内向水平方向流动，并从在模块箱体8的顶板8a上形成的排气口 111流出。在排放气体在第2排气通路172内向水平方向流动时，介由设置于第2排气通路172内的偏置翅片172a、及与该偏置翅片172a相对应而在发电用空气供给通路177内设置的偏置翅片177c，在流过发电用空气供给通路177的发电用空气和流过第2排气通路172的排放气体之间进行有效的热交换，从而发电用空气利用排放气体的热而被升温。
[0134]而且，从排气口 111流出的排放气体在流经设置于模块箱体8的外部的第1排气通路171之后，流过与第1排气通路171连接的蒸发器125的排气通路部125c，从与蒸发器125的下游端侧连接的排放气体排出管82(参照图17)排出。排放气体在流过蒸发器125的排气通路部125c时，如上所述，与蒸发器125的混合部125b内的混合气体及蒸发器125的蒸发部125a内的水进行热交换。
[0135]接下来，对本发明的第2实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的作用效果进行说明。
[0136]根据本实施方式，因为夹着模块箱体8而对发电用空气供给通路177和第2排气通路172进行并设，具体而言，因为在模块箱体8的外部形成有发电用空气供给通路177，并且在模块箱体8的中形成有第2排气通路172 (参照图16)，所以可实现燃料电池模块2X的小型化及低成本化。对此进行具体的说明。在现有的固体氧化物型燃料电池装置中，是朝向上方的重整器从排气口排出排放气体，而在使处于上方的排放气体向下方流动的过程中进行空气热交换的。这种情况下，存在有由于因空气而温度被很大地降低后的排放气体流过燃料电池单电池的下侧，而导致燃料电池单电池的下侧变成低温(即在燃料电池单电池的上下方向上产生温度梯度)，从而导致燃料电池单电池劣化的可能性。在现有的固体氧化物型燃料电池装置中，为了防止此类问题，或是将排放气体及发电用空气所流过的通路与燃料电池单电池隔开一定程度的距离而设置，或是在排放气体及发电用空气所流过的通路和燃料电池单电池之间局部设置绝热材料。因此，使模块箱体变得大型化。此外，局部设置有绝热材料的部位上的热的反射特性发生改变，导致给燃料电池单电池带来不良影响。
对此，在本实施方式中，因为在模块箱体8内且在比燃料电池单电池集合体12更靠上方设置有第2排气通路172，以便使用该第2排气通路172进行空气热交换，即在比燃料电池单电池集合体12更靠上方的模块箱体8内的位置上进行空气热交换，此外，使燃料电池单电池集合体12的侧方形成使排放气体不向下方流动，所以能够抑制燃料电池单电池集合体12的上下方向的热梯度。此时，根据本实施方式，由于不需要像上述的现有的技术那样，或是将排放气体及发电用空气所流过的通路与燃料电池单电池集合体12隔开一定程度的距离而设置，或是在排放气体及发电用空气所流过的通路和燃料电池单电池集合体12之间设置绝热材料，因此能够抑制向燃料电池单电池集合体12的热影响，而不使燃料电池模块2X大型化及高成本化。
由于这样的原因，根据本实施方式，能够使燃料电池模块2X小型化及低成本化。具体而言，根据本实施方式，由于可以不用考虑对燃料电池单电池集合体12的热影响而使燃料电池单电池集合体12和模块箱体8离开，从而能够将燃料电池单电池集合体12和模块箱体8临近配置，因此能够使燃料电池模块2X小型化。
在此，在本实施方式中，由于只在燃料电池单电池集合体12上方的发电用空气供给通路177及第2排气通路172中进行空气热交换，因此热交换距离有变短的趋势(换言之，热交换面积有变小的趋势)，从而难以使发电用空气升温。对此应该进行处理，在本实施方式中，为了更高地维持进行空气热交换的模块箱体8内的排放气体的温度，而将蒸发器125设置在模块箱体8的外部(此时，当然是利用由蒸发器125进行热交换前的排放气体进行空气热交换)。通过这样，能够更高地维持进行空气热交换的模块箱体8内的排放气体的温度，即使热交换距离短，也可以使发电用空气充分地升温。
此外，根据本实施方式，因为不仅使模块箱体8的室内热和发电用空气进行自然的热交换，而且在燃料电池单电池集合体12上方形成有第2排气通路172从而在不给燃料电池单电池集合体12带来影响的环境下使空气热交换积极地进行，所以能够切实地实现稳定的空气热交换，而不被排气流动等影响。并且，根据本实施方式，通过上述这样的构成，能够用少的排放气体的热量使发电用空气升温(即容易热量自足)，此外，用于使系统升温的发电用空气的量也可以减少。
[0137]此外，根据本实施方式，因为将作为热交换促进部件的偏置翅片177c、177d设置在与燃料电池单电池集合体12相比更靠上方的发电用空气供给通路177内的位置上(参照图16)，所以能够提高利用排放气体发电用空气的升温性能。由此，虽然发电用空气供给通路177流经燃料电池单电池集合体12的侧方(参照图16)，但能够在发电用空气流过燃料电池单电池集合体12的侧方之前使发电用空气充分地升温，通过简单的构成，就能够抑制燃料电池单电池集合体12的下侧变成低温。
