JP2018092907A - Fuel battery cell stack device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery stack device capable of being applied to miniaturization, suppressing an amount of water vapor in fuel gas discharged from a fuel battery cell on the primary side, and not lowering the power generation efficiency.SOLUTION: A fuel battery cell stack device 100 includes a cell group in which a first cell stack 10a and a second cell stack 10b each formed by juxtaposing two or more columnar fuel battery cells each having a gas flow path extending in the longitudinal direction therein are arranged in the horizontal direction, a first manifold 2a used to supply a fuel gas to each fuel battery cell 1a of the first cell stack 10a, and a second manifold 2a used to collect the fuel gas discharged from the first cell stack 10a and supply the collected fuel gas to the fuel battery cells 1b of the second cell stack 10b, and the number of the fuel battery cells 1b of the second cell stack 10b is larger than the number of the fuel battery cells 1a of the first cell stack 10a.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、燃料電池セルスタック装置に関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルスタック装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell stack device. In particular, the present invention relates to a fuel cell stack device of a solid oxide fuel cell device that generates power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming a raw material gas and an oxidant gas.

固体酸化物形燃料電池装置（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作する。   A solid oxide fuel cell device (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, and a fuel cell having electrodes attached to both sides thereof in a multi-module container. The fuel cell is arranged to supply a fuel gas to one electrode (fuel electrode) and supply an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other electrode (air electrode) to generate power by a power generation reaction. It is a device for extracting electric power, and operates at a relatively high temperature of, for example, about 700 to 1000 ° C. with respect to other fuel cell devices such as a polymer electrolyte fuel cell device.

このような固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルとして、特許文献１に記載の扁平円筒型セル、特許文献２に記載の円筒型単セルや、特許文献３に記載の円筒横縞型などが知られている。   As a fuel cell used for such a solid oxide fuel cell device, a flat cylindrical cell described in Patent Document 1, a cylindrical single cell described in Patent Document 2, a cylindrical horizontal stripe type described in Patent Document 3, and the like It has been known.

ところで、このような固体酸化物形燃料電池装置として、供給する燃料ガスの燃料電池セルにおける高い燃料利用率（Ｕｆ）と、高い発電効率が求められている。そこで燃料利用率及び発電効率の向上のため、特許文献４や特許文献５に記載のような燃料電池セル配列を２つのセル群に分割して燃料ガスのカスケード利用を促進した、二段構成のカスケード型燃料電池が提案されている。   By the way, as such a solid oxide fuel cell device, a high fuel utilization rate (Uf) in the fuel cell of the fuel gas to be supplied and a high power generation efficiency are required. Therefore, in order to improve the fuel utilization rate and the power generation efficiency, the fuel cell array as described in Patent Document 4 and Patent Document 5 is divided into two cell groups to promote the cascade use of fuel gas, which has a two-stage configuration. Cascade fuel cells have been proposed.

特開２０１５−０８２３８９号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-082389 特許５２３４５５４号公報Japanese Patent No. 5234554 特開平７−１３０３８５号公報JP-A-7-130385 特開２０１６−１００１３６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-1000013 特開２０１６−１００１３８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-1000013

しかし、このような二段構成のカスケード型燃料電池を従来の筒状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックおよび燃料電池装置に適用しようとすると、装置構成が複雑となり燃料電池装置の小型化が阻害されるなど、容易に構成することが難しい。   However, if such a cascaded fuel cell having a two-stage configuration is applied to a fuel cell stack and a fuel cell device using conventional cylindrical fuel cells, the device configuration becomes complicated and the fuel cell device is downsized. It is difficult to construct easily because it is hindered.

特に、１次側の燃料電池セルの本数を、２次側の燃料電池セルのセル本数以上にすると発電反応中に生成される水蒸気量が多くなる。このため、２次側の燃料電池セルから排出されるオフガス中の水蒸気量が増加し、２次側の燃料電池セルにおける燃焼効率が低下する。さらに、１次側の燃料電池セルの本数が、２次側の燃料電池セルの本数よりも多い場合には、２次側の燃料電池セルは少ない本数で発電を行わなければならず、発電効率が低下する。   In particular, when the number of primary fuel cells is greater than or equal to the number of secondary fuel cells, the amount of water vapor generated during the power generation reaction increases. For this reason, the amount of water vapor in the off-gas discharged from the secondary fuel cell increases, and the combustion efficiency in the secondary fuel cell decreases. Furthermore, when the number of primary side fuel cells is larger than the number of secondary side fuel cells, the secondary side fuel cells must generate power with a small number, and the power generation efficiency Decreases.

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、装置の煩雑化を抑制し小型化にも適用できる簡易な構成で、柱状の燃料電池セルを用いた二段構成のカスケード型の燃料電池スタック装置を提供することを目的としている。特に、１次側の燃料電池セルから排出される燃料ガス中の水蒸気量を抑え、発電効率が低下することがない燃料電池スタック装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and has a simple configuration that can be applied to miniaturization while suppressing complication of the apparatus, and has a two-stage cascade type fuel cell using columnar fuel cells. The object is to provide a stacking device. In particular, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack device in which the amount of water vapor in the fuel gas discharged from the primary side fuel cell is suppressed and the power generation efficiency does not decrease.

本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第１のセルスタック及び第２のセルスタックが水平方向に並べて配置されたセル群と、第１のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第１のマニホールドと、第１のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、第２のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに回収した燃料ガスを供給するための第２のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、第２のセルスタックの燃料電池セルの個数は、第１のセルスタックの燃料電池セルの個数よりも多いことを特徴とする。   In the fuel cell stack device of the present invention, a first cell stack and a second cell stack formed by juxtaposing a plurality of columnar fuel cells having gas passages extending in the longitudinal direction are arranged in a horizontal direction. And a first manifold for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack, a fuel gas discharged from the first cell stack, and a second And a second manifold for supplying the recovered fuel gas to each fuel cell of the cell stack, wherein the number of fuel cells in the second cell stack is More than the number of fuel cells in one cell stack.

上記構成の本発明によれば、第１のセルスタックで使用された燃料ガスが第２のセルスタックに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。またセルの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池スタックを提供することができる。   According to the present invention having the above configuration, the fuel gas used in the first cell stack flows into the second cell stack and is further consumed, so that the fuel utilization rate can be increased. In addition, fuel gas can be consumed in two stages without greatly changing the cell arrangement, so that a fuel cell stack with high power generation efficiency and easy manufacture can be provided.

上記構成の本発明によれば、第１のセルスタックの燃料電池セルの本数を少なくすることにより、第１のセルスタックで発生する水蒸気量を抑えることができる。さらに、第２のセルスタックの燃料電池セルの本数を多くすることにより、第２のセルスタック内を流れる燃料ガスの流速を下げることができ、燃焼性を確保することができる。   According to the present invention configured as described above, the amount of water vapor generated in the first cell stack can be suppressed by reducing the number of fuel cells in the first cell stack. Furthermore, by increasing the number of fuel cells in the second cell stack, the flow rate of the fuel gas flowing in the second cell stack can be reduced, and combustibility can be ensured.

本発明において、好ましくは、第１のセルスタック及び第２のセルスタックは、それぞれ複数の燃料電池セルが一列に配列されて構成されており、第１のセルスタック及び第２のセルスタックは、複数の燃料電池セルの配列方向が平行になるように配置されている。   In the present invention, preferably, each of the first cell stack and the second cell stack includes a plurality of fuel cells arranged in a line, and the first cell stack and the second cell stack are: It arrange | positions so that the sequence direction of a some fuel cell may become parallel.

上記構成の本発明によれば、第１のセルスタックの燃料電池セルから排出された燃料ガスを最短距離で均等に第２のセルスタックの燃料電池セルに供給することができ、第２のマニホールドを小型化できる。また、第１のセルスタックの燃料電池セルの熱により、第２のセルスタックの燃料電池セルを加熱することができる。   According to the present invention configured as described above, the fuel gas discharged from the fuel cells of the first cell stack can be uniformly supplied to the fuel cells of the second cell stack at the shortest distance, and the second manifold Can be miniaturized. In addition, the fuel cell of the second cell stack can be heated by the heat of the fuel cell of the first cell stack.

本発明において、好ましくは、第１のセルスタックの配列方向の一端部は、第２のセルスタックの配列方向の一端部と、配列方向にそろっている。
上記構成の本発明によれば、第１のセルスタック及び第２のセルスタックの端部に取り付けられる集電部材として、共通の部材を用いることができる。 In the present invention, preferably, one end of the first cell stack in the arrangement direction is aligned with one end of the second cell stack in the arrangement direction.
According to the present invention having the above configuration, a common member can be used as a current collecting member attached to the end portions of the first cell stack and the second cell stack.

本発明において、好ましくは、第１のセルスタックの配列方向の一端部と、第２のセルスタックの配列方向の一端部とは、第１のセルスタック及び第２のセルスタックの外部への電力取り出し用の集電部材が取り付けられた側において、配列方向にそろっている。   In the present invention, it is preferable that the one end portion in the arrangement direction of the first cell stack and the one end portion in the arrangement direction of the second cell stack have power to the outside of the first cell stack and the second cell stack. On the side where the current collecting member for taking out is attached, it is aligned in the arrangement direction.

上記構成の本発明によれば、第１のセルスタック及び第２のセルスタックの端部に取り付けられ、外部に電力を取り出す集電部材として、共通の部材を用いることができる。   According to the present invention having the above-described configuration, a common member can be used as a current collecting member that is attached to the ends of the first cell stack and the second cell stack and extracts electric power to the outside.

本発明において、好ましくは、第１のセルスタックの配列方向の他端部側において、第２のセルスタックの配列方向の他端部に相当する位置と、第１のセルスタックの配列方向の他端部との間には断熱材が設けられている。
上記構成の本発明によれば、第１のセルスタックの温度低下を防止することができる。 In the present invention, preferably, on the other end side in the arrangement direction of the first cell stack, a position corresponding to the other end portion in the arrangement direction of the second cell stack, and the other arrangement direction of the first cell stack. A heat insulating material is provided between the end portions.
According to the present invention configured as described above, it is possible to prevent a temperature drop of the first cell stack.

