる。よって、第３空気経路７を流れる空気を、ＳＯＦＣスタック１の伝熱により効率的に加熱することができる。 As described above, even when the protrusion 30 protruding downward from the bottom surface of the SOFC stack 1 exists, the protrusion 30 does not contact the bottom surface 12D of the inner wall 12 and the surface of the stepped portion 12E and the SOFC stack 1 in a high temperature state. Can be brought into surface contact appropriately. Therefore, the air flowing through the third air path 7 can be efficiently heated by the heat transfer of the SOFC stack 1.

（第２実施形態）
図５は、第１実施形態の高温動作形燃料電池の一例を示す図である。 (Second Embodiment)
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a high-temperature operating fuel cell according to the first embodiment.

図５に示す例では、ＳＯＦＣ１００は、ＳＯＦＣスタック１と、内壁２と、外壁３と、第１空気経路５と、第２空気経路６と、第３空気経路７と、空気供給口８と、燃料ガス供給経路９と、空気流入経路４と、アノードオフガス排出経路１０と、カソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂと、を備える。 In the example shown in FIG. 5, the SOFC 100 includes an SOFC stack 1, an inner wall 2, an outer wall 3, a first air path 5, a second air path 6, a third air path 7, an air supply port 8, A fuel gas supply path 9, an air inflow path 4, an anode offgas discharge path 10, and cathode offgas discharge paths 11A and 11B are provided.

ＳＯＦＣスタック１、内壁２、外壁３、第１空気経路５、第２空気経路６、第３空気経路７、空気供給口８、燃料ガス供給経路９および空気流入経路４については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。 The SOFC stack 1, the inner wall 2, the outer wall 3, the first air path 5, the second air path 6, the third air path 7, the air supply port 8, the fuel gas supply path 9, and the air inflow path 4 are the same as those in the first embodiment. The description is omitted because it is similar.

アノードオフガス排出経路１０は、ＳＯＦＣスタック１から排出されたアノードオフガスが集約する流路である。アノードオフガス排出経路１０は、図５では図示しない燃焼器へと上方に延伸している。 The anode off gas discharge path 10 is a flow path where the anode off gas discharged from the SOFC stack 1 is collected. The anode off-gas discharge path 10 extends upward to a combustor (not shown in FIG. 5).

具体的には、ＳＯＦＣスタック１の発電に使用しなかった燃料ガス（アノードオフガス）が、アノードオフガス排出経路１０に流入し、このアノードオフガス排出経路１０を通過した後、燃焼器へと送られる。本実施形態のＳＯＦＣ１００では、アノードオフガス排出経路１０は、ＳＯＦＣスタック１のアノードから内壁２の天面２Ｕおよび外壁３の天面３Ｕを気密に貫通して燃焼器の燃料空間に連通するように上方へ延伸している。なお、ここでは、アノードオフガス排出経路１０の本数は１本であるが、２本以上でも構わない。 Specifically, fuel gas (anode offgas) that has not been used for power generation of the SOFC stack 1 flows into the anode offgas discharge path 10, passes through the anode offgas discharge path 10, and then is sent to the combustor. In the SOFC 100 of the present embodiment, the anode off-gas discharge path 10 extends upward from the anode of the SOFC stack 1 through the top surface 2U of the inner wall 2 and the top surface 3U of the outer wall 3 so as to communicate with the fuel space of the combustor. Is stretched. Here, the number of anode off-gas discharge paths 10 is one, but two or more may be used.

カソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂは、ＳＯＦＣスタック１から排出されたカソードオフガスが集約する流路である。カソードオフガス排出経路１１Ｂは、図５では図示しない燃焼器へと上方に延伸している。 The cathode offgas discharge paths 11A and 11B are channels through which the cathode offgas discharged from the SOFC stack 1 is collected. The cathode off-gas discharge path 11B extends upward to a combustor not shown in FIG.

