JP4884595B2

JP4884595B2 - Solid oxide fuel cell module

Info

Publication number: JP4884595B2
Application number: JP2001103865A
Authority: JP
Inventors: 浩二池田; 長生久留; 勝巳永田; 健一郎小阪
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2021-04-02
Also published as: JP2002298873A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池モジュールに関し、特に、燃料排出室から発電室側へ燃料が逆流するおそれのない円筒型固体電解質型燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、円筒型固体電解質型燃料電池モジュールについては、特開平７−２７２７４１号公報、特開平９−１２９２５６号公報および特開平１０−１２２５８号公報に開示された技術が知られている。
【０００３】
図１１を参照して、従来の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールの概略構造を説明する。
【０００４】
図１１に示すように、断熱材で包囲されたモジュール本体１内には、天板２、金属製の上部管板２０および金属製の下部管板２１が配設され、下部管板２１の下方には、発電室１１が形成されている。発電室１１の断熱用に断熱ボード３４が設けられている。
【０００５】
モジュール本体１内の天板２と上部管板２０との間には、燃料供給室１３が形成され、上部管板２０と下部管板２１の間には、燃料排出室１４が形成されている。
【０００６】
天板２には、燃料供給室１３とモジュール本体１の外部とを連通する燃料供給管７がモジュール本体１を貫通して連結されている。燃料供給管７から燃料供給室１３には、燃料ガス２３が導入される。燃料供給管７の内側には、燃料排出室１４とモジュール本体１の外部とを連通するように上部管板２０を貫通する残燃料排出管８が配設されている。残燃料排出管８からモジュール本体１の外部には、残燃料ガス２２が排出される。
【０００７】
燃料ガスが水素（Ｈ_２）ガス以外の場合には、モジュール本体１内部の熱を利用できる位置に、例えばＮｉ系等の触媒を配設して、燃料ガスの改質をするようにしている。すなわち、燃料としての天然ガスと水蒸気は、図示せぬプレリフォーマに供給されて、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とに改質（内部改質）され、ここで改質された改質ガスが燃料ガスとして燃料供給室１３に供給される。
【０００８】
下部管板２１には、複数のセルチューブ１２が、それらの上端を燃料排出室１４内に位置させると共に下方寄りを発電室１１内に位置させるようにして貫通支持されている。セルチューブ１２の外周部には、単電池膜（図示せず）が成膜されている。セルチューブ１２の内側には、当該セルチューブ１２の内部下方側と燃料供給室１３内とを連通させるように下部管板２１を貫通する燃料注入管１６が配設されている。後述するように、燃料注入管１６は、金属製の上部管板２０に支持され、セルチューブ１２は、金属製の下部管板２１に支持されている。
【０００９】
セルチューブ１２の単電池膜は、多孔質の基体管の上に燃料極、電解質、空気極の順に形成され、円筒管である基体管の中を燃料ガス２３が流れ、基体管の外側を空気２４が流れる。この円筒型固体電解質燃料電池では、発生した電流をインターコネクタを介してセルチューブ１２上の隣接する単電池に流し、最終的には集電部材５または集電キャップ（後述する）を介して集電される。
【００１０】
燃料注入管１６の内側には、その上端を燃料供給室１３に位置させると共にその下端をセルチューブ１２の下端近傍に位置させた集電棒１０が配設されている。集電棒１０の下端は、上記単電池膜と電気的に接続すると共にセルチューブ１２の下端に取付けられた集電部材５に連結している。集電棒１０の上端は、ニッケル製の集電部材５および導電棒４を介してモジュール本体１の外部と電気的に接続されている。
【００１１】
セルチューブ１２の上端には、上記単電池膜と電気的に接続する集電コネクタ５７が取り付けられており、当該セルチューブ１２は、他のセルチューブ１２と集電コネクタ５７を介して並列に接続されている。また、セルチューブ１２の上端および下端の装着向きが適宜設定されることにより複数のセルチューブ１２は、互いに直列接続されている。
【００１２】
モジュール本体１の発電室１１の下部には、多孔質のセラミックス製の仕切板３が設けられている。仕切板３の下方には、仕切板３を介して発電室１１と連通する空気予熱（用熱交換）器１７が設けられている。
【００１３】
空気予熱（用熱交換）器１７には、モジュール本体１の外部と連通する空気供給管１８が接続されている。また、モジュール本体１の発電室１１の内部には、空気排出管１９の一端側が位置している。この空気排出管１９は、他端側がモジュール本体１の外側に位置し、中間部分が空気予熱室１７の内部を通過するように配設され、熱交換に供されている。
【００１４】
次に、上記構造の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの作用を説明する。
【００１５】
発電室１１内を作動温度（約９００〜１０００℃）に加熱し、燃料供給管７から水素などの燃料ガス２３を供給すると共に、空気供給管１８から酸化剤である空気２４を供給する。
燃料供給管７を介して供給された燃料ガス２３は、燃料供給室１３から燃料注入管１６を介してセルチューブ１２の下端側まで流入する。
一方、空気予熱室１７を介して仕切板３を通過した空気２４が発電室１１内に流入する。
【００１６】
燃料ガス２３がセルチューブ１２の多孔質性の基体管を透過して単電池膜に供給され、空気（酸素）２４が単電池膜に接触すると、該単電池膜では水素（燃料ガス２３）と空気（酸素）２４とが電気化学的に反応して電力が発生する。その電力は、集電部材５、集電コネクタ５７、導電棒４を介してモジュール本体１の外部に取り出される。
【００１７】
燃料ガス２３がセルチューブ１２に供給されて発電に使用された後の残燃料ガス２２は、燃料排出室１４に集められて、残燃料排出管８を介して外部に排出される。一方、発電に供された後の残空気２５は、空気排出管１９を介して外部に排出される。
【００１８】
図１２に示されるように、複数のセルチューブ１２に均一に燃料ガス２３が供給されるように、燃料ガス２３が整流された後に複数のセルチューブ１２に分配される。符号３２は整流ヘッダ、３３は分配ヘッダをそれぞれ示している。燃料ガス２３は、燃料供給管７から導入され、整流ヘッダ３２によって整流された後に、分配ヘッダ３３によって分配されて、燃料供給室１３に供給される。なお、図１２において、図１１と同じ構成要素については同じ符号を付しその説明を省略する。
【００１９】
上記の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールでは、燃料供給室１３および燃料排出室１４が、発電室１１よりも差圧Δｐ≒＋５０〜＋１００ｍｍＡｑ（水柱）だけ高くなるようにコントロールされて運転されている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このとき、組み込まれた多数のセルチューブ１２のうち、何らかの理由により１本でも損傷（破損）すると、図１２中Ａ部に示されるように、燃料排出室１４内の残燃料ガス２２が上記差圧の分だけ、発電室１１に逆流してリークしてしまう。そのリーク量が過大となることから、運転困難な状況となる。
【００２１】
また、固体電解質型燃料電池の発電システムでは、燃料電池の作動温度が約９００〜１０００℃と高いことから、熱膨張が問題となる。
【００２２】
上部管板２０と下部管板２１とで同一の材料が用いられた場合であっても、発電室１１内が約９００℃であるのに対し、燃料供給室１３内は約７００℃であることから、上部管板２０と下部管板２１とに熱伸び差が生じ、その結果、上部管板２０が支持する燃料注入管１６と下部管板２１が支持するセルチューブ１２の軸がずれることが考えられる。
【００２３】
このように、燃料注入管１６とセルチューブ１２とが偏芯していると、そのセルチューブ１２の内部の燃料注入管１６の外側に形成される燃料ガス２３の流路（隙間）が均一ではなくなる。その結果、隙間の狭い箇所では圧力損失が高くなり、そのセルチューブ１２に形成された複数の単電池膜に対して均一に燃料ガス２３を供給することができず、発電効率が低下する。
【００２４】
また、上部管板２０、下部管板２１は、それぞれ、燃料注入管１６、セルチューブ１２という重量物を支持していることから、熱膨張したときに撓むことが考えられる。
【００２５】
ここで、セルチューブ１２、燃料注入管１６が下部管板２１、上部管板２０に機械的に拘束された状態で支持されているとすると、上記のように熱伸び（差）や撓みが生じたときに、セルチューブ１２または燃料注入管１６が損傷するおそれがある。その結果、ガスが逆流することが考えられる。
【００２６】
本発明の目的は、気体収容室から発電室側へ気体が流れるおそれのない固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。
本発明の他の目的は、燃料排出室から発電室側へ燃料ガスが逆流するおそれのない固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。
本発明の更に他の目的は、セルチューブ、燃料注入管を機械的に拘束された状態で支持することなく、セルチューブ、燃料注入管の損傷を未然に防いで、燃料排出室から発電室側へ燃料ガスが逆流するおそれのない固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中の請求項対応の技術的事項には、括弧（）つき、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応の技術的事項と実施の複数・形態のうちの少なくとも一つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にしているが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されることを示されるためのものではない。
【００２８】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、モジュール本体（１）と、前記モジュール本体（１）の内部に設けられ、燃料電池セル（１２ａ）が形成されたセルチューブ（１２）と、前記モジュール本体（１）の内部に設けられ、前記燃料電池セル（１２ａ）が配置される発電室（１１）と、前記モジュール本体（１）の内部に前記セルチューブ（１２）の開口部と連通するように設けられ、前記発電室（１１）よりも高い圧力に設定され、気体（２２）が収容される気体収容室（１４）と、前記セルチューブ（１２）が破損したときに前記気体収容室（１４）の前記気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部および該破損部を介して前記発電室（１１）に流れることを抑制する流れ抑制部（６１）とを備えている。
ここで、前記気体排出室は、図６に示される第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３ｂ、および燃料排出室２１４のいずれかであることができる。また、前記気体排出室は、図９または図１０に示される燃料供給室１３および燃料排出室１４のいずれかであることができる。
【００２９】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、モジュール本体（１）と、前記モジュール本体（１）の内部に設けられ、燃料電池セル（１２ａ）が形成されたセルチューブ（１２）と、前記モジュール本体（１）の内部に設けられ、前記燃料電池セル（１２ａ）による燃料電池反応の後に残った気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部から前記モジュール本体（１）の外部に排出される前に前記気体（２２）が導入される気体収容室（１４）と、前記気体収容室（１４）の前記気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部に逆流することを抑制する流れ抑制部（６１）とを備えている。
【００３０】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、前記気体収容室（１４）の前記気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部に流れようとするときの圧力損失が大きくなるように構成されている。
