固体氧化物型燃料电池装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固体氧化物型燃料电池装置，尤其涉及在收容多个燃料电池单电池的模块箱体的外部设置有蒸发器的固体氧化物型燃料电池装置。
【背景技术】
[0002]固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell:以下也称为“SOFC”)装置是将氧化物离子导电性固体电解质用作电解质，在其两侧安装电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧供给氧化剂气体(空气、氧等)，并在较高的温度下进行动作的燃料电池。
[0003]在日本国特开2012-221659号公报(专利文献1)中，记载有单电池燃烧器方式的固体氧化物型燃料电池装置，其在模块箱体内配置有多个燃料电池单电池，并在这些多个燃料电池单电池的上方使未被利用于发电而剩余的燃料气体(剩余气体)燃烧，以便利用燃烧热加热模块箱体内的重整器。尤其，在专利文献1所记载的固体氧化物型燃料电池装置中，从如下观点出发，即抑制因生成向重整器供给的水蒸气的蒸发器(汽化器)夺走大量的周围的热量而引起的起动工序中的模块内温度的升温性能的恶化、燃料电池模块的温度不均(热不均)等观点，而将蒸发器设置在模块箱体外部的绝热材料内。
[0004]专利文献1:日本国特开2012-221659号公报
[0005]在此，以往是利用燃烧剩余气体后的排放气体来使氧化剂气体升温，具体而言，是使用换热器(空气换热器)在排放气体和换热器内的氧化剂气体之间进行热交换来使氧化剂气体升温，并通过将该氧化剂气体供给到燃料电池单电池来实现在起动时等的固体氧化物型燃料电池装置的运行温度的上升。在所述的专利文献1所记载的固体氧化物型燃料电池装置中，将换热器设置在排放气体的流动方向上蒸发器的下游侧，也就是说，将蒸发器中进行热交换后的排放气体供给到换热器，并在该排放气体和氧化剂气体之间进行热交换。
[0006]但是，在将换热器设置在蒸发器的下游侧的专利文献1所记载的构成中，由于在上游侧的蒸发器中夺走了大量的排放气体的热，因此下游侧的换热器中的热交换性(热的回收性能)降低，从而不能在换热器中使氧化剂气体适当地升温。因此，不能迅速地提高在起动时等的固体氧化物型燃料电池装置的运行温度，从而导致在起动时的升温上花费时间。此外，在试图加快起动时的升温时，需要更多地导入热量自足用的剩余气体等，则存在有提高固体氧化物型燃料电池装置的运行成本的倾向。
【发明内容】
[0007]因而，本发明所要解决的技术问题是，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，并同时提高换热器中的热交换性以便使其在起动时有效地升温，且能够降低发电时的运行成本(提高发电效率)的固体氧化物型燃料电池装置。
[0008]为了达到所述目的，本发明提供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，收容多个燃料电池单电池；绝热材料，被设置为覆盖模块箱体的周围；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，将燃料气体供给到多个燃料电池单电池；重整器，被配置在模块箱体内，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燃料气体供给通路；燃烧部，使在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重整器；排气通路，其为从模块箱体应该排出的排放气体所流经的排气通路，排气通路其周围的至少一部分被绝热材料覆盖；换热器，其被供给氧化剂气体，且被设置于排气通路，以便在该氧化剂气体和流经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氧化剂气体供给通路，且被配置为其周围的至少一部分被绝热材料覆盖；蒸发器，其被供给水，且被设置于排气通路，以便在该水和流经排气通路内的排放气体即刚刚在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重整器，蒸发器被配置在绝热材料内且在模块箱体的外部。