具体的には、ＳＯＦＣスタック１の発電に使用しなかった空気（カソードオフガス）が、このカソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂを通過した後、燃焼器へと送られる。本実施形態のＳＯＦＣ１００では、カソードオフガス排出経路１１Ａは、ＳＯＦＣスタック１の外殻と内壁２の天面２Ｕおよび側面２Ｓとの間の空間で形成されている。カソードオフガス排出経路１１Ｂは、内壁２の天面２Ｕから外壁３の天面３Ｕを気密に貫通して燃焼器の燃料空間に連通するように上方へ延伸している。なお、ここでは、カソードオフガス排出経路１１Ｂの本数は１本であるが、２本以上でも構わない。また、ＳＯＦＣスタック１のカソードオフガスの排出口１１Ｃが、ＳＯＦＣスタック１の側面に形成されているが、このような排出口が、ＳＯＦＣスタック１の上面に形成されていてもよい。この場合は、カソードオフガス排出経路１１Ａは、ＳＯＦＣスタック１の外殻と内壁２の天面２Ｕとの間の空間で形成される。 Specifically, air (cathode offgas) that has not been used for power generation of the SOFC stack 1 passes through the cathode offgas discharge paths 11A and 11B and is then sent to the combustor. In the SOFC 100 of the present embodiment, the cathode offgas discharge path 11A is formed in a space between the outer shell of the SOFC stack 1 and the top surface 2U and the side surface 2S of the inner wall 2. The cathode offgas discharge path 11B extends upward from the top surface 2U of the inner wall 2 through the top surface 3U of the outer wall 3 in an airtight manner and communicates with the fuel space of the combustor. Here, the number of cathode offgas discharge paths 11B is one, but two or more may be used. Further, the cathode off gas discharge port 11 C of the SOFC stack 1 is formed on the side surface of the SOFC stack 1, but such a discharge port may be formed on the upper surface of the SOFC stack 1. In this case, the cathode offgas discharge path 11A is formed in a space between the outer shell of the SOFC stack 1 and the top surface 2U of the inner wall 2.

以上により、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂのそれぞれが燃焼器に接続される。これにより、燃焼器で拡散燃焼が行われる。この際に、これらのアノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１ＢをＳＯＦＣ１００の側方へ引き回す必要がないので、ガス配管の構成が簡素化する。また、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１ＢをＳＯＦＣ１００の側方へ引き回す場合、ＳＯＦＣ１００の設置面積が増加する可能性があるが、上記の構成により、このような可能性を低減できる。 As described above, each of the anode offgas discharge path 10 and the cathode offgas discharge path 11B is connected to the combustor. Thereby, diffusion combustion is performed in the combustor. At this time, since it is not necessary to route these anode off-gas discharge path 10 and cathode off-gas discharge path 11B to the side of the SOFC 100, the configuration of the gas piping is simplified. Further, when the anode off-gas discharge path 10 and the cathode off-gas discharge path 11B are routed to the side of the SOFC 100, the installation area of the SOFC 100 may increase. However, the above configuration can reduce such a possibility.

なお、本変形例のＳＯＦＣ１００は、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂを用いて、燃焼器がＳＯＦＣ１００と離間して配置されているが、燃焼器がＳＯＦＣ１００と近接することで、ＳＯＦＣ１００が燃焼器を備えても構わない。 In the SOFC 100 of this modification, the combustor is spaced apart from the SOFC 100 using the anode off-gas discharge path 10 and the cathode off-gas discharge path 11B. A combustor may be provided.

本実施形態のＳＯＦＣ１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣ１００と同様に構成されてもよい。 The SOFC 100 of the present embodiment may be configured similarly to the SOFC 100 of the first embodiment except for the above features.

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 (Third embodiment)
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the third embodiment.

図６に示す例では、燃料電池システム２００は、水素生成装置５０と、ＳＯＦＣ１００と、を備える。本実施形態のＳＯＦＣ１００は、第３実施形態のＳＯＦＣ１００と同様であるので説明を省略する。 In the example illustrated in FIG. 6, the fuel cell system 200 includes a hydrogen generator 50 and a SOFC 100. Since the SOFC 100 of this embodiment is the same as the SOFC 100 of the third embodiment, the description thereof is omitted.

図６に示すように、水素生成装置５０は、ＳＯＦＣ１００の上方に配置されており、蒸発器５１と、改質器５２と、燃焼器５３と、空気熱交換器５４と、を備える。 As shown in FIG. 6, the hydrogen generator 50 is disposed above the SOFC 100 and includes an evaporator 51, a reformer 52, a combustor 53, and an air heat exchanger 54.

