JP2018133305A - Fuel cell module, combined power generation system including the same, and temperature adjusting method of fuel cell module - Google Patents

Fuel cell module, combined power generation system including the same, and temperature adjusting method of fuel cell module Download PDF

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大悟 小林
Daigo Kobayashi
大悟 小林
大澤　弘行
Hiroyuki Osawa
弘行 大澤
昌弘 水原
Masahiro Mizuhara
昌弘 水原
森　龍太郎
Ryutaro Mori
龍太郎 森
松尾　毅
Takeshi Matsuo
毅 松尾
眞竹　徳久
Norihisa Matake
徳久 眞竹
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress natural convection in a pressure vessel of an oxidizing gas flowing out from a cartridge to reduce an amount of heat radiation to the outside of the pressure vessel and to effectively suppress a reduction in power generation efficiency at low cost.SOLUTION: A fuel cell module 201 that supplies electric power by supplying fuel gas and oxidizing gas to a cell stack includes an SOFC cartridge 203 surrounded by a heat insulating material 208 and provided with a plurality of cell stacks 101, a pressure vessel 205 accommodating the SOFC cartridge 203 and having oxidizing gas in an internal space, and an air flow generating mechanism 240 that generates flow of the oxidizing gas from the vertically lower portion of an inside of the pressure vessel 205 toward the vertically upper side at an outside of the heat insulating material 208.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell module, a combined power generation system including the same, and a temperature adjustment method for the fuel cell module.

燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。このようなＳＯＦＣは、例えばマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが構成されており、圧縮機から吐出される圧縮空気を酸化性ガスとしてＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した高温の燃焼ガスでタービンを回転させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。   There is known a fuel cell that generates electric power by chemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas. Among these, solid oxide fuel cells (SOFC) use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, and are operated using city gas, natural gas, petroleum, methanol, coal gasification gas, or the like as fuel. This is a fuel cell. Such an SOFC is known as a high-efficiency high-temperature fuel cell that is versatile and has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C. in order to increase ionic conductivity. Such an SOFC is composed of a combined power generation system combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as “MGT”), and the compressed air discharged from the compressor is used as an oxidizing gas for the SOFC. In addition to supplying to the air electrode, the high-temperature exhaust fuel gas discharged from the SOFC is supplied to the MGT combustor for combustion, and the turbine is rotated by the high-temperature combustion gas generated in the combustor, thereby improving the power generation efficiency. High power generation is possible.

ＳＯＦＣにおける発電時には、ＳＯＦＣの発電部が発熱する。発電部は、発電効率や構成材の耐久性等の観点に基づいて、予め設定された温度範囲で発電を行うのが好ましい。
このため、例えば特許文献１には、ＳＯＦＣの発電部を備えるカートリッジを収容する圧力容器内で、ＳＯＦＣの発電部を備えるカートリッジの内部空間とカートリッジの外部空間（圧力容器内の空間）とを接続する流路と、この流路を通る酸化性ガス（空気）の流量を調整する流量調整装置と、を備える構成が開示されている。この構成によれば、カートリッジの内部の温度に応じて、カートリッジの内部空間から外部空間に流出させる酸化性ガスの流量を調整し、カートリッジの内部の温度を適切な温度範囲内に維持している。 During power generation in the SOFC, the power generation unit of the SOFC generates heat. The power generation unit preferably generates power in a preset temperature range based on the viewpoint of power generation efficiency, durability of the constituent materials, and the like.
For this reason, for example, in Patent Document 1, the internal space of the cartridge including the SOFC power generation unit and the external space of the cartridge (the space in the pressure vessel) are connected in a pressure container that houses the cartridge including the SOFC power generation unit. And a flow rate adjusting device that adjusts the flow rate of the oxidizing gas (air) passing through the flow channel is disclosed. According to this configuration, the flow rate of the oxidizing gas that flows out from the internal space of the cartridge to the external space is adjusted according to the internal temperature of the cartridge, and the internal temperature of the cartridge is maintained within an appropriate temperature range. .

特開２０１６−９１９６８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-91968

ところで、酸化性ガスの供給変動があっても発電への影響を少なくするために、カートリッジの外周を覆う構造として、供給した酸化性ガスの一部はカートリッジ内部空間と外部空間（圧力容器内の空間）との間で少流量が流通することを可能としている。発電の為にカートリッジ内に供給された酸化性ガスは、発電部の発熱によって昇温され、カートリッジ内を上昇する。このとき、酸化性ガスの一部はカートリッジ上部の隙間から外部空間に漏出する。外部空間に漏出した酸化性ガスは、圧力容器を介して圧力容器の外部との熱交換による放熱によって冷却され、外部空間内を下降し、カートリッジの下部の隙間からカートリッジの内部空間に吸い込まれる。これにより、圧力容器内においては、カートリッジの内部空間における上昇流と、カートリッジの外部空間における下降流とによって、酸化性ガスの自然対流が生じている。
ＳＯＦＣの発電出力を高めるため、カートリッジ内の高圧化を図ろうとすると、カートリッジの内部空間から外部空間に漏出する酸化性ガスの量が増える。これにともなって、圧力容器内における酸化性ガスの自然対流量が増大し、酸化性ガスがカートリッジの外部空間を通るときに圧力容器を介して圧力容器の外部に放出する放熱量も増える。その結果、カートリッジの内部空間の発電部の温度が必要以上に低下し、発電効率の低下が生じる。 By the way, in order to reduce the influence on power generation even if there is a fluctuation in the supply of oxidizing gas, as a structure covering the outer periphery of the cartridge, a part of the supplied oxidizing gas is separated from the cartridge inner space and the outer space (inside the pressure vessel). A small flow rate is allowed to circulate with the space. The oxidizing gas supplied into the cartridge for power generation is heated by the heat generated by the power generation unit and rises in the cartridge. At this time, part of the oxidizing gas leaks into the external space from the gap at the top of the cartridge. The oxidizing gas leaked into the external space is cooled by heat dissipation through heat exchange with the outside of the pressure vessel through the pressure vessel, descends in the external space, and is sucked into the internal space of the cartridge from the gap at the bottom of the cartridge. Thereby, in the pressure vessel, natural convection of the oxidizing gas is generated by the upward flow in the internal space of the cartridge and the downward flow in the external space of the cartridge.
If the pressure inside the cartridge is increased in order to increase the power generation output of the SOFC, the amount of oxidizing gas that leaks from the internal space of the cartridge to the external space increases. Along with this, the natural convection flow rate of the oxidizing gas in the pressure vessel increases, and the amount of heat released to the outside of the pressure vessel through the pressure vessel when the oxidizing gas passes through the external space of the cartridge also increases. As a result, the temperature of the power generation unit in the internal space of the cartridge is unnecessarily lowered, resulting in a decrease in power generation efficiency.

特許文献１に開示されたような構成において、カートリッジの内部の温度に応じてカートリッジの内部空間から外部空間に漏出する酸化性ガスの流量を調整した場合であっても、高圧化にともなって、カートリッジの外部空間に漏出した酸化性ガスから圧力容器の外部に放出する放熱量が増えるのは変わりが無い。   In the configuration as disclosed in Patent Document 1, even when the flow rate of the oxidizing gas leaking from the internal space of the cartridge to the external space is adjusted according to the internal temperature of the cartridge, There is no change in the amount of heat released from the oxidizing gas leaked to the external space of the cartridge to the outside of the pressure vessel.

また、カートリッジ内の高圧化にともない、カートリッジの内部空間から外部空間に漏出する酸化性ガスの量が増えると、この酸化性ガスによって流量調整装置を構成するダンパーに作用する圧力も増える。このため、ダンパーを作動させるためのモータのトルクも増大しなければならず、装置コストの上昇に繋がる。
さらに、流量調整装置を構成するダンパーや、このダンパーを作動させるモータは、圧力容器の内部に設けられているため、故障発生時やメンテナンス等を行う際に、手間がかかり、メンテナンスコストが掛かる。 Further, as the amount of the oxidizing gas leaking from the internal space of the cartridge to the external space increases as the pressure in the cartridge increases, the pressure acting on the damper that constitutes the flow control device by this oxidizing gas also increases. For this reason, the torque of the motor for operating the damper must also be increased, leading to an increase in device cost.
Furthermore, since the damper that constitutes the flow rate adjusting device and the motor that operates the damper are provided inside the pressure vessel, it takes time and trouble when performing a failure or performing maintenance.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、カートリッジから漏出した酸化性ガスの圧力容器内における自然対流を抑えて圧力容器から外への放熱量を低減し、発電効率の低下を低コストかつ効果的に抑えることができる燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and suppresses the natural convection of the oxidizing gas leaked from the cartridge in the pressure vessel to reduce the heat radiation amount from the pressure vessel to the outside. It is an object of the present invention to provide a fuel cell module capable of effectively suppressing a decrease in cost, a combined power generation system including the fuel cell module, and a temperature adjustment method for the fuel cell module.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法は以下の手段を採用する。
本発明の第１態様に係る燃料電池モジュールは、セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュールであって、断熱材に囲まれるとともに、複数の前記セルスタックを備えたカートリッジと、前記カートリッジを収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する容器と、前記断熱材の外側で、前記容器の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう前記酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the fuel cell module of the present invention, the combined power generation system including the fuel cell module, and the temperature adjustment method of the fuel cell module employ the following means.
A fuel cell module according to a first aspect of the present invention is a fuel cell module that generates power by supplying a fuel gas and an oxidizing gas to a cell stack, and is surrounded by a heat insulating material and includes a plurality of the cell stacks. A cartridge containing the cartridge and containing an oxidizing gas in the internal space, and generating the flow of the oxidizing gas from the vertically lower part to the vertically upper part inside the container outside the heat insulating material. And an airflow generation mechanism.

この構成によれば、セルスタックの発電部によって昇温された酸化性ガスがカートリッジの断熱材の内側から外側に漏れ出ると、この酸化性ガスは、容器内で冷却されて自然対流によって上方から下方に向かおうとする。これに対し、気流発生機構によって、断熱材の外側で、容器の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、断熱材から流出した酸化性ガスが上方から下方に向かう自然対流が発生するのを抑える。これによって、断熱材内から漏れ出る酸化性ガスの容器外への放熱を抑えることができる。
また、気流発生機構は、特に可動部分を備える必要が無いので、断熱材内の圧力が高圧化しても、高圧化に対応するために装置コストが上昇することもなく、メンテナンスも不要であるため、効果的である。 According to this configuration, when the oxidizing gas heated by the power generation unit of the cell stack leaks from the inside of the heat insulating material of the cartridge to the outside, the oxidizing gas is cooled in the container and is cooled from above by natural convection. Try to go down. On the other hand, the flow of oxidizing gas that flows upward from below the inside of the container is generated on the outside of the heat insulating material by the airflow generation mechanism, so that the oxidizing gas that has flowed out of the heat insulating material naturally flows from above to below. Suppresses the occurrence of convection. Thereby, the heat release of the oxidizing gas leaking from the heat insulating material to the outside of the container can be suppressed.
In addition, since the airflow generation mechanism does not need to have a movable part in particular, even if the pressure in the heat insulating material is increased, the equipment cost does not increase and maintenance is not required to cope with the increased pressure. Is effective.