【００３１】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、燃料注入管（１６）との間に確保されたクリアランスを維持するように設けられている。このクリアランスは、圧損を確保するためのものである。
【００３２】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、前記セルチューブ（１２）の開口部の近傍から前記気体収容室（１４）の内部の上壁部の近傍まで延在するように設けられ、その内部が前記気体（２２）の流路となる薄肉管（６１）である。
【００３３】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記薄肉管（６１）の材質および厚さは、前記燃料電池セル（１２ａ）による燃料電池反応時の上部管板（２０）、下部管板（２１）の熱変形に対して前記薄肉管（６１）が追従した変形が可能なように構成されている。
【００３４】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、前記セルチューブ（１２）の開口部の近傍から前記気体収容室（１４）の内部の上壁部の近傍まで延在するように設けられ、その内部が前記気体（２２）の流路となる絶縁繊維（７５）である。絶縁繊維（７５）は、フィルタの機能を有する。
【００３５】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、前記モジュール本体（１）および前記セルチューブ（１２）に対して移動可能に設けられ、その内部が前記気体（２２）の流路となる管（８３）である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの一実施形態として、円筒型固体電解質燃料電池モジュールについて説明する。
【００３７】
図１を参照して、第１実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールについて説明する。
【００３８】
まず、本実施形態を説明する前に、図１３を参照して、図１２に示した従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの符号Ｄで示される範囲の構成について説明する。図１３において、図１１および図１２と同じ構成要素については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３９】
図１３に示されるように、上部管板２０には、燃料注入管１６を挿通させるための孔４０が形成されている。孔４０は、大径部４１と小径部４２とを有している。燃料注入管１６の上部外周部にはフランジ部１６ｆが設けられている。フランジ部１６ｆの直径は、大径部４１よりも小さく小径部４２よりも大きい。フランジ部１６ｆは、孔４０の内面において大径部４１と小径部４２の間に形成された支持台部４３に引掛けられて支持される。
【００４０】
フランジ部１６ｆの外周部と大径部４１との間および燃料注入管１６の外周部と小径部４２の間のそれぞれには、クリアランスｄ１、ｄ２が設けられ、燃料注入管１６が孔４０内で機械的に拘束されない構造とされている。フランジ部１６ｆの上部であって、大径部４１の内部には、上部押えリング４４が配設される。上部押えリング４４の外径部は、大径部４１と互いに螺合している。フランジ部１６ｆは、上部押えリング４４によって支持台部４３に押し付けられて支持される。上部押えリング４４の内径と燃料注入管１６の外周部との間には、クリアランスｄ３が設けられ、燃料注入管１６が孔４０内で機械的に拘束されない構造とされている。
【００４１】
下部管板２１において、孔４０の真下に相当する位置には、孔５０が形成されている。孔５０には、セルチューブ１２が挿通される。そのセルチューブ１２の内部には、燃料注入管１６が収容され、二重管構造とされている。
【００４２】
孔５０は、大径部５１と小径部５２とを有している。小径部５２は、セルチューブ１２の外周部よりも大径に形成されている。孔５０の内面において大径部５１と小径部５２の間には、支持台部５３が形成されている。支持台部５３には、孔５０とセルチューブ１２の外周部との間をシールするためのシールリング５４が設けられている。
【００４３】
小径部５２とシールリング５４との間には、クリアランスｄ４が設けられ、セルチューブ１２が孔５０内で機械的に拘束されない構造とされている。シールリング５４の上部であって、大径部５１の内部には、下部押えリング５５が配設される。下部押えリング５５の外径部は、大径部５１と互いに螺合している。シールリング５４は、下部押えリング５５によって支持台部５３に押し付けられて支持される。下部押えリング５５の内径部とセルチューブ１２の外周部との間には、クリアランスｄ５が設けられ、セルチューブ１２が孔５０内で機械的に拘束されない構造とされている。
【００４４】
セルチューブ１２の上端部には、導電性の集電キャップ５６が載せられている。集電キャップ５６の上には、複数のセルチューブ１２を互いに並列接続するための集電コネクタ５７が電気的に接続されている。集電キャップ５６の上方外周部には、ねじ部が刻設されている。集電コネクタ押えリング５８は、集電キャップ５６との間に集電コネクタ５７を挟んだ状態で、集電キャップ５６のねじ部にねじ止めされている。
【００４５】
本発明者は、図１２および図１３に示されるように、セルチューブ１２が破損した場合に、燃料排出室１４からのガスの逆流が起きるのは、集電キャップ５６の部分における圧力損失が少ないからであるという知見を得るに至った。そこで、本発明者は、燃料排出室１４とセルチューブ１２の内部との間に、逆止弁と同様の作用を有する構造にして逆流を防止することを考えた。ここでは上記のように、反応温度が約９００℃程度の高温であることから、上部管板２０、下部管板２１の熱伸び差、撓みを考慮してセルチューブ１２および燃料注入管１６を機械的に拘束することなく、上記逆止弁の作用を得ることが求められる。
【００４６】
次に、図１を参照して、第１実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明する。図１３と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
第１実施形態では、セルチューブ１２の上方に燃料注入管１６に沿う逆止スリーブ６１が設けられている。逆止スリーブ６１は、燃料注入管１６の外周部との間の隙間（燃料排出室１４内のガスがセルチューブ１２内に逆流するときの流路）が狭くなるように形成される。
【００４８】
ガス逆流時に入口となる逆止スリーブ６１の上端部に比べて、逆止スリーブ６１の出口側（上端部位置よりも下側）は、逆止スリーブ６１の内径が小さく形成されている。逆止スリーブ６１内をガスが逆流し難くするためである。同様の理由から、逆止スリーブ６１は、長尺に形成されている。上部管板２０の下面と集電コネクタ５７の上面との間が例えば３５ｍｍであるとすると、逆止スリーブ６１は、集電コネクタ５７の上面から３０ｍｍの高さまで延在している。逆止スリーブ６１の下端部は、ラッパ状に拡径され、その先端部は概ね水平方向に向いている。
【００４９】
図１３に示した集電キャップ５６に代えて、集電キャップ６２が用いられる。集電キャップ６２は、セルチューブ１２の上端部と電気的に接触している。集電キャップ６２は、セルチューブ１２の外周部よりも若干大径に形成されている。
【００５０】
集電キャップ６２は、セルチューブ１２の内径と概ね同じに形成された最小径部６５と、最小径部６５よりも大径に形成された小径部６６と、小径部６６よりも大径に形成された大径部６７とを有している。最小径部６５と小径部６６との間の段部には、支持リング７１が配設されている。支持リング７１は、上記段部に固定されていることができる。または、支持リング７１は、上記段部に非固定状態（載置されているだけ）であることができる。
【００５１】
支持リング７１の上面には、逆止スリーブ６１の拡径された最下端部が支持されている（図１中符号Ｂ参照）。逆止スリーブ６１の拡径された最下端部は、支持リング７１の上面にスポット溶接されて固定されていることができる。または、逆止スリーブ６１の拡径された最下端部は、支持リング７１の上面にスポット溶接されることなく、非固定状態（載置されているだけ）であることができる。
【００５２】
支持リング７１の上面に支持された逆止スリーブ６１の拡径された最下端部の上には、押えリング７２が配設されることができる。押えリング７２が自重により逆止スリーブ６１を支持リング７１の上面に対して押すことで逆止スリーブ６１を固定する。または、逆止スリーブ６１の拡径された最下端部は、押えリング７２の下面にスポット溶接されることができる。これに代えて、押えリング７２が設けられることなく、逆止スリーブ６１が支持リング７１のみで支持されることができる。押えリング７２と大径部６７との間にはクリアランスが設けられている。
【００５３】
集電キャップ６２の上には、集電コネクタ５７が電気的に接続されている。集電キャップ６２の上部外周部には、ねじ部が刻設されている。集電コネクタ押えリング５８は、集電キャップ６２との間に集電コネクタ５７を挟んだ状態で、集電キャップ６２のねじ部にねじ止めされている。
【００５４】
逆止スリーブ６１は、ニッケルまたはインコネルのような耐熱、高温強度に優れた材料で薄肉管として形成される。薄肉に形成するのは、運転時の高温下（６５０〜８００℃、上部管板２０が６５０〜７５０℃、下部管板２１が７００〜８００℃）で逆止スリーブ６１が軟らかくなり変形し易くさせることで、セルチューブ１２を機械的に拘束しないようにするためである。
支持リング７１および押えリング７２もまた、ニッケルまたはインコネルのような耐熱、高温強度に優れた材料で形成される。
【００５５】
次に、図２を参照して、第１実施形態の効果を説明する。
【００５６】
図１１から図１３に示される従来の構造では、１本のセルチューブ１２が損傷（折損）した場合、損傷が無いときに本来燃料排出室１４を介して残燃料排出管８から排出されるべき残燃料ガス２２の４０〜４５％がリークし、２本のセルチューブ１２が損傷した場合には、その本来の残燃料ガス２２の８０〜９０％がリークする。これに対し、第１実施形態によれば、１本のセルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は本来の残燃料ガス２２の１／（組み込まれたセルチューブ１２の総数）に抑えられ、２本のセルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は、本来の残燃料ガス２２の２／（組み込まれたセルチューブ１２の総数）に抑えられる。この第１実施形態において、組み込まれたセルチューブ１２の総数が１００本であるとすると、１本のセルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は本来の残燃料ガス２２の１％に抑えられ、２本のセルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は本来の残燃料ガス２２の２％に抑えられる。
【００５７】
次に、図３を参照して、第２実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明する。図１３、図１と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００５８】
第２実施形態では、セルチューブ１２の上方に燃料注入管１６の周囲を覆うように、わた状繊維７５が設けられている。わた状繊維７５は、高密度繊維であり、その内部に形成される、燃料排出室１４内のガスがセルチューブ１２内に逆流するときの流路に障害を設け、流路が狭くなるように形成される。
【００５９】
フィルタ状に設けられるわた状繊維７５は、わた状繊維７５内を残燃料ガス２２がセルチューブ１２内に向けて逆流しようとしたときの圧力損失が大きく逆流が抑制されるように構成される。わた状繊維７５は、燃料排出室１４内において所定の高さまで延在するように設けられる。上部管板２０の下面と集電コネクタ５７の上面との間が例えば３５ｍｍであるとすると、わた状繊維７５は、集電コネクタ５７の上面から３０ｍｍの高さまで延在している。
【００６０】
図１３に示した集電キャップ５６に代えて、集電キャップ７６が用いられる。集電キャップ７６は、セルチューブ１２の上端部と電気的に接触している。集電キャップ７６は、セルチューブ１２の外周部よりも若干大径に形成されている。
【００６１】