改質器５２は、上記の燃料ガスとして、原料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する。改質器５２の外殻は、例えば、改質触媒が充填されているステンレス製の円筒体で構成されていてもよい。改質器５２は、燃焼器５３の上方に配置されている。 The reformer 52 generates a hydrogen-containing reformed gas by reforming the raw material as the fuel gas. The outer shell of the reformer 52 may be formed of, for example, a stainless steel cylinder filled with a reforming catalyst. The reformer 52 is disposed above the combustor 53.

図６に示すように、高温の燃焼排ガスが、改質器５２の壁部と水素生成装置５０の収容容器５５の内壁５５Ａとの間の空間を通過する。これにより、改質器５２の改質触媒が燃焼排ガスの熱で加熱され、改質器５２の温度が、改質反応に適した高温（例えば、６００℃以上）となる。なお、このような燃焼排ガスを発生する燃焼器５３の詳細は後述する。 As shown in FIG. 6, the high-temperature combustion exhaust gas passes through the space between the wall portion of the reformer 52 and the inner wall 55 A of the storage container 55 of the hydrogen generator 50. Thereby, the reforming catalyst of the reformer 52 is heated by the heat of the combustion exhaust gas, and the temperature of the reformer 52 becomes a high temperature (for example, 600 ° C. or more) suitable for the reforming reaction. The details of the combustor 53 that generates such flue gas will be described later.

また、燃料ガス供給経路９を形成する配管が、改質器５２からＳＯＦＣ１００の外壁３および内壁２を気密に貫通し、ＳＯＦＣスタック１まで延伸している。これにより、ＳＯＦＣスタック１のアノードに、燃料ガス供給経路９を通じて改質器５２からの改質ガスが供給される。 Also, the piping forming the fuel gas supply path 9 extends from the reformer 52 through the outer wall 3 and the inner wall 2 of the SOFC 100 in an airtight manner and extends to the SOFC stack 1. As a result, the reformed gas from the reformer 52 is supplied to the anode of the SOFC stack 1 through the fuel gas supply path 9.

改質器５２の改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応および部分酸化反応などを挙げることができる。なお、改質触媒の触媒金属には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの貴金属系触媒およびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることができる。図６には示されていないが、上記の改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置５０には、改質器５２に空気を供給する空気供給器（例えば、ブロア）などが設けられる。 The reforming reaction of the reformer 52 may take any form. Examples of the reforming reaction include a steam reforming reaction, an autothermal reaction, a partial oxidation reaction, and the like. In general, the catalyst metal of the reforming catalyst may be at least one selected from the group consisting of noble metal catalysts such as Pt, Ru, Rh, and Ni. Although not shown in FIG. 6, equipment required for the above reforming reaction is provided as appropriate. For example, if the reforming reaction is an autothermal reaction, the hydrogen generator 50 is provided with an air supply device (for example, a blower) that supplies air to the reformer 52.

なお、改質反応用の原料としては、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む炭化水素系の燃料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油などの炭化水素系の液体燃料を用いてもよい。 As a raw material for the reforming reaction, a hydrocarbon fuel gas containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen, such as city gas, natural gas, and LPG mainly composed of methane may be used. Hydrocarbon liquid fuels such as alcohol, biofuel, and light oil may be used.

本実施形態の水素生成装置５０では、改質器５２の改質反応として、水蒸気改質反応が行われている。そこで、改質器５２の直上に、蒸発器５１が設けられている。 In the hydrogen generator 50 of this embodiment, a steam reforming reaction is performed as a reforming reaction of the reformer 52. Therefore, the evaporator 51 is provided immediately above the reformer 52.

蒸発器５１は、改質器５２に供給する水蒸気を生成する。具体的には、例えば、図示しない水供給器（例えば、ポンプなど）に接続された水供給口６２から水が蒸発器５１に供給される。また、図示しない原料供給器（例えば、ポンプなど）に接続された原料供給口６３から原料が蒸発器５１に供給される。蒸発器５１では、水が蒸発して水蒸気が生成され、原料と水蒸気とが混合される。そして、混合ガスが改質器５２の改質触媒に送られる。 The evaporator 51 generates water vapor that is supplied to the reformer 52. Specifically, for example, water is supplied to the evaporator 51 from a water supply port 62 connected to a water supply device (for example, a pump) (not shown). Further, the raw material is supplied to the evaporator 51 from a raw material supply port 63 connected to a raw material supply device (for example, a pump) (not shown). In the evaporator 51, water evaporates to generate water vapor, and the raw material and water vapor are mixed. Then, the mixed gas is sent to the reforming catalyst of the reformer 52.