上記第１態様において、前記気流発生機構は、前記容器の内部の鉛直方向下部に前記容器の長手方向に沿って設けられ、前記容器の外部から供給した前記酸化性ガスを鉛直上方に向かって流出させる酸化性ガス供給部と、前記容器の内部の鉛直方向上部に前記容器の長手方向に沿って設けられ、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを回収して前記容器の外部に排出させる酸化性ガス排出部と、を備えるとさらに好適である。   In the first aspect, the air flow generation mechanism is provided along a longitudinal direction of the container at a vertically lower portion inside the container, and the oxidizing gas supplied from the outside of the container flows out vertically upward. An oxidizing gas supply unit that is provided, and an oxidation unit that is provided along a longitudinal direction of the container at a vertically upper portion inside the container, collects the oxidizing gas outside the heat insulating material, and discharges the oxidizing gas to the outside of the container It is more preferable to include a property gas discharge unit.

この構成によれば、容器の内部の下部に設けた酸化性ガス供給部から、酸化性ガスを上方に流出させ、容器の内部の上部に設けた酸化性ガス排出部により、カートリッジの断熱材の外側の酸化性ガスを回収する。これにより、断熱材の外側で、容器の内部で下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることができる。また、酸化性ガス排出部では、酸化性ガス供給部から上方に向かって流出させた酸化性ガスに加えて、断熱材内から漏れ出た酸化性ガスも回収され、容器の外部に排出される。このようにして容器の外部に排出された酸化性ガスから熱エネルギーを回収することも可能となる。   According to this configuration, the oxidizing gas is allowed to flow upward from the oxidizing gas supply unit provided in the lower part inside the container, and the insulating gas discharge part provided in the upper part inside the container allows the heat insulating material of the cartridge to be The outer oxidizing gas is recovered. Thereby, the flow of the oxidizing gas which goes to the upper direction from the downward direction inside a container can be generated on the outer side of a heat insulating material. In addition, in the oxidizing gas discharge part, in addition to the oxidizing gas that has flowed upward from the oxidizing gas supply part, the oxidizing gas leaked from the heat insulating material is also collected and discharged outside the container. . In this way, it is also possible to recover thermal energy from the oxidizing gas discharged outside the container.

上記第１態様において、前記酸化性ガス供給部と前記酸化性ガス排出部との間に、前記容器の内面に接続されるとともに前記断熱材の外面との間を鉛直上下方向に仕切るよう前記容器の長手方向に沿って延在するとともに、前記酸化性ガスを鉛直上方向に流通させる流通隙間が形成された仕切板を備えるとさらに好適である。   In the first aspect, the container is connected to the inner surface of the container between the oxidizing gas supply unit and the oxidizing gas discharge unit and is partitioned vertically between the outer surface of the heat insulating material. It is further preferable to include a partition plate that extends along the longitudinal direction of the plate and is formed with a flow gap that allows the oxidizing gas to flow vertically upward.

この構成によれば、仕切板を設けることで、断熱材の内部から外部に流出した酸化性ガスが断熱材の外側で上方から下方に流れるのを、さらに抑えることができる。また、気流発生機構によって容器の内部で発生させた下方から上方に向かう酸化性ガスの流れは、仕切板に形成した流通孔を通して維持することができる。   According to this configuration, by providing the partition plate, it is possible to further suppress the oxidizing gas flowing out from the inside of the heat insulating material from flowing from the upper side to the lower side outside the heat insulating material. Further, the flow of the oxidizing gas generated from the lower side to the upper side generated inside the container by the air flow generation mechanism can be maintained through the flow hole formed in the partition plate.

上記第１態様において、前記酸化性ガス排出部は、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを前記容器の外部に排出させる管体を備え、前記管体は、容器内で前記容器の長手方向に沿って設けられるとともに鉛直上方側に向かって開口し、前記酸化性ガスを前記管体内に取り込む酸化性ガス取込口を備えるとさらに好適である。   Said 1st aspect WHEREIN: The said oxidizing gas discharge part is equipped with the pipe body which discharges | emits the said oxidizing gas outside the said heat insulating material outside the said container, The said pipe body is the longitudinal direction of the said container within a container. It is further preferable to include an oxidizing gas intake port that is provided along the opening and opens vertically upward, and takes the oxidizing gas into the tube.

この構成によれば、温度の高い酸化性ガスは、容器の上部に溜まる。酸化性ガス取込口を上方に向かって開口させることで、温度の高い酸化性ガスを効率良く管体に取り込むことができる。   According to this configuration, the oxidizing gas having a high temperature is accumulated in the upper part of the container. By opening the oxidizing gas intake port upward, an oxidizing gas having a high temperature can be efficiently taken into the tube.

上記第１態様において、前記管体は、前記カートリッジの鉛直上方に配置され、幅方向が前記管体の側方から延びるとともに長手方向が前記容器の長手方向に沿って延在する案内板を備え、前記酸化性ガス取込口は、前記案内板の鉛直上方で開口しているとさらに好適である。   In the first aspect, the tubular body is provided vertically above the cartridge, and includes a guide plate whose width direction extends from the side of the tubular body and whose longitudinal direction extends along the longitudinal direction of the container. Further, it is more preferable that the oxidizing gas intake port is opened vertically above the guide plate.

この構成によれば、案内板を設けることで、温度の高い酸化性ガスは案内板の上側を通り、案内板の上方で開口した酸化性ガス取込口から管体内に取り込まれる。これにより、温度の高い酸化性ガスを効率良く管体に取り込むことができる。   According to this configuration, by providing the guide plate, the oxidizing gas having a high temperature passes through the upper side of the guide plate and is taken into the pipe body from the oxidizing gas intake port opened above the guide plate. Thereby, oxidizing gas with high temperature can be taken in into a pipe body efficiently.

上記第１態様において、前記カートリッジの鉛直方向上部に設けられ、前記セルスタックの発電部から排出された前記酸化性ガスを導入するヘッダ部材と、前記容器の内部の鉛直方向上部に設けられ、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを前記ヘッダ部材に取り込む酸化性ガス取込部と、前記ヘッダ部材に接続され、前記ヘッダ部材に取り込まれた前記酸化性ガスを前記容器の外部に排出する排出管と、を備えるとさらに好適である。   In the first aspect, a header member that is provided at an upper part in the vertical direction of the cartridge and that introduces the oxidizing gas discharged from the power generation unit of the cell stack, and is provided at an upper part in the vertical direction inside the container, An oxidizing gas intake portion that takes in the oxidizing gas outside the heat insulating material into the header member, and a discharge that is connected to the header member and discharges the oxidizing gas taken into the header member to the outside of the container And a tube.

この構成によれば、気流発生機構によって容器内で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスを、酸化性ガス取込部からヘッダ部材に取り込むことができる。ヘッダ部材に取り込まれた酸化性ガスは、発電部から排出された酸化性ガスとともに、排出管を通して容器の外部に排出される。このようにして、容器の外部に排出された酸化性ガスから熱エネルギーを回収することも可能となる。   According to this configuration, the oxidizing gas flowing from the lower side to the upper side in the container by the air flow generation mechanism can be taken into the header member from the oxidizing gas take-in portion. The oxidizing gas taken into the header member is discharged out of the container through the discharge pipe together with the oxidizing gas discharged from the power generation unit. In this way, it is also possible to recover thermal energy from the oxidizing gas discharged outside the container.

本発明の第２態様に係る複合発電システムは、上記第１態様の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスの少なくとも一部とを用いて回転動力を生成するガスタービンとを備え、前記燃料電池モジュールは、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記複数のセルスタックは、燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電することを特徴とする。   A combined power generation system according to a second aspect of the present invention uses the fuel cell module according to the first aspect and exhaust fuel gas exhausted from the fuel cell module and at least a part of exhaust oxidizing gas to generate rotational power. The fuel cell module is supplied with the oxidizing gas compressed using the rotational power, and the plurality of cell stacks generate power using the fuel gas and the oxidizing gas. It is characterized by doing.

この構成によれば、燃料電池モジュールの断熱材の外側で、容器の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、断熱材内から漏れ出る酸化性ガスの放熱を抑えることができる。また、燃料電池モジュールの容器から排出される排酸化性ガスは、放熱を抑えることによって、高い熱エネルギーを有している。ガスタービンでは、この熱エネルギーを回収することで、効率が高まる。   According to this configuration, by generating the flow of the oxidizing gas from the lower inside of the container to the upper side outside the heat insulating material of the fuel cell module, it is possible to suppress the heat dissipation of the oxidizing gas leaking from the heat insulating material. Can do. Further, the exhaust oxidizing gas discharged from the container of the fuel cell module has high thermal energy by suppressing heat dissipation. In the gas turbine, efficiency is increased by recovering this thermal energy.

上記第２態様において、前記容器の内部の鉛直下方で前記容器の外部から前記断熱材の外側に送り込む前記酸化性ガスの流量を調整するバルブと、前記容器の内部及び前記セルスタックの発電部の少なくとも一方の温度に基づいて、前記バルブの開度を調整する制御装置と、を備えるとさらに好適である。   In the second aspect, a valve that adjusts the flow rate of the oxidizing gas that is sent vertically from the outside of the container to the outside of the heat insulating material vertically below the inside of the container, the inside of the container, and the power generation unit of the cell stack It is further preferable to include a control device that adjusts the opening of the valve based on at least one temperature.

この構成によれば、容器の内部や発電部の温度に応じて、断熱材の外側に送り込む酸化性ガスの流量を調整することで、容器の内部や発電部の温度を適切に調整することができる。   According to this configuration, it is possible to appropriately adjust the temperature inside the container and the power generation unit by adjusting the flow rate of the oxidizing gas fed to the outside of the heat insulating material according to the temperature inside the container and the power generation unit. it can.

上記第２態様において、前記容器の内部の鉛直上部で、前記断熱材の外側から回収した前記酸化性ガスを、前記ガスタービンの燃焼器に供給する酸化性ガス供給ラインをさらに備えるとさらに好適である。   In the second aspect, it is further preferable that the apparatus further includes an oxidizing gas supply line that supplies the oxidizing gas recovered from the outside of the heat insulating material to the combustor of the gas turbine at a vertically upper portion inside the container. is there.

この構成によれば、断熱材の外側から回収した、放熱が抑えられた酸化性ガスを燃焼器に供給することで、酸化性ガスが有する高い熱エネルギーをガスタービンの動力として回収することが可能となる。これにより、複合発電システムのエネルギー効率を高めることができる。   According to this configuration, it is possible to recover the high thermal energy of the oxidizing gas as power for the gas turbine by supplying the oxidizing gas recovered from the outside of the heat insulating material and suppressing heat dissipation to the combustor. It becomes. Thereby, the energy efficiency of a combined power generation system can be improved.