集電キャップ７６は、セルチューブ１２の内径と概ね同じに形成された小径部７８と、小径部７８よりも大径に形成された大径部７９とを有している。小径部７８と大径部７９との間の段部には、逆止スリーブ８０が配設されている。逆止スリーブ８０は、アルミナ、ニッケルまたはＳＵＳ等により製造されている。逆止スリーブ８０は概ね円筒状に形成され、その下端部には、内側に張り出したフランジ部８１が形成されている。そのフランジ部８１が、上記段部に載せられている。逆止スリーブ８０は、上記段部に固定されていることができる。または、逆止スリーブ８０は、上記段部に非固定状態（載置されているだけ）であることができる。
【００６２】
逆止スリーブ８０の内部にわた状繊維７５が充填されている。燃料注入管１６の周囲に設けられたわた状繊維７５は、逆止スリーブ８０により支持されている。ここで、わた状繊維７５は、燃料注入管１６の表面に接着され、逆止スリーブ８０には接着されていない状態であることができる。または、わた状繊維７５は、逆止スリーブ８０の内面に接着され、燃料注入管１６の表面には接着されていない状態であることができる。いずれの場合であっても、燃料注入管１６は、わた状繊維７５を介して装着されているため、燃料注入管１６は、機械的に拘束された状態で支持されているわけではない。逆止スリーブ８０の大径部７９と集電キャップ７６との間には、クリアランスが設けられている。
【００６３】
第２実施形態においても、図２に示す上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
次に、図４を参照して、第３実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明する。図１、図３、図１３と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６５】
第３実施形態では、セルチューブ１２の上方に燃料注入管１６の周囲を覆うように、逆止スリーブ８３が設けられている。逆止スリーブ８３は、燃料注入管１６の外周部との間の隙間（燃料排出室１４内のガスがセルチューブ１２内に逆流するときの流路）が狭くなるように形成される。逆止スリーブ８３は、アルミナ、ニッケルまたはＳＵＳ等により製造されている。
【００６６】
ガス逆流時に入口となる逆止スリーブ８３の上部は、その上端部から下方に向けて漸次その内径が狭くなるようにすり鉢状に形成されている。逆止スリーブ８３の内径は、その高さ方向途中位置から下端部まで均一に形成されている。その内径が均一に形成された部分の上部には、逆止スリーブ８３の内部と外部とを連通させ水平方向に延びる細孔８４が逆止スリーブ８３の周方向等間隔に形成されている。
【００６７】
逆止スリーブ８３の下端部には、外側に張り出したフランジ部８５が形成されている。フランジ部８５は、集電コネクタ押えリング５８の上面に直接載せられている。図４中に符号Ｃで示される部分において、フランジ部８５の下面と、集電コネクタ押えリング５８の上面および集電キャップ８６の上面とは、面接触しており、これによりセルチューブ１２の内部と外部とがシールされている（面タッチシール）。フランジ部８５は、集電コネクタ押えリング５８に固定されておらず、集電コネクタ押えリング５８に対して移動自在である。したがって、燃料注入管１６が逆止スリーブ８３によって機械的に拘束された状態で支持されていることはない。
【００６８】
図３に示した集電キャップ７６に代えて、集電キャップ８６が用いられる。集電キャップ８６は、セルチューブ１２の上端部と電気的に接触している。集電キャップ８６は、セルチューブ１２の外周部よりも若干大径に形成されている。
【００６９】
集電キャップ８６において集電コネクタ５７よりも上に位置する上部は、図３に示した集電キャップ７６に比べて、短く形成されている。集電キャップ８６の上部外周部に刻設されたねじ部に集電コネクタ押えリング５８がねじ止めされている。互いにねじ止めされたときに、集電コネクタ押えリング５８の上面と集電キャップ８６の上面は概ね同一平面上に位置する。その平面（集電コネクタ押えリング５８の上面および集電キャップ８６の上面）の上に、逆止スリーブ８３のフランジ部８５が載せられている。フランジ部８５は、逆止スリーブ８３の内部と燃料注入管１６の外周部の間の僅かな上記隙間を除いて、セルチューブ１２の内部を概ね栓するように形成されている。
【００７０】
第３実施形態においても、図２に示した上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７１】
次に、図５から図１０を参照して、上記第１から第３実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールの適用形態について説明する。
【００７２】
図５は、図１、図３および図４を参照して説明した第１から第３実施形態の設置形態を模式的に示したものである。
【００７３】
既に説明したように、発電室１１に設置されたセルチューブ１２は下部管板２１に支持され、セルチューブ１２の上端は燃料排出室１４に開口している。燃料排出室１４には、残燃料ガス２２を外部に排出するための残燃料排出管８が設けられている。セルチューブ１２内に収容される燃料注入管１６は、上部管板２０に支持され、燃料注入管１６の上端は燃料供給室１３に開口し、燃料供給管７からの燃料ガス２３が供給される。図５において、符号１２ａは、セルチューブ１２の外周部に設けられた上記単電池膜である。
【００７４】
また、符号１００は、図１に示した逆止スリーブ６１、支持リング７１および押えリング７２などを含む逆流防止構造、図３に示したわた状繊維７５および逆止スリーブ８０などを含む逆流防止構造、図４に示した逆止スリーブ８３などを含む逆流防止構造の総称（いずれの逆流防止構造であってもよい）である。図５は、図１、図３および図４の構造と同じく、燃料供給室１３の下に燃料排出室１４が設けられている。また、その上部に開口部を有するセルチューブ１２が下部管板２１に吊り下げられている。
【００７５】
図６は、図５と異なる設置形態を示したものである。図６において、図５または図１と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００７６】
図６に示されるように、セルチューブ１２０は、２本のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂから構成されている。１本のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂは、Ｕ字管である。モジュール本体２００において、天板２０１の上には、燃料供給管７に連通される燃料供給路２０５と、残燃料排出管８に連通される残燃料排出路２０６とが設けられている。
【００７７】
天板２０１と下部管板２０２との間には、第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３ｂ、および燃料排出室２１４が設けられている。セルチューブ１２０を構成する第１および第２のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂのうち、第１のセルチューブ構成体１２１ａの入口側と出口側との間に設けられた第１仕切板２２１により第１の燃料供給室２１３ａが形成される。第２のセルチューブ構成体１２１ｂの入口側と出口側との間に設けられた第２仕切板２２２により燃料排出室２１４が形成される。第１仕切板２２１と第２仕切板２２２の間に、第２の燃料供給室２１３ｂが形成される。
【００７８】
第１および第２のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂは、下部管板２０２に支持されている。図６の構造では、図５と異なり、燃料注入管１６および上部管板２０は用いられていない。
【００７９】
燃料供給管７から供給された燃料ガス２３は、燃料供給路２０５を介して第１の燃料供給室２１３ａに導入され、第１のセルチューブ構成体１２１ａの入口側から第１のセルチューブ構成体１２１ａの内部に供給され、第１のセルチューブ構成体１２１ａに設けられた単電池膜による発電に供される。その発電に供された燃料ガス２３は、第１のセルチューブ構成体１２１ａの出口側から第２の燃料供給室２１３ｂを介して第２のセルチューブ構成体１２１ｂの入口側から第２のセルチューブ構成体１２１ｂの内部に供給される。第２のセルチューブ構成体１２１ｂの内部で発電に供された後の残燃料ガス２２は、燃料排出室２１４を介して残燃料排出路２０６を経て残燃料排出管８から排出される。
【００８０】
下部管板２０２に対して第１および第２のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂが支持されている支持部には、逆流防止構造１００が設けられている。第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３ｂ、および燃料排出室２１４は、発電室１１よりも差圧Δｐ≒＋５０〜＋１００ｍｍＡｑだけ高くなっているため、セルチューブ１２１ａ、１２１ｂが損傷したときには、第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３ｂ、および燃料排出室２１４のそれぞれから燃料ガス２３または残燃料ガス２２が発電室１１に流れるおそれがあるからである。
【００８１】
図７は、図５および図６と異なり、倒立型の設置形態を示したものである。図７において、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００８２】
第１管板１０２の上方に設けられた発電室１１にセルチューブ１２が設置され、セルチューブ１２は、第１管板１０２に支持されている。セルチューブ１２の下部に位置するセルチューブ１２の開口部は、第１管板１０２と第２管板１０３との間に設けられた燃料排出室１４に臨み、その燃料排出室１４とセルチューブ１２の内部との間に、逆流防止構造１００が設けられている。燃料排出室１４には、残燃料ガス２２を外部に排出するための残燃料排出管８が下方に延在している。
【００８３】
第２管板１０３と第３管板１０４との間には、燃料供給室１３が設けられている。燃料供給室１３の下部には、燃料供給室１３に燃料ガス２３を導入するための燃料供給管７が設けられている。セルチューブ１２の内部に収容される燃料注入管１６は、第２管板１０３に支持されている。燃料注入管１６の下部に設けられた燃料注入管１６の開口部は、燃料供給室１３に臨んでおり、燃料供給管７から燃料供給室１３に供給された燃料ガス２３が燃料注入管１６内に導入される。
【００８４】
図８は、図５および図６と異なり、ボトムサポート型の設置形態を示したものである。図８において、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００８５】
図８の構造において、図５および図６の構造との違いは、セルチューブ１２の下部が管板または上記仕切板３に直接的に支持（ボトムサポート）されている点である。セルチューブ１２は、下部管板２１に対して機械的に拘束されないようにルーズにシールされている。図８に示されるように、逆流防止構造１００は、燃料排出室１４とセルチューブ１２の内部との間に設けられている。
【００８６】
図９は、図５および図６と異なり、吊下げ分割ヘッダ型の設置形態を示したものである。図９において、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００８７】
第１管板１０５の上方に燃料供給室１３が設けられ、燃料供給室１３の上部に燃料供給管７が設けられている。第２管板１０６の下方に燃料排出室１４が設けられ、燃料排出室１４の下部に残燃料排出管８が設けられている。第１管板１０５と第２管板１０６との間には、発電室１１が設けられている。
【００８８】
セルチューブ１２の上部は第１管板１０５に支持され、その上部開口部から燃料供給室１３内の燃料ガス２３を導入する。セルチューブ１２の下部は第２管板１０６に支持される。発電室１１に位置する単電池膜１２ａで発電に供された後の残燃料ガス２２は、セルチューブ１２の下部開口部から燃料排出室１４を介して残燃料排出管８から外部に排出される。
【００８９】
図５および図６の構造と異なり、セルチューブ１２は、無底の円筒状に形成され、その上部開口部側に燃料供給室１３が設けられ、その下部開口部側に燃料排出室１４が設けられている。燃料ガス２３がセルチューブ１２の上部開口部から導入され、発電に供された後の残燃料ガス２２がセルチューブ１２の下部開口部から導出されるため、単一方向にのみガスが移動する。燃料注入管１６は用いられていない。したがって、燃料注入管１６とセルチューブ１２との間の機械的拘束の問題がない。
【００９０】
逆流防止構造１００は、セルチューブ１２の上部開口部側と下部開口部側の双方に設けられている。前述したように、燃料供給室１３および燃料排出室１４が、発電室１１よりも差圧Δｐ≒＋５０〜＋１００ｍｍＡｑだけ高くなっているため、セルチューブ１２が損傷したときには、燃料供給室１３および燃料排出室１４のそれぞれから発電室１１に燃料ガス２３または残燃料ガス２２が流れるおそれがあるからである。