図６に示すように、高温の燃焼排ガスが、蒸発器５１の壁部と水素生成装置５０の収容容器５５の内壁５５Ａとの間の空間を通過する。このとき、蒸発器５１の壁部の外表面は、水の沸点よりも高温（例えば、約１００℃〜３００℃程度）の燃焼排ガスで曝されているので、水が、この燃焼排ガスの熱で高温化し蒸発するとともに、水蒸気および原燃の適切な混合が行われる。 As shown in FIG. 6, the high-temperature combustion exhaust gas passes through the space between the wall portion of the evaporator 51 and the inner wall 55 A of the storage container 55 of the hydrogen generator 50. At this time, the outer surface of the wall portion of the evaporator 51 is exposed to combustion exhaust gas having a temperature higher than the boiling point of water (for example, about 100 ° C. to 300 ° C.). As the temperature evaporates and evaporates, proper mixing of water vapor and fuel is performed.

空気供給経路５６は、ＳＯＦＣスタック１のカソードに送るための空気が流通する流路である。具体的には、図示しない空気供給器（例えば、ブロアなど）に接続された空気供給口６１からの空気が、水素生成装置５０の収容容器５５の内壁５５Ａと外壁５５Ｂとの間に形成された空気供給経路５６を流通する。 The air supply path 56 is a flow path through which air for sending to the cathode of the SOFC stack 1 flows. Specifically, air from an air supply port 61 connected to an air supply device (for example, a blower) (not shown) is formed between the inner wall 55A and the outer wall 55B of the storage container 55 of the hydrogen generator 50. The air supply path 56 is circulated.

空気熱交換器５４は、燃焼器５３で生成された燃焼排ガスと空気とが熱交換する。具体的には、空気供給経路５６を流れる空気と収容容器５５の内壁５５Ａ内を流れる燃焼排ガスとが熱交換する。つまり、空気熱交換器５４では、燃焼排ガスで曝される内壁５５Ａの部分が伝熱面として機能する。これにより、常温の空気は、空気供給経路５６を上から下へと流れるとき、内壁５５Ａ内を下から上へと流れる燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。 The air heat exchanger 54 exchanges heat between the combustion exhaust gas generated by the combustor 53 and air. Specifically, heat exchange is performed between the air flowing through the air supply path 56 and the combustion exhaust gas flowing through the inner wall 55 A of the storage container 55. That is, in the air heat exchanger 54, the portion of the inner wall 55A exposed to the combustion exhaust gas functions as a heat transfer surface. As a result, room temperature air is heated by heat exchange with the combustion exhaust gas flowing from the bottom to the top in the inner wall 55A when flowing from the top to the bottom in the air supply path 56.

空気熱交換器５４で熱交換が行われた空気は、上記の空気流入経路４を通じて第１空気経路５へ送られる。つまり、空気熱交換器５４で熱交換が行われた空気は、空気流入経路４を通過した後、ＳＯＦＣスタック１からの輻射熱を利用して、ＳＯＦＣスタック１の発電反応に適した温度にまでさらに加熱される。 The air that has undergone heat exchange in the air heat exchanger 54 is sent to the first air path 5 through the air inflow path 4. That is, the air that has undergone heat exchange in the air heat exchanger 54 passes through the air inflow path 4 and then uses the radiant heat from the SOFC stack 1 to reach a temperature suitable for the power generation reaction of the SOFC stack 1. Heated.

燃焼器５３は、ＳＯＦＣスタック１から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスが拡散燃焼する。具体的には、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂのそれぞれと燃焼器５３とが接続する。そして、燃焼器５３の燃焼空間には、アノードオフガス排出経路１０を通じてアノードオフガスが供給され、カソードオフガス排出経路１１Ｂを通じてカソードオフガスが供給され、これらのガスが拡散燃焼される。これにより、燃焼空間において、高温の燃焼排ガスが発生する。 In the combustor 53, the anode off-gas and the cathode off-gas discharged from the SOFC stack 1 are subjected to diffusion combustion. Specifically, each of the anode offgas discharge path 10 and the cathode offgas discharge path 11B is connected to the combustor 53. The combustion space of the combustor 53 is supplied with anode off-gas through the anode off-gas discharge path 10 and with cathode off-gas through the cathode off-gas discharge path 11B, and these gases are diffusely burned. As a result, high-temperature combustion exhaust gas is generated in the combustion space.