本発明によれば、装置の煩雑化を抑制し小型化にも適用できる簡易な構成で、柱状の燃料電池セルを用いた二段構成のカスケード型の燃料電池スタック装置を提供することができる。特に、１次側の燃料電池セルから排出される燃料ガス中の水蒸気量を抑え、発電効率が低下することがない燃料電池スタック装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cascade type fuel cell stack apparatus of the 2 step | paragraph structure using the column-shaped fuel cell can be provided by the simple structure which can suppress the complexity of an apparatus and can be applied also to size reduction. In particular, it is possible to provide a fuel cell stack device in which the amount of water vapor in the fuel gas discharged from the primary side fuel cell is suppressed and the power generation efficiency does not decrease.

本発明の燃料電池スタックの基本構成を説明するための側面図である。It is a side view for demonstrating the basic composition of the fuel cell stack of this invention. 本発明の燃料電池スタックの燃料消費を説明する図である。It is a figure explaining the fuel consumption of the fuel cell stack of this invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た斜視図である。It is the perspective view seen from the 1st cell stack side which shows the fuel cell stack apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第２のセルスタック側から見た斜視図である。It is the perspective view seen from the 2nd cell stack side which shows the fuel cell stack apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た側面図である。It is the side view seen from the 1st cell stack side which shows the fuel cell stack device by a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第２のセルスタック側から見た側面図である。It is the side view seen from the 2nd cell stack side which shows the fuel cell stack apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の上面図である。1 is a top view of a fuel cell stack device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を構成する第１のセルスタックの部分水平断面図である。1 is a partial horizontal cross-sectional view of a first cell stack constituting a fuel cell stack device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の鉛直断面図である。1 is a vertical sectional view of a fuel cell stack device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のマニホールドの鉛直断面図である。It is a vertical sectional view of the first manifold of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のセルスタックの燃料電池セルの下端と第２のマニホールドの接続部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the connection part of the lower end of the fuel cell of the 1st cell stack of the fuel cell stack device by a 1st embodiment of the present invention, and the 2nd manifold. 本発明の第２実施形態による燃料電池セルを示す図である。It is a figure which shows the fuel battery cell by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態による燃料電池セルを示す図である。It is a figure which shows the fuel battery cell by 2nd Embodiment of this invention.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。   Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. From the following description, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the following description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

まず、本発明の基本構成について説明する。図１は本発明の燃料電池スタック１００の基本構成を説明するための側面図である。図１に示すように、燃料電池スタック１００は、ガス流路が内部に設けられた複数の柱状のセル１と、マニホールド２ｂと、マニホールド２ａとから構成される。セル１は、一端側（図１においては下端側）を一つのマニホールド２ｂにすべて立設して支持固定されている。ここで複数のセル１は、他端側（図１においては上端側）にマニホールド２ａが設置され、このマニホールド２ａに固定されるセル群１０aと、マニホールド２ａとは接続されずに他端側が開放されているセル群１０ｂとに分かれて構成される。複数のセル１は、電気的に直列になるようにそれぞれが接続されている（図示せず）。   First, the basic configuration of the present invention will be described. FIG. 1 is a side view for explaining a basic configuration of a fuel cell stack 100 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 100 includes a plurality of columnar cells 1 having gas flow paths provided therein, a manifold 2b, and a manifold 2a. The cell 1 is supported and fixed with one end side (the lower end side in FIG. 1) standing upright on one manifold 2b. Here, the plurality of cells 1 are provided with a manifold 2a on the other end side (the upper end side in FIG. 1), and the other end side is opened without being connected to the cell group 10a fixed to the manifold 2a. Divided into a cell group 10b. The plurality of cells 1 are connected to each other so as to be electrically in series (not shown).

マニホールド２ａの内部に燃料ガスが供給されると、セル群１０ａを他端側から一端側に燃料ガスが流通し、マニホールド２ｂ内へ流れ込んだ燃料ガスはマニホールド２ｂ内で分散され、セル群１０ｂの一端側から他端側に向かって流れた後に、セル群１０ｂの他端側から燃料電池スタック１００の外部へ排出される。   When the fuel gas is supplied to the inside of the manifold 2a, the fuel gas flows through the cell group 10a from the other end side to the one end side, and the fuel gas flowing into the manifold 2b is dispersed in the manifold 2b. After flowing from one end side toward the other end side, it is discharged from the other end side of the cell group 10b to the outside of the fuel cell stack 100.

ここで燃料の消費について、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を用いて説明する。
燃料ガスを図２（Ａ）に記載のように、セル群１０ａ及びセル群１０ｂとの二段階で消費させて発電する場合、マニホールド２ａに供給される改質ガスを含む燃料ガスを１００とし、セル群１０ａで消費される量を４０とすると、セル群１０ａは４０÷１００＝０．４と計算されるから燃料利用率（Ｕｆ）は４０％となる。さらに、セル群１０ａから排出される未使用の燃料ガスは６０であり、これがセル群１０ｂに供給される。セル群１０ｂで消費される量をセル群１０aと同じ４０とすると、セル群１０ｂにおける燃料利用率は、４０÷６０＝０．６６７・・・であるから、燃料利用率は約６７％となる。 Here, fuel consumption will be described with reference to FIGS. 2 (A) and 2 (B).
As shown in FIG. 2 (A), when the fuel gas is consumed in two stages of the cell group 10a and the cell group 10b to generate power, the fuel gas containing the reformed gas supplied to the manifold 2a is set to 100, Assuming that the amount consumed in the cell group 10a is 40, the fuel utilization rate (Uf) is 40% because the cell group 10a is calculated as 40 ÷ 100 = 0.4. Further, the unused fuel gas discharged from the cell group 10a is 60, which is supplied to the cell group 10b. If the amount consumed in the cell group 10b is 40, which is the same as that in the cell group 10a, the fuel utilization rate in the cell group 10b is 40 ÷ 60 = 0.667. .

これに対して二段階で発電しない場合、すなわち一段階で発電する場合は、同様に燃料を１００とし、セル群で消費される量を一段階で消費するので８０とすると、８０÷１００＝０．８と計算され、燃料利用率Ｕｆは８０％となる。   On the other hand, when power is not generated in two stages, that is, when power is generated in one stage, the fuel is set to 100, and the amount consumed in the cell group is consumed in one stage. .8 and the fuel utilization rate Uf is 80%.

燃料利用率が８０％以上になると、水蒸気分圧が高くなりすぎることでセルの起電力が低下してしまう。すなわち、ネルンストロスの影響を受けるので電位が低下傾向を示し、発電効率が下がってしまう。また燃料利用率が高くなりすぎると、セルの電極の酸化に対するリスクが高まり、セルの耐久性が悪化する。   When the fuel utilization rate is 80% or more, the electromotive force of the cell is lowered because the water vapor partial pressure becomes too high. That is, since it is affected by Nernstross, the potential tends to decrease and the power generation efficiency decreases. If the fuel utilization rate is too high, the risk of oxidation of the cell electrode increases, and the durability of the cell deteriorates.

以上の点から、複数のセルを二段階となるようにセル群１０ａ及びセル群１０ｂとで構成して発電反応させることにより、各セル群については燃料利用率を低く維持するとともに、燃料電池スタック全体としては燃料利用率（すなわち発電効率）を高くすることができる。   In view of the above, the fuel cell stack is maintained at a low level for each cell group by forming the plurality of cells with the cell group 10a and the cell group 10b so as to be in two stages, and the fuel cell stack is maintained. Overall, the fuel utilization rate (that is, power generation efficiency) can be increased.

なお本明細書において、燃料ガスのカスケード利用を実現するために二段構成に分離したセル群のうち上流側のセル群１０ａを、「１段目セル群」、「第１のセルスタック」、又は「１次側セル群」とよび、下流側のセル群１０ｂを「２段目セル群」、「第２のセルスタック」又は「２次側セル群」とよぶ場合があるが、いずれも同義である。   In this specification, the cell group 10a on the upstream side of the cell group separated into the two-stage configuration in order to realize the cascade use of the fuel gas is referred to as “first stage cell group”, “first cell stack”, Or, it is called “primary cell group”, and the downstream cell group 10b may be called “second stage cell group”, “second cell stack” or “secondary cell group”. It is synonymous.

以上のように、他端側のマニホールドから燃料ガスを流入させ、一端側のマニホールドで未使用ガスを集約し、開放側のセル群へ供給するとのセル群の二段構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。   As described above, the fuel gas is introduced from the manifold on the other end side, the unused gas is collected in the manifold on the one end side, and supplied to the cell group on the open side. The conventional fuel can be obtained by simply adjusting the number of cells on the upstream side and the downstream side without greatly restricting or hindering the cell arrangement, the series connection of cells, the flow of power generation air, etc. It is possible to provide a fuel cell stack with a high fuel utilization rate, in which the structure of the battery module can be applied as it is.

また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、１ｋｗ程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。   Further, by disposing a reformer and an evaporator in a combustion region where off gas discharged from the fuel cell stack is combusted, an arrangement configuration equivalent to that of a conventional fuel cell module can be applied. For this reason, it can respond to a small fuel cell device having an output performance of about 1 kw, and can provide a highly efficient and highly durable fuel cell system.

以下、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を説明する。図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第２のセルスタック側から見た斜視図である。図５は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た側面図である。図６は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第２のセルスタック側から見た側面図である。図７は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の上面図である。図８は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を構成する第１のセルスタックの部分水平断面図である。図９は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の鉛直断面図である。図１０は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のマニホールドの鉛直断面図である。図１１は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のセルスタックの燃料電池セルの下端と第２のマニホールドの接続部の拡大断面図である。なお、図４〜図６では仕切り板を省略している。   Hereinafter, a fuel cell stack device according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a perspective view of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the first cell stack side. FIG. 4 is a perspective view of the fuel cell stack apparatus according to the first embodiment of the present invention as viewed from the second cell stack side. FIG. 5 is a side view of the fuel cell stack apparatus according to the first embodiment of the present invention as viewed from the first cell stack side. FIG. 6 is a side view of the fuel cell stack apparatus according to the first embodiment of the present invention as viewed from the second cell stack side. FIG. 7 is a top view of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a partial horizontal sectional view of the first cell stack constituting the fuel cell stack apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 9 is a vertical sectional view of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 10 is a vertical sectional view of the first manifold of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of the connecting portion between the lower end of the fuel cell of the first cell stack and the second manifold of the fuel cell stack apparatus according to the first embodiment of the present invention. In addition, the partition plate is abbreviate | omitted in FIGS.