【００９１】
セルチューブ１２の両端部が第１管板１０５と第２管板１０６とにより支持されているため、第１管板１０５と第２管板１０６の熱延び差または撓みなどの影響により、セルチューブ１２が損傷するおそれがある。そのために、機械的に拘束しない支持形態である逆流防止構造１００が採用されている。
【００９２】
図１０は、図５および図６と異なり、横置き分割ヘッダ型の設置形態を示している。図１０において、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００９３】
図１０の構造において、図９の構造との違いは、セルチューブ１２が水平方向に設けられ、その両端部側に燃料供給室１３および燃料排出室１４が設けられている点である。図９の構造と同様に、セルチューブ１２の両端側に逆流防止構造１００が設けられる。燃料供給室１３を形成する第１管板１０７とセルチューブ１２との間は、ルーズにシールされている。同様に、燃料排出室１４を形成する第２管板１０８とセルチューブ１２との間は、ルーズにシールされている。
【００９４】
上記の実施形態におけるそれぞれの円筒型固体電解質型燃料電池モジュールは、例えば発電レベルが数１０ｋＷ級のものである。
【００９５】
また、上記の実施形態におけるそれぞれの円筒型固体電解質燃料電池モジュールのセルチューブ１２の単電池膜は、基体管の上に燃料極、電解質、空気極の順に形成され、基体管の中を燃料ガス２３が流れ、基体管の外側を空気２４が流れる構成として説明したが、この構成に代えて、基体管の上に空気極、電解質、燃料極の順に形成され、基体管の中を空気２４が流れ、基体管の外側を燃料ガス２３が流れる構成とすることができる。その場合には、燃料注入管１６には燃料ガス２３に代えて空気２４が供給され、燃料排出室１４には燃料電池反応後に残った（未反応の）空気が導入され、発電室１１には空気２４に代えて燃料ガス２３が供給される。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールによれば、より高圧の気体収容室から発電室側へ気体が流れるおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの効果を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示す側面図である。
【図４】図４は、本発明の第３実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示す側面図である。
【図５】図５は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの設置形態を示す側面図である。
【図６】図６は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの他の設置形態を示す側面図である。
【図７】図７は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形態を示す側面図である。
【図８】図８は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形態を示す側面図である。
【図９】図９は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形態を示す側面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形態を示す側面図である。
【図１１】図１１は、従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示す側面図である。
【図１２】図１２は、従来の他の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示し、従来の問題点を示す側面図である。
【図１３】図１３は、従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて集電キャップおよびその近傍の構造を示す側面図である。
【符号の説明】
８残燃料排出管
１２セルチューブ
１２ａ単電池膜
１４燃料排出室
１６燃料注入管
１６ｆフランジ部
２０上部管板
２１下部管板
２２残燃料ガス
４０孔
４１大径部
４２小径部
４３支持台部
４４上部押えリング
５０孔
５１大径部
５２小径部
５３支持台部
５４シールリング
５５下部押えリング
５６集電キャップ
５７集電コネクタ
５８集電コネクタ押えリング
６１逆止スリーブ
６２集電キャップ
６３大径壁部
６４シール部材
６５最小径部
６６小径部
６７大径部
７１支持リング
７２押えリング
７５わた状繊維
７６集電キャップ
７７大径壁部
７８小径部
７９大径部
８０逆止スリーブ
８１フランジ部
８３逆止スリーブ
８４細孔
８５フランジ部
８６集電キャップ
８７大径壁部
１００逆流防止構造
ｄ１クリアランス
ｄ２クリアランス
ｄ３クリアランス
ｄ４クリアランス
ｄ５クリアランス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell module, and more particularly to a cylindrical solid oxide fuel cell module in which fuel does not flow backward from a fuel discharge chamber to a power generation chamber.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for cylindrical solid oxide fuel cell modules, techniques disclosed in JP-A-7-272741, JP-A-9-129256, and JP-A-10-12258 are known.
[0003]
A schematic structure of a conventional cylindrical solid oxide fuel cell module will be described with reference to FIG.
[0004]
As shown in FIG. 11, a top plate 2, a metal upper tube plate 20, and a metal lower tube plate 21 are disposed in the module body 1 surrounded by a heat insulating material, and below the lower tube plate 21. Is formed with a power generation chamber 11. A heat insulation board 34 is provided for heat insulation of the power generation chamber 11.
[0005]
A fuel supply chamber 13 is formed between the top plate 2 and the upper tube plate 20 in the module body 1, and a fuel discharge chamber 14 is formed between the upper tube plate 20 and the lower tube plate 21. .
[0006]
A fuel supply pipe 7 that connects the fuel supply chamber 13 and the outside of the module body 1 is connected to the top plate 2 through the module body 1. A fuel gas 23 is introduced from the fuel supply pipe 7 into the fuel supply chamber 13. Inside the fuel supply pipe 7, a residual fuel discharge pipe 8 that penetrates the upper tube plate 20 is disposed so as to communicate the fuel discharge chamber 14 and the outside of the module body 1. The remaining fuel gas 22 is discharged from the remaining fuel discharge pipe 8 to the outside of the module body 1.
[0007]
Fuel gas is hydrogen (H ₂ In the case of other than the gas, for example, a Ni-based catalyst or the like is disposed at a position where the heat inside the module body 1 can be used to reform the fuel gas. That is, natural gas and water vapor as fuel are supplied to a pre-reformer (not shown), and hydrogen (H ₂ ) And carbon monoxide (CO) (internal reforming), and the reformed gas reformed here is supplied to the fuel supply chamber 13 as a fuel gas.
[0008]
A plurality of cell tubes 12 are penetrated and supported by the lower tube sheet 21 so that the upper ends thereof are positioned in the fuel discharge chamber 14 and the lower side thereof is positioned in the power generation chamber 11. A single battery film (not shown) is formed on the outer periphery of the cell tube 12. Inside the cell tube 12, a fuel injection pipe 16 that penetrates the lower tube plate 21 is disposed so as to communicate the inside lower side of the cell tube 12 and the inside of the fuel supply chamber 13. As will be described later, the fuel injection pipe 16 is supported by a metal upper tube sheet 20, and the cell tube 12 is supported by a metal lower tube sheet 21.
[0009]
The single cell membrane of the cell tube 12 is formed on a porous base tube in the order of a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode. The fuel gas 23 flows through the base tube, which is a cylindrical tube, and the outside of the base tube is air. 24 flows. In this cylindrical solid electrolyte fuel cell, the generated current is caused to flow to an adjacent unit cell on the cell tube 12 via an interconnector, and finally collected via a current collecting member 5 or a current collecting cap (described later). Electricity.