本発明の第３態様に係る燃料電池モジュールの温度調整方法は、セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュールが、断熱材に囲まれるとともに、複数のセルスタックを備えたカートリッジと、前記カートリッジを収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する容器と、前記断熱材の外側で、前記容器の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう前記酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構と、を備え、前記複数のセルスタックの温度が予め定めた温度範囲になるように、前記気流発生機構によって、前記容器の内部の下方から上方に向かう前記酸化性ガスの流量を調整する工程を備える。   In the fuel cell module temperature adjustment method according to the third aspect of the present invention, the fuel cell module for generating power by supplying fuel gas and oxidizing gas to the cell stack is surrounded by a heat insulating material, and a plurality of cell stacks are provided. A cartridge in which the cartridge is accommodated, the container in which the oxidizing gas is present in the internal space, and the flow of the oxidizing gas from the vertically lower inside the container to the vertically upper side outside the heat insulating material. A flow rate of the oxidizing gas that flows upward from below inside the container by the air flow generation mechanism so that the temperature of the plurality of cell stacks is in a predetermined temperature range. The process of adjusting is provided.

この構成によれば、断熱材の外側に送り込む酸化性ガスの流量を調整することで、発電部の温度を適切に調整する。これによって、カートリッジから流出した酸化性ガスの圧力容器内における自然対流を抑えて圧力容器外への放熱量を低減するとともに、発電効率が低下するのを抑えることができる。   According to this configuration, the temperature of the power generation unit is appropriately adjusted by adjusting the flow rate of the oxidizing gas fed to the outside of the heat insulating material. As a result, natural convection of the oxidizing gas flowing out from the cartridge can be suppressed to reduce the amount of heat released to the outside of the pressure container, and a decrease in power generation efficiency can be suppressed.

本発明によれば、カートリッジから漏出した酸化性ガスの圧力容器内における自然対流を抑えて圧力容器から外への放熱量を低減し、発電効率の低下を低コストかつ効果的に抑えることができる。   According to the present invention, it is possible to suppress natural convection of the oxidizing gas leaked from the cartridge in the pressure vessel to reduce the heat radiation amount from the pressure vessel to the outside, and to effectively suppress the reduction in power generation efficiency at a low cost. .

本発明の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。1 illustrates one aspect of a cell stack according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。1 illustrates one aspect of a SOFC module according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示すものである。1 illustrates one aspect of a cross-section of an SOFC cartridge according to an embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態に係る気流発生機構を備えたＳＯＦＣモジュールを示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the SOFC module provided with the airflow generation mechanism which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを備えた複合発電システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the combined power generation system provided with the SOFC module which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態に係る気流発生機構を備えたＳＯＦＣモジュールを示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the SOFC module provided with the airflow generation mechanism which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態に係る気流発生機構を構成するヘッダ部材の斜視図である。It is a perspective view of the header member which constitutes the air current generating mechanism concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第２実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを備えた複合発電システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the combined power generation system provided with the SOFC module which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

以下に、本発明に係る燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また本実施形態では、鉛直方向に対して上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体なく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用しても良い。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell module according to the present invention, a combined power generation system including the same, and a temperature adjustment method for the fuel cell module will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component is shown as being vertically upward and vertically downward using the expressions “upper” and “lower” with reference to the page. Moreover, in this embodiment, what can acquire the same effect by the up-down direction and a horizontal direction with respect to a vertical direction may respond | correspond to the horizontal direction where the up-down direction in a paper surface goes orthogonally to a vertical direction.
In the following description, a cylindrical shape is described as an example of a cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC). Although the fuel cell is formed on the substrate, the electrode (fuel electrode or air electrode) may be formed thick without using the substrate, and the substrate may also be used.

まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図１は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。   First, a cylindrical cell stack using a base tube will be described as an example according to the present embodiment with reference to FIG. Here, FIG. 1 shows one mode of the cell stack according to the present embodiment. The cell stack 101 includes a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 is connected to an air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at one end in the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. The lead film 115 is electrically connected via 107, and the lead film 115 is electrically connected to the fuel electrode 109 of the fuel cell 105 formed at the other end.

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。 The base tube 103 is made of a porous material, for example, CaO stabilized ZrO 2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ + NiO), or Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), or MgAl 2 O 4 or the like is the main component. The base tube 103 supports the fuel battery cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and supplies the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. Is diffused to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the electrode.

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０〜２５０μｍである。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
ＳＯＦＣ１０の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭などの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。 The fuel electrode 109 is made of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material. For example, Ni / YSZ is used. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 to 250 μm. In this case, in the fuel electrode 109, Ni which is a component of the fuel electrode 109 has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action reacts with a fuel gas supplied through the base tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, and reforms it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). Is. Further, the fuel electrode 109 has an interface between the solid electrolyte 111 and hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2− ) supplied via the solid electrolyte 111. It reacts electrochemically in the vicinity to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electric power by electrons emitted from oxygen ions.
The fuel gas that can be used by supplying to the fuel electrode 109 of the SOFC 10 includes hydrocarbon gases such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and methane (CH 4 ), city gas, natural gas, petroleum, The gas etc. which manufactured carbonaceous raw materials, such as methanol and coal, by gasification equipment are mentioned.

固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質１１１の膜厚は１０〜１００μｍである。 As the solid electrolyte 111, YSZ having gas tightness that prevents gas from passing and high oxygen ion conductivity at high temperature is mainly used. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode to the fuel electrode. The film thickness of the solid electrolyte 111 located on the surface of the fuel electrode 109 is 10 to 100 μm.

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。 The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO 3 oxide or a LaCoO 3 oxide. The air electrode 113 generates oxygen ions (O 2− ) by dissociating oxygen in an oxidizing gas such as air supplied near the interface with the solid electrolyte 111.
The air electrode 113 may have a two-layer structure. In this case, the air electrode layer (air electrode intermediate layer) on the solid electrolyte 111 side is made of a material that exhibits high ionic conductivity and excellent catalytic activity. The air electrode layer (air electrode conductive layer) on the air electrode intermediate layer may be composed of a perovskite oxide represented by Sr and Ca-doped LaMnO 3 . By doing so, the power generation performance can be further improved.
The oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% of oxygen, and typically air is preferable. In addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air, a mixed gas of oxygen and air, and the like Can be used.

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成される。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。 The interconnector 107 is made of a conductive perovskite oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 system. The interconnector 107 is a dense film so that the fuel gas and the oxidizing gas are not mixed. Further, the interconnector 107 has durability and electric conductivity that are stable in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel battery cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel battery cell 105 in adjacent fuel battery cells 105 so that the adjacent fuel battery cells 105 are connected to each other. Are connected in series. Since the lead film 115 needs to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of the other materials constituting the cell stack 101, the lead film 115 is made of Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material. Composed of composite material. The lead film 115 leads direct current power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 101.

次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。   Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to this embodiment will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 2 shows one mode of the SOFC module according to the present embodiment. FIG. 3 shows a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.

ＳＯＦＣモジュール２０１（燃料電池モジュール）は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３（カートリッジ）と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５（容器）とを備える。なお、図２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管２１１（図４参照）と酸化性ガス供給枝管２１２（図４参照）及び酸化性ガス排出管２１３（図４参照）と複数の酸化性ガス排出枝管２１４（図４参照）とを備える。   As shown in FIG. 2, the SOFC module 201 (fuel cell module) includes, for example, a plurality of SOFC cartridges 203 (cartridges) and a pressure vessel 205 (container) that houses the plurality of SOFC cartridges 203. Although FIG. 2 illustrates a cylindrical SOFC cell stack, it is not necessarily limited to this, and for example, a flat cell stack may be used. The SOFC module 201 includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas discharge pipe 209, and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. The SOFC module 201 includes an oxidizing gas supply pipe 211 (see FIG. 4), an oxidizing gas supply branch pipe 212 (see FIG. 4), an oxidizing gas discharge pipe 213 (see FIG. 4), and a plurality of oxidizing gas discharges. A branch pipe 214 (see FIG. 4).

燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。   The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205, and is connected to a fuel gas supply unit that supplies a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of fuel gas corresponding to the amount of power generated by the SOFC module 201. It is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a. The fuel gas supply pipe 207 is configured to branch and guide a predetermined flow rate of fuel gas supplied from the fuel gas supply unit described above to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. The fuel gas supply branch pipe 207 a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and is connected to a plurality of SOFC cartridges 203. The fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, and makes the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203 substantially uniform. .

燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。   The fuel gas discharge branch pipe 209 a is connected to the plurality of SOFC cartridges 203 and also connected to the fuel gas discharge pipe 209. The fuel gas discharge branch pipe 209 a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 209. The fuel gas discharge pipe 209 is connected to a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209 a and a part thereof is disposed outside the pressure vessel 205. The fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas led out from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially equal flow rate to the outside of the pressure vessel 205.

圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。   Since the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 3 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C., the pressure vessel 205 is resistant to corrosion and resistance to oxidizing agents such as oxygen contained in the oxidizing gas. The possessed material is used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。   Here, in the present embodiment, a mode has been described in which a plurality of SOFC cartridges 203 are assembled and stored in the pressure vessel 205. However, the present invention is not limited to this. It can also be set as the aspect accommodated in the container 205. FIG.

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５（発電部）と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを備える。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。   As shown in FIG. 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215 (power generation unit), a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an oxidizing gas supply chamber 221, and an oxidation gas. And a sex gas discharge chamber 223. The SOFC cartridge 203 includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In the present embodiment, the SOFC cartridge 203 includes a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an oxidizing gas supply chamber 221, and an oxidizing gas discharge chamber 223 as shown in FIG. The fuel gas and the oxidizing gas have a structure that flows between the inside and the outside of the cell stack 101, but this is not always necessary, for example, the inside and the outside of the cell stack flow in parallel. Alternatively, the oxidizing gas may flow in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the cell stack.

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手軸方向の中央部付近での温度は、温度センサなどで監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。   The power generation chamber 215 is an area formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is a region where the fuel cell 105 of the cell stack 101 is disposed, and is a region where the fuel gas and the oxidizing gas are electrochemically reacted to generate power. Further, the temperature in the vicinity of the central portion of the power generation chamber 215 in the longitudinal direction of the cell stack 101 is monitored by a temperature sensor or the like, and becomes a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1000 ° C. during the steady operation of the SOFC module 201.

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させる。   The fuel gas supply chamber 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203. The fuel gas supply branch pipe 207a is formed by the fuel gas supply hole 231a provided in the upper portion of the upper casing 229a. Communicated with. The plurality of cell stacks 101 are joined to the upper tube plate 225a by a seal member 237a, and the fuel gas supply chamber 217 receives fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a. The plurality of cell stacks 101 are guided to the inside of the base tube 103 at a substantially uniform flow rate, and the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 is made substantially uniform.

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域でり、下部ケーシング２２９ｂの下部に設けられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くことができる。   The fuel gas discharge chamber 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203. The fuel gas discharge branch pipe 209a is formed by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower portion of the lower casing 229b. Communicated with. The plurality of cell stacks 101 are joined by the lower tube plate 225b and the sealing member 237b, and the fuel gas discharge chamber 219 passes through the inside of the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219. The exhaust fuel gas to be collected can be collected and led to the fuel gas discharge branch pipe 209a through the fuel gas discharge hole 231b.

ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管２１２へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に略均一流量で導くことが出来る。   Corresponding to the amount of power generated by the SOFC module 201, a predetermined gas composition and a predetermined flow of oxidizing gas are branched to the oxidizing gas supply branch pipe 212 and supplied to a plurality of SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply chamber 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower heat insulator 227b of the SOFC cartridge 203, and is formed by an oxidizing gas supply hole 233a provided on the side surface of the lower casing 229b. , Communicated with an oxidizing gas supply branch pipe (not shown). The oxidizing gas supply chamber 221 is configured to supply a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through the oxidizing gas supply hole 233a to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a. Can be guided at a substantially uniform flow rate.

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くことが出来る。   The oxidizing gas discharge chamber 223 is a region surrounded by the upper casing 229a, the upper tube plate 225a, and the upper heat insulator 227a of the SOFC cartridge 203, and is formed by an oxidizing gas discharge hole 233b provided on the side surface of the upper casing 229a. , Communicated with an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown). This oxidizing gas discharge chamber 223 is not shown through the oxidizing gas discharge hole 233b for the exhaust oxidizing gas supplied from the power generation chamber 215 to the oxidizing gas discharge chamber 223 via the oxidizing gas discharge gap 235b. It can lead to an oxidizing gas discharge branch.

上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。   The upper tube plate 225a is arranged between the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a so that the upper tube plate 225a, the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a are substantially parallel to each other. It is fixed to the side plate. The upper tube sheet 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The upper tube sheet 225a hermetically supports one end of the plurality of cell stacks 101 through one or both of a sealing member and an adhesive member, and also includes a fuel gas supply chamber 217 and an oxidizing gas discharge chamber 223. And is to be isolated.

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。   The lower tube plate 225b is disposed on the side plate of the lower casing 229b so that the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulator 227b are substantially parallel between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulator 227b. It is fixed. The lower tube sheet 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The lower tube sheet 225b hermetically supports the other end of the plurality of cell stacks 101 through one or both of a sealing member and an adhesive member, and also includes a fuel gas discharge chamber 219 and an oxidizing gas supply chamber 221. And is to be isolated.

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。   The upper heat insulator 227a is disposed at the lower end of the upper casing 229a so that the upper heat insulator 227a, the top plate of the upper casing 229a and the upper tube plate 225a are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. Yes. Further, the upper heat insulator 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The upper heat insulator 227a includes an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper heat insulator 227a.

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。   The upper heat insulator 227a separates the power generation chamber 215 and the oxidizing gas discharge chamber 223, and the atmosphere around the upper tube sheet 225a is heated to reduce the strength and the corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppresses the increase. The upper tube sheet 225a and the like are made of a metal material having high temperature durability such as Inconel, but the upper tube sheet 225a and the like are exposed to the high temperature in the power generation chamber 215, and the temperature difference in the upper tube sheet 225a and the like becomes large. This prevents thermal deformation. The upper heat insulator 227a guides the exhaust oxidizing gas exposed to a high temperature through the power generation chamber 215 to the oxidizing gas exhaust chamber 223 through the oxidizing gas discharge gap 235b.

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。   According to the present embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow oppositely on the inner side and the outer side of the cell stack 101. As a result, the exhaust oxidizing gas exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and the upper tube plate 225a made of a metal material is buckled. It is cooled to a temperature that does not cause deformation and supplied to the oxidizing gas discharge chamber 223. In addition, the temperature of the fuel gas is raised by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。   The lower heat insulator 227b is disposed at the upper end of the lower casing 229b so that the lower heat insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. . Also, the lower heat insulator 227b is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The lower heat insulator 227b includes an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower heat insulator 227b.

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。   The lower heat insulator 227b separates the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply chamber 221, and the atmosphere around the lower tube sheet 225b is heated to lower the strength and corrode by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppresses the increase. The lower tube sheet 225b and the like are made of a metal material having a high temperature durability such as Inconel. It is something to prevent. The lower heat insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply chamber 221 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。   According to the present embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow oppositely on the inner side and the outer side of the cell stack 101. As a result, the exhaust fuel gas that has passed through the power generation chamber 215 through the interior of the base tube 103 is heat-exchanged with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube plate 225b made of a metal material. And the like are cooled to a temperature that does not cause deformation such as buckling, and supplied to the fuel gas discharge chamber 219. The oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the oxidizing gas heated to the temperature necessary for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数及び並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。   The direct-current power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead film 115 made of Ni / YSZ or the like provided in the plurality of fuel cells 105, and then the current collector rod (non-current) of the SOFC cartridge 203 The current is collected via a current collecting plate (not shown) to the outside of each SOFC cartridge 203. The DC power derived to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collecting rod is connected to the generated power of each SOFC cartridge 203 in a predetermined series number and parallel number, and is derived to the outside of the SOFC module 201. The power is converted into predetermined AC power by a power converter (an inverter or the like) such as a power conditioner (not shown) and supplied to a power supply destination (for example, a load facility or a power system).

図４は、本発明の第１実施形態に係る気流発生機構を備えたＳＯＦＣモジュールを示す縦断面図である。圧力容器２０５は紙面垂直方向に長手方向があり、この断面図を示している。したがい、圧力容器２０５の内部に配設された各機器は、圧力容器２０５の長手方向に沿って延在している。
図４に示すように、ＳＯＦＣモジュール２０１は、さらに、圧力容器側断熱材２０６と電池側断熱材（断熱材）２０８とを備えている。
圧力容器側断熱材２０６は、圧力容器２０５の内周壁を覆うように配置されている。 FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing the SOFC module provided with the airflow generation mechanism according to the first embodiment of the present invention. The pressure vessel 205 has a longitudinal direction in a direction perpendicular to the paper surface, and shows a cross-sectional view thereof. Accordingly, each device disposed inside the pressure vessel 205 extends along the longitudinal direction of the pressure vessel 205.
As shown in FIG. 4, the SOFC module 201 further includes a pressure vessel side heat insulating material 206 and a battery side heat insulating material (heat insulating material) 208.
The pressure vessel side heat insulating material 206 is disposed so as to cover the inner peripheral wall of the pressure vessel 205.

電池側断熱材２０８は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室２１５を取り囲むように設けられ、枠部材２０４で外周を囲んで取り付けられている。
電池側断熱材２０８は、断熱材から形成された複数のボード（もしくは板）が積層され、接合されて形成されている。枠部材２０４及び電池側断熱材２０８は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を囲むように、圧力容器２０５の内部に配置されている。このとき、枠部材２０４及び電池側断熱材２０８は、圧力容器２０５の内部を外側空間Ｓ１と内側空間Ｓ２とに仕切り、外側空間Ｓ１と内側空間Ｓ２とを隔てている。ここで、酸化性ガスの供給変動があっても発電への影響を少なくするために、カートリッジの外周を覆う構造として供給した酸化性ガスの一部はカートリッジ内部空間Ｓ２と外部空間Ｓ１との間で少流量が流通することを可能としている。すなわち、外側空間Ｓ１は、相互にガスが流通可能としながら、圧力容器２０５と電池側断熱材２０８との間に形成されている。内側空間Ｓ２は、枠部材２０４及び電池側断熱材２０８に囲まれ、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が配置されている。このため、内側空間Ｓ２は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室２１５に繋がっている。 The battery-side heat insulating material 208 is provided so as to surround the power generation chambers 215 of the plurality of SOFC cartridges 203 and is attached so as to surround the outer periphery with a frame member 204.
The battery-side heat insulating material 208 is formed by laminating and bonding a plurality of boards (or plates) formed from a heat insulating material. The frame member 204 and the battery side heat insulating material 208 are disposed inside the pressure vessel 205 so as to surround the plurality of SOFC cartridges 203. At this time, the frame member 204 and the battery-side heat insulating material 208 partition the inside of the pressure vessel 205 into the outer space S1 and the inner space S2, and separate the outer space S1 and the inner space S2. Here, in order to reduce the influence on power generation even if there is a fluctuation in the supply of the oxidizing gas, part of the oxidizing gas supplied as a structure covering the outer periphery of the cartridge is between the cartridge internal space S2 and the external space S1. This makes it possible to distribute a small flow rate. That is, the outer space S1 is formed between the pressure vessel 205 and the battery-side heat insulating material 208 while allowing gas to flow between each other. The inner space S2 is surrounded by the frame member 204 and the battery-side heat insulating material 208, and a plurality of SOFC cartridges 203 are arranged. For this reason, the inner space S <b> 2 is connected to the power generation chambers 215 of the plurality of SOFC cartridges 203.

ＳＯＦＣモジュール２０１は、気流発生機構２４０を備えている。この気流発生機構２４０は、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させる。気流発生機構２４０は、圧力容器２０５の内部の下部に設けられた酸化性ガス供給部２４１と、圧力容器２０５の内部の上部に設けられた酸化性ガス排出部２４３と、を備えている。   The SOFC module 201 includes an airflow generation mechanism 240. This airflow generation mechanism 240 generates a flow of oxidizing gas from the lower side to the upper side inside the pressure vessel 205 outside the battery-side heat insulating material 208. The airflow generation mechanism 240 includes an oxidizing gas supply unit 241 provided at the lower part inside the pressure vessel 205 and an oxidizing gas discharge unit 243 provided at the upper part inside the pressure vessel 205.

酸化性ガス供給部２４１は、管体２４２からなり、その長手方向に間隔をあけた複数個所に、上方に向かって開口する吹出口（不図示）が形成されている。酸化性ガス供給部２４１は、圧力容器２０５の外部から供給した酸化性ガスを、吹出口（不図示）から上方に向かって流出させる。   The oxidizing gas supply unit 241 includes a tube body 242 and air outlets (not shown) that open upward are formed at a plurality of locations spaced in the longitudinal direction. The oxidizing gas supply unit 241 causes the oxidizing gas supplied from the outside of the pressure vessel 205 to flow upward from a blowout port (not shown).

酸化性ガス排出部２４３は、電池側断熱材２０８の外側の酸化性ガスを圧力容器２０５の外部に排出させる管体２４４と、案内板２５１と、からなる。酸化性ガス排出部２４３は、圧力容器２０５内のＳＯＦＣカートリッジ２０３の上方に配置されている。
管体２４４は、圧力容器２０５内で上方（天井）側に向かって開口し、酸化性ガスを管体２４４内に取り込む酸化性ガス取込口２４４ａが形成されている。 The oxidizing gas discharge unit 243 includes a tube body 244 that discharges the oxidizing gas outside the battery-side heat insulating material 208 to the outside of the pressure vessel 205, and a guide plate 251. The oxidizing gas discharge unit 243 is disposed above the SOFC cartridge 203 in the pressure vessel 205.
The tube body 244 opens toward the upper side (ceiling) in the pressure vessel 205, and an oxidizing gas intake port 244a that takes in the oxidizing gas into the tube body 244 is formed.

案内板２５１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上方に設けられている。この案内板２５１は、管体２４４のの側方から延びている。これにより、圧力容器内の空気を上方（天井）側から選択的に吸い込むことが可能となる。   The guide plate 251 is provided above the SOFC cartridge 203. The guide plate 251 extends from the side of the tube body 244. Thereby, the air in the pressure vessel can be selectively sucked from the upper (ceiling) side.