図３〜図９に示すように、燃料電池セルスタック装置１００は、第１のセルスタック１０ａと、複数の柱状の燃料電池セル１により構成された第２のセルスタック１０ｂと、第１のセルスタック１０ａの上方に設けられた第１のマニホールド２ａと、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの下方に設けられたマニホールド２ｂと、第２のセルスタック１０ｂの上方に設けられ、改質触媒が充填された改質部Ｂを有する改質器１２と、から構成される。改質器１２と第１のマニホールド２ａとは接続部１４を介して流体接続されている。また、第１のセルスタック１０ａと、第２のセルスタック１０ｂとの間には、仕切り板６０が設けられている。図９に示すように、燃料電池セルスタック装置１００は断熱材９０により包囲されている。断熱材９０の外周には内側ハウジング９２が設けられており、さらに、内側ハウジング９２の外周には外側ハウジング９４が取り付けらえている。内側ハウジング９２と断熱材９０との間には排ガス流路９６が形成されている。また、内側ハウジング９２と外側ハウジング９４との間には空気流路９８が形成されている。仕切り板６０の上端は内側ハウジング９２に接続されている。内側ハウジング９２の下面に排ガス流路９６と連通し、外側ハウジング９４の外部まで延びる排ガス排出孔９２ａが形成されている。また、外側ハウジング９４の下面には、空気流路９８と連通し、外側ハウジング９４の外部まで延びる空気流入孔（図示せず）が形成されている。   As shown in FIGS. 3 to 9, the fuel cell stack apparatus 100 includes a first cell stack 10 a, a second cell stack 10 b constituted by a plurality of columnar fuel cells 1, and a first cell. A first manifold 2a provided above the stack 10a, a manifold 2b provided below the first cell stack 10a and the second cell stack 10b, and a second cell stack 10b. And a reformer 12 having a reforming section B filled with a reforming catalyst. The reformer 12 and the first manifold 2 a are fluidly connected via a connection portion 14. A partition plate 60 is provided between the first cell stack 10a and the second cell stack 10b. As shown in FIG. 9, the fuel cell stack apparatus 100 is surrounded by a heat insulating material 90. An inner housing 92 is provided on the outer periphery of the heat insulating material 90, and an outer housing 94 is attached to the outer periphery of the inner housing 92. An exhaust gas flow path 96 is formed between the inner housing 92 and the heat insulating material 90. An air flow path 98 is formed between the inner housing 92 and the outer housing 94. The upper end of the partition plate 60 is connected to the inner housing 92. An exhaust gas discharge hole 92 a that communicates with the exhaust gas flow path 96 and extends to the outside of the outer housing 94 is formed on the lower surface of the inner housing 92. An air inflow hole (not shown) that communicates with the air flow path 98 and extends to the outside of the outer housing 94 is formed on the lower surface of the outer housing 94.

第１のセルスタック１０ａは、内部に軸方向に延びるガス流路が形成された複数の柱状の燃料電池セル１ａが水平方向（横方向）に一列に配列されてなる。また、第２のセルスタック１０ｂも、第１のセルスタック１０ａと同様に、内部に軸方向に延びるガス流路が形成された複数の柱状の燃料電池セル１ｂが水平方向（横方向）に一列に配列されてなる。   The first cell stack 10a includes a plurality of columnar fuel cells 1a each having a gas flow path extending in the axial direction and arranged in a row in the horizontal direction (lateral direction). Similarly to the first cell stack 10a, the second cell stack 10b includes a plurality of columnar fuel cells 1b each having a gas flow path extending in the axial direction and arranged in a row in the horizontal direction (lateral direction). It is arranged in.

第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの上端は、第１のマニホールド２ａに流体接続されている。また、第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの下端は、第２のマニホールド２ｂの短辺方向一側に流体接続されている。第２のセルスタック１０ｂを構成するそれぞれの燃料電池セル１ｂの下端は、第２のマニホールド２ｂの短辺方向他側に流体接続されている。第２のセルスタック１０ｂを構成するそれぞれの燃料電池セル１ｂの上端は開放されており、第２のセルスタック１０の上端と、改質器１２との間には、第２のセルスタック１０ｂから放出されたガスが燃焼される燃焼部１８が形成されている。   The upper ends of the respective fuel cells 1a constituting the first cell stack 10a are fluidly connected to the first manifold 2a. Further, the lower end of each fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a is fluidly connected to one side in the short side direction of the second manifold 2b. The lower end of each fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b is fluidly connected to the other side in the short side direction of the second manifold 2b. The upper ends of the respective fuel cells 1b constituting the second cell stack 10b are opened, and the second cell stack 10b is connected between the upper end of the second cell stack 10 and the reformer 12 from the second cell stack 10b. A combustion part 18 is formed in which the released gas is combusted.

改質器１２には、原料ガス及び水（又は水蒸気）が供給される。改質器１２は、燃焼部１８の熱により供給された燃料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する。改質器１２により改質された燃料ガスは、接続部１４を介して第１のマニホールド２ａに供給される。第１のマニホールド２ａに供給された燃料ガスは、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａに送られ、燃料電池セル１ａの内部流路に下方に向かって流れる。この際、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａにより発電がおこなわれる。   The reformer 12 is supplied with raw material gas and water (or steam). The reformer 12 reforms the fuel gas supplied by the heat of the combustion unit 18 into a fuel gas containing hydrogen. The fuel gas reformed by the reformer 12 is supplied to the first manifold 2 a via the connection portion 14. The fuel gas supplied to the first manifold 2a is sent to the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a, and flows downward into the internal flow path of the fuel cell 1a. At this time, power generation is performed by the fuel cell 1a of the first cell stack 10a.

第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａから排出された燃料ガスは、第２のマニホールド２ｂにより回収される。第２のマニホールド２ｂにより回収された燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの内部流路に供給され、内部流路を上方に向かって流れる。この際、第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂにより発電がおこなわれる。   The fuel gas discharged from the fuel cell 1a of the first cell stack 10a is recovered by the second manifold 2b. The fuel gas recovered by the second manifold 2b is supplied to the internal flow path of the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b and flows upward in the internal flow path. At this time, power generation is performed by the fuel cell 1b of the second cell stack 10b.

第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂを通過した燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂの上方の燃焼部１８に排出される。そして、燃焼部１８に排出された発電に使用されなかった燃料ガスは着火され燃焼される。なお、本実施形態では、セル群は１つの第１のセルスタック１０ａと、１つの第２のセルスタック１０ｂのみを含んで構成されている。しかしながら、第１のセルスタックを２つ以上設けてもよく、第２のセルスタックを２つ以上設けてもよく、第２のセルスタックの下流に第３のセルスタックを設けてもよい。   The fuel gas that has passed through the fuel cell 1b of the second cell stack 10b is discharged to the combustion section 18 above the second cell stack 10b. The fuel gas that has not been used for power generation discharged to the combustion section 18 is ignited and burned. In the present embodiment, the cell group includes only one first cell stack 10a and one second cell stack 10b. However, two or more first cell stacks may be provided, two or more second cell stacks may be provided, and a third cell stack may be provided downstream of the second cell stack.

図８に示すように、第１のセルスタック１０ａは、複数の燃料電池セル１ａが一列に間隔をあけて並置されており、隣接する燃料電池セル１ａの間に集電部材３０が配置されて構成されている。これにより、複数の燃料電池セル１ａは直列に電気的に接続されている。また、第１のセルスタック１０ａの最も外側に位置する燃料電池セル１ａに端部集電部材３０ａが接着されている。また、これと同様に、第２のセルスタック１０ｂの最も外側に位置する燃料電池セル１ｂに端部集電部材３０ｂが接着されている。燃料電池セルスタック装置１００の一方の側において、第１のセルスタック１０ａの端部集電部材３０ａは、第２のセルスタック１０ｂの端部集電部材３０ｂと連結集電部材３２を介して接続されている。これにより、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａと、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂとは直列接続される。そして、燃料電池セルスタック装置１００の他方の側の第１のセルスタック１０ａの端部集電部材３０ａと、第２のセルスタック１０ｂの端部集電部材３０ｂとから発電された電流が取り出される。なお、本実施形態では、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａと、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂとは直列接続されているが、並列接続とすることも可能である。   As shown in FIG. 8, in the first cell stack 10a, a plurality of fuel cells 1a are arranged in parallel at intervals, and a current collecting member 30 is disposed between adjacent fuel cells 1a. It is configured. Thereby, the some fuel cell 1a is electrically connected in series. Further, the end current collecting member 30a is bonded to the fuel cell 1a located on the outermost side of the first cell stack 10a. Similarly, the end current collecting member 30b is bonded to the fuel cell 1b located on the outermost side of the second cell stack 10b. On one side of the fuel cell stack device 100, the end current collecting member 30 a of the first cell stack 10 a is connected to the end current collecting member 30 b of the second cell stack 10 b via the connecting current collecting member 32. Has been. As a result, the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a and the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b are connected in series. Then, the electric power generated from the end current collecting member 30a of the first cell stack 10a on the other side of the fuel cell stack device 100 and the end current collecting member 30b of the second cell stack 10b is taken out. . In the present embodiment, the fuel cells 1a constituting the first cell stack 10a and the fuel cells 1b constituting the second cell stack 10b are connected in series, but may be connected in parallel. Is possible.

各燃料電池セル１ａの内部には、一端から他端へ貫通するガス流路が形成されている。
燃料電池セル１ａは、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板３４と、支持基板３４の一方の平坦面上に形成された燃料側電極層３６と、燃料側電極層３６の外面に形成された固体電解質層３８と、固体電解質層３８の外面に形成された空気側電極層４０と、からなる。また、燃料電池セル１ａの他方の平坦面上にはインターコネクタ４２が設けられている。 A gas flow path penetrating from one end to the other end is formed inside each fuel cell 1a.
The fuel cell 1a includes a pair of opposed flat conductive support substrates 34, a fuel-side electrode layer 36 formed on one flat surface of the support substrate 34, and an outer surface of the fuel-side electrode layer 36. And the air electrode layer 40 formed on the outer surface of the solid electrolyte layer 38. An interconnector 42 is provided on the other flat surface of the fuel cell 1a.