在如此构成的本发明中，因为将蒸发器设置在模块箱体的外部的绝热材料内，所以能够解除如上所述的在将蒸发器配置在模块箱体的内部时可能发生的燃料电池单电池的温度不均(热不均)。此外，在这样将蒸发器设置在模块箱体的外部的情况下，因为与将蒸发器设置在模块箱体的内部的情况相比，能够较高地维持模块箱体内的排放气体的温度，所以通过将该较高温度的排放气体供给到换热器，从而能够使换热器中的热交换性提高。因此，根据本发明能够向燃料电池单电池供给用换热器适当地升温后的氧化剂气体，从而能够实现迅速地进行固体氧化物型燃料电池装置的起动时的升温、及降低发电时的运行成本(提尚发电效率)。
尤其在本发明中，因为将换热器设置于排放气体的流动方向的与蒸发器相比更靠上游侦h从而将用蒸发器热交换前的排放气体供给到换热器，所以与将换热器设置在比蒸发器更靠下游侧的构成(例如专利文献1所记载的构成)相比，能够将高温的排放气体供给到换热器。因此，根据本发明，能够在换热器中使氧化剂气体更加有效地升温，并能够在起动时使固体氧化物型燃料电池装置更高地升温。并且，在本发明中，由于在排放气体的流动方向上将蒸发器配置在换热器的正下方，且将蒸发器设置在绝热材料内，因此，在换热器和蒸发器之间不进行排放气体的无用的热交换，也因此能够适当地确保蒸发器中的水的蒸发性會K。
由此，根据本发明，即使是排气温度低的起动工序，也能够确保稳定的氧化剂气体的升温性能(换言之是系统的升温性能)及水的蒸发性能。
[0009]在本发明中，优选在位于模块箱体一侧的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蒸发器的混合部供给到重整器，混合气体供给管以通过蒸发器的排气通路部内的方式延伸。
在如上所述地将蒸发器设置在模块箱体的外部时，可能产生在从蒸发器向重整器供给混合气体的过程中混合气体的温度降低(此时，也存在混合气体中的水蒸气进行液化可能性)，导致重整器的温度下降且重整性能降低这样的问题，但根据如此构成的本发明，因为使连通模块箱体的外部的蒸发器和模块箱体的内部的重整器的混合气体供给管流经蒸发器的排气通路部内，由于流经该排气通路部内的排放气体流过混合气体供给管的一部分的周围，所以能够利用排放气体使混合气体供给管内的混合气体升温。因此，根据本发明，能够将升温后的混合气体供给到重整器，并能够解除上述这样的将蒸发器设置在模块箱体的外部时的问题。具体而言，能够抑制供给到重整器的混合气体的温度降低，尤其是能够抑制混合气体中的水蒸气的液化，并能够确保重整器中的重整性能。
[0010]在本发明中，优选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。
在如此构成的本发明中，因为构成为使混合气体供给管通过蒸发器的排气通路部的上游侧的部分，并使在蒸发器的蒸发部中未被用于热交换的排放气体流过混合气体供给管的一部分的周围，所以能够利用排放气体使混合气体供给管内的混合气体有效地升温。因此，能够更有效地抑制供给到重整器的混合气体的温度降低，尤其是能够切实地抑制混合气体中的水蒸气的液化。
[0011]在本发明中，优选在位于模块箱体侧的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换热器的上层形成有氧化剂气体所流经的氧化剂气体通路部，换热器和蒸发器在水平方向上被并排配置，换热器的排气通路部及蒸发器的排气通路部是分别沿水平方向形成。
在如此构成的本发明中，因为在水平方向上并排配置换热器和蒸发器，同时又在换热器及蒸发器的各自的下层沿水平方向形成有排气通路部，所以能够使绝热材料的配置结构及排放气体的处理最优化，并抑制无用的热交换。因而，在能够使固体氧化物型燃料电池装置小型化的同时，能够有效地使用排放气体的热量在换热器及蒸发器中进行热交换。
[0012]在本发明中，优选具有换热器和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换热器的排气通路部及蒸发器的排气通路部双方，并且固定有换热器的氧化剂气体通路部和蒸发器的蒸发部及混合部，以便覆盖箱体的开放部。
在如此构成的本发明中，因为使用换热器和蒸发器一体形成的热交换模块，并利用具有上部开放的大致U字截面形状的箱体构成了换热器的排气通路部及蒸发器的排气通路部，所以能够利用一个箱体制作换热器及蒸发器的各自的排气通路部，从而可实现固体氧化物型燃料电池装置的小型化及低成本化。此外，因为以覆盖该热交换模块的箱体的开放部的方式对换热器的氧化剂气体通路部和蒸发器的蒸发部及混合部进行了固定，所以能够简化换热器的氧化剂气体通路部和蒸发器的蒸发部及混合部的支撑，从而可实现进一步的小型化及低成本化。