[0010]
Inside the fuel injection pipe 16, a current collecting rod 10 having an upper end positioned in the fuel supply chamber 13 and a lower end positioned near the lower end of the cell tube 12 is disposed. The lower end of the current collecting rod 10 is electrically connected to the unit cell membrane and connected to the current collecting member 5 attached to the lower end of the cell tube 12. The upper end of the current collecting rod 10 is electrically connected to the outside of the module body 1 through a nickel current collecting member 5 and a conductive rod 4.
[0011]
A current collecting connector 57 that is electrically connected to the cell membrane is attached to the upper end of the cell tube 12, and the cell tube 12 is connected in parallel via another cell tube 12 and the current collecting connector 57. Has been. In addition, the plurality of cell tubes 12 are connected in series with each other by appropriately setting the mounting directions of the upper and lower ends of the cell tubes 12.
[0012]
A porous ceramic partition plate 3 is provided below the power generation chamber 11 of the module body 1. Below the partition plate 3, an air preheating (heat exchanger) 17 that is in communication with the power generation chamber 11 through the partition plate 3 is provided.
[0013]
An air supply pipe 18 that communicates with the outside of the module body 1 is connected to the air preheating (heat exchanger) 17. Further, one end side of the air discharge pipe 19 is located inside the power generation chamber 11 of the module body 1. The other end side of the air discharge pipe 19 is located outside the module main body 1, and an intermediate portion is disposed so as to pass through the inside of the air preheating chamber 17, and is used for heat exchange.
[0014]
Next, the operation of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module having the above structure will be described.
[0015]
The inside of the power generation chamber 11 is heated to an operating temperature (about 900 to 1000 ° C.), a fuel gas 23 such as hydrogen is supplied from the fuel supply pipe 7, and air 24 as an oxidant is supplied from the air supply pipe 18.
The fuel gas 23 supplied via the fuel supply pipe 7 flows from the fuel supply chamber 13 to the lower end side of the cell tube 12 via the fuel injection pipe 16.
On the other hand, the air 24 that has passed through the partition plate 3 flows into the power generation chamber 11 through the air preheating chamber 17.
[0016]
When the fuel gas 23 passes through the porous substrate tube of the cell tube 12 and is supplied to the single cell membrane, and the air (oxygen) 24 contacts the single cell membrane, hydrogen (fuel gas 23) and The air (oxygen) 24 reacts electrochemically to generate electric power. The electric power is taken out of the module body 1 through the current collecting member 5, the current collecting connector 57, and the conductive rod 4.
[0017]
The remaining fuel gas 22 after the fuel gas 23 is supplied to the cell tube 12 and used for power generation is collected in the fuel discharge chamber 14 and discharged to the outside through the remaining fuel discharge pipe 8. On the other hand, the remaining air 25 after being subjected to power generation is discharged to the outside through the air discharge pipe 19.
[0018]
As shown in FIG. 12, the fuel gas 23 is rectified and then distributed to the plurality of cell tubes 12 so that the fuel gas 23 is uniformly supplied to the plurality of cell tubes 12. Reference numeral 32 denotes a rectification header, and 33 denotes a distribution header. The fuel gas 23 is introduced from the fuel supply pipe 7, rectified by the rectification header 32, distributed by the distribution header 33, and supplied to the fuel supply chamber 13. In FIG. 12, the same components as those in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0019]
In the above cylindrical solid oxide fuel cell module, the fuel supply chamber 13 and the fuel discharge chamber 14 are controlled and operated so as to be higher than the power generation chamber 11 by a differential pressure Δp≈ + 50 to +100 mmAq (water column). .
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
At this time, if even one of the many cell tubes 12 incorporated is damaged (broken) for some reason, the residual fuel gas 22 in the fuel discharge chamber 14 varies as described above, as shown by part A in FIG. As much as the pressure, it leaks back into the power generation chamber 11. Since the amount of leakage is excessive, it becomes difficult to operate.
[0021]
Moreover, in the power generation system of the solid oxide fuel cell, since the operating temperature of the fuel cell is as high as about 900 to 1000 ° C., thermal expansion becomes a problem.
[0022]
Even when the same material is used for the upper tube plate 20 and the lower tube plate 21, the inside of the power generation chamber 11 is about 900 ° C, whereas the inside of the fuel supply chamber 13 is about 700 ° C. Therefore, a difference in thermal elongation occurs between the upper tube plate 20 and the lower tube plate 21, and as a result, the fuel injection tube 16 supported by the upper tube plate 20 and the axis of the cell tube 12 supported by the lower tube plate 21 may be misaligned. Conceivable.
[0023]
Thus, when the fuel injection pipe 16 and the cell tube 12 are eccentric, the flow path (gap) of the fuel gas 23 formed outside the fuel injection pipe 16 inside the cell tube 12 is not uniform. Disappear. As a result, the pressure loss is high at the narrow gap, and the fuel gas 23 cannot be uniformly supplied to the plurality of unit cell membranes formed in the cell tube 12, and the power generation efficiency is lowered.
[0024]
Further, since the upper tube plate 20 and the lower tube plate 21 support heavy objects such as the fuel injection tube 16 and the cell tube 12, respectively, it is considered that the upper tube plate 20 and the lower tube plate 21 bend when thermally expanded.
[0025]
Here, if the cell tube 12 and the fuel injection pipe 16 are supported in a state of being mechanically restrained by the lower tube plate 21 and the upper tube plate 20, thermal expansion (difference) and deflection occur as described above. In such a case, the cell tube 12 or the fuel injection pipe 16 may be damaged. As a result, it is conceivable that the gas flows backward.
[0026]
An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell module in which gas does not flow from the gas storage chamber to the power generation chamber side.
Another object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell module in which fuel gas does not flow backward from the fuel discharge chamber to the power generation chamber side.
Still another object of the present invention is to prevent damage to the cell tube and the fuel injection pipe without supporting the cell tube and the fuel injection pipe in a mechanically restrained state. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell module in which fuel gas does not flow backward.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
Means for solving the problem is expressed as follows. The technical matters corresponding to the claims in the expression are appended with parentheses (), numbers, symbols, and the like. The number, symbol, etc. clarifies the coincidence / correspondence between the technical matters corresponding to the claims and the technical matters of at least one of the forms / implementations. It is not intended to show that the technical matter is limited to the technical matter of the embodiment.
[0028]
A solid oxide fuel cell module according to the present invention includes a module main body (1), a cell tube (12) provided inside the module main body (1), in which a fuel cell (12a) is formed, and the module main body. A power generation chamber (11) provided inside (1) in which the fuel battery cell (12a) is disposed, and communicated with the opening of the cell tube (12) inside the module body (1). A gas storage chamber (14) which is provided and set at a pressure higher than that of the power generation chamber (11) and in which the gas (22) is stored; and the gas storage chamber (14) when the cell tube (12) is damaged. ) In the cell tube (12) and a flow suppressing part (61) that suppresses the gas (22) from flowing into the power generation chamber (11) through the damaged part.
Here, the gas discharge chamber may be any of the first fuel supply chamber 213a, the second fuel supply chamber 213b, and the fuel discharge chamber 214 shown in FIG. Further, the gas discharge chamber can be one of the fuel supply chamber 13 and the fuel discharge chamber 14 shown in FIG. 9 or FIG.
[0029]
A solid oxide fuel cell module according to the present invention includes a module main body (1), a cell tube (12) provided inside the module main body (1), in which a fuel cell (12a) is formed, and the module main body. The gas (22) provided inside (1) and remaining after the fuel cell reaction by the fuel cell (12a) is discharged from the inside of the cell tube (12) to the outside of the module body (1). The gas suppression chamber (14) into which the gas (22) is introduced before, and the flow suppression that suppresses the gas (22) in the gas storage chamber (14) from flowing back into the cell tube (12). Part (61).
[0030]
In the solid oxide fuel cell module according to the present invention, the flow restricting portion (61) is configured such that the pressure when the gas (22) in the gas storage chamber (14) is about to flow into the cell tube (12). It is comprised so that a loss may become large.
[0031]
In the solid oxide fuel cell module of the present invention, the flow restricting portion (61) is provided so as to maintain a clearance secured between the fuel injection pipe (16). This clearance is for ensuring pressure loss.
[0032]
In the solid oxide fuel cell module according to the present invention, the flow suppressing portion (61) extends from the vicinity of the opening of the cell tube (12) to the vicinity of the upper wall portion in the gas storage chamber (14). A thin-walled tube (61) is provided so as to be a flow path for the gas (22).
[0033]
In the solid oxide fuel cell module of the present invention, the material and thickness of the thin-walled tube (61) are the upper tube plate (20) and the lower tube plate (21) when the fuel cell reacts with the fuel cell (12a). The thin-walled tube (61) can be deformed so as to follow the thermal deformation.
[0034]
In the solid oxide fuel cell module according to the present invention, the flow suppressing portion (61) extends from the vicinity of the opening of the cell tube (12) to the vicinity of the upper wall portion in the gas storage chamber (14). The insulating fiber (75) is provided so as to be a flow path for the gas (22). The insulating fiber (75) has a filter function.
[0035]
In the solid oxide fuel cell module according to the present invention, the flow suppressing portion (61) is provided to be movable with respect to the module main body (1) and the cell tube (12), and the inside thereof is the gas (22). It is the pipe | tube (83) used as a flow path.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A cylindrical solid electrolyte fuel cell module will be described as an embodiment of the solid oxide fuel cell module of the present invention.
[0037]
A cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to a first embodiment will be described with reference to FIG.