支持基板３４の内部には、軸方向に燃料ガスを流すためのガス流路３４Ａが両端部の間にわたって形成されている。インターコネクタ４２の外面にはＰ型半導体層４４が設けられている。インターコネクタ４２は、Ｐ型半導体層４４を介して、集電部材３０に接続させている。   Inside the support substrate 34, a gas flow path 34A for flowing fuel gas in the axial direction is formed between both ends. A P-type semiconductor layer 44 is provided on the outer surface of the interconnector 42. The interconnector 42 is connected to the current collecting member 30 via the P-type semiconductor layer 44.

燃料側電極層３６は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The fuel-side electrode layer 36 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, ceria doped with at least one selected from Ni and rare earth elements, A mixture of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe and Cu.

固体電解質層３８は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The solid electrolyte layer 38 includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg. , And at least one kind.

空気側電極層４０は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The air-side electrode layer 40 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni, and Cu, Sr, Fe, Ni, It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from Cu, silver, and the like.

支持基板３４としては、燃料ガスが燃料側電極層３６まで透過するようにガス透過性を有するように、開口率の高い導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。なお、支持基板３４の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。   As the support substrate 34, conductive ceramics, cermet, or the like having a high aperture ratio can be used so as to have gas permeability so that the fuel gas permeates to the fuel side electrode layer 36. In addition, the shape of the support substrate 34 should just be columnar shape, and may be cylindrical shape.

Ｐ型半導体層４４としては、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。   As the P-type semiconductor layer 44, for example, a P-type semiconductor ceramic made of at least one of LaMnO 3 -based oxide, LaFeO 3 -based oxide, LaCoO 3 -based oxide in which Mn, Fe, Co, etc. exist at the B site is used. Can do.

インターコネクタ１１は、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）等を用いることができる。   For the interconnector 11, a lanthanum chromite perovskite oxide (LaCrO3 oxide), a lanthanum strontium titanium perovskite oxide (LaSrTiO3 oxide), or the like can be used.

第１のセルスタック１０ａの構成と、第２のセルスタック１０ｂの構成は、燃料電池セルの数と、配列された横方向長さが異なるものの、その他の構成は同一である。図３〜図６に示すように、第１のセルスタック１０ａと、第２のセルスタック１０ｂとは、それぞれの燃料電池セル１ａ、１ｂの配列方向が平行になるように配置されている。図９に示すように、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの軸方向長さ（高さ）は、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの軸方向長さよりも長い。   The configuration of the first cell stack 10a and the configuration of the second cell stack 10b are the same except for the number of fuel cells and the arranged lateral length. As shown in FIGS. 3-6, the 1st cell stack 10a and the 2nd cell stack 10b are arrange | positioned so that the arrangement direction of each fuel cell 1a, 1b may become parallel. As shown in FIG. 9, the axial length (height) of the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a is larger than the axial length of the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b. long.

第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの数は、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの数よりも少ない。このため、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａの配列方向の長さ（横方向長さ）は、第２のセルスタック１０ｂの横方向長さよりも短い。なお、以下の説明では、この燃料電池セル１ａ、１ｂの配列方向を単に配列方向という。   The number of fuel cells 1a constituting the first cell stack 10a is smaller than the number of fuel cells 1b constituting the second cell stack 10b. For this reason, the length (lateral length) of the first cell stack 10a in the arrangement direction of the fuel cells 1a is shorter than the lateral length of the second cell stack 10b. In the following description, the arrangement direction of the fuel cells 1a and 1b is simply referred to as the arrangement direction.

第１のセルスタック１０ａの改質器１２の上流側（図３における右手前側）の配列方向一端部の位置と、第２のセルスタック１０ｂの改質器１２の上流側の配列方向一端部の位置とは、配列方向にそろっている。これに対して、第１のセルスタック１０ａの配列方向他端部の位置は、第２のセルスタック１０ｂの配列方向他端部の位置よりも配列方向内側に位置している。図５に示すように、第１のセルスタック１０ａの配列方向の他端部側において、第２のセルスタック１０ｂの配列方向の他端部に相当する位置と、第１のセルスタック１０ａの配列方向の他端部との間には断熱材４６が設けられている。   The position of one end portion in the arrangement direction on the upstream side (right front side in FIG. 3) of the reformer 12 of the first cell stack 10a and the one end portion in the arrangement direction on the upstream side of the reformer 12 in the second cell stack 10b. The positions are aligned in the arrangement direction. On the other hand, the position of the other end portion in the arrangement direction of the first cell stack 10a is located on the inner side in the arrangement direction than the position of the other end portion in the arrangement direction of the second cell stack 10b. As shown in FIG. 5, on the other end side in the arrangement direction of the first cell stack 10a, a position corresponding to the other end portion in the arrangement direction of the second cell stack 10b and the arrangement of the first cell stack 10a A heat insulating material 46 is provided between the other end in the direction.

第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの上方は開放されており、第２のセルスタック１０ｂの上方には燃焼部１８が形成されている。燃焼部１８では、発電に使用されなかった燃料ガスが燃焼される。   The upper part of the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b is opened, and the combustion part 18 is formed above the second cell stack 10b. In the combustion part 18, the fuel gas which was not used for electric power generation is combusted.

図３〜図７、図９に示すように、改質器１２は、蒸発部１２Ａと、改質部１２Ｂとを備える。改質器１２へは、外部から原料ガスと水又は水蒸気が供給管１３Ａ，１３Ｂを通じて供給される。蒸発部１２Ａは、燃焼部１８の燃焼熱により水を加熱して水蒸気を生じさせる。   As shown in FIGS. 3 to 7 and 9, the reformer 12 includes an evaporation unit 12 </ b> A and a reforming unit 12 </ b> B. A raw material gas and water or steam are supplied to the reformer 12 from the outside through supply pipes 13A and 13B. The evaporation unit 12A heats water with the combustion heat of the combustion unit 18 to generate water vapor.

改質部１２Ｂには、混合ガスを改質するための改質触媒が充填されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。改質部１２Ｂは、燃焼部１８の燃焼熱により供給された原料ガスを水蒸気により改質して、水素を含む燃料ガスに改質する。図７に示すように、改質部１２Ｂは、第１セルスタック１０ａの上方には位置せず、第２のセルスタック１０ｂの上方のみに位置している。さらには、本実施形態では、改質器１２全体が、第１セルスタック１０ａの上方には位置せず、第２のセルスタック１０ｂの上方のみに覆うようにして位置している（すなわち、蒸発部１２Ａや周囲のフランジ等も第２のセルスタック１０ｂの上方のみに位置している）。改質器１２は底面が水平になるように保持されている。改質器１２は、第１のマニホールド２ａ及び第２のマニホールド２ｂよりも上方に位置している。   The reforming unit 12B is filled with a reforming catalyst for reforming the mixed gas. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used. The reforming unit 12B reforms the raw material gas supplied by the combustion heat of the combustion unit 18 with steam to reform the fuel gas containing hydrogen. As shown in FIG. 7, the reforming unit 12B is not located above the first cell stack 10a, but only above the second cell stack 10b. Furthermore, in the present embodiment, the entire reformer 12 is not positioned above the first cell stack 10a but is positioned so as to cover only above the second cell stack 10b (that is, evaporation). The part 12A and the surrounding flange are also located only above the second cell stack 10b). The reformer 12 is held so that the bottom surface is horizontal. The reformer 12 is located above the first manifold 2a and the second manifold 2b.

図１０に示すように、第１のマニホールド２ａは、筐体２２と、枠体２４と、分配管２０とを備える。筐体２２は中空に構成されており、下端面に枠体２４の形状と略同形状の開口２２Ａが形成されている。第１のマニホールド２ａは筐体２２の底面が水平になるように保持されている。   As shown in FIG. 10, the first manifold 2 a includes a housing 22, a frame body 24, and a distribution pipe 20. The housing 22 is configured to be hollow, and an opening 22A having substantially the same shape as the shape of the frame body 24 is formed on the lower end surface. The first manifold 2a is held so that the bottom surface of the housing 22 is horizontal.

枠体２４には、第１セルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの断面形状と略同形状の複数の開口２４Ａが形成されている。第１セルスタック１０ａを構成する全ての燃料電池セル１ａの上端は、枠体２４に形成された開口２４Ａに接続されている。枠体２４は、筐体２２に形成された開口２２Ａに取り付けられている。なお、第１のマニホールド２ａの筐体２２と枠体２４との接続構造を含む第１のマニホールド２ａと燃料電池セル１ａの上端部との接続構造は、第２のマニホールド２ｂと燃料電池セル１ａの下端部の接続構造と同様であり、後に詳述する。   In the frame body 24, a plurality of openings 24A having substantially the same shape as the cross-sectional shape of the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a are formed. The upper ends of all the fuel cells 1a constituting the first cell stack 10a are connected to an opening 24A formed in the frame body 24. The frame body 24 is attached to an opening 22 </ b> A formed in the housing 22. The connection structure between the first manifold 2a including the connection structure between the casing 22 and the frame body 24 of the first manifold 2a and the upper end portion of the fuel cell 1a is the same as the second manifold 2b and the fuel cell 1a. This is the same as the connection structure of the lower end portion of the, and will be described in detail later.

分配管２０の上流端部は接続部１４に流体接続されており、改質された燃料ガスが供給される。分配管２０には、複数の開口２０Ａが長手方向に間をあけて形成されている。複数の開口２０Ａは、上流側ほど開口面積が大きくなっている。これにより、第１のマニホールド２ａの下流側端部まで燃料ガスが均等に分配され、第１セルスタック１０ａを構成する各燃料電池セル１ａに均等に燃料ガスが供給される。すなわち、分配管２０は、第１の燃料電池セル１ａに均等に燃料ガスを供給するための分配機構として機能する。なお、分配機構としては、本実施形態の構成に限らず、例えば、第１のマニホールド２ａ内に、内部流路を塞ぐように複数の仕切り板を設け、これら複数の仕切り板に先端に向かって大きくなるような開口を設ける構成なども採用できる。   The upstream end portion of the distribution pipe 20 is fluidly connected to the connection portion 14 and supplied with the reformed fuel gas. A plurality of openings 20 </ b> A are formed in the distribution pipe 20 at intervals in the longitudinal direction. The plurality of openings 20A have larger opening areas toward the upstream side. As a result, the fuel gas is evenly distributed to the downstream end of the first manifold 2a, and the fuel gas is evenly supplied to each fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a. That is, the distribution pipe 20 functions as a distribution mechanism for supplying fuel gas evenly to the first fuel cells 1a. The distribution mechanism is not limited to the configuration of the present embodiment. For example, a plurality of partition plates are provided in the first manifold 2a so as to block the internal flow path, and the plurality of partition plates are directed toward the tip. A configuration in which a large opening is provided can be employed.