燃焼器５３で発生した燃焼排ガスは、上記のとおり、改質器５２の壁部と収容容器５５の内壁５５Ａとの間の空間および蒸発器５１の壁部と収容容器５５の内壁５５Ａとの間の空間をこの順に下から上へと通過する。改質反応の適温および水蒸発の適温はこの順に低くなるので、燃焼排ガスを上記の順番に流すことで、燃焼器５３で発生する燃焼排ガスの熱を有効に利用できる。 The combustion exhaust gas generated in the combustor 53 is, as described above, between the wall portion of the reformer 52 and the inner wall 55A of the storage container 55 and between the wall portion of the evaporator 51 and the inner wall 55A of the storage container 55. Pass through the space in this order from bottom to top. Since the optimum temperature for the reforming reaction and the optimum temperature for water evaporation become lower in this order, the heat of the combustion exhaust gas generated in the combustor 53 can be effectively utilized by flowing the combustion exhaust gas in the order described above.

なお、燃焼排ガスは、適温（例えば、約１００℃〜２００℃程度）まで冷却された後、燃焼排ガス排出口６４から燃料電池システム２００外へ排出され、例えば、給湯用の温水を生成するための図示しない熱交換器へと送られる。 The combustion exhaust gas is cooled to an appropriate temperature (for example, about 100 ° C. to 200 ° C.) and then discharged from the combustion exhaust gas discharge port 64 to the outside of the fuel cell system 200, for example, for generating hot water for hot water supply. It is sent to a heat exchanger (not shown).

ここで、本実施形態の燃料電池システム２００では、ＳＯＦＣ１００の水平断面の面積は、水素生成装置５０の水平断面の面積よりも大きい。なお、ＳＯＦＣ１００の水平断面の面積とは、ＳＯＦＣ１００の収容容器の水平方向の最外部材（本例では、外壁３の側面３Ｓ）で形成される水平面の面積を指す。水素生成装置５０の水平断面の面積とは、水素生成装置５０の収容容器５５の水平方向の最外部材（本例では、外壁５５Ｂ）で形成される水平面の面積を指す。 Here, in the fuel cell system 200 of the present embodiment, the area of the horizontal cross section of the SOFC 100 is larger than the area of the horizontal cross section of the hydrogen generator 50. Note that the area of the horizontal section of the SOFC 100 refers to the area of a horizontal plane formed by the outermost member in the horizontal direction of the storage container of the SOFC 100 (in this example, the side surface 3S of the outer wall 3). The area of the horizontal cross section of the hydrogen generator 50 refers to the area of the horizontal plane formed by the horizontal outermost member (in this example, the outer wall 55B) of the storage container 55 of the hydrogen generator 50.

以上により、本実施形態の燃料電池システム２００は、ＳＯＦＣスタック１に送るための空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本実施形態の燃料電池システム２００は、従来に比べ小型化を図り得る。 As described above, the fuel cell system 200 of the present embodiment can preheat the air to be sent to the SOFC stack 1 more efficiently than before. Further, the fuel cell system 200 of the present embodiment can be reduced in size as compared with the conventional one.

具体的には、燃料電池スタック１に送る空気が、空気熱交換器５４の熱交換および燃料電池スタック１を囲うように設置された内壁２の天面２Ｕ、側面２Ｓおよび底面２Ｄにおける輻射熱を利用して、従来に比べ効率的に予熱される。 Specifically, the air sent to the fuel cell stack 1 uses heat exchange of the air heat exchanger 54 and radiant heat on the top surface 2U, the side surface 2S, and the bottom surface 2D of the inner wall 2 installed so as to surround the fuel cell stack 1. Thus, it is preheated more efficiently than before.

また、水素生成装置５０がＳＯＦＣ１００の上方に配置されるとともに、ＳＯＦＣ１００の水平断面が水素生成装置５０の水平断面よりも大面積で構成されている。よって、ＳＯＦＣ１００に供給される空気を予熱するための空気熱交換器５４を設ける構成であっても、燃料電池システム２００の設置面積の増加を抑制できる。 Further, the hydrogen generator 50 is disposed above the SOFC 100, and the horizontal cross section of the SOFC 100 is configured to have a larger area than the horizontal cross section of the hydrogen generator 50. Therefore, even if it is the structure which provides the air heat exchanger 54 for preheating the air supplied to SOFC100, the increase in the installation area of the fuel cell system 200 can be suppressed.