また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給部２４１と酸化性ガス排出部２４３との間に、上下方向に間隔をあけて複数枚の仕切板２４５を備えている。各仕切板２４５は、水平方向に延び、圧力容器２０５の内面に設けられた圧力容器側断熱材２０６に接続されるとともに電池側断熱材２０８との間を上下に仕切るように設けられている。各仕切板２４５には、酸化性ガスを流通させる流通隙間２４７が形成されている。   In addition, the SOFC module 201 includes a plurality of partition plates 245 that are spaced apart in the vertical direction between the oxidizing gas supply unit 241 and the oxidizing gas discharge unit 243. Each partition plate 245 extends in the horizontal direction, is connected to the pressure vessel side heat insulating material 206 provided on the inner surface of the pressure vessel 205, and is provided so as to partition the battery side heat insulating material 208 vertically. Each partition plate 245 has a flow gap 247 through which an oxidizing gas flows.

このようなＳＯＦＣモジュール２０１は、電池側断熱材２０８内の発電室２１５によって昇温された酸化性ガスが電池側断熱材２０８の外側に漏れ出ると、この酸化性ガスは、圧力容器２０５内で冷却されて自然対流によって上方から下方に向かおうとする。これに対し、上記の気流発生機構２４０によって、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、電池側断熱材２０８の外側に漏れ出た酸化性ガスが圧力容器２０５で冷却されながら上方から下方に向かおうとする自然対流を抑制させる。これにより圧力容器２０５の外への放熱量が低減する。   When the oxidizing gas heated by the power generation chamber 215 in the battery-side heat insulating material 208 leaks outside the battery-side heat insulating material 208, the SOFC module 201 causes the oxidizing gas to be contained in the pressure vessel 205. It is cooled and tries to move from top to bottom by natural convection. On the other hand, the above-described airflow generation mechanism 240 generates a flow of oxidizing gas from the lower side to the upper side inside the pressure vessel 205 on the outside of the battery side heat insulating material 208, so that the outside of the battery side heat insulating material 208 is outside. The natural convection which tends to go from the upper side to the lower side while the oxidizing gas leaked to the upper side is cooled in the pressure vessel 205 is suppressed. As a result, the amount of heat released to the outside of the pressure vessel 205 is reduced.

次に、上述したＳＯＦＣモジュール２０１を採用した複合発電システム１について説明する。
図５は、本発明の第１実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを備えた複合発電システムの概略構成を示す図である。
図５に示すように、複合発電システム１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣモジュール２０１と、内燃機関であるガスタービンやガスエンジンの一例としてマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）５０と、制御装置９０と、を備えている。 Next, the combined power generation system 1 that employs the SOFC module 201 described above will be described.
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the combined power generation system including the SOFC module according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, the combined power generation system 1 includes an SOFC module 201 that is a high-temperature fuel cell, and a micro gas turbine (hereinafter referred to as “MGT”) 50 as an example of a gas turbine or gas engine that is an internal combustion engine. And a control device 90.

すなわち、都市ガス（天然ガス）等を改質した燃料ガス及び空気等の酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電するＳＯＦＣモジュール２０１に加えて、ＳＯＦＣモジュール２０１から発電後に排出される高温の排燃料ガスや排酸化性ガスを燃焼器５２に導入して燃焼ガスによってＭＧＴ５０を運転し、ＭＧＴ５０の出力軸に連結された発電機５６を駆動して発電を行うものである。なお、酸化性ガスとは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用できる。
さらに、ＭＧＴ５０から排出される高温の燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入すれば、発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動することによる発電も組み合わせた複合発電システムの構築も可能である。 In other words, in addition to the SOFC module 201 that receives a supply of an oxidizing gas such as air and a fuel gas obtained by reforming city gas (natural gas) and the like, the power is generated from the SOFC module 201 after power generation. The discharged high-temperature exhaust fuel gas or exhaust oxidizing gas is introduced into the combustor 52, the MGT 50 is operated by the combustion gas, and the generator 56 connected to the output shaft of the MGT 50 is driven to generate power. . Note that the oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% oxygen, and typically air is preferable, but in addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air, or a mixture of oxygen and air. Gas etc. can be used.
Furthermore, if high-temperature combustion exhaust gas discharged from the MGT 50 is introduced into the exhaust heat recovery boiler, it is possible to construct a combined power generation system that combines power generation by driving a steam turbine with generated steam.

以下の説明では、燃料ガスとして都市ガスをＳＯＦＣモジュール２０１の外部又は内部で改質して使用し、酸化性ガスとして空気を使用する場合について説明するが、この場合の空気は、ＭＧＴ５０から供給される圧縮空気となる。又は、別に空気圧縮機を設けて空気を供給することとしても良い。   In the following description, a case will be described in which city gas is reformed or used outside or inside the SOFC module 201 as the fuel gas, and air is used as the oxidizing gas. In this case, air is supplied from the MGT 50. Compressed air. Alternatively, a separate air compressor may be provided to supply air.

ＭＧＴ５０は、例えば、図８に示されるように、圧縮機５１と、燃焼器５２と、ガスタービン５３とを備えている。
圧縮機５１は、外部からフィルタ（図示無し）を介して導入した大気（空気）を圧縮するもので、この場合の駆動源はガスタービン５３となる。圧縮機５１で圧縮された圧縮空気は、燃焼器５２や再生熱交換器５５を介してＳＯＦＣモジュール２０１等へ供給される。燃焼器５２は、圧縮空気の供給を受けて燃料の都市ガスを燃焼させ、高温高圧の燃焼排ガスを生成してガスタービン５３へ供給する。この燃焼器５２には、後述する排燃料ガス供給ライン２７ｃと、都市ガス供給ライン２２から直接に都市ガス（燃料ガス）を供給する燃料ガス供給系４０とが接続されている。 For example, as shown in FIG. 8, the MGT 50 includes a compressor 51, a combustor 52, and a gas turbine 53.
The compressor 51 compresses the atmosphere (air) introduced from outside through a filter (not shown), and the drive source in this case is the gas turbine 53. The compressed air compressed by the compressor 51 is supplied to the SOFC module 201 and the like via the combustor 52 and the regenerative heat exchanger 55. The combustor 52 is supplied with compressed air, burns fuel city gas, generates high-temperature and high-pressure combustion exhaust gas, and supplies the combustion gas to the gas turbine 53. An exhaust fuel gas supply line 27 c described later and a fuel gas supply system 40 that supplies city gas (fuel gas) directly from the city gas supply line 22 are connected to the combustor 52.

ガスタービン５３は、燃焼排ガスを断熱膨張させた際のエネルギーにより回転して軸出力（回転動力）を発生し、この軸出力を利用して圧縮機５１及び発電機５６が駆動される。ガスタービン５３で仕事をして排出された燃焼排ガスは、再生熱交換器５５で圧縮空気を熱交換により昇温させた後、煙突６０から大気へと放出される。   The gas turbine 53 is rotated by energy generated when the combustion exhaust gas is adiabatically expanded to generate a shaft output (rotational power), and the compressor 51 and the generator 56 are driven using the shaft output. The combustion exhaust gas discharged from the work by the gas turbine 53 is discharged from the chimney 60 to the atmosphere after the regenerative heat exchanger 55 raises the temperature of the compressed air by heat exchange.

複合発電システム１は、ＳＯＦＣモジュール２０１及びＭＧＴ５０を組み合わせて発電を行うシステムであり、燃料極１０９に燃料を供給する燃料供給系２０及び空気極１１３に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７０を備えている。
燃料供給系２０は、都市ガス（燃料ガス）供給ライン２２を備えている。また、図１には、燃料供給系２０として、都市ガス供給ライン２２のみを記載しているが、燃料供給系２０からＳＯＦＣモジュール２０１に供給されるのは都市ガスに限られず、図示しないラインから供給される窒素や蒸気（水）等も含まれる。 The combined power generation system 1 is a system that generates power by combining the SOFC module 201 and the MGT 50, and includes a fuel supply system 20 that supplies fuel to the fuel electrode 109 and an oxidizing gas supply system 70 that supplies oxidizing gas to the air electrode 113. It has.
The fuel supply system 20 includes a city gas (fuel gas) supply line 22. Further, FIG. 1 shows only the city gas supply line 22 as the fuel supply system 20, but the fuel supply system 20 supplies the SOFC module 201 to the SOFC module 201, and is not limited to the city gas. Nitrogen and steam (water) supplied are also included.

燃料ガス排出系２７は、ＳＯＦＣモジュール２０１に供給され発電に利用された後の排燃料ガスをＭＧＴ５０に送給する流路である。この燃料ガス排出系２７は、排燃料ブロワ２９を有し、ＳＯＦＣモジュール２０１から排出された排燃料ガスを排燃料ブロワ２９により送気する排燃料ガスライン２７ａと、排燃料ガスライン２７ａを経由してＭＧＴ５０と接続し、排燃料ガスライン２７ａの分岐点より分岐して、ＭＧＴ５０に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ライン２７ｃと、排燃料ガスライン２７ａを経由して排燃料ガス供給ライン２７ｃとの分岐点から分岐して、ＳＯＦＣモジュール２０１に排燃料ガスを流通（再循環）させる再循環ライン２７ｂとを備えている。   The fuel gas discharge system 27 is a flow path for supplying exhaust gas after being supplied to the SOFC module 201 and used for power generation to the MGT 50. The fuel gas discharge system 27 includes an exhaust fuel blower 29, and passes through an exhaust fuel gas line 27a for supplying exhaust fuel gas discharged from the SOFC module 201 by the exhaust fuel blower 29, and the exhaust fuel gas line 27a. Connected to the MGT 50, branching off from the branch point of the exhaust fuel gas line 27a, and supplying an exhaust fuel gas to the MGT 50, and an exhaust fuel gas supply line 27c via the exhaust fuel gas line 27a And a recirculation line 27 b that branches (recirculates) the exhaust fuel gas to the SOFC module 201.

酸化性ガス供給系７０は、ＭＧＴ５０の圧縮機５１で圧縮され、再生熱交換器５５で熱交換した圧縮空気（酸化性ガス）をＳＯＦＣモジュール２０１の空気極１１３に供給する流路である。
また、酸化性ガス排出系７２は、ＳＯＦＣモジュール２０１に供給され発電に利用された排酸化性ガスをＭＧＴ５０に供給する流路であって、ＳＯＦＣモジュール２０１とＭＧＴ５０との間を連結する。 The oxidizing gas supply system 70 is a flow path for supplying compressed air (oxidizing gas) compressed by the compressor 51 of the MGT 50 and heat-exchanged by the regenerative heat exchanger 55 to the air electrode 113 of the SOFC module 201.
The oxidizing gas discharge system 72 is a flow path for supplying the MGT 50 with the exhaust oxidizing gas supplied to the SOFC module 201 and used for power generation, and connects the SOFC module 201 and the MGT 50.