接続部１４は、改質器１２及び第１のマニホールド２ａと継ぎ目なく一体に構成されており、互いの内部流路が流体接続されている。また、接続部１４は改質器１２から第１のマニホールド２ａに向かって下方に向かって傾斜するような湾曲形状を有している。   The connecting portion 14 is configured integrally with the reformer 12 and the first manifold 2a, and the internal flow paths are fluidly connected to each other. The connecting portion 14 has a curved shape that is inclined downward from the reformer 12 toward the first manifold 2a.

図９に示すように、第２のマニホールド２ｂは、筐体５０と、第１の枠体５２と、第２の枠体５４とを備える。筐体５０は、下方筐体５０ａと上方筐体５０ｂとが接続されてなり、内部に空間が形成されている。上方筐体５０ｂには、幅方向両側に長手方向に延びるように第１の開口５０ｃと、第２の開口５０ｄとが幅方向に並ぶように平行に形成されている。また、上方筐体５０ｂの幅方向中央には、長手方向に延びるように下方に向けて突出する突部５０ｅが形成されている。筐体５０の第１の開口５０ｃには、第１の枠体５２が取り付けられており、第２の開口５０ｄには第２の枠体５４が取り付けられている。   As shown in FIG. 9, the second manifold 2 b includes a housing 50, a first frame body 52, and a second frame body 54. The casing 50 is formed by connecting a lower casing 50a and an upper casing 50b, and a space is formed therein. In the upper casing 50b, a first opening 50c and a second opening 50d are formed in parallel so as to be aligned in the width direction so as to extend in the longitudinal direction on both sides in the width direction. In addition, a protrusion 50e that protrudes downward is formed at the center in the width direction of the upper housing 50b so as to extend in the longitudinal direction. A first frame 52 is attached to the first opening 50c of the housing 50, and a second frame 54 is attached to the second opening 50d.

第１の枠体５２には、第１セルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの断面形状と略同形状の複数の開口５２ａが形成されている。第１セルスタック１０ａを構成する複数の燃料電池セル１ａの下端は、第１の枠体５２に形成された開口５２ａに接続されている。また、第２の枠体５４には、第２セルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの断面形状と略同形状の複数の開口５４ａが形成されている。第２セルスタック１０ｂを構成する複数の燃料電池セル１ｂの下端は、第２の枠体５４に形成された開口５４ａに接続されている。   In the first frame 52, a plurality of openings 52a having substantially the same shape as the cross-sectional shape of the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a are formed. Lower ends of the plurality of fuel cells 1 a constituting the first cell stack 10 a are connected to an opening 52 a formed in the first frame body 52. The second frame 54 is formed with a plurality of openings 54a having substantially the same shape as the cross-sectional shape of the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b. Lower ends of the plurality of fuel cells 1b constituting the second cell stack 10b are connected to an opening 54a formed in the second frame 54.

図１１に示すように、第２のマニホールド２ｂには応力吸収機構５２ｂが形成されている。応力吸収機構５２ｂは、第２のマニホールド２ｂを形成する部材のうちの、第１セルスタック１０ａを構成する複数の燃料電池セル１ａが接続される部材である第１の枠体５２に形成されている。応力吸収機構５２ｂは、第１の枠体５２の燃料電池セル１ａが接続される開口５２ａの周囲に形成されている。応力吸収機構５２ｂは、第１の枠体５２の開口５２ａの周囲の部位が蛇腹形状に形成されて構成されている。また、第１の枠体５２の応力吸収機構５２ｂを形成する部位の板厚は、第２のマニホールド２ｂを構成する他の部位、すなわち、筐体５０の板厚よりも薄くなっている。これにより、応力吸収機構５２ｂは弾性変形可能となり、第１のマニホールド２ａ及び第２のマニホールド２ｂにより第１のセルスタック１０ａのそれぞれの燃料電池セル１ａの両端が固定されることにより、燃料電池セル１ａに生じる応力を吸収することができる。   As shown in FIG. 11, a stress absorbing mechanism 52b is formed in the second manifold 2b. The stress absorbing mechanism 52b is formed on the first frame 52 which is a member to which the plurality of fuel cells 1a constituting the first cell stack 10a are connected among the members forming the second manifold 2b. Yes. The stress absorbing mechanism 52b is formed around the opening 52a to which the fuel cell 1a of the first frame 52 is connected. The stress absorbing mechanism 52b is configured by forming a portion around the opening 52a of the first frame 52 in a bellows shape. Further, the thickness of the portion of the first frame 52 that forms the stress absorbing mechanism 52b is thinner than the thickness of the other portion constituting the second manifold 2b, that is, the thickness of the housing 50. As a result, the stress absorbing mechanism 52b can be elastically deformed, and both ends of the respective fuel cells 1a of the first cell stack 10a are fixed by the first manifold 2a and the second manifold 2b. The stress generated in 1a can be absorbed.

なお、このような応力吸収機構は、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの下端と第２のマニホールド２ｂとの接続部のみならず、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの上端と第１のマニホールド２ａとの接続部にも設けられている。ただし、応力吸収機構は、燃料電池セル１ａと第１のマニホールド２ａ及び第２のマニホールド２ｂとの接続部の両方に設ける必要はなく、一方のみでもよい。一方のみに設ける場合には、燃料電池セル１ａの上端と第１のマニホールド２ａとの接続部に設けることが望ましい。   Note that such a stress absorbing mechanism is not limited to the connection portion between the lower end of the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a and the second manifold 2b, but also the fuel cell constituting the first cell stack 10a. A connection portion between the upper end of the cell 1a and the first manifold 2a is also provided. However, it is not necessary to provide the stress absorbing mechanism at both of the connecting portions between the fuel cell 1a and the first manifold 2a and the second manifold 2b, and only one of them may be provided. When it is provided only on one side, it is desirable to provide it at the connection portion between the upper end of the fuel cell 1a and the first manifold 2a.

第１の枠体５２は、外周縁が筐体５０の第１の開口５０ｃの縁部と重なり合うように配置され、第１の枠体５２の外周縁と第１の開口５０ｃの縁部とがガラスシール５６ａにより接続されている。また、第１の枠体５２は、内周側の円筒状の部位の内面と燃料電池セル１ａの下端部の外面とがガラスシール５６ｂにより接続されている。   The first frame 52 is arranged so that the outer peripheral edge overlaps the edge of the first opening 50c of the housing 50, and the outer peripheral edge of the first frame 52 and the edge of the first opening 50c are arranged. They are connected by a glass seal 56a. In the first frame 52, the inner surface of the cylindrical portion on the inner peripheral side and the outer surface of the lower end portion of the fuel cell 1a are connected by a glass seal 56b.

仕切り板６０は、例えば、ステンレス等の耐熱性を有する中空の板材からなり、内部に空気を供給するために空気流通路６０ａが形成されている。仕切り板６０の上端は内側ハウジング９２の上面に接続されており、空気流通路６０ａは空気流路９８と連通している。これにより、空気流通路６０ａには、空気流路９８を介して上端から発電用空気が供給される。仕切り板６０は、改質器１２よりも上方の高さ位置から下端が第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの下端部近傍まで上下方向に延びている。これにより、仕切り板６０は、第１のマニホールド２ａと第１のセルスタック１０ａとの接続部と、燃焼部１８との間を仕切り、熱影響を低減することができる。   The partition plate 60 is made of a heat-resistant hollow plate material such as stainless steel, and has an air flow passage 60a for supplying air therein. The upper end of the partition plate 60 is connected to the upper surface of the inner housing 92, and the air flow path 60 a communicates with the air flow path 98. Thus, power generation air is supplied to the air flow passage 60a from the upper end via the air flow path 98. The partition plate 60 extends in the vertical direction from the height position above the reformer 12 to the vicinity of the lower end portions of the first cell stack 10a and the second cell stack 10b. Thereby, the partition plate 60 can partition between the connection part of the 1st manifold 2a and the 1st cell stack 10a, and the combustion part 18, and can reduce a thermal influence.

仕切り板６０には、対向する表面６０Ａ、６０Ｂの間を貫通する上部貫通孔６０ｂと、下部貫通孔６０ｃとが形成されている。上部貫通孔６０ｂは、燃焼部１８よりも上方の高さ位置に形成されている。また、下部貫通孔６０ｃは、燃焼部１８よりも下方であって、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの中間の高さ位置辺りに形成されている。上部貫通孔６０ｂ及び下部貫通孔６０ｃを通じて、第１のセルスタック１０ａの側の空間と、第２のセルスタック１０ｂの側の空間とが連通している。   The partition plate 60 is formed with an upper through hole 60b and a lower through hole 60c penetrating between the opposing surfaces 60A and 60B. The upper through-hole 60 b is formed at a height position above the combustion unit 18. The lower through-hole 60c is formed below the combustion unit 18 and at a height position intermediate between the first cell stack 10a and the second cell stack 10b. The space on the first cell stack 10a side and the space on the second cell stack 10b side communicate with each other through the upper through hole 60b and the lower through hole 60c.