[0038]
First, before describing the present embodiment, the configuration in the range indicated by the symbol D of the conventional cylindrical solid electrolyte fuel cell module shown in FIG. 12 will be described with reference to FIG. In FIG. 13, the same components as those in FIGS. 11 and 12 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0039]
As shown in FIG. 13, a hole 40 through which the fuel injection pipe 16 is inserted is formed in the upper tube sheet 20. The hole 40 has a large diameter part 41 and a small diameter part 42. A flange portion 16 f is provided on the upper outer peripheral portion of the fuel injection pipe 16. The diameter of the flange portion 16 f is smaller than the large diameter portion 41 and larger than the small diameter portion 42. The flange portion 16 f is supported by being hooked on a support base portion 43 formed between the large diameter portion 41 and the small diameter portion 42 on the inner surface of the hole 40.
[0040]
Clearances d1 and d2 are provided between the outer peripheral portion of the flange portion 16f and the large-diameter portion 41 and between the outer peripheral portion of the fuel injection tube 16 and the small-diameter portion 42, respectively. The structure is not mechanically constrained. An upper presser ring 44 is disposed in the upper portion of the flange portion 16 f and inside the large diameter portion 41. The outer diameter portion of the upper presser ring 44 is screwed to the large diameter portion 41. The flange portion 16 f is supported by being pressed against the support base portion 43 by the upper presser ring 44. A clearance d3 is provided between the inner diameter of the upper pressing ring 44 and the outer peripheral portion of the fuel injection pipe 16, and the fuel injection pipe 16 is not mechanically constrained in the hole 40.
[0041]
In the lower tube sheet 21, a hole 50 is formed at a position corresponding to just below the hole 40. The cell tube 12 is inserted into the hole 50. A fuel injection pipe 16 is accommodated in the cell tube 12 to form a double pipe structure.
[0042]
The hole 50 has a large diameter part 51 and a small diameter part 52. The small diameter portion 52 is formed to have a larger diameter than the outer peripheral portion of the cell tube 12. A support base 53 is formed between the large diameter portion 51 and the small diameter portion 52 on the inner surface of the hole 50. The support base 53 is provided with a seal ring 54 for sealing between the hole 50 and the outer periphery of the cell tube 12.
[0043]
A clearance d4 is provided between the small diameter portion 52 and the seal ring 54, and the cell tube 12 is not mechanically restrained in the hole 50. A lower presser ring 55 is disposed in the upper portion of the seal ring 54 and inside the large diameter portion 51. The outer diameter portion of the lower presser ring 55 is screwed to the large diameter portion 51. The seal ring 54 is supported by being pressed against the support base 53 by the lower presser ring 55. A clearance d5 is provided between the inner diameter portion of the lower presser ring 55 and the outer peripheral portion of the cell tube 12 so that the cell tube 12 is not mechanically restrained in the hole 50.
[0044]
A conductive current collecting cap 56 is placed on the upper end of the cell tube 12. On the current collecting cap 56, a current collecting connector 57 for connecting the plurality of cell tubes 12 in parallel to each other is electrically connected. A screw portion is engraved on the upper outer peripheral portion of the current collecting cap 56. The current collector connector holding ring 58 is screwed to the screw portion of the current collector cap 56 with the current collector connector 57 sandwiched between the current collector cap 56 and the current collector cap 56.
[0045]
As shown in FIGS. 12 and 13, the present inventor shows that when the cell tube 12 is damaged, the backflow of gas from the fuel discharge chamber 14 is caused by a small pressure loss in the current collecting cap 56. It came to obtain the knowledge that it is. In view of this, the present inventor considered that a backflow is prevented by using a structure having the same function as the check valve between the fuel discharge chamber 14 and the inside of the cell tube 12. Here, as described above, since the reaction temperature is as high as about 900 ° C., the cell tube 12 and the fuel injection pipe 16 are machined in consideration of the difference in thermal expansion and deflection of the upper tube plate 20 and the lower tube plate 21. Therefore, it is required to obtain the operation of the check valve without restricting it.
[0046]
Next, the cylindrical solid oxide fuel cell module of the first embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
[0047]
In the first embodiment, a check sleeve 61 along the fuel injection pipe 16 is provided above the cell tube 12. The check sleeve 61 is formed so that a gap between the outer periphery of the fuel injection pipe 16 (a flow path when the gas in the fuel discharge chamber 14 flows back into the cell tube 12) is narrowed.
[0048]
The check sleeve 61 has a smaller inner diameter on the outlet side of the check sleeve 61 (below the position of the upper end portion) than the upper end portion of the check sleeve 61 that serves as an inlet during gas backflow. This is to make it difficult for the gas to flow back through the check sleeve 61. For the same reason, the check sleeve 61 is formed long. If the distance between the lower surface of the upper tube sheet 20 and the upper surface of the current collecting connector 57 is, for example, 35 mm, the check sleeve 61 extends from the upper surface of the current collecting connector 57 to a height of 30 mm. The lower end portion of the check sleeve 61 is enlarged in a trumpet shape, and the tip end portion thereof is substantially horizontal.
[0049]
A current collecting cap 62 is used instead of the current collecting cap 56 shown in FIG. The current collecting cap 62 is in electrical contact with the upper end portion of the cell tube 12. The current collecting cap 62 has a slightly larger diameter than the outer peripheral portion of the cell tube 12.
[0050]
The current collecting cap 62 is formed to have a minimum diameter portion 65 formed substantially the same as the inner diameter of the cell tube 12, a small diameter portion 66 formed larger than the minimum diameter portion 65, and a diameter larger than the small diameter portion 66. The large-diameter portion 67 is provided. A support ring 71 is disposed at the step between the minimum diameter portion 65 and the small diameter portion 66. The support ring 71 can be fixed to the stepped portion. Alternatively, the support ring 71 can be in an unfixed state (only placed) on the stepped portion.
[0051]
On the upper surface of the support ring 71, the lowermost end portion of the check sleeve 61 whose diameter has been expanded is supported (see symbol B in FIG. 1). The bottom end of the check sleeve 61 whose diameter has been increased can be spot welded to the upper surface of the support ring 71 and fixed. Alternatively, the lowermost end portion of the check sleeve 61 whose diameter has been expanded can be in an unfixed state (only placed) without being spot welded to the upper surface of the support ring 71.
[0052]
A presser ring 72 may be disposed on the lowermost end portion of the check sleeve 61 that is supported on the upper surface of the support ring 71 and has a diameter increased. The check sleeve 61 is fixed by pressing the check sleeve 61 against the upper surface of the support ring 71 by the weight of the presser ring 72. Alternatively, the lowermost end portion of the check sleeve 61 whose diameter has been increased can be spot welded to the lower surface of the presser ring 72. Instead of this, the check sleeve 61 can be supported only by the support ring 71 without providing the presser ring 72. A clearance is provided between the presser ring 72 and the large diameter portion 67.
[0053]
A current collecting connector 57 is electrically connected on the current collecting cap 62. A screw portion is engraved on the outer periphery of the upper portion of the current collecting cap 62. The current collector connector pressing ring 58 is screwed to the threaded portion of the current collector cap 62 with the current collector connector 57 sandwiched between the current collector cap 62 and the current collector cap 62.
[0054]
The check sleeve 61 is formed as a thin tube with a material having excellent heat resistance and high temperature strength such as nickel or inconel. The thin sleeve is formed at a high temperature during operation (650 to 800 ° C., the upper tube plate 20 is 650 to 750 ° C., the lower tube plate 21 is 700 to 800 ° C.), and the check sleeve 61 becomes soft and easily deformed. This is because the cell tube 12 is not mechanically restrained.
The support ring 71 and the presser ring 72 are also formed of a material excellent in heat resistance and high temperature strength such as nickel or inconel.
[0055]
Next, the effect of the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0056]
In the conventional structure shown in FIGS. 11 to 13, when one cell tube 12 is damaged (broken), it should be discharged from the remaining fuel discharge pipe 8 through the fuel discharge chamber 14 when there is no damage. When 40 to 45% of the remaining fuel gas 22 leaks and the two cell tubes 12 are damaged, 80 to 90% of the original remaining fuel gas 22 leaks. On the other hand, according to the first embodiment, when one cell tube 12 is damaged, the amount of leakage is suppressed to 1 / (total number of incorporated cell tubes 12) of the original residual fuel gas 22. When the cell tube 12 is damaged, the leak amount is suppressed to 2 / (total number of incorporated cell tubes 12) of the original remaining fuel gas 22. In the first embodiment, assuming that the total number of incorporated cell tubes 12 is 100, the leak amount when one cell tube 12 is damaged is suppressed to 1% of the original residual fuel gas 22, The amount of leakage when the two cell tubes 12 are damaged is suppressed to 2% of the original remaining fuel gas 22.
[0057]
Next, a cylindrical solid oxide fuel cell module according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those in FIGS. 13 and 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0058]
In the second embodiment, the wadding fiber 75 is provided above the cell tube 12 so as to cover the periphery of the fuel injection pipe 16. The cotton fiber 75 is a high-density fiber, and an obstacle is formed in the flow path when the gas in the fuel discharge chamber 14 flows backward into the cell tube 12 and the flow path becomes narrower. It is formed.
[0059]
The filter-like fiber 75 is configured to have a large pressure loss when the residual fuel gas 22 tries to flow back into the cell tube 12 through the fiber 75 and the reverse flow is suppressed. The cotton fibers 75 are provided so as to extend to a predetermined height in the fuel discharge chamber 14. If the distance between the lower surface of the upper tube sheet 20 and the upper surface of the current collecting connector 57 is, for example, 35 mm, the cotton fibers 75 extend from the upper surface of the current collecting connector 57 to a height of 30 mm.