複合発電システム１は、ＳＯＦＣモジュール２０１の気流発生機構２４０に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７４を備えている。酸化性ガス供給系７４は、酸化性ガス供給系７０から分岐し、酸化性ガスの一部を気流発生機構２４０の酸化性ガス供給部２４１（図４参照）に供給する。
酸化性ガス供給系７４には、圧力容器２０５の内部の下方に設けられた酸化性ガス供給部２４１に送り込む酸化性ガスの流量を調整するバルブ２７１が設けられている。このバルブ２７１は、その開度が制御装置９０によって制御される。 The combined power generation system 1 includes an oxidizing gas supply system 74 that supplies an oxidizing gas to the airflow generation mechanism 240 of the SOFC module 201. The oxidizing gas supply system 74 branches from the oxidizing gas supply system 70, and supplies a part of the oxidizing gas to the oxidizing gas supply unit 241 (see FIG. 4) of the airflow generation mechanism 240.
The oxidizing gas supply system 74 is provided with a valve 271 that adjusts the flow rate of the oxidizing gas fed into the oxidizing gas supply unit 241 provided below the inside of the pressure vessel 205. The opening degree of the valve 271 is controlled by the control device 90.

また、複合発電システム１は、酸化性ガス供給ライン７６をさらに備えている。この酸化性ガス供給ライン７６は、圧力容器２０５の内部の上部に設けた気流発生機構２４０の酸化性ガス排出部２４３（図４参照）によって、電池側断熱材２０８の外側から回収した酸化性ガスを、ガスタービン５３の燃焼器５２に供給する。この酸化性ガス供給ライン７６には、バルブ２７７が設けられている。このバルブ２７７は、その開度が制御装置９０によって制御される。   The combined power generation system 1 further includes an oxidizing gas supply line 76. This oxidizing gas supply line 76 is an oxidizing gas recovered from the outside of the battery-side heat insulating material 208 by the oxidizing gas discharge part 243 (see FIG. 4) of the airflow generation mechanism 240 provided in the upper part of the pressure vessel 205. Is supplied to the combustor 52 of the gas turbine 53. The oxidizing gas supply line 76 is provided with a valve 277. The opening degree of the valve 277 is controlled by the control device 90.

制御装置９０は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。   The control device 90 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) (not shown), a RAM (Random Access Memory), a computer-readable recording medium, and the like. A series of processing steps for realizing various functions to be described later are recorded in a recording medium or the like in the form of a program, and the CPU reads the program into a RAM or the like to execute information processing / arithmetic processing. Thus, various functions described later are realized.

具体的には、制御装置９０は、圧力容器２０５の内部及びセルスタック１０１の発電室２１５の少なくとも一方の温度に基づいて、バルブ２７１、２７７の開度を調整する。
図４に示すように、ＳＯＦＣモジュール２０１には、圧力容器２０５の内部の電池側断熱材２０８の外側空間Ｓ１と、電池側断熱材２０８の内側空間Ｓ２との温度を測定する温度センサ２７４，２７５が設けられている。制御装置９０は、温度センサ２７４，２７５で測定される外側空間Ｓ１，内側空間Ｓ２の温度に基づいて、バルブ２７１、２７７の開度を調整し、電池側断熱材２０８の外側で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスの流量を調整する。 Specifically, the control device 90 adjusts the opening degree of the valves 271 and 277 based on the temperature of at least one of the inside of the pressure vessel 205 and the power generation chamber 215 of the cell stack 101.
As shown in FIG. 4, the SOFC module 201 includes temperature sensors 274 and 275 that measure the temperatures of the outer space S1 of the battery-side heat insulating material 208 inside the pressure vessel 205 and the inner space S2 of the battery-side heat insulating material 208. Is provided. The control device 90 adjusts the opening degree of the valves 271 and 277 based on the temperatures of the outer space S1 and the inner space S2 measured by the temperature sensors 274 and 275, and extends from the lower side to the upper side outside the battery-side heat insulating material 208. Adjust the flow rate of the oxidizing gas that flows toward you.

例えば、制御装置９０は、外側空間Ｓ１が予め定めた上限温度（例えば４００℃）以下であり、内側空間Ｓ２が予め定めた上限温度（例えば９００℃）以下であるように、バルブ２７１、２７７の開度を調整する。
また、外側空間Ｓ１の温度が予め定めた温度以上に上がった場合には、電池側断熱材２０８内から漏れている圧力容器２０５内自然対流による放熱が大きいと判断し、電池側断熱材２０８の外側で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスの流量を増やすこともできる。
また、内側空間Ｓ２の温度が予め定めた温度以上に上がったときに、内側空間Ｓ２の酸化性ガスは通常よりも熱膨張するために電池側断熱材２０８内から漏れている酸化性ガスの量が通常運転状態よりも増えると推測判断し、外側区間Ｓ１の温度に係わらず電池側断熱材２０８の外側で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスの流量を増やしてもよい。
また、複合発電システム１の停止動作をする時には、電池側断熱材２０８内から酸化性ガスが漏れ出ることにより発電室２１５内の降温を促進するため、電池側断熱材２０８の外側で下方から上方に向かって酸化性ガスを流すのを停止しても良い。 For example, the control device 90 controls the valves 271 and 277 so that the outer space S1 is not more than a predetermined upper limit temperature (for example, 400 ° C.) and the inner space S2 is not more than a predetermined upper limit temperature (for example, 900 ° C.). Adjust the opening.
Further, when the temperature of the outer space S1 rises to a predetermined temperature or more, it is determined that the heat radiation due to natural convection in the pressure vessel 205 leaking from the battery side heat insulating material 208 is large, and the battery side heat insulating material 208 It is also possible to increase the flow rate of the oxidizing gas that flows from the bottom to the top on the outside.
Further, when the temperature of the inner space S2 rises to a predetermined temperature or more, the amount of the oxidizing gas leaking from the battery-side heat insulating material 208 because the oxidizing gas in the inner space S2 expands more than usual. May be estimated to increase from the normal operation state, and the flow rate of the oxidizing gas flowing from the lower side to the upper side outside the battery-side heat insulating material 208 may be increased regardless of the temperature of the outer section S1.
Further, when the combined power generation system 1 is stopped, the oxidizing gas leaks from the battery side heat insulating material 208 to promote the temperature drop in the power generation chamber 215. You may stop flowing oxidizing gas toward this.

上述したような構成によれば、気流発生機構２４０によって、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、圧力容器２０５の内部で冷却されて上方から下方に向かおうとする自然対流が発生するのを抑える。これによって、電池側断熱材２０８内から漏れ出る酸化性ガスの圧力容器２０５外への放熱量を低減するとともに、内の温度低下を抑えることができる。その結果、電池側断熱材２０８内の発電室２１５の温度が低下するのを抑え、発電効率の低下を効果的に抑えることができる。
また、気流発生機構２４０は、特に可動部分を備える必要が無いので、電池側断熱材２０８内の圧力が高圧化しても、高圧化に対応するために装置コストが上昇することもなく、メンテナンスも不要である。
したがって、発電室２１５の温度低下による発電効率の低下を、低コストかつ効果的に抑えることができる。 According to the configuration as described above, the flow of the oxidizing gas from the lower side to the upper side inside the pressure vessel 205 is generated outside the battery-side heat insulating material 208 by the airflow generation mechanism 240, thereby Suppresses the occurrence of natural convection that cools inside and tries to move downward from above. As a result, it is possible to reduce the heat radiation amount of the oxidizing gas leaking from the battery-side heat insulating material 208 to the outside of the pressure vessel 205 and to suppress the temperature drop inside. As a result, it is possible to suppress a decrease in the temperature of the power generation chamber 215 in the battery-side heat insulating material 208, and to effectively suppress a decrease in power generation efficiency.
In addition, since the airflow generation mechanism 240 does not need to include a movable part in particular, even if the pressure in the battery-side heat insulating material 208 is increased, the apparatus cost does not increase to cope with the increased pressure, and maintenance is also possible. It is unnecessary.
Therefore, a decrease in power generation efficiency due to a temperature decrease in the power generation chamber 215 can be effectively suppressed at low cost.

また、圧力容器２０５の内部の下部に設けた酸化性ガス供給部２４１から、酸化性ガスを上方に流出させ、圧力容器２０５の内部の上部に設けた酸化性ガス排出部２４３により、電池側断熱材２０８の外側の酸化性ガスを回収するようにした。これにより、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部で下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることができる。また、酸化性ガス排出部２４３では、酸化性ガス供給部２４１から上方に向かって流出させた酸化性ガスに加えて、電池側断熱材２０８内から漏れ出た酸化性ガスも回収され、あわせて圧力容器２０５の外部に排出されて、酸化性ガス排出系７２と分けて他機器へと供給される。このようにして圧力容器２０５の外部に排出された酸化性ガスから、複合発電システム１において熱エネルギーを回収し、有効利用することが可能となる。   Further, the oxidizing gas is supplied upward from an oxidizing gas supply unit 241 provided in the lower part of the inside of the pressure vessel 205, and the battery side heat insulation is provided by the oxidizing gas discharge unit 243 provided in the upper part of the inside of the pressure vessel 205. The oxidizing gas outside the material 208 was recovered. Thereby, it is possible to generate a flow of oxidizing gas from the lower side to the upper side inside the pressure vessel 205 outside the battery-side heat insulating material 208. In addition, in the oxidizing gas discharge unit 243, in addition to the oxidizing gas that has flowed upward from the oxidizing gas supply unit 241, the oxidizing gas leaked from the battery-side heat insulating material 208 is also collected. It is discharged to the outside of the pressure vessel 205 and separated from the oxidizing gas discharge system 72 and supplied to other devices. In this way, it is possible to recover the thermal energy from the oxidizing gas discharged to the outside of the pressure vessel 205 in the combined power generation system 1 and effectively use it.

また、酸化性ガス供給部２４１と酸化性ガス排出部２４３との間に、圧力容器２０５の内面と電池側断熱材２０８の外面との間を上下に仕切るとともに、酸化性ガスを上下に流通させる流通隙間２４７を有した少なくとも１つの仕切板２４５を備えるようにした。仕切板２４５は圧力容器２０５の内面に接続されていて圧力容器２０５の内面付近での酸化性ガスが流通することを阻害する。これにより、電池側断熱材２０８の内部から外部に流出した酸化性ガスが電池側断熱材２０８の外側で上方から下方に流れる流路抵抗となり上方から下方への流れを抑えることができる。また、仕切板２４５に形成した流通隙間２４７を通し、気流発生機構２４０によって圧力容器２０５の内部で発生させた下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを維持させることができる。   Moreover, between the oxidizing gas supply part 241 and the oxidizing gas discharge part 243, while partitioning up and down between the inner surface of the pressure vessel 205 and the outer surface of the battery side heat insulating material 208, it distribute | circulates oxidizing gas up and down. At least one partition plate 245 having a flow gap 247 is provided. The partition plate 245 is connected to the inner surface of the pressure vessel 205 and prevents the oxidizing gas from flowing near the inner surface of the pressure vessel 205. Thereby, the oxidizing gas flowing out from the inside of the battery-side heat insulating material 208 becomes a flow path resistance that flows from the upper side to the lower side outside the battery-side heat insulating material 208, and the flow from the upper side to the lower side can be suppressed. Further, the flow of the oxidizing gas flowing from the lower side to the upper side generated inside the pressure vessel 205 by the airflow generation mechanism 240 can be maintained through the flow gap 247 formed in the partition plate 245.