また、仕切り板６０の下端部には下端噴出孔６０ｄが形成されている。仕切り板６０の第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａには、第１の空気噴出孔６０ｅが形成されており、仕切り板６０の第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂには、第２の空気噴出孔６０ｆが形成されている。第１の空気噴出孔６０ｅは、第１のセルスタック１０ａの下部に当たる高さ位置に形成されている。第２の空気噴出孔６０ｆは第２のセルスタック１０ｂの下部に当たる高さ位置に形成されている。これら第１及び第２の空気噴出孔６０ｅ、６０ｆは複数の開口としてもよいし、単一の開口としてもよい。第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂに形成された第２の空気噴出孔６０ｆの総面積は、第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａに形成された第１の空気噴出孔６０ｅの総面積よりも大きくなっている。仕切り板６０の空気流通路６０ａに供給された空気は、第１のセルスタック１０ａよりも第２のセルスタック１０ｂに向けて大量に噴出される。   Further, a lower end ejection hole 60 d is formed in the lower end portion of the partition plate 60. A first air ejection hole 60e is formed on the surface 60A on the first cell stack 10a side of the partition plate 60, and a second surface 60B on the second cell stack 10b side of the partition plate 60 is formed on the second surface 60B. An air ejection hole 60f is formed. The first air ejection hole 60e is formed at a height position corresponding to the lower part of the first cell stack 10a. The second air ejection hole 60f is formed at a height position corresponding to the lower part of the second cell stack 10b. The first and second air ejection holes 60e and 60f may be a plurality of openings or a single opening. The total area of the second air ejection holes 60f formed on the surface 60B on the second cell stack 10b side is the total area of the first air ejection holes 60e formed on the surface 60A on the first cell stack 10a side. Is bigger than. A large amount of air supplied to the air flow passage 60a of the partition plate 60 is ejected from the first cell stack 10a toward the second cell stack 10b.

さらに、仕切り板６０の第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂには、燃焼部１８に向けて第３の空気噴出孔６０ｇが形成されている。第３の空気噴出孔６０ｇは、燃焼部１８に相当する高さ位置に形成されている。これにより、仕切り板６０の空気流通路６０ａに供給された空気は、第３の空気噴出孔６０ｇを通じて、燃焼部１８に向けて噴出される。   Furthermore, a third air ejection hole 60 g is formed on the surface 60 </ b> B on the second cell stack 10 b side of the partition plate 60 toward the combustion unit 18. The third air ejection hole 60 g is formed at a height position corresponding to the combustion unit 18. Thereby, the air supplied to the air flow passage 60a of the partition plate 60 is ejected toward the combustion unit 18 through the third air ejection hole 60g.

なお、本実施形態では、仕切り板６０の対向する表面６０Ａ、６０Ｂの両方に空気噴出孔６０ｅ、６０ｆを設けているが、これに限らず、第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂのみに設けてもよい。   In the present embodiment, the air ejection holes 60e and 60f are provided on both of the opposing surfaces 60A and 60B of the partition plate 60. However, the present invention is not limited thereto, and is provided only on the surface 60B on the second cell stack 10b side. May be.

以下、本実施形態の燃料電池セルスタック装置１００における燃料ガス及び水（水蒸気）と、発電用空気の流れについて説明する。
原料ガス及び水（水蒸気）は、燃料電池セルスタック装置１００に供給管１３Ａ，１３Ｂを通じて外部から改質器１２に供給される。改質器１２に供給された水は改質器１２の蒸発部１２Ａにおいて燃焼部１８の熱により蒸発される。そして、原料ガス及び水蒸気は改質部１２Ｂへ送られる。原料ガス及び水蒸気は、改質部１２Ｂにおいて燃焼部１８の熱により、水素を含む燃料ガスに改質される。 Hereinafter, the flow of fuel gas and water (water vapor) and power generation air in the fuel cell stack apparatus 100 of the present embodiment will be described.
The raw material gas and water (steam) are supplied to the reformer 12 from the outside through the supply pipes 13A and 13B to the fuel cell stack apparatus 100. The water supplied to the reformer 12 is evaporated by the heat of the combustion unit 18 in the evaporation unit 12A of the reformer 12. And source gas and water vapor | steam are sent to the modification part 12B. The raw material gas and the water vapor are reformed into a fuel gas containing hydrogen by the heat of the combustion section 18 in the reforming section 12B.

改質器１２において改質された燃料ガスは、接続部１４を介して第１のマニホールド２ａの分配管２０に供給される。分配管２０に供給された燃料ガスは、開口２０Ａを通じて筐体２２内に噴出される。ここで、開口２０Ａは、上流側ほど開口面積が大きくなっているため、筐体２２内に均一に燃料ガスが噴出される。そして、筐体２２内に噴出された燃料ガスは、第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの内部流路に上端から送り込まれる。燃料ガスは、燃料電池セル１ａの上端から下端に向かって流通し、下端から第２のマニホールド２ｂ内に放出される。この際、それぞれの燃料電池セル１ａは発電を行う。   The fuel gas reformed in the reformer 12 is supplied to the distribution pipe 20 of the first manifold 2 a through the connection portion 14. The fuel gas supplied to the distribution pipe 20 is jetted into the housing 22 through the opening 20A. Here, since the opening area of the opening 20 </ b> A increases toward the upstream side, the fuel gas is uniformly ejected into the housing 22. The fuel gas ejected into the housing 22 is sent from the upper end to the internal flow path of each fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a. The fuel gas flows from the upper end to the lower end of the fuel cell 1a, and is released from the lower end into the second manifold 2b. At this time, each fuel cell 1a generates power.

第２のマニホールド２ｂの上面には下方に突出する突部５０ｅが形成されている。この突部５０ｅは、流路面積を小さくする流路抵抗として機能する。このため、第２のマニホールド２ｂに放出された燃料ガスは、第２のマニホールド２ｂの上流側の室２ｂ１において分散され、その後、下流側の室２ｂ２に流れ込む。   A protrusion 50e that protrudes downward is formed on the upper surface of the second manifold 2b. The protrusion 50e functions as a channel resistance that reduces the channel area. For this reason, the fuel gas released to the second manifold 2b is dispersed in the upstream chamber 2b1 of the second manifold 2b, and then flows into the downstream chamber 2b2.

室２ｂ２に流れ込んだ燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの内部流路に下端から送られる。燃料電池セル１ｂに送り込まれた燃料ガスは内部流路内を下端から上端に向かって流れる。この際、それぞれの燃料電池セル１ｂは発電を行う。   The fuel gas flowing into the chamber 2b2 is sent from the lower end to the internal flow path of the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b. The fuel gas sent into the fuel cell 1b flows in the internal flow path from the lower end toward the upper end. At this time, each fuel cell 1b generates power.

第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂを通過した、発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料電池セル１ｂの上端から燃焼部１８に放出される。燃焼部１８に放出された燃料ガスは燃焼され、その際に発生する熱は改質器１２を加熱するのに用いられる。   The fuel gas that has passed through the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b and has not been used for power generation is discharged from the upper end of the fuel cell 1b to the combustion unit 18. The fuel gas discharged to the combustion unit 18 is combusted, and the heat generated at that time is used to heat the reformer 12.

燃料ガスを燃焼部１８で燃焼して発生した排ガスは上方に向かって上昇する。この際、仕切り板６０に上部貫通孔６０ｂが形成されていることにより、第１のセルスタック１０ａ側と第２のセルスタック１０ｂ側とで排ガスが拡散され、第１のセルスタック１０ａ側と第２のセルスタック１０ｂ側との排ガスの温度差が小さくなる。そして、排ガスは、排ガス流路９６を下方に向かって流れる。この際、排ガス流路９６を流れる排ガスと、空気流路９８を流れる発電用空気との間で熱交換が行われ、発電用空気を加熱することができる。そして、排ガスは排ガス排出孔９２ａから外側ハウジング９４の外部に排出される。   The exhaust gas generated by burning the fuel gas in the combustion unit 18 rises upward. At this time, since the upper through hole 60b is formed in the partition plate 60, the exhaust gas is diffused on the first cell stack 10a side and the second cell stack 10b side, and the first cell stack 10a side and the first cell stack 10a side The temperature difference of the exhaust gas from the two cell stacks 10b side becomes small. Then, the exhaust gas flows downward through the exhaust gas passage 96. At this time, heat exchange is performed between the exhaust gas flowing through the exhaust gas channel 96 and the power generation air flowing through the air channel 98, and the power generation air can be heated. The exhaust gas is discharged outside the outer housing 94 from the exhaust gas discharge hole 92a.

次に、発電用空気は、外部から空気流入孔を通じて空気流路９８に送り込まれる。空気流路９８内に送り込まれた空気は空気流路９８を上方に向かって流れる。この際、排ガス流路９６を流れる排ガスと熱交換が行われ、空気は加熱される。空気流路９８の上部まで到達した空気は、仕切り板６０の上端から空気流通路６０ａに送られる。   Next, the power generation air is sent from the outside into the air flow path 98 through the air inflow hole. The air sent into the air flow path 98 flows upward through the air flow path 98. At this time, heat exchange with the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path 96 is performed, and the air is heated. The air reaching the upper part of the air flow path 98 is sent from the upper end of the partition plate 60 to the air flow passage 60a.

空気流通路６０ａに送り込まれた発電用空気は、第１及び第２の空気噴出孔６０ｅ、６０ｆ及び下端噴出孔６０ｄを通じて、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂに向かって噴出される。この際、第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂに形成された第２の空気噴出孔６０ｆの総面積は、第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａに形成された第１の空気噴出孔６０ｅの総面積よりも大きくなっているため、第２のセルスタック１０ｂに向かって、第１のセルスタック１０ａよりも大量の空気が噴出される。   The power generation air sent into the air flow passage 60a is ejected toward the first cell stack 10a and the second cell stack 10b through the first and second air ejection holes 60e and 60f and the lower end ejection hole 60d. The At this time, the total area of the second air ejection holes 60f formed on the surface 60B on the second cell stack 10b side is equal to the first air ejection holes 60e formed on the surface 60A on the first cell stack 10a side. Therefore, a larger amount of air is ejected toward the second cell stack 10b than the first cell stack 10a.

ここで、仕切り板６０には下部貫通孔６０ｃが形成されているため、第１のセルスタック１０ａ側の空気と、第２のセルスタック１０ｂ側の空気とが混ざり合う。これにより、発電用空気の温度むらが発生するのを抑制できる。   Here, since the lower through hole 60c is formed in the partition plate 60, the air on the first cell stack 10a side and the air on the second cell stack 10b side are mixed. Thereby, generation | occurrence | production of the temperature nonuniformity of the air for electric power generation can be suppressed.