[0013]在本发明中，优选重整器在模块箱体内被配置在水平方向上，排气通路被设置在比重整器更靠上方，换热器被配置在比重整器更靠上方，蒸发器被配置在比重整器更靠上方，且还具有以在上下方向上横穿绝热材料及模块箱体内的方式延伸，连结蒸发器和重整器，从蒸发器向重整器供给水蒸气的气体供给管，蒸发器被配置为，与在重整器的来自气体供给管的水蒸气所流入的入口侧相对应的模块箱体上方的位置上。
在如此构成的本发明中，因为将蒸发器设置在模块箱体的外部，所以能够更高地维持模块箱体内的排放气体的温度，并能够通过将该高温的排放气体供给到换热器，而使换热器中的热交换性提高。因此，能够向燃料电池单电池供给用换热器适当地升温后的氧化剂气体，并能够稳定地且迅速地进行固体氧化物型燃料电池装置的起动时的升温。但是，在这样地将蒸发器设置在模块箱体的外部时，如上所述，在从蒸发器向重整器供给水蒸气的过程中水蒸气的温度降低，因低温的水蒸气而重整器的温度下降，导致重整器的重整性能降低。在最坏的情况下，存在有水蒸气在蒸发器和重整器之间液化，且液化后的水被供给到重整器，导致重整器劣化的可能性。因此，本发明应用了可解决这样的问题的构成。
具体而言，在本发明中，将蒸发器配置在模块箱体上方的绝热材料内且与向重整器供给水蒸气的入口(气体供给口)侧相对应，并且利用在上下方向上横穿绝热材料及模块箱体内的气体供给管连结了蒸发器和重整器的入口。由此，能够通过使蒸发器和重整器的入口的位置关系最优化这样的简单的构成来使气体供给管最短，并能够解决将上述这样的蒸发器设置在模块箱体的外部时的问题。具体而言，根据本发明，因为气体供给管是以经过最短路径的方式构成的，所以能够抑制从气体供给管向重整器供给的水蒸气的温度降低，尤其是能够抑制在气体供给管通过中水蒸气的液化，从而能够确保重整器中的重整性能。
并且，在本发明中，因为将上述的气体供给管构成为横穿模块箱体内，即因为将气体供给管构成为在与重整器连接的过程中使其在模块箱体内通过，所以能够利用模块箱体内的排放气体加热气体供给管内的水蒸气，从而能够将升温后的水蒸气供给到重整器。因而，根据本发明，即使是将蒸发器设置在模块箱体的外部的构成，也能够通过简单的构成实现重整器中的高重整性能。
[0014]在本发明中，优选在与重整器的水平方向上的一侧端侧相对应的模块箱体的位置上，形成有与排气通路连通且使排放气体向该排气通路流出的排气口，在重整器的水平方向上的另一侧端侧的位置上，形成有与气体供给管连通且来自该气体供给管的水蒸气向重整器内流入的气体供给口，在排气口的上方配置有换热器，且在气体供给口的上方配置有蒸发器，蒸发器被设置于排气通路，以便与在换热器中热交换后的排放气体之间进行热交换。
根据如此构成的本发明，因为将排气口形成在与重整器上设置有气体供给口一侧的相反侧相对应的模块箱体的顶板上的位置上，且将换热器配置在该排气口的上方，由于模块箱体内的排放气体以最短距离被供给到换热器，所以在能够向换热器供给高温的排放气体的同时，仅通过配置排气口及换热器的措施，就能够加长换热器的在氧化剂气体和排放气体之间进行热交换的距离。因而，根据本发明，通过简单的构成，即使是起动工序中的热量小的排放气体，也能够使氧化剂气体适当地升温。因而，在能够缩短起动时的升温时间的同时，能够实现稳定起动。并且，根据本发明，由于将蒸发器配置在换热器的下游侧且重整器的入口(气体供给口)侧，因此能够抑制换热器和蒸发器之间的无用的热交换，并确保蒸发器中的稳定的蒸发性能。
[0015]在本发明中，优选在蒸发器上，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换热器更近一侧的位置上，并使水蒸气和原燃料气体混合，蒸发器的混合部连接有气体供给管，使水蒸气和原燃料气体的混合气体向气体供给管流出的出口被配置为，在上下方向上与重整器的气体供给口相对应，气体供给管沿垂直方向被配置为，在上下方向上横穿模块箱体内。 根据如此构成的本发明，因为将蒸发器的混合部配置在排放气体的流动方向的上游侦h并介由气体供给管将混合气体从该混合部供给到重整器，所以能够在下游侧的蒸发部中的未被用于汽化的较高温度的排放气体和在混合部的温度容易提高的处于气体状态的混合气体之间进行热交换，从而能够在混合部中使混合气体适当地升温。因而，能够有效地使重整器的重整性能稳定化。此外，在这样的构成中，因为使气体供给管通过更短的最短路径，所以能够有效地抑制混合气体的温度降低。
[0016]在本发明中，优选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，向比蒸发器的蒸发部及混合部的底面更上方突出。