また、酸化性ガス排出部２４３は、管体２４４と案内板２５１からなり、管体２４４は、圧力容器２０５内で上方に向かって開口する酸化性ガス取込口２４４ａを備えている。これにより、圧力容器２０５の上部に溜まる温度の高い酸化性ガスを、効率良く管体２４４に取り込むことができる。   The oxidizing gas discharge unit 243 includes a tube 244 and a guide plate 251, and the tube 244 includes an oxidizing gas intake 244 a that opens upward in the pressure vessel 205. As a result, the high-temperature oxidizing gas that accumulates in the upper portion of the pressure vessel 205 can be efficiently taken into the tube body 244.

さらに、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上方の圧力容器２０５内において、管体２４４の側方に案内板２５１を設けることで、相対的に温度の高い酸化性ガスは案内板２５１の上側を通り、流路の阻害を少なくして酸化性ガス取込口２４４ａから管体２４４内に取り込まれる。これにより、温度の高い酸化性ガスを効率良く選択的に管体２４４に取り込むことができる。   Furthermore, in the pressure vessel 205 above the SOFC cartridge 203, by providing the guide plate 251 on the side of the tube body 244, the oxidizing gas having a relatively high temperature passes through the upper side of the guide plate 251 and passes through the flow path. It is taken into the tube body 244 from the oxidizing gas inlet 244a with less inhibition. Thereby, the oxidizing gas having a high temperature can be efficiently and selectively taken into the tube body 244.

また、圧力容器２０５の内部や発電室２１５の温度に応じてバルブ２７１の開度を調整することで、電池側断熱材２０８の外側に送り込む酸化性ガスの流量を調整し、圧力容器２０５の内部や発電室２１５の温度を適切に調整することができる。その結果、発電室２１５の発電効率が低下するのを効果的に抑えることができる。   Further, by adjusting the opening of the valve 271 according to the temperature inside the pressure vessel 205 and the temperature of the power generation chamber 215, the flow rate of the oxidizing gas sent to the outside of the battery-side heat insulating material 208 is adjusted, and the inside of the pressure vessel 205 And the temperature of the power generation chamber 215 can be adjusted appropriately. As a result, it is possible to effectively suppress a decrease in power generation efficiency of the power generation chamber 215.

また、圧力容器２０５の内部の上部で、電池側断熱材２０８の外側から回収した酸化性ガスを、酸化性ガス供給ライン２７３によって、ガスタービン５３の燃焼器５２に供給するようにした。これにより、電池側断熱材２０８の外側から回収した酸化性ガスが有する熱エネルギーをガスタービン５３の回転動力として回収することが可能となり、複合発電システム１のエネルギー効率を高めることができる。   Further, the oxidizing gas recovered from the outside of the battery-side heat insulating material 208 is supplied to the combustor 52 of the gas turbine 53 through the oxidizing gas supply line 273 at the upper part inside the pressure vessel 205. Thereby, it becomes possible to collect | recover the thermal energy which the oxidizing gas collect | recovered from the outer side of the battery side heat insulating material 208 as rotation power of the gas turbine 53, and can improve the energy efficiency of the combined power generation system 1. FIG.

〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記第１実施形態と共通する構成については同符号を付してその説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る気流発生機構を備えたＳＯＦＣモジュールを示す縦断面図である。図７は、本実施形態に係る気流発生機構の一部を構成するヘッダ部材の斜視図である。図８は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを備えた複合発電システムの概略構成を示す図である。
図６に示すように、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１は、気流発生機構２４０Ｂを備えている。この気流発生機構２４０Ｂは、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させる。
気流発生機構２４０Ｂは、圧力容器２０５の内部の下部に設けられた酸化性ガス供給部２４１と、圧力容器２０５の内部の上部に設けられた酸化性ガス排出部２４３Ｂと、を備えている。 [Second Embodiment]
Next, a fuel cell module according to the present invention, a combined power generation system including the fuel cell module, and a fuel cell module temperature adjustment method according to a second embodiment will be described. Note that, in the following description, the same reference numerals are given to components common to the first embodiment, and the description thereof is omitted.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing an SOFC module provided with an airflow generation mechanism according to this embodiment. FIG. 7 is a perspective view of a header member that constitutes a part of the airflow generation mechanism according to the present embodiment. FIG. 8 is a diagram illustrating a schematic configuration of a combined power generation system including the SOFC module according to the present embodiment.
As shown in FIG. 6, the SOFC module 201 of this embodiment includes an airflow generation mechanism 240B. This air flow generation mechanism 240B generates a flow of oxidizing gas from the lower side to the upper side inside the pressure vessel 205 outside the battery-side heat insulating material 208.
The air flow generation mechanism 240 </ b> B includes an oxidizing gas supply unit 241 provided at a lower portion inside the pressure vessel 205 and an oxidizing gas discharge unit 243 </ b> B provided at an upper portion inside the pressure vessel 205.

酸化性ガス排出部２４３Ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部に設けられたヘッダ部材２６０を備えている。   The oxidizing gas discharge part 243B includes a header member 260 provided on the upper part of the SOFC cartridge 203.

図７に示すように、ヘッダ部材２６０は、ヘッダ部材２６０の外周沿って設けられる額縁状のダクト２６１を備えている。このダクト２６１は、上下方向において枠部材２０４および電池側断熱材２０８と連続するように設けられている。ダクト２６１は、ヘッダ部材２６０の四方に沿って連続するよう形成された断面矩形の筒状の流路である。   As shown in FIG. 7, the header member 260 includes a frame-shaped duct 261 provided along the outer periphery of the header member 260. The duct 261 is provided so as to be continuous with the frame member 204 and the battery-side heat insulating material 208 in the vertical direction. The duct 261 is a cylindrical channel having a rectangular cross section formed so as to be continuous along the four sides of the header member 260.

ダクト２６１の内壁面には、ダクト２６１の長手方向に沿って多数の導入孔２６２により酸化性ガスを略均等に流通できるように設けてあり、例えば均等のピッチで穿孔されている。ダクト２６１は、発電室２１５から排出された酸化性ガスを、導入孔２６２を通してその内部に導入する。
ヘッダ部材２６０には、内部に導入した酸化性ガスを圧力容器２０５の外部に排出する排出管２６３が接続されている。 The inner wall surface of the duct 261 is provided so as to allow the oxidizing gas to flow substantially evenly through a large number of introduction holes 262 along the longitudinal direction of the duct 261, and is perforated at an equal pitch, for example. The duct 261 introduces the oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 into the inside through the introduction hole 262.
The header member 260 is connected to a discharge pipe 263 that discharges the oxidizing gas introduced inside to the outside of the pressure vessel 205.

また、ヘッダ部材２６０には、電池側断熱材２０８の外側の酸化性ガスをヘッダ部材２６０に取り込む酸化性ガス取込部２６４が形成されている。酸化性ガス取込部２６４は、圧力容器２０５の内部の上部に配置され、圧力容器２０５内で上方に向かって開口している。   The header member 260 is formed with an oxidizing gas inlet 264 that takes in the oxidizing gas outside the battery-side heat insulating material 208 into the header member 260. The oxidizing gas intake 264 is disposed in the upper part of the pressure vessel 205 and opens upward in the pressure vessel 205.

このようなＳＯＦＣモジュール２０１は、枠部材２０４内のセルスタック１０１の発電室２１５によって昇温された酸化性ガスが電池側断熱材２０８の外側に漏れ出ると、この酸化性ガスは、圧力容器２０５内で冷却されて自然対流によって上方から下方に向かおうとする。これに対し、気流発生機構２４０Ｂによって、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、圧力容器２０５の内部で冷却されて上方から下方に向かおうとする自然対流が発生するのを抑える。これによって、電池側断熱材２０８内から漏れ出る酸化性ガスの放熱量を低減し、電池側断熱材２０８内の温度低下を抑える。   When the oxidizing gas heated by the power generation chamber 215 of the cell stack 101 in the frame member 204 leaks to the outside of the battery-side heat insulating material 208, the SOFC module 201 causes the oxidizing gas to flow into the pressure vessel 205. It is cooled inside and tries to move downward from above by natural convection. On the other hand, the air flow generation mechanism 240B generates a flow of oxidizing gas from the lower side to the upper side inside the pressure vessel 205 on the outside of the battery-side heat insulating material 208, thereby cooling the inside of the pressure vessel 205. Suppresses the occurrence of natural convection from the top to the bottom. As a result, the heat release amount of the oxidizing gas leaking from the battery side heat insulating material 208 is reduced, and the temperature drop in the battery side heat insulating material 208 is suppressed.

このようなＳＯＦＣモジュール２０１によれば、気流発生機構２４０Ｂによって圧力容器２０５内で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスを、酸化性ガス取込部２６４からヘッダ部材２６０のダクト２６１に効果的に取り込むことができる。また、ダクト２６１に取り込まれた酸化性ガスは、発電室２１５から排出された酸化性ガスとともに、排出管２６３を通して圧力容器２０５の外部に排出されても良い。   According to such an SOFC module 201, the oxidizing gas flowing from the lower side to the upper side in the pressure vessel 205 by the air flow generation mechanism 240B is effectively transferred from the oxidizing gas intake portion 264 to the duct 261 of the header member 260. Can be captured. Further, the oxidizing gas taken into the duct 261 may be discharged outside the pressure vessel 205 through the discharge pipe 263 together with the oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215.

次に、上述したＳＯＦＣモジュール２０１を採用した複合発電システム１について説明する。
図８に示すように、複合発電システム１は、上記第一実施形態と同様、ＳＯＦＣモジュール２０１の気流発生機構２４０Ｂに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７４を備えている。酸化性ガス供給系７４は、酸化性ガス供給系７０から分岐し、酸化性ガスの一部を気流発生機構２４０Ｂの酸化性ガス供給部２４１に供給する。 Next, the combined power generation system 1 that employs the SOFC module 201 described above will be described.
As shown in FIG. 8, the combined power generation system 1 includes an oxidizing gas supply system 74 that supplies an oxidizing gas to the airflow generation mechanism 240B of the SOFC module 201, as in the first embodiment. The oxidizing gas supply system 74 branches from the oxidizing gas supply system 70 and supplies part of the oxidizing gas to the oxidizing gas supply unit 241 of the airflow generation mechanism 240B.

また、この実施形態では、複合発電システム１は、気流発生機構２４０Ｂによって圧力容器２０５内で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスは、酸化性ガス取込部２６４からヘッダ部材２６０に取り込まれる。ヘッダ部材２６０に取り込まれた酸化性ガスは、圧力容器２０５の外部へ排出される。この際に上記したように、発電室２１５から排出された酸化性ガスとともに、排出管２６３を経て排出しても良く、酸化性ガス排出系７２を通してＭＧＴ５０に供給される。   In this embodiment, in the combined power generation system 1, the oxidizing gas that flows from the lower side to the upper side in the pressure vessel 205 by the air flow generation mechanism 240 </ b> B is taken into the header member 260 from the oxidizing gas take-in portion 264. The oxidizing gas taken into the header member 260 is discharged to the outside of the pressure vessel 205. At this time, as described above, the oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 may be discharged through the discharge pipe 263 and supplied to the MGT 50 through the oxidizing gas discharge system 72.