また、空気流通路６０ａに送り込まれた発電用空気は、第３の空気噴出孔６０ｇから燃焼部１８に向かって噴出される。これにより、燃焼部１８において発電に使用されなかった燃料ガスを完全燃焼させることができる。   Further, the power generation air sent into the air flow passage 60a is ejected from the third air ejection hole 60g toward the combustion unit 18. Thereby, the fuel gas that has not been used for power generation in the combustion section 18 can be completely burned.

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の作用効果が奏される。
本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａで使用された燃料ガスが第２のセルスタック１０ｂに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。また、燃料電池セル１ａ、１ｂの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, the following operational effects are achieved.
According to the present embodiment, since the fuel gas used in the first cell stack 10a flows into the second cell stack 10b and is consumed further, the fuel utilization rate can be increased. In addition, since fuel gas can be consumed in two stages without greatly changing the arrangement of the fuel cells 1a and 1b, a fuel cell stack device with high power generation efficiency and easy manufacture can be provided. it can.

また、本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａの本数を少なくすることにより、第１のセルスタック１０ａで発生する水蒸気量を抑えることができる。さらに、第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂの本数を多くすることにより、第２のセルスタック１０ｂ内を流れる燃料ガスの流速を下げることができ、燃焼性を確保することができる。   Further, according to the present embodiment, the amount of water vapor generated in the first cell stack 10a can be suppressed by reducing the number of the fuel cells 1a in the first cell stack 10a. Furthermore, by increasing the number of the fuel cells 1b of the second cell stack 10b, the flow rate of the fuel gas flowing in the second cell stack 10b can be lowered, and combustibility can be ensured.

また、本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂが、それぞれ複数の燃料電池セル１ａ、１ｂが一列に配列されて構成されており、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂは、複数の燃料電池セル１ａ、１ｂの配列方向が平行になるように配置されている。このため、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａから排出された燃料ガスを最短距離で均等に第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂに供給することができ、第２のマニホールド２ｂを小型化できる。また、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セルの熱により、第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂを加熱することができる。   Further, according to the present embodiment, the first cell stack 10a and the second cell stack 10b are each configured by arranging a plurality of fuel cells 1a, 1b in a line, and the first cell stack 10a. And the 2nd cell stack 10b is arrange | positioned so that the sequence direction of several fuel cell 1a, 1b may become parallel. For this reason, the fuel gas discharged from the fuel cell 1a of the first cell stack 10a can be uniformly supplied to the fuel cell 1b of the second cell stack 10b at the shortest distance, and the second manifold 2b can be Can be downsized. Further, the fuel cell 1b of the second cell stack 10b can be heated by the heat of the fuel cell of the first cell stack 10a.

また、本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａの配列方向の一端部は、第２のセルスタック１０ｂの配列方向の一端部と、配列方向にそろっているため、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの端部に取り付けられる端部集電部材３０ａ、３０ｂとして、共通の部材を用いることができる。   In addition, according to the present embodiment, one end of the first cell stack 10a in the arrangement direction is aligned with one end of the second cell stack 10b in the arrangement direction, so the first cell stack A common member can be used as the end current collecting members 30a and 30b attached to the end portions of 10a and the second cell stack 10b.

さらに、本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａの配列方向の一端部と、第２のセルスタック１０ｂの配列方向の一端部とは、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの外部への電力取り出し用の端部集電部材３０ａ、３０ｂが取り付けられた側において、配列方向にそろっている。これにより、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの端部に取り付けられ、外部に電力を取り出す端部集電部材３０ａ、３０ｂとして、共通の部材を用いることができる。   Furthermore, according to the present embodiment, the one end portion in the arrangement direction of the first cell stack 10a and the one end portion in the arrangement direction of the second cell stack 10b are the first cell stack 10a and the second cell stack. 10b is arranged in the arrangement direction on the side where the end current collecting members 30a and 30b for taking out power to the outside are attached. Thereby, a common member can be used as the end current collecting members 30a and 30b that are attached to the end portions of the first cell stack 10a and the second cell stack 10b and take out electric power to the outside.

さらに、本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａの配列方向の他端部側において、第２のセルスタック１０ｂの配列方向の他端部に相当する位置と、第１のセルスタック１０ａの配列方向の他端部との間には断熱材４６が設けられている。これにより、第１のセルスタック１０ａの温度低下を防止することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, on the other end side in the arrangement direction of the first cell stack 10a, a position corresponding to the other end portion in the arrangement direction of the second cell stack 10b, and the first cell stack 10a. A heat insulating material 46 is provided between the other end in the arrangement direction. Thereby, the temperature fall of the 1st cell stack 10a can be prevented.

次に、本発明の第２実施形態による燃料電池セルスタック装置を説明する。
まず、本発明の第２実施形態で用いる燃料電池セルについて図１２及び図１３を参照して説明する。 Next, a fuel cell stack device according to a second embodiment of the present invention will be described.
First, the fuel cell used in the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 and 13.

（燃料電池セル）
図１２は、本発明の第２実施形態におけるセルスタックを構成するセルを示す図である。図１３は、セル端部の拡大断面図である。 (Fuel battery cell)
FIG. 12 is a diagram showing cells constituting the cell stack in the second embodiment of the present invention. FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of the cell end.

図１２に示すように、セル１００１は、セル本体１１０１と、このセル本体１１０１の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ１１０２（金属キャップともいう）とを備えている。   As shown in FIG. 12, the cell 1001 includes a cell body 1101 and caps 1102 (also referred to as metal caps) that are connection electrode portions connected to both ends of the cell body 1101.

図１３に示すように、支持体として導電支持体を有する場合のセル本体１１０１は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路１１０３（内部流路ともいう）を形成する円筒形の燃料極層である内側電極層１１０４と、内側電極層１１０４の外周に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層１１０５と、電解質層１１０５の外周に設けられた円筒形の空気極（酸化剤ガス極）層である外側電極層１１０６と、を備えている。この内側電極層１１０４は、セル本体１１０１を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。内側電極層１１０４は燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層１１０６は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。   As shown in FIG. 13, a cell body 1101 having a conductive support as a support is a tubular structure extending in the vertical direction, and a fuel gas flow path 1103 (also referred to as an internal flow path) that is a gas passage inside. The inner electrode layer 1104 that is a cylindrical fuel electrode layer that forms the electrode, the electrolyte layer 1105 that is a cylindrical solid electrolyte layer provided on the outer periphery of the inner electrode layer 1104, and the cylinder provided on the outer periphery of the electrolyte layer 1105 And an outer electrode layer 1106 that is a shaped air electrode (oxidant gas electrode) layer. The inner electrode layer 1104 is a porous body that functions as a support that constitutes the cell body 1101 and that constitutes a gas passage through which fuel gas flows. The inner electrode layer 1104 is a fuel electrode and is a (−) electrode, while the outer electrode layer 1106 is an air electrode that is in contact with air and is a (+) electrode.

内側電極層１１０４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極層１１０４は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。 The inner electrode layer 1104 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu. In the present embodiment, the inner electrode layer 1104 is made of Ni / YSZ.
A porous insulating support can also be used as the support. In this case, a fuel electrode layer is formed as an inner electrode layer outside the insulating support.

電解質層１１０５は、内側電極層１１０４の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極層１１０４の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極層１１０４の上端よりも下方で終端している。電解質層１１０５は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 1105 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the inner electrode layer 1104, the lower end is terminated above the lower end of the inner electrode layer 1104, and the upper end is below the upper end of the inner electrode layer 1104. It is terminated. The electrolyte layer 1105 includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層１１０６は、電解質層１１０５の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層１１０５の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層１１０５の上端よりも下方で終端している。外側電極層１１０６は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 1106 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the electrolyte layer 1105, the lower end is terminated above the lower end of the electrolyte layer 1105, and the upper end is terminated below the upper end of the electrolyte layer 1105. ing. The outer electrode layer 1106 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr, Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni, Cu, Sr, Fe, Ni, Cu It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に、キャップ１１０２について説明するが、セル本体１１０１の上端側と下端側に取り付けられたキャップ１１０２は、同一構造であるため、ここでは、セル本体１１０１の下端側に取り付けられたキャップ１１０２について具体的に説明する。   Next, the cap 1102 will be described. Since the caps 1102 attached to the upper end side and the lower end side of the cell main body 1101 have the same structure, the cap 1102 attached to the lower end side of the cell main body 1101 is specifically described here. I will explain it.

キャップ１１０２（金属キャップ）は、セル本体１１０１の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、セル本体１１０１の内側電極層１１０４と電気的に接続され、内側電極層１１０４を外部に引き出す接続電極として機能する。図１３に示すように、セル本体１１０１の下端に設けられたキャップ１１０２は、円筒状の第１円筒部１１０２ａと、第１円筒部１１０２ａの上端かから外方に向かって延びる円環状の円環部１１０２ｂと、円環部１１０２ｂの外周から上方に向かって延びる第２円筒部１１０２ｃとを有する。キャップ１１０２の第１円筒部１１０２ａの中心部には、内側電極層１１０４の燃料ガス流路１１０３と連通する燃料ガス流路１１０７が形成されている。燃料ガス流路１１０７は、キャップ１１０２の中心からセル本体１１０１の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。   The cap 1102 (metal cap) is provided so as to surround the upper and lower ends of the cell main body 1101 and is electrically connected to the inner electrode layer 1104 of the cell main body 1101 as a connection electrode that pulls the inner electrode layer 1104 to the outside. Function. As shown in FIG. 13, the cap 1102 provided at the lower end of the cell body 1101 includes a cylindrical first cylindrical portion 1102a and an annular ring extending outward from the upper end of the first cylindrical portion 1102a. Part 1102b and a second cylindrical part 1102c extending upward from the outer periphery of the annular part 1102b. A fuel gas channel 1107 communicating with the fuel gas channel 1103 of the inner electrode layer 1104 is formed at the center of the first cylindrical portion 1102 a of the cap 1102. The fuel gas channel 1107 is an elongated pipe line provided so as to extend in the axial direction of the cell main body 1101 from the center of the cap 1102.