また、ＳＯＦＣ１００の水平断面の面積を大きくすることで、セル１枚あたりの電極面積を増加させ得るので、ＳＯＦＣ１００の高出力化を図ることもできる。 In addition, since the electrode area per cell can be increased by increasing the area of the horizontal section of the SOFC 100, the output of the SOFC 100 can be increased.

つまり、平板形のＳＯＦＣ１００の高出力化には、セルの積層枚数を増やして発電時の電圧を上げる方法、発電時の電流密度を高める方法、セル１枚あたりの電極面積を増加させる方法などが挙げられる。 In other words, to increase the output of the flat SOFC 100, there are a method of increasing the number of stacked cells to increase the voltage during power generation, a method of increasing the current density during power generation, and a method of increasing the electrode area per cell. Can be mentioned.

これらの方法の中で、セルの積層枚数を増やす方法は、運転時に積層方向に温度分布が生じやすくなるので、熱応力によりスタックが割れる可能性がある。 Among these methods, the method of increasing the number of stacked cells tends to cause a temperature distribution in the stacking direction during operation, so that the stack may break due to thermal stress.

また、発電時の電流密度を高める方法は、電流密度が高い領域では、水素供給不足が発生しやすくなるので、セルスタックの構成に制約される可能性がある。 In addition, the method for increasing the current density during power generation tends to cause a shortage of hydrogen supply in a region where the current density is high, which may limit the configuration of the cell stack.

そこで、本実施形態の燃料電池システム２００では、セル１枚あたりの電極面積を増加させることで、ＳＯＦＣ１００の高出力化が行われている。つまり、ＳＯＦＣ１００においては、セルの電極面積が所望の面積で確保され得るように、ＳＯＦＣ１００の水平断面を大面積で構成している。また、蒸発器５１、改質器５２および燃焼器５３などを収容する収容容器５５を適切に小型化、低コスト化できるように、水素生成装置５０の水平断面を小面積で構成している。 Therefore, in the fuel cell system 200 of the present embodiment, the output of the SOFC 100 is increased by increasing the electrode area per cell. That is, in the SOFC 100, the horizontal section of the SOFC 100 is configured with a large area so that the electrode area of the cell can be secured with a desired area. Further, the horizontal cross section of the hydrogen generator 50 is configured with a small area so that the storage container 55 for storing the evaporator 51, the reformer 52, the combustor 53, and the like can be appropriately downsized and reduced in cost.

このようにして、本実施形態の燃料電池システム２００では、燃料電池システム２００の高出力化と小型化および低コスト化との両立が適切に行われている。 In this way, in the fuel cell system 200 of the present embodiment, both high output, miniaturization, and cost reduction of the fuel cell system 200 are appropriately performed.

第１実施形態、第１実施形態の第１〜第３変形例、第２実施形態および第３実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。 The first embodiment, the first to third modifications of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment may be combined with each other as long as they do not exclude each other.

例えば、第２実施形態のＳＯＦＣ１００では、第１実施形態のＳＯＦＣ１００が、アノードオフガス排出経路１０と、カソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂとを備える例を説明したが、第１実施形態の第３変形例のＳＯＦＣ１００が、アノードオフガス排出経路１０と、カソードオフガス排出経路１１Ａ、１１Ｂと、を備えても構わない。また、例えば、第３実施形態の燃料電池システム２００が、第１実施形態のＳＯＦＣ１００を備える例を説明したが、第３実施形態の燃料電池システム２００が、第１実施形態の第３変形例のＳＯＦＣ１００を備えても構わない。 For example, in the SOFC 100 of the second embodiment, the example in which the SOFC 100 of the first embodiment includes the anode off-gas discharge path 10 and the cathode off-gas discharge paths 11A and 11B has been described, but the third modification of the first embodiment The SOFC 100 may include an anode off-gas discharge path 10 and cathode off-gas discharge paths 11A and 11B. In addition, for example, the fuel cell system 200 of the third embodiment has been described as including the SOFC 100 of the first embodiment, but the fuel cell system 200 of the third embodiment is the third modification of the first embodiment. The SOFC 100 may be provided.