[0138]此外，根据本实施方式，因为在重整器120的外侧面和模块箱体8的内侧面之间还形成有第3排气通路173，所以能够使排放气体不仅与发电用空气而且还与重整器120进行热交换，通过简单的构成就能够实现重整器120及发电用空气的双方的升温。
[0139]此外，根据本实施方式，因为通过在重整器120的重整部120c和模块箱体8的顶板8a之间设置的遮蔽板120g，而在该遮蔽板120g的上方形成了排放气体几乎不流动的气体积存处203，所以在排放气体从第2排气通路172的排放气体导入口 172b导入之前，能够抑制排放气体的热通过模块箱体8的顶板8a等而被夺走。由此，能够更高地维持导入到第2排气通路172的排放气体的温度，即能够将高温的排放气体导入到第2排气通路172，即使是短的热交换距离也能够实现对发电用空气的高升温性能。
此外，根据本实施方式，因为在上述的遮蔽板120g的下方且重整部120c的上方形成有排气引导室201，所以能够利用引导到该排气引导室201的排放气体从上方加热重整部120c。此时，因为重整部120c的上方的遮蔽板120g发挥作为反射板的功能，所以能够进一步给重整部120c带来通过遮蔽板120g而产生的輻射热，从而能够使重整部120c有效地升温。此外，因为遮蔽板120g的上方的气体积存处203发挥作为绝热层的功能，所以能够适当地维持重整部120c的温度。
[0140]此外，根据本实施方式，因为设置有使流经第3排气通路173的排放气体指向排气引导室201的排气导向板205，所以能够抑制排放气体从第3排气通路173立即向第2排气通路172流入，并使在第3排气通路173内通过中的排放气体适当地流过重整部120c的上面，从而能够利用该排放气体从上方有效地加热重整部120c。此时，因为在排气引导室201的上部设置有遮蔽板120g，所以不会导致排放气体流过顶板8a侧。
[0141]接下来，对本发明的第2实施方式的变形例进行说明。
[0142]参照图21对本发明的第2实施方式的变形例的遮蔽板进行说明。图21是表示本发明的第2实施方式的变形例的应用有遮蔽板的燃料电池模块的一部分的示意剖视图。
如图21所示，虽然本变形例的遮蔽板120j被设置在与上述的遮蔽板120g(图16及图18参照)相同的位置上，但边缘部具有向上方向倾斜的倾斜部120k。该遮蔽板120j的倾斜部120k相当于第2排气导向部，且如图21中的箭头所示，使排放气体指向为流入到第2排气通路172的排放气体导入口 172b。在本变形例中，第2排气通路172不仅在水平方向上延伸，而且还在水平方向上延伸的前端向下方向延伸，并且排放气体导入口 172b位于与该第2排气通路172的水平部相比更下方。此外，在本变形例中，遮蔽板120j下方且预热部120b及重整部120c的上方的空间也形成排气引导室201，而遮蔽板120j上方且第2排气通路172的下方的空间则也形成气体积存处203。
根据这样的变形例，通过在遮蔽板120j上设置的倾斜部120k能够有效地引导排放气体，以便排放气体从排放气体导入口 172b向第2排气通路172流入。因此，能够将维持在高温的排放气体导入到第2排气通路172，从而提高第2排气通路172内的排放气体和发电用空气供给通路177内的发电用空气的热交换性。此外，因为不另外使用用于引导排放气体的部件，所以能够实现燃料电池模块2X的小型化。
[0143]接下来，参照图22对本发明的第2实施方式的变形例的重整器进行说明。图22是本发明的第2实施方式的变形例的重整器的剖视立体图。图22是沿着与图18(A)的XVIIIC-XVIIIC线相同的切断线的剖视图。
如图22所示，本变形例的重整器120X在与上述的重整部120c的凹部120d(参照图18)相对应的部分上，形成有将该重整器120X(具体而言是形成有重整部120c的部分)以在上下方向上贯通的方式延伸，使下方的燃烧室18中生成的排放气体流过的贯通孔120m。在该贯通孔120m中，配置有混合气体供给管162的预热部162a。在这样的具有贯通孔120m的重整器120X中，排放气体不仅是在重整器120的预热部120b及重整部120c的外侧面和模块箱体8的内侧面之间流过，而且也流过重整器120X的贯通孔120m，从下方向上方流动。
此外，本变形例的重整器120X在顶板120f和遮蔽板120g之间还设置有中央部(面对贯通孔120m的部分)向下方凹进的遮蔽板120η。在还设置有这样的遮蔽板120η时，遮蔽板120η和顶板120f之间的空间形成排气引导室201，遮蔽板120η和遮蔽板120g之间的空间则形成气体积存处204，遮蔽板120g和平板120h之间的空间则形成气体积存处203。也就是说，形成有二个气体积存处203、204，换言之，形成有二个绝热层。