キャップ１１０２は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物（本実施形態では、Ｃｒ2Ｏ3）がコーティングされ、さらに、外周面には、ＭｎＣｏ2Ｏ4がコーティングされている。加えて、コーティングされたＭｎＣｏ2Ｏ4層の外周面にはＡｇ集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ａｇ集電膜は、キャップ１１０２の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。 The cap 1102 is coated with chromium oxide (Cr 2 O 3 in this embodiment) on the inner and outer peripheral surfaces of a main body made of ferritic stainless steel or austenitic stainless steel, and the outer peripheral surface is coated with MnCo 2 O. 4 is coated. In addition, an Ag current collecting film is provided on the outer peripheral surface of the coated MnCo 2 O 4 layer. In the present embodiment, the Ag current collector film is provided over the entire outer peripheral surface of the cap 1102, but may be provided only in part.

キャップ１１０２の第２円筒部１１０２ｃの内側と、セル本体１１０１の内側電極層１１０４の端部外周面との間の空間には銀ペースト１１０８が配置されている。セル１１００の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト１１０８が焼結され、内側電極層１１０４とキャップ１１０２が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ１１０２の第２円筒部１１０２ｃの内周面と、電解質層１１０５の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール１１０９が設けられている。このガラスシール１１０９により、キャップ１１０２と内側電極層１１０４との間の空間は、セル１１００の外部の空間に対して気密密封されている。   A silver paste 1108 is disposed in the space between the inside of the second cylindrical portion 1102 c of the cap 1102 and the outer peripheral surface of the end portion of the inner electrode layer 1104 of the cell body 1101. By firing after assembling the cell 1100, the silver paste 1108 is sintered, and the inner electrode layer 1104 and the cap 1102 are electrically and mechanically coupled. Further, a glass seal 1109 made of a glass material is provided between the inner peripheral surface of the second cylindrical portion 1102 c of the cap 1102 and the outer peripheral surface of the lower end portion of the electrolyte layer 1105. By the glass seal 1109, the space between the cap 1102 and the inner electrode layer 1104 is hermetically sealed with respect to the space outside the cell 1100.

以上のように、他端側のマニホールドから燃料ガスを流入させ、一端側のマニホールドで未使用ガスを集約し、開放側のセル群へ供給するとのセル群の二段構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。   As described above, the fuel gas is introduced from the manifold on the other end side, the unused gas is collected in the manifold on the one end side, and supplied to the cell group on the open side. The conventional fuel can be obtained by simply adjusting the number of cells on the upstream side and the downstream side without greatly restricting or hindering the cell arrangement, the series connection of cells, the flow of power generation air, etc. It is possible to provide a fuel cell stack with a high fuel utilization rate, in which the structure of the battery module can be applied as it is.

また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、１ｋｗ程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。   Further, by disposing a reformer and an evaporator in a combustion region where off gas discharged from the fuel cell stack is combusted, an arrangement configuration equivalent to that of a conventional fuel cell module can be applied. For this reason, it can respond to a small fuel cell device having an output performance of about 1 kw, and can provide a highly efficient and highly durable fuel cell system.

１ 燃料電池セル（セル）
１ａ 燃料電池セル
１ｂ 燃料電池セル
２ａ （第１の）マニホールド
２ｂ （第２の）マニホールド
２ｂ１ 室
２ｂ２ 室
１０ａ 第１のセルスタック（セル群）
１０ｂ 第２のセルスタック（セル群）
１２ 改質器
１２Ａ 蒸発部
１２Ｂ 改質部
１３Ａ 供給管
１３Ｂ 供給管
１４ 接続部
１８ 燃焼部
２０ 分配管
２０Ａ 開口
２２ 筐体
２２Ａ 開口
２４ 枠体
２４Ａ 開口
３０ 集電部材
３０ａ 端部集電部材
３０ｂ 端部集電部材
３２ 連結集電部材
３４ 導電性支持基板
３４Ａ ガス流路
３６ 燃料側電極層
３８ 固体電解質層
４０ 空気側電極層
４２ インターコネクタ
４４ Ｐ型半導体層
４６ 断熱材
５０ 筐体
５０ａ 下方筐体
５０ｂ 上方筐体
５０ｃ 第１の開口
５０ｄ 第２の開口
５０ｅ 突部
５２ 第１の枠体
５２ａ 開口
５２ｂ 応力吸収機構
５４ 第２の枠体
５４ａ 開口
５６ａ ガラスシール
５６ｂ ガラスシール
６０ 仕切り板
６０Ａ 表面
６０Ｂ 表面
６０ａ 空気流通路
６０ｂ 上部貫通孔
６０ｃ 下部貫通孔
６０ｄ 下端噴出孔
６０ｅ 第１の空気噴出孔
６０ｆ 第２の空気噴出孔
９０ 断熱材
９２ 内側ハウジング
９２ａ 排ガス排出孔
９４ 外側ハウジング
９６ 排ガス流路
９８ 空気流路
１００ 燃料電池セルスタック（装置）
１００１ セル
１００２ａ マニホールド
１００２ｂ マニホールド
１００３ 燃料極
１００４ 金属キャップ
１００５ ガラス材料
１００６ 絶縁性支持部材
１００７ ガラスリング
１００８ 空気極
１００９ 集電体
１０１０ａ セル群
１０１０ｂ セル群
１０１１ 改質器
１０２０ 燃料ガス供給管
１１００ 燃料電池セルスタック
１１０１ セル本体
１１０２ キャップ
１１０２ｂ 円環部
１１０３ 燃料ガス流路
１１０４ 内側電極層
１１０５ 電解質層
１１０６ 外側電極層
１１０７ 燃料ガス流路
１１０８ 銀ペースト
１１０９ ガラスシール 1 Fuel cell (cell)
1a Fuel cell 1b Fuel cell 2a (first) manifold 2b (second) manifold 2b1 chamber 2b2 chamber 10a first cell stack (cell group)
10b Second cell stack (cell group)
12 reformer 12A evaporation section 12B reforming section 13A supply pipe 13B supply pipe 14 connection section 18 combustion section 20 distribution pipe 20A opening 22 housing 22A opening 24 frame body 24A opening 30 current collecting member 30a end current collecting member 30b end Partial current collecting member 32 Connection current collecting member 34 Conductive support substrate 34A Gas flow path 36 Fuel side electrode layer 38 Solid electrolyte layer 40 Air side electrode layer 42 Interconnector 44 P-type semiconductor layer 46 Insulating material 50 Housing 50a Lower housing 50b Upper casing 50c First opening 50d Second opening 50e Projection 52 First frame 52a Opening 52b Stress absorbing mechanism 54 Second frame 54a Opening 56a Glass seal 56b Glass seal 60 Partition plate 60A Surface 60B Surface 60a Air flow passage 60b Upper through hole 60c Lower through hole 60d Lower end ejection hole 60e First air ejection hole 60f Second Gas injection holes 90 heat insulating material 92 inside the housing 92a exhaust gas discharge hole 94 outside the housing 96 the exhaust gas flow path 98 air passage 100 fuel cell stack (device)
1001 cell 1002a manifold 1002b manifold 1003 fuel electrode 1004 metal cap 1005 glass material 1006 insulating support member 1007 glass ring 1008 air electrode 1009 current collector 1010a cell group 1010b cell group 1011 reformer 1020 fuel gas supply pipe 1100 fuel cell stack 1101 Cell main body 1102 Cap 1102b Annulus 1103 Fuel gas flow path 1104 Inner electrode layer 1105 Electrolyte layer 1106 Outer electrode layer 1107 Fuel gas flow path 1108 Silver paste 1109 Glass seal

Claims (5)

内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第１のセルスタック及び第２のセルスタックが水平方向に並べて配置されたセル群と、
前記第１のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第１のマニホールドと、
前記第１のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、前記第２のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに回収した燃料ガスを供給するための第２のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、
前記第２のセルスタックの燃料電池セルの個数は、前記第１のセルスタックの燃料電池セルの個数よりも多いことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。 A cell group in which a first cell stack and a second cell stack formed by juxtaposing a plurality of columnar fuel cells having gas flow paths extending in the longitudinal direction are arranged in a horizontal direction;
A first manifold for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack;
And a second manifold for collecting the fuel gas discharged from the first cell stack and supplying the recovered fuel gas to each fuel cell of the second cell stack. A cell stack device,
The fuel cell stack device, wherein the number of fuel cells in the second cell stack is larger than the number of fuel cells in the first cell stack. 前記第１のセルスタック及び前記第２のセルスタックは、それぞれ複数の燃料電池セルが一列に配列されて構成されており、
前記第１のセルスタック及び前記第２のセルスタックは、複数の燃料電池セルの配列方向が平行になるように配置されている、請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。 Each of the first cell stack and the second cell stack includes a plurality of fuel cells arranged in a line,
2. The fuel cell stack device according to claim 1, wherein the first cell stack and the second cell stack are arranged so that a plurality of fuel cells are arranged in parallel. 前記第１のセルスタックの配列方向の一端部は、前記第２のセルスタックの配列方向の一端部と、前記配列方向にそろっている、請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。   The fuel cell stack device according to claim 2, wherein one end of the first cell stack in the arrangement direction is aligned with one end of the second cell stack in the arrangement direction. 前記第１のセルスタックの配列方向の一端部と、第２のセルスタックの配列方向の一端部とは、前記第１のセルスタック及び前記第２のセルスタックの外部への電力取り出し用の集電部材が取り付けられた側において、前記配列方向にそろっている、請求項３に記載の燃料電池セルスタック。   One end portion in the arrangement direction of the first cell stack and one end portion in the arrangement direction of the second cell stack are a collection for taking out electric power to the outside of the first cell stack and the second cell stack. The fuel cell stack according to claim 3, wherein the fuel cell stack is aligned in the arrangement direction on the side where the electric member is attached. 前記第１のセルスタックの配列方向の他端部側において、
前記第２のセルスタックの配列方向の他端部に相当する位置と、前記第１のセルスタックの配列方向の他端部との間には断熱材が設けられている、請求項４に記載の燃料電池セルスタック装置。 On the other end side in the arrangement direction of the first cell stack,
5. The heat insulating material is provided between a position corresponding to the other end portion in the arrangement direction of the second cell stack and the other end portion in the arrangement direction of the first cell stack. Fuel cell stack device.
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