上述したような構成によれば、気流発生機構２４０Ｂによって、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、圧力容器２０５の内部で冷却されて上方から下方に向かおうとする自然対流が発生するのを抑える。これによって、電池側断熱材２０８内から漏れ出る酸化性ガスの放熱量を低減するとともに、電池側断熱材２０８内の発電室２１５の温度低下を抑えることができ、発電効率の低下を抑えることができる。また、酸化性ガス排出部２４３Ｂでは、酸化性ガス供給部２４１から上方に向かって流出させた酸化性ガスに加えて、電池側断熱材２０８内から漏れ出た酸化性ガスも回収され、あわせて圧力容器２０５の外部に排出される。このようにして圧力容器２０５の外部に排出された酸化性ガスから、複合発電システム１において熱エネルギーを回収し、有効利用することが可能となり、複合発電システム１のエネルギ効率を高めることができる。
また、気流発生機構２４０Ｂは、特に可動部分を備える必要が無いので、電池側断熱材２０８内の圧力が高圧化しても、高圧化に対応するために装置コストが上昇することもなく、メンテナンスも不要である。
したがって、発電室２１５の温度低下による発電効率の低下を、低コストかつ効果的に抑えることができる According to the above-described configuration, the flow of oxidizing gas flowing from the lower side to the upper side inside the pressure vessel 205 is generated outside the battery-side heat insulating material 208 by the airflow generation mechanism 240B. Suppresses the occurrence of natural convection that cools inside and tries to move downward from above. As a result, the heat release amount of the oxidizing gas leaking from the battery side heat insulating material 208 can be reduced, the temperature decrease of the power generation chamber 215 in the battery side heat insulating material 208 can be suppressed, and the decrease in power generation efficiency can be suppressed. it can. In addition, in the oxidizing gas discharge unit 243B, in addition to the oxidizing gas that has flowed upward from the oxidizing gas supply unit 241, the oxidizing gas leaked from the battery-side heat insulating material 208 is also collected. It is discharged outside the pressure vessel 205. In this way, thermal energy can be recovered from the oxidizing gas discharged to the outside of the pressure vessel 205 and effectively used in the combined power generation system 1, and the energy efficiency of the combined power generation system 1 can be improved.
In addition, since the airflow generation mechanism 240B does not need to include a movable part in particular, even if the pressure in the battery-side heat insulating material 208 is increased, the apparatus cost is not increased to cope with the increased pressure, and maintenance is also performed. It is unnecessary.
Therefore, a reduction in power generation efficiency due to a temperature drop in the power generation chamber 215 can be effectively suppressed at low cost.

１ 複合発電システム
５０ マイクロガスタービン（ＭＧＴ）
５１ 圧縮機
５２ 燃焼器
５３ ガスタービン
９０ 制御装置
１０１ セルスタック
２０１ ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）
２０３ ＳＯＦＣカートリッジ（カートリッジ）
２０４ 枠部材
２０５ 圧力容器（容器）
２０８ 電池側断熱材（断熱材）
２１５ 発電室（発電部）
２４０、２４０Ｂ 気流発生機構
２４１ 酸化性ガス供給部
２４２ 管体
２４３ 酸化性ガス排出部
２４３Ｂ 酸化性ガス排出部
２４４ 管体
２４４ａ 酸化性ガス取込口
２４５ 仕切板
２４７ 流通隙間
２５１ 案内板
２６０ ヘッダ部材
２６１ ダクト
２６２ 導入孔
２６３ 排出管
２６４ 酸化性ガス取込部
２７１ バルブ
２７３ 気体供給ライン
２７４、２７５ 温度センサ
Ｓ１ 外側空間
Ｓ２ 内側空間
1 Combined power generation system 50 Micro gas turbine (MGT)
51 Compressor 52 Combustor 53 Gas Turbine 90 Control Device 101 Cell Stack 201 SOFC Module (Fuel Cell Module)
203 SOFC cartridge (cartridge)
204 Frame member 205 Pressure vessel (container)
208 Battery side insulation (insulation)
215 Power generation room (power generation section)
240, 240B Airflow generation mechanism 241 Oxidizing gas supply unit 242 Tube 243 Oxidizing gas discharging unit 243B Oxidizing gas discharging unit 244 Tubing 244a Oxidizing gas intake 245 Partition plate 247 Flow gap 251 Guide plate 260 Header member 261 Duct 262 Inlet hole 263 Exhaust pipe 264 Oxidizing gas inlet 271 Valve 273 Gas supply line 274, 275 Temperature sensor S1 Outer space S2 Inner space

Claims (10)

セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュールであって、
断熱材に囲まれるとともに、複数の前記セルスタックを備えたカートリッジと、
前記カートリッジを収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する容器と、
前記断熱材の外側で、前記容器の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう前記酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。 A fuel cell module for generating power by supplying fuel gas and oxidizing gas to a cell stack,
A cartridge surrounded by a heat insulating material and provided with a plurality of the cell stacks;
A container containing the cartridge and having an oxidizing gas in an internal space;
An airflow generation mechanism that generates a flow of the oxidizing gas from vertically downward to vertically upward inside the container, outside the heat insulating material;
A fuel cell module comprising: 前記気流発生機構は、前記容器の内部の鉛直方向下部に前記容器の長手方向に沿って設けられ、前記容器の外部から供給した前記酸化性ガスを鉛直上方に向かって流出させる酸化性ガス供給部と、
前記容器の内部の鉛直方向上部に前記容器の長手方向に沿って設けられ、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを回収して前記容器の外部に排出させる酸化性ガス排出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。 The air flow generation mechanism is provided along the longitudinal direction of the container at a lower portion in the vertical direction inside the container, and an oxidizing gas supply unit that causes the oxidizing gas supplied from the outside of the container to flow out vertically upward When,
An oxidizing gas discharge unit that is provided along the longitudinal direction of the container in the upper vertical direction inside the container, collects the oxidizing gas outside the heat insulating material, and discharges the oxidizing gas to the outside of the container;
The fuel cell module according to claim 1, comprising: 前記酸化性ガス供給部と前記酸化性ガス排出部との間に、前記容器の内面に接続されるとともに前記断熱材の外面との間を鉛直上下方向に仕切るよう前記容器の長手方向に沿って延在するとともに、前記酸化性ガスを鉛直上方向に流通させる流通隙間が形成された仕切板を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。   Along the longitudinal direction of the container to be connected to the inner surface of the container between the oxidizing gas supply part and the oxidizing gas discharge part and to partition vertically between the outer surface of the heat insulating material. The fuel cell module according to claim 2, further comprising a partition plate extending and formed with a flow gap for flowing the oxidizing gas vertically upward. 前記酸化性ガス排出部は、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを前記容器の外部に排出させる管体を備え、前記管体は、容器内で前記容器の長手方向に沿って設けられるとともに鉛直上方側に向かって開口し、前記酸化性ガスを前記管体内に取り込む酸化性ガス取込口を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池モジュール。   The oxidizing gas discharge unit includes a tube body that discharges the oxidizing gas outside the heat insulating material to the outside of the container, and the tube body is provided in the container along the longitudinal direction of the container. 4. The fuel cell module according to claim 2, further comprising an oxidizing gas intake opening that opens toward a vertically upper side and takes the oxidizing gas into the pipe body. 5. 前記管体は、前記カートリッジの鉛直上方に配置され、
幅方向が前記管体の側方から延びるとともに長手方向が前記容器の長手方向に沿って延在する案内板を備え、
前記酸化性ガス取込口は、前記案内板の鉛直上方で開口していることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。 The tubular body is disposed vertically above the cartridge,
A guide plate having a width direction extending from a side of the tubular body and a longitudinal direction extending along a longitudinal direction of the container;
The fuel cell module according to claim 4, wherein the oxidizing gas intake port is opened vertically above the guide plate. 前記カートリッジの鉛直方向上部に設けられ、前記セルスタックの発電部から排出された前記酸化性ガスを導入するヘッダ部材と、
前記容器の内部の鉛直方向上部に設けられ、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを前記ヘッダ部材に取り込む酸化性ガス取込部と、
前記ヘッダ部材に接続され、前記ヘッダ部材に取り込まれた前記酸化性ガスを前記容器の外部に排出する排出管と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。 A header member provided at an upper part in the vertical direction of the cartridge, for introducing the oxidizing gas discharged from the power generation unit of the cell stack;
Provided in the upper part in the vertical direction inside the container, and an oxidizing gas intake part that takes the oxidizing gas outside the heat insulating material into the header member;
A discharge pipe connected to the header member and discharging the oxidizing gas taken into the header member to the outside of the container;
The fuel cell module according to claim 1, further comprising: 請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスの少なくとも一部とを用いて回転動力を生成するガスタービンとを備え、
前記燃料電池モジュールは、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、
前記複数のセルスタックは、燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電することを特徴とする複合発電システム。 The fuel cell module according to any one of claims 1 to 6,
A gas turbine that generates rotational power using exhaust fuel gas exhausted from the fuel cell module and at least part of the exhaust oxidizing gas,
The fuel cell module is supplied with the oxidizing gas compressed using the rotational power,
The plurality of cell stacks generate power using fuel gas and the oxidizing gas. 前記容器の内部の鉛直下方で前記容器の外部から前記断熱材の外側に送り込む前記酸化性ガスの流量を調整するバルブと、
前記容器の内部及び前記セルスタックの発電部の少なくとも一方の温度に基づいて、前記バルブの開度を調整する制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項７に記載の複合発電システム。 A valve for adjusting the flow rate of the oxidizing gas fed from the outside of the container to the outside of the heat insulating material vertically below the inside of the container;
A control device that adjusts the opening of the valve based on the temperature of at least one of the inside of the container and the power generation unit of the cell stack;
The combined power generation system according to claim 7, further comprising: 前記容器の内部の鉛直上部で、前記断熱材の外側から回収した前記酸化性ガスを、前記ガスタービンの燃焼器に供給する酸化性ガス供給ラインをさらに備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の複合発電システム。   The oxidizing gas supply line which supplies the said oxidizing gas collect | recovered from the outer side of the said heat insulating material to the combustor of the said gas turbine in the vertical upper part inside the said container is further provided. The combined power generation system described in 1. セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュールは、
断熱材に囲まれるとともに、複数のセルスタックを備えたカートリッジと、
前記カートリッジを収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する容器と、
前記断熱材の外側で、前記容器の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう前記酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構と、を備え、
前記複数のセルスタックの温度が予め定めた温度範囲になるように、前記気流発生機構によって、前記容器の内部の下方から上方に向かう前記酸化性ガスの流量を調整する工程を備えることを特徴とする燃料電池モジュールの温度調整方法。
The fuel cell module that generates electricity by supplying fuel gas and oxidizing gas to the cell stack
A cartridge that is surrounded by thermal insulation and has a plurality of cell stacks;
A container containing the cartridge and having an oxidizing gas in an internal space;
An airflow generation mechanism for generating a flow of the oxidizing gas from vertically downward to vertically upward inside the container, on the outside of the heat insulating material,
The step of adjusting the flow rate of the oxidizing gas from the lower side to the upper side inside the container by the air flow generation mechanism so that the temperature of the plurality of cell stacks is in a predetermined temperature range. To adjust the temperature of the fuel cell module.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113424346A (en) * 2019-02-25 2021-09-21 三菱动力株式会社 Fuel cell module and power generation system

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