在如上所述将蒸发器设置在模块箱体的外部时，存在有蒸发器中的汽化性能降低，导致因为汽化延迟而引起水在气体供给管中落下并被供给到重整器从而产生混合不良的危险，但根据本发明，由于将气体供给管的上游侧的端部设置为向比蒸发器的蒸发部及混合部的底面更上方突出，因此通过配设气体供给管的措施，用简单的构成就能够抑制水在气体供给管内落下并被供给到重整器。
[0017]在本发明中，优选气体供给管在位于模块箱体内的部分上，具备吸收热膨胀差的热膨胀吸收部。
如上所述，当将蒸发器设置在模块箱体外，且将重整器设置在模块箱体内，并通过横穿模块箱体内的气体供给管将它们连结时，则存在有因较大的温度差，而在气体供给管上施加有因膨胀差而产生的应力，从而导致劣化的危险，但根据本发明，因为在气体供给管的位于模块箱体内的部分上设置有热膨胀吸收部，所以能够适当地抑制这样的因大的温度差而导致的气体供给管的劣化。
[0018]在本发明中，优选在重整器上，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，气体供给管被配置为，在重整器的贯通孔内通过并与重整器的气体供给口连接。
根据如此构成的本发明，因为将气体供给管配置为在重整器上设置的贯通孔内通过，所以在能够使气体供给管成为更短的最短路径的同时，能够利用排放气体有效地加热模块箱体内的气体供给管内的混合气体。
[0019]在本发明中，优选重整器在模块箱体内被配置在水平方向上，排气通路被设置在比重整器更靠上方，换热器被配置在比重整器更靠上方，蒸发器被配置在比重整器更靠上方，在蒸发器上，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绝热材料及模块箱体内的方式延伸，连结蒸发器的混合部和重整器，从蒸发器的混合部向重整器供给混合气体的混合气体供给管，在重整器上，形成有:预热部，被设置在从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预热部更靠下游侧，并填充有重整催化剂。
在如此构成的本发明中，因为将蒸发器设置在模块箱体的外部，所以能够更高地维持模块箱体内的排放气体的温度，并能够通过将该高温的排放气体供给到换热器来使换热器中的热交换性提高。因此，能够向燃料电池单电池供给以换热器适当地升温后的氧化剂气体，从而能够稳定地且迅速地进行固体氧化物型燃料电池装置的起动时的升温。但是，在这样地将蒸发器设置在模块箱体的外部的情况下，如上所述存在有在从蒸发器向重整器供给水蒸气的过程中水蒸气的温度降低，因低温的水蒸气而重整器的温度下降，从而导致重整器的重整性能降低的情况。在最坏的情况下，存在有水蒸气在蒸发器和重整器之间液化且液化后的水被供给到重整器而导致重整器劣化的可能性。因此，本发明应用了可解决这样的问题的构成。
具体而言，在本发明中，将连通蒸发器和重整器的混合气体供给管构成为横穿模块箱体内，即构成为在将混合气体供给管与重整器连接过程中使其在模块箱体内通过，从而利用模块箱体内的排放气体加热混合气体供给管内的混合气体。在此之外，在本发明中，将预热部设置在重整器中的混合气体的流动方向的重整部的上游侧，从而利用模块箱体内的排放气体加热重整器的预热部内的混合气体。根据这样的本发明，能够在混合气体供给管及重整器的预热部中使向重整器的重整部供给的混合气体切实地升温到适当的温度(此时，当然不会导致水蒸气的液化)，从而能够有效地使重整部中的重整性能稳定化。
并且，根据本发明，能够在使混合气体流过蒸发器的混合部、一端与该混合部连接的细长的混合气体供给管、连接该混合气体供给管的另一端的重整器的预热部的过程中，提高向重整器的重整部供给的混合气体的混合性。
[0020]在本发明中，优选重整器的预热部被配置在，多个燃料电池单电池的上端的正上方且在暴露于通过燃烧部而产生的燃烧热及排放气体的位置上，且还具有设置于模块箱体内，使通过燃烧部而产生的排放气体的气流指向重整器的预热部的排放气体指向单元。
根据如此构成的本发明，因为将重整器的预热部配置在多个燃料电池单电池的上端的正上方且在暴露于通过燃烧部产生的燃烧热及排放气体的位置上，所以能够在重整器的预热部中使混合气体适当地升温，并能够解除上述的在将蒸发器设置在模块箱体的外部时的问题。尤其，根据本发明，因为利用排放气体指向单元，积极地使燃烧部中生成的排放气体指向重整器的预热部，所以即使利用起动工序中的热量小的排放气体，也能够使向重整器的重整部供给的混合气体切实地升温，且迅速地使重整部中的重整性能稳定化。
[0021]在本发明中，优选在比重整器更靠上方的模块箱体上的位置上，形成有与排气通路连通，且使排放气体向该排气通路流出的排气口，且构成为，通过排放气体指向单元，指向重整器的预热部的排放气体在与该预热部相