[0144]另外，虽然在图22所示的变形例中，在重整器120X上只设置了一个贯通孔120m，但在其他的实施方式中，在重整器120X上也可以设置二个以上与贯通孔120m相同的贯通孔。此时，可以将混合气体供给管162设置在二个以上的贯通孔的任意一个贯通孔内。此外，进一步在其他的实施方式中，也可以用板等将重整器120X的贯通孔120m的上部堵塞而形成凹部。
【主权项】
1.一种固体氧化物型燃料电池装置，在利用燃料气体和氧化剂气体的反应来进行发电的固体氧化物型燃料电池装置中，其特征在于，具有: 相互电连接的多个燃料电池单电池； 模块箱体，收容所述多个燃料电池单电池； 绝热材料，被设置为覆盖所述模块箱体的周围； 氧化剂气体供给通路，将氧化剂气体供给到所述多个燃料电池单电池； 燃料气体供给通路，将燃料气体供给到所述多个燃料电池单电池； 重整器，被配置在所述模块箱体内，利用水蒸气对原燃料气体进行重整从而生成燃料气体，并将该燃料气体供给到所述燃料气体供给通路； 燃烧部，使在所述多个燃料电池单电池中在发电中未被利用而剩余的燃料气体燃烧，以便利用燃烧热加热所述重整器； 排气通路，其为从所述模块箱体应该排出的排放气体所流经的排气通路，所述排气通路其周围的至少一部分被所述绝热材料覆盖； 换热器，其被供给氧化剂气体，且被设置于所述排气通路，以便在该氧化剂气体和流经所述排气通路内的排放气体之间进行热交换，并将热交换后的氧化剂气体供给到所述氧化剂气体供给通路，所述换热器被配置为其周围的至少一部分被所述绝热材料覆盖； 蒸发器，其被供给水，且被设置于所述排气通路，以便在该水和流经所述排气通路内的排放气体即刚刚在所述换热器中热交换之后的排放气体之间进行热交换，利用热交换来使水蒸发从而生成水蒸气，并将该水蒸气供给到所述重整器，所述蒸发器被配置在所述绝热材料内且在所述模块箱体的外部。2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，在位于所述模块箱体一侧的所述蒸发器的下层形成有构成所述排气通路的一部分且排放气体所流经的排气通路部，并在位于该排气通路部的上部的所述蒸发器的上层形成有:蒸发部，使水蒸发从而生成水蒸气；及混合部，使该水蒸气和原燃料气体混合， 且还具有混合气体供给管，其将水蒸气和原燃料气体的混合气体从所述蒸发器的混合部供给到所述重整器，所述混合气体供给管以通过所述蒸发器的排气通路部内的方式延伸。3.根据权利要求2所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，所述混合气体供给管构成为，在所述蒸发器的排气通路部中，通过排放气体的流动方向的上游侧的部分。4.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，在位于所述模块箱体侧的所述换热器的下层形成有构成所述排气通路的一部分且排放气体所流经的排气通路部，并在位于该排气通路部的上部的所述换热器的上层形成有所述氧化剂气体所流经的氧化剂气体通路部， 所述换热器和所述蒸发器在水平方向上被并排配置， 所述换热器的排气通路部及所述蒸发器的排气通路部分别沿水平方向形成。5.根据权利要求4所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，具有所述换热器和所述蒸发器一体形成的热交换模块， 该热交换模块的上部具有开放的大致U字截面形状，并通过在水平方向上延伸的箱体构成所述换热器的排气通路部及所述蒸发器的排气通路部双方，并且固定有所述换热器的氧化剂气体通路部和所述蒸发器的蒸发部及混合部，以便覆盖所述箱体的开放部。6.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，所述重整器在所述模块箱体内被配置在水平方向上，所述排气通路被设置在比所述重整器更靠上方，所述换热器被配置在比所述重整器更靠上方，所述蒸发器被配置在比所述重整器更靠上方， 且还具有以在上下方向上横穿所述绝热材料及所述模块箱体内的方式延伸，连结所述蒸发器和所述重整器，从所述蒸发器向所述重整器供给水蒸气的气体供给管， 所述蒸发器被配置为，与在所述重整器的来自所述气体供给管的水蒸气所流入的入口侧相对应的所述模块箱体上方的位置上。7.根据权利要求6所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，在与所述重整器的水平方向上的一侧端侧相对应的所述模块箱体的位置上，形成有与所述排气通路连通且使排放气体向该排气通路流出的排气口， 在所述重整器的水平方向上的另一侧端侧的位置上，形成有与所述气体供给管连通且来自该气体供给管的水蒸气向所述重整器内流入的气体供给口， 在所述排气口的上方配置有所述换热器，且在所述气体供给口的上方配置有所述蒸发器， 所述蒸发器被设置于所述排气通路，以便与在所述换热器中热交换后的排放气体之间进行热交换。