[0060]
A current collecting cap 76 is used in place of the current collecting cap 56 shown in FIG. The current collecting cap 76 is in electrical contact with the upper end portion of the cell tube 12. The current collecting cap 76 is formed to have a slightly larger diameter than the outer peripheral portion of the cell tube 12.
[0061]
The current collecting cap 76 has a small diameter portion 78 formed substantially the same as the inner diameter of the cell tube 12 and a large diameter portion 79 formed larger in diameter than the small diameter portion 78. A check sleeve 80 is disposed at the step between the small diameter portion 78 and the large diameter portion 79. The check sleeve 80 is made of alumina, nickel, SUS, or the like. The check sleeve 80 is formed in a substantially cylindrical shape, and a flange portion 81 projecting inward is formed at a lower end portion thereof. The flange portion 81 is placed on the stepped portion. The check sleeve 80 can be fixed to the stepped portion. Alternatively, the check sleeve 80 can be in an unfixed state (only placed) on the stepped portion.
[0062]
The checker sleeve 80 is filled with a cotton fiber 75. The fiber 75 provided around the fuel injection pipe 16 is supported by a check sleeve 80. Here, the cotton fibers 75 can be bonded to the surface of the fuel injection pipe 16 and not bonded to the check sleeve 80. Alternatively, the cotton fibers 75 may be bonded to the inner surface of the check sleeve 80 and not bonded to the surface of the fuel injection pipe 16. In any case, since the fuel injection pipe 16 is attached via the cotton fibers 75, the fuel injection pipe 16 is not supported in a mechanically constrained state. A clearance is provided between the large diameter portion 79 of the check sleeve 80 and the current collecting cap 76.
[0063]
Also in the second embodiment, the same effect as the first embodiment shown in FIG. 2 can be obtained.
[0064]
Next, a cylindrical solid oxide fuel cell module according to a third embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those in FIGS. 1, 3, and 13 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0065]
In the third embodiment, a check sleeve 83 is provided above the cell tube 12 so as to cover the periphery of the fuel injection pipe 16. The check sleeve 83 is formed such that a gap between the outer periphery of the fuel injection pipe 16 (a flow path when the gas in the fuel discharge chamber 14 flows back into the cell tube 12) is narrowed. The check sleeve 83 is made of alumina, nickel, SUS, or the like.
[0066]
The upper portion of the check sleeve 83 that serves as an inlet during gas backflow is formed in a mortar shape so that the inner diameter gradually decreases from the upper end portion downward. The inner diameter of the check sleeve 83 is formed uniformly from the midway position in the height direction to the lower end. In the upper part of the portion where the inner diameter is uniformly formed, pores 84 extending in the horizontal direction by communicating the inside and the outside of the check sleeve 83 are formed at equal intervals in the circumferential direction of the check sleeve 83.
[0067]
A flange portion 85 projecting outward is formed at the lower end portion of the check sleeve 83. The flange portion 85 is directly placed on the upper surface of the current collector connector pressing ring 58. 4, the lower surface of the flange portion 85, the upper surface of the current collecting connector pressing ring 58, and the upper surface of the current collecting cap 86 are in surface contact with each other. And the outside are sealed (surface touch seal). The flange portion 85 is not fixed to the current collecting connector pressing ring 58 and is movable with respect to the current collecting connector pressing ring 58. Therefore, the fuel injection pipe 16 is not supported while being mechanically restrained by the check sleeve 83.
[0068]
A current collecting cap 86 is used in place of the current collecting cap 76 shown in FIG. The current collecting cap 86 is in electrical contact with the upper end portion of the cell tube 12. The current collecting cap 86 is formed to have a slightly larger diameter than the outer peripheral portion of the cell tube 12.
[0069]
The upper portion of the current collecting cap 86 positioned above the current collecting connector 57 is formed shorter than the current collecting cap 76 shown in FIG. A current collector connector pressing ring 58 is screwed to a screw portion carved on the upper outer peripheral portion of the current collecting cap 86. When screwed together, the upper surface of the current collecting connector retainer ring 58 and the upper surface of the current collecting cap 86 are generally on the same plane. The flange portion 85 of the check sleeve 83 is placed on the plane (the upper surface of the current collecting connector pressing ring 58 and the upper surface of the current collecting cap 86). The flange portion 85 is formed so as to substantially plug the inside of the cell tube 12 except for a slight gap between the inside of the check sleeve 83 and the outer peripheral portion of the fuel injection pipe 16.
[0070]
In the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment shown in FIG. 2 can be obtained.
[0071]
Next, with reference to FIG. 5 to FIG. 10, application modes of the cylindrical solid oxide fuel cell modules of the first to third embodiments will be described.
[0072]
FIG. 5 schematically shows the installation forms of the first to third embodiments described with reference to FIGS. 1, 3, and 4.
[0073]
As already described, the cell tube 12 installed in the power generation chamber 11 is supported by the lower tube plate 21, and the upper end of the cell tube 12 opens into the fuel discharge chamber 14. The fuel discharge chamber 14 is provided with a remaining fuel discharge pipe 8 for discharging the remaining fuel gas 22 to the outside. The fuel injection pipe 16 accommodated in the cell tube 12 is supported by the upper tube plate 20, the upper end of the fuel injection pipe 16 opens into the fuel supply chamber 13, and the fuel gas 23 from the fuel supply pipe 7 is supplied. . In FIG. 5, reference numeral 12 a is the unit cell film provided on the outer periphery of the cell tube 12.
[0074]
Further, reference numeral 100 denotes a backflow prevention structure including the check sleeve 61, the support ring 71 and the presser ring 72 shown in FIG. 1, and a backflow prevention structure including the cotton fiber 75 and the check sleeve 80 shown in FIG. FIG. 4 is a generic name of a backflow prevention structure including the check sleeve 83 shown in FIG. 4 (any backflow prevention structure may be used). In FIG. 5, a fuel discharge chamber 14 is provided below the fuel supply chamber 13 as in the structure of FIGS. 1, 3, and 4. A cell tube 12 having an opening at the top is suspended from the lower tube sheet 21.
[0075]
FIG. 6 shows a different installation form from FIG. In FIG. 6, the same components as those in FIG. 5 or 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0076]
As shown in FIG. 6, the cell tube 120 is composed of two cell tube components 121a and 121b. One cell tube constituting body 121a, 121b is a U-shaped tube. In the module main body 200, a fuel supply path 205 that communicates with the fuel supply pipe 7 and a remaining fuel discharge path 206 that communicates with the remaining fuel discharge pipe 8 are provided on the top plate 201.
[0077]
Between the top plate 201 and the lower tube plate 202, a first fuel supply chamber 213a, a second fuel supply chamber 213b, and a fuel discharge chamber 214 are provided. Of the first and second cell tube constituting bodies 121a and 121b constituting the cell tube 120, the first partition plate 221 provided between the inlet side and the outlet side of the first cell tube constituting body 121a One fuel supply chamber 213a is formed. A fuel discharge chamber 214 is formed by the second partition plate 222 provided between the inlet side and the outlet side of the second cell tube constituting body 121b. A second fuel supply chamber 213 b is formed between the first partition plate 221 and the second partition plate 222.
[0078]
The first and second cell tube constituting bodies 121 a and 121 b are supported by the lower tube sheet 202. In the structure of FIG. 6, unlike FIG. 5, the fuel injection pipe 16 and the upper tube sheet 20 are not used.
[0079]
The fuel gas 23 supplied from the fuel supply pipe 7 is introduced into the first fuel supply chamber 213a via the fuel supply path 205, and the first cell tube constituent body from the inlet side of the first cell tube constituent body 121a. It is supplied to the inside of 121a and used for power generation by the single cell membrane provided in the first cell tube constituting body 121a. The fuel gas 23 used for the power generation is supplied from the outlet side of the first cell tube constituting body 121a through the second fuel supply chamber 213b to the second cell tube from the inlet side of the second cell tube constituting body 121b. It is supplied into the structure 121b. The remaining fuel gas 22 after being used for power generation inside the second cell tube constituting body 121 b is discharged from the remaining fuel discharge pipe 8 through the fuel discharge chamber 214 via the remaining fuel discharge path 206.
[0080]
A backflow prevention structure 100 is provided at a support portion where the first and second cell tube constituting bodies 121 a and 121 b are supported with respect to the lower tube sheet 202. Since the first fuel supply chamber 213a, the second fuel supply chamber 213b, and the fuel discharge chamber 214 are higher than the power generation chamber 11 by the differential pressure Δp≈ + 50 to +100 mmAq, the cell tubes 121a and 121b are damaged. This is because sometimes the fuel gas 23 or the remaining fuel gas 22 may flow from the first fuel supply chamber 213a, the second fuel supply chamber 213b, and the fuel discharge chamber 214 to the power generation chamber 11.
[0081]
FIG. 7 shows an inverted installation form unlike FIG. 5 and FIG. 6. In FIG. 7, the same components as those in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0082]
A cell tube 12 is installed in a power generation chamber 11 provided above the first tube plate 102, and the cell tube 12 is supported by the first tube plate 102. The opening of the cell tube 12 located below the cell tube 12 faces the fuel discharge chamber 14 provided between the first tube plate 102 and the second tube plate 103, and the fuel discharge chamber 14 and the cell tube 12. The backflow prevention structure 100 is provided between the inside and the inside. In the fuel discharge chamber 14, a remaining fuel discharge pipe 8 for discharging the remaining fuel gas 22 to the outside extends downward.
[0083]
A fuel supply chamber 13 is provided between the second tube plate 103 and the third tube plate 104. Below the fuel supply chamber 13, a fuel supply pipe 7 for introducing the fuel gas 23 into the fuel supply chamber 13 is provided. The fuel injection pipe 16 accommodated inside the cell tube 12 is supported by the second tube plate 103. An opening of the fuel injection pipe 16 provided in the lower part of the fuel injection pipe 16 faces the fuel supply chamber 13, and the fuel gas 23 supplied from the fuel supply pipe 7 to the fuel supply chamber 13 is inside the fuel injection pipe 16. To be introduced.