上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。 From the above description, many modifications and other embodiments of the present disclosure are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the foregoing description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the disclosure. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the present disclosure.

例えば、燃料電池システム２００では、組み立て時においては、水素生成装置５０の収容容器５５とＳＯＦＣ１００の収容容器とが別体に構成されていてもよい。つまり、空気流入経路４、燃料ガス供給経路９、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂの適所において、これらの空気流入経路４、燃料ガス供給経路９、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂをそれぞれ溶接等で接続することで、別体に構成された収容容器同士を最終的に組み立てても構わない。これにより、ＳＯＦＣ１００の形状、大きさ等に依存せずに、空気流入経路４、燃料ガス供給経路９、アノードオフガス排出経路１０およびカソードオフガス排出経路１１Ｂの接続部のみを合わせることで、燃料電池システム２００の組み立てが可能となる。 For example, in the fuel cell system 200, at the time of assembly, the storage container 55 of the hydrogen generator 50 and the storage container of the SOFC 100 may be configured separately. That is, the air inflow path 4, the fuel gas supply path 9, the anode offgas discharge path 10, and the cathode offgas discharge path 11 B are appropriately placed at the air inflow path 4, the fuel gas supply path 9, the anode offgas discharge path 10, and the cathode offgas discharge. You may finally assemble the container comprised separately by connecting the path | route 11B by welding etc., respectively. Thus, the fuel cell system can be obtained by combining only the connection portions of the air inflow path 4, the fuel gas supply path 9, the anode offgas discharge path 10 and the cathode offgas discharge path 11B without depending on the shape, size, etc. of the SOFC 100. 200 can be assembled.

本開示の一態様の高温動作形燃料電池および燃料電池システムは、燃料電池スタックに送る空気を従来よりも効率的に予熱し得る。また、本開示の一態様の高温動作形燃料電池および燃料電池システムは、従来に比べ、装置の小型化を図り得る。よって、本開示の一態様は、例えば、高温動作形燃料電池および燃料電池システムなどに利用できる。 The high-temperature operating fuel cell and the fuel cell system according to one aspect of the present disclosure can preheat the air sent to the fuel cell stack more efficiently than before. In addition, the high-temperature operating fuel cell and the fuel cell system according to one embodiment of the present disclosure can reduce the size of the device as compared with the conventional technology. Therefore, one embodiment of the present disclosure can be used for, for example, a high-temperature operating fuel cell and a fuel cell system.

１：固体酸化物形燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック）
２：内壁
２Ｄ：底面
２Ｓ：側面
２Ｕ：天面
３：外壁
３Ｄ：底面
３Ｓ：側面
３Ｕ：天面
４：空気流入経路
５：第１空気経路
６：第２空気経路
７：第３空気経路
８：空気供給口
９：燃料ガス供給経路
１０：アノードオフガス排出経路
１１Ａ：カソードオフガス排出経路
１１Ｂ：カソードオフガス排出経路
１１Ｃ：排出口
１２：内壁
１２Ｄ：底面
１２Ｅ：段差部
２０：配線
３０：突起物
５０：水素生成装置
５１：蒸発器
５２：改質器
５３：燃焼器
５４：空気熱交換器
５５：収容容器
５５Ａ：内壁
５５Ｂ：外壁
５６：空気供給経路
６１：空気供給口
６２：水供給口
６３：原料供給口
６４：燃焼排ガス排出口
１００：固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
２００：燃料電池システム 1: Solid oxide fuel cell stack (SOFC stack)
2: Inner wall 2D: Bottom surface 2S: Side surface 2U: Top surface 3: Outer wall 3D: Bottom surface 3S: Side surface 3U: Top surface 4: Air inflow path 5: First air path 6: Second air path 7: Third air path 8 : Air supply port 9: Fuel gas supply route 10: Anode offgas discharge route 11A: Cathode offgas discharge route 11B: Cathode offgas discharge route 11C: Discharge port 12: Inner wall 12D: Bottom surface 12E: Stepped portion 20: Wiring 30: Projection 50 : Hydrogen generator 51: Evaporator 52: Reformer 53: Combustor 54: Air heat exchanger 55: Container 55A: Inner wall 55B: Outer wall 56: Air supply path 61: Air supply port 62: Water supply port 63: Raw material supply port 64: Combustion exhaust gas discharge port 100: Solid oxide fuel cell (SOFC)
200: Fuel cell system

Claims

平板状に積層された複数のセルを備え、燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、
側面と天面と底面とを備え、前記燃料電池スタックを囲うように設置された内壁と、
側面と天面と底面とを備え、前記内壁を囲うように設置された外壁と、
前記内壁の天面と前記外壁の天面との間に形成された第１空気経路と、
前記内壁の側面と前記外壁の側面との間に形成された第２空気経路と、
前記内壁の底面と前記外壁の底面との間に形成された第３空気経路と、
前記第１空気経路と接続されている空気流入経路と、
前記３空気経路から前記燃料電池スタックへ前記空気を供給するための空気供給口と、
前記燃料電池スタックへ前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、
を備え、
前記空気は、前記空気流入経路、前記第１空気経路、前記第２空気経路、前記第３空気経路および前記空気供給口をこの順に通過し、前記内壁の底面と前記燃料電池スタックとが面接触している高温動作形燃料電池。 A fuel cell stack that includes a plurality of cells stacked in a flat plate shape and generates power using fuel gas and air; and
An inner wall provided with a side surface, a top surface, and a bottom surface, and disposed so as to surround the fuel cell stack;
An outer wall comprising a side surface, a top surface, and a bottom surface, and is installed so as to surround the inner wall;
A first air path formed between the top surface of the inner wall and the top surface of the outer wall;
A second air path formed between a side surface of the inner wall and a side surface of the outer wall;
A third air path formed between the bottom surface of the inner wall and the bottom surface of the outer wall;
An air inflow path connected to the first air path;
An air supply port for supplying the air from the three air paths to the fuel cell stack;
A fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the fuel cell stack;
With
The air passes through the air inflow path, the first air path, the second air path, the third air path, and the air supply port in this order, and the bottom surface of the inner wall and the fuel cell stack are in surface contact. A high-temperature operating fuel cell.

前記内壁の底面は、前記底面から上方へ突出する段差部を備え、前記段差部と前記燃料電池スタックとが面接触している請求項１に記載の高温動作形燃料電池。 2. The high-temperature operation fuel cell according to claim 1, wherein a bottom surface of the inner wall includes a stepped portion protruding upward from the bottom surface, and the stepped portion and the fuel cell stack are in surface contact.

前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスが集約するアノードオフガス排出経路と、
前記燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスが集約するカソードオフガス排出経路と、を備え、
前記アノードオフガス排出経路および前記カソードオフガス排出経路は、拡散燃焼が行われる燃焼器へと上方に延伸している請求項１または２に記載の高温動作形燃料電池。 An anode offgas discharge path in which anode offgas discharged from the fuel cell stack is aggregated;
A cathode offgas discharge path for collecting the cathode offgas discharged from the fuel cell stack,
3. The high-temperature operation type fuel cell according to claim 1, wherein the anode off-gas discharge path and the cathode off-gas discharge path extend upward to a combustor in which diffusion combustion is performed.

請求項１に記載の高温動作形燃料電池と、
前記燃料ガスとして、原料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスが拡散燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼排ガスと前記空気とが熱交換する空気熱交換器と、を備える水素生成装置と、
を備え、
前記水素生成装置は、前記高温動作形燃料電池の上方に配置され、
前記空気熱交換器で熱交換が行われた空気が前記第１空気経路へ送られ、
前記高温動作形燃料電池の水平断面の面積は、前記水素生成装置の水平断面の面積よりも大きい燃料電池システム。 A high-temperature operating fuel cell according to claim 1,
As the fuel gas, a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by reforming a raw material, an evaporator that generates water vapor to be supplied to the reformer, and an anode discharged from the fuel cell stack A hydrogen generator comprising: a combustor in which off-gas and cathode off-gas are diffusion-combusted; and an air heat exchanger in which heat is exchanged between the combustion exhaust gas generated in the combustor and the air;
With
The hydrogen generator is disposed above the high-temperature operating fuel cell,
Air that has undergone heat exchange in the air heat exchanger is sent to the first air path,
The fuel cell system is configured such that an area of a horizontal section of the high temperature operation type fuel cell is larger than an area of a horizontal section of the hydrogen generator.