8.根据权利要求7所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，在所述蒸发器上形成有:蒸发部，使水蒸发从而生成水蒸气；及混合部，被设置在比该蒸发部更靠排放气体的流动方向的上游侧的位置上，且在与蒸发部相比离所述换热器更近一侧的位置上，并使水蒸气和原燃料气体混合， 所述蒸发器的混合部连接有所述气体供给管，使水蒸气和原燃料气体的混合气体向所述气体供给管流出的出口被配置为，在上下方向上与所述重整器的气体供给口相对应， 所述气体供给管沿垂直方向被配置为，在上下方向上横穿所述模块箱体内。9.根据权利要求8所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，所述气体供给管的混合气体的流动方向的上游侧的端部被设置为，向比所述蒸发器的蒸发部及混合部的底面更上方突出。10.根据权利要求8所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，所述气体供给管在位于所述模块箱体内的部分上，具备吸收热膨胀差的热膨胀吸收部。11.根据权利要求8所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，在所述重整器上，形成有以在上下方向上贯通该重整器的方式延伸，且使排放气体通过的贯通孔， 所述气体供给管被配置为，在所述重整器的贯通孔内通过并与所述重整器的气体供给口连接。12.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，所述重整器在所述模块箱体内被配置在水平方向上，所述排气通路被设置在比所述重整器更靠上方，所述换热器被配置在比所述重整器更靠上方，所述蒸发器被配置在比所述重整器更靠上方， 在所述蒸发器上，形成有:蒸发部，使水蒸发从而生成水蒸气；及混合部，使该水蒸气和原燃料气体混合， 且还具有以在上下方向上横穿所述绝热材料及所述模块箱体内的方式延伸，连结所述蒸发器的混合部和所述重整器，从所述蒸发器的混合部向所述重整器供给混合气体的混合气体供给管， 在所述重整器上，形成有:预热部，被设置在从所述混合气体供给管混合气体所流入的入口侧，对该流入的混合气体进行预热；及重整部，被设置在混合气体的流动方向的比所述预热部更靠下游侧，并填充有重整催化剂。13.根据权利要求12所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，所述重整器的预热部被配置在所述多个燃料电池单电池的上端的正上方且在暴露于通过所述燃烧部而产生的燃烧热及排放气体的位置上， 且还具有设置于所述模块箱体内，且使通过所述燃烧部而产生的排放气体的气流指向所述重整器的预热部的排放气体指向单元。14.根据权利要求13所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，在比所述重整器更靠上方的所述模块箱体上的位置上，形成有与所述排气通路连通，且使排放气体向该排气通路流出的排气口， 且构成为，通过所述排放气体指向单元，指向所述重整器的预热部的排放气体在与该预热部相撞后返回而指向所述排气口。15.根据权利要求14所述的固体氧化物型燃料电池装置，其特征在于，在所述混合气体供给管上也设置有对在其内部流经的混合气体进行预热的预热部。
【专利摘要】本发明提供一种在能够解除燃料电池模块的温度不均的同时，确保蒸发器中的水的蒸发性能，并且提高换热器中的热交换性，从而实现起动时的有效的升温的固体氧化物型燃料电池装置。具体而言，固体氧化物型燃料电池装置具有：多个燃料电池单电池单元；模块箱体，收容多个燃料电池单电池单元；绝热材料，被设置为覆盖模块箱体的周围；重整器，利用水蒸气对原燃料气体进行重整从而生成燃料气体；燃烧室，使残余的燃料气体燃烧从而加热重整器；换热器，在氧化剂气体和排放气体之间进行热交换；及蒸发器，被设置在绝热材料内且在模块箱体的外部，在刚刚在换热器中进行了热交换之后的排放气体和水之间进行热交换从而生成水蒸气。
【IPC分类】H01M8/04223, H01M8/04014, H01M8/12, H01M8/0606
【公开号】CN105390722
【申请号】CN201510541256
【发明人】赤木阳祐, 坪井文雄, 斋藤健, 松尾卓哉
【申请人】Toto株式会社
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年8月28日
【公告号】EP2991146A1, US20160064760