[0084]
FIG. 8 shows a bottom support type installation form, unlike FIGS. 5 and 6. In FIG. 8, the same components as those in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0085]
The structure of FIG. 8 is different from the structures of FIGS. 5 and 6 in that the lower part of the cell tube 12 is directly supported (bottom support) on the tube plate or the partition plate 3. The cell tube 12 is loosely sealed so as not to be mechanically restrained with respect to the lower tube sheet 21. As shown in FIG. 8, the backflow prevention structure 100 is provided between the fuel discharge chamber 14 and the inside of the cell tube 12.
[0086]
FIG. 9 is different from FIG. 5 and FIG. 6 in that it shows an installation form of a suspended divided header type. 9, the same components as those in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0087]
A fuel supply chamber 13 is provided above the first tube plate 105, and a fuel supply pipe 7 is provided above the fuel supply chamber 13. A fuel discharge chamber 14 is provided below the second tube plate 106, and a remaining fuel discharge pipe 8 is provided below the fuel discharge chamber 14. A power generation chamber 11 is provided between the first tube plate 105 and the second tube plate 106.
[0088]
The upper portion of the cell tube 12 is supported by the first tube plate 105, and the fuel gas 23 in the fuel supply chamber 13 is introduced from the upper opening thereof. The lower part of the cell tube 12 is supported by the second tube plate 106. The remaining fuel gas 22 after being supplied to the power generation by the single cell membrane 12a located in the power generation chamber 11 is discharged from the remaining fuel discharge pipe 8 through the fuel discharge chamber 14 from the lower opening of the cell tube 12 to the outside. .
[0089]
5 and 6, the cell tube 12 is formed in a bottomless cylindrical shape, a fuel supply chamber 13 is provided on the upper opening side, and a fuel discharge chamber 14 is provided on the lower opening side. It has been. Since the fuel gas 23 is introduced from the upper opening of the cell tube 12 and the remaining fuel gas 22 after being used for power generation is led out from the lower opening of the cell tube 12, the gas moves only in a single direction. The fuel injection pipe 16 is not used. Therefore, there is no problem of mechanical restraint between the fuel injection pipe 16 and the cell tube 12.
[0090]
The backflow prevention structure 100 is provided on both the upper opening side and the lower opening side of the cell tube 12. As described above, since the fuel supply chamber 13 and the fuel discharge chamber 14 are higher than the power generation chamber 11 by the differential pressure Δp≈ + 50 to +100 mmAq, when the cell tube 12 is damaged, the fuel supply chamber 13 and the fuel discharge chamber 14 are discharged. This is because the fuel gas 23 or the remaining fuel gas 22 may flow from each of the chambers 14 to the power generation chamber 11.
[0091]
Since both end portions of the cell tube 12 are supported by the first tube plate 105 and the second tube plate 106, the cell tube is affected by the difference in thermal expansion or bending between the first tube plate 105 and the second tube plate 106. 12 may be damaged. Therefore, the backflow prevention structure 100 that is a support form that is not mechanically constrained is employed.
[0092]
Unlike FIG. 5 and FIG. 6, FIG. 10 shows an installation form of a horizontally divided header type. 10, the same components as those in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0093]
The structure of FIG. 10 is different from the structure of FIG. 9 in that the cell tube 12 is provided in the horizontal direction, and the fuel supply chamber 13 and the fuel discharge chamber 14 are provided on both end sides thereof. Similar to the structure of FIG. 9, the backflow prevention structure 100 is provided on both ends of the cell tube 12. The space between the first tube plate 107 forming the fuel supply chamber 13 and the cell tube 12 is loosely sealed. Similarly, the space between the second tube plate 108 forming the fuel discharge chamber 14 and the cell tube 12 is loosely sealed.
[0094]
Each cylindrical solid oxide fuel cell module in the above embodiment has, for example, a power generation level of several tens of kW class.
[0095]
In addition, the single cell membrane of the cell tube 12 of each cylindrical solid electrolyte fuel cell module in the above embodiment is formed on the base tube in the order of the fuel electrode, the electrolyte, and the air electrode, and the fuel gas passes through the base tube. However, instead of this configuration, the air electrode, the electrolyte, and the fuel electrode are formed in this order on the base tube, and the air 24 is formed in the base tube. The fuel gas 23 can be configured to flow and flow outside the base tube. In that case, air 24 is supplied to the fuel injection pipe 16 in place of the fuel gas 23, air remaining after the fuel cell reaction is introduced to the fuel discharge chamber 14, and the power generation chamber 11 is supplied to the power generation chamber 11. A fuel gas 23 is supplied instead of the air 24.
[0096]
【Effect of the invention】
According to the solid oxide fuel cell module of the present invention, there is no possibility that gas flows from the higher pressure gas storage chamber to the power generation chamber side.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the effect of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a side view showing a cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side view showing a cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a side view showing an installation form of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to the first to third embodiments of the present invention.
FIG. 6 is a side view showing another installation form of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to the first to third embodiments of the present invention.
FIG. 7 is a side view showing still another installation form of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to the first to third embodiments of the present invention.
FIG. 8 is a side view showing still another installation form of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to the first to third embodiments of the present invention.
FIG. 9 is a side view showing still another installation form of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to the first to third embodiments of the present invention.
FIG. 10 is a side view showing still another installation form of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module according to the first to third embodiments of the present invention.
FIG. 11 is a side view showing a conventional cylindrical solid electrolyte fuel cell module.
FIG. 12 is a side view showing another conventional cylindrical solid electrolyte fuel cell module and showing the conventional problems.
FIG. 13 is a side view showing a current collecting cap and the structure in the vicinity thereof in a conventional cylindrical solid electrolyte fuel cell module.
[Explanation of symbols]
8 Remaining fuel discharge pipe
12 cell tubes
12a cell membrane
14 Fuel discharge chamber
16 Fuel injection pipe
16f Flange
20 Upper tube sheet
21 Lower tube sheet
22 Remaining fuel gas
40 holes
41 Large diameter part
42 Small diameter part
43 Support base
44 Upper presser ring
50 holes
51 Large diameter part
52 Small diameter part
53 Support base
54 Seal ring
55 Lower presser ring
56 Current collecting cap
57 Current collector connector
58 Current collector connector presser ring
61 Check sleeve
62 Current collecting cap
63 Large diameter wall
64 Seal member
65 Minimum diameter
66 Small diameter part
67 Large diameter part
71 Support ring
72 Presser ring
75 Cotton fiber
76 Current collecting cap
77 Large diameter wall
78 Small diameter part
79 Large diameter part
80 Check sleeve
81 Flange
83 Check sleeve
84 pores
85 Flange
86 Current collecting cap
87 Large diameter wall
100 Backflow prevention structure
d1 clearance
d2 clearance
d3 clearance
d4 clearance
d5 clearance

Claims

An upper tube sheet,
A lower tube sheet,
A fuel supply chamber formed above the upper tube sheet;
A fuel discharge chamber formed between the upper tube sheet and the lower tube sheet;
A power generation chamber formed below the lower tube sheet;
A bottomed cylindrical cell tube having an upper end supported by the lower tube sheet, a lower end located in the power generation chamber, and an opening located in the fuel discharge chamber at the upper end ,
A fuel injection pipe having an upper end supported by the upper tube plate and inserted through the cell tube; the upper end opened to the fuel supply chamber; and a lower end opened to the inside of the cell tube;
A gas extending from the vicinity of the opening of the cell tube along the fuel injection pipe to the vicinity of the upper tube plate in the fuel discharge chamber, and a gas between the fuel discharge chamber and the inside of the cell tube. the flow suppressing portion narrowing the flow path
A solid oxide fuel cell module comprising:

2. The solid oxide fuel cell module according to claim 1, wherein the flow suppressing portion has a sleeve shape that forms a gap with an outer peripheral surface of the fuel injection pipe.

3. The solid oxide fuel cell module according to claim 2, wherein an inner diameter of the flow suppressing portion is smaller on the cell tube side than on an end portion on the upper tube sheet side.

The flow suppression unit is
An upper region formed in a mortar shape so that the inner diameter gradually decreases from the end on the upper tube sheet side toward the cell tube side;
A lower region having a uniform inner diameter adjacent to the upper region and having pores communicating the inside and the outside of the flow restricting portion;
The solid oxide fuel cell module according to claim 2, characterized by comprising:

3. The solid oxide fuel cell module according to claim 1, wherein the flow suppression unit includes cotton-like fibers provided on an outer peripheral surface of the fuel injection pipe.

A first tube sheet;
A second tube sheet;
A fuel supply chamber formed on one surface side of the first tube sheet;
A fuel discharge chamber formed on one surface side of the second tube sheet;
A power generation chamber formed between the other surface side of the first tube sheet and the second other surface side;
One end is supported by the first tube plate, the other end is supported by the second tube plate, and a fuel supply chamber side opening located in the fuel supply chamber is provided at the one end. A cell tube having a fuel discharge chamber side opening located in the fuel discharge chamber at the other end;
The cell tube is provided so as to extend from the vicinity of the fuel supply chamber opening of the cell tube to the vicinity of the wall portion of the fuel supply chamber opposite to the first tube plate. A fuel supply chamber side flow suppression unit that narrows the gas flow path between
The fuel tube is provided so as to extend from the vicinity of the fuel discharge chamber opening of the cell tube to the vicinity of the wall of the fuel discharge chamber opposite to the second tube plate. A flow restrictor on the fuel discharge chamber side that narrows the gas flow path between the
A solid oxide fuel cell module comprising: