JP7001407B2 - Fuel cell cell stack device - Google Patents
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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 cell stacking device. In particular, the present invention relates to a fuel cell stack device of a solid oxide fuel cell device that generates power by reacting a fuel gas obtained by reforming a raw material gas with an oxidizing agent 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。 The solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell: also referred to as "SOFC") uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, and a fuel cell with electrodes on both sides thereof is placed in a multi-module container. By disposing and supplying fuel gas to one electrode (fuel electrode) of the fuel cell and supplying oxidizing agent gas (air, oxygen, etc.) to the other electrode (air electrode), power is generated 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., as compared with 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。 Examples of the fuel cell used in such a solid oxide fuel cell device include a flat cylindrical cell described in Patent Document 1, a cylindrical single cell described in Patent Document 2, and a cylindrical horizontal stripe type described in Patent Document 3. 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 a 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 power generation efficiency, the fuel cell arrangement as described in Patent Document 4 and Patent Document 5 is divided into two cell groups to promote the cascade utilization of fuel gas, which is a two-stage configuration. Cascade type fuel cells have been proposed.
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, when an attempt is made to apply such a two-stage cascade type fuel cell to a fuel cell stack using a conventional tubular fuel cell and a fuel cell device, the device configuration becomes complicated and the fuel cell device becomes smaller. It is difficult to construct easily, such as being hindered.
特に、1次側の燃料電池セルの両端にマニホールドを接続する構成を採用する場合に、燃料電池セルの両端が拘束されるため、燃料電池セルスタックの組み立て時や、還元処理時、運転時の膨張収縮等に起因する応力によって、燃料電池セルに劣化や破損が生じたり、シール部のガスリーク等が生じたりするなど、燃料電池装置の機能が損なわれる虞がある。 In particular, when adopting a configuration in which manifolds are connected to both ends of the fuel cell on the primary side, both ends of the fuel cell are constrained, so that during assembly of the fuel cell stack, reduction processing, and operation. The stress caused by expansion and contraction may impair the function of the fuel cell device, such as deterioration or damage of the fuel cell, gas leakage of the seal portion, or the like.
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、両端にマニホールドを接続する構成を採用した場合であっても、燃料電池装置の機能が損なわれることを防止できる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 problems, and has a simple configuration that can be applied to miniaturization by suppressing complication of the apparatus, and is a two-stage cascade type fuel cell using a columnar fuel cell. It is intended to provide a stacking device. In particular, it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack device capable of preventing the function of the fuel cell device from being impaired even when a configuration in which manifolds are connected to both ends is adopted.
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1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルの一端は、第1のマニホールドにシール材により固定されているとともに、第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルの他端は、シール材により第2のマニホールドに固定されており、第1のマニホールド及び第2のマニホールドの少なくとも一方には、第1のマニホールド及び第2のマニホールドにより第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルの両端が固定されることにより、燃料電池セル又はシール材に生じる応力を吸収するための、応力吸収機構が設けられており、第1のマニホールドは、第1のセルスタックを構成する燃料電池セルの上端に接続されており、さらに、外部から供給された原料ガスを水素を含む燃料ガスに改質し、改質された燃料ガスを前記第1のマニホールドに供給する改質器と、第2のセルスタックの上方、かつ、改質器の下方に設けられ、第2のセルスタックの上端から排出されたガスを燃焼することにより改質器を加熱する燃焼部と、を備える、ことを特徴とする。 The fuel cell cell stack device of the present invention has a first cell stack, a second cell stack, and a first cell in which a plurality of columnar fuel cell cells having a gas flow path extending in the longitudinal direction are juxtaposed. The first manifold for supplying fuel gas to each fuel cell in the stack and the fuel gas discharged from the first cell stack are collected and collected in each fuel cell in the second cell stack. A fuel cell stack device including a second manifold for supplying the fuel gas, one end of each fuel cell of the first cell stack is fixed to the first manifold by a sealing material. The other end of each fuel cell of the first cell stack is fixed to the second manifold by a sealing material, and the first manifold and at least one of the second manifolds are connected to the second manifold. By fixing both ends of each fuel cell of the first cell stack by the manifold 1 and the second manifold, a stress absorption mechanism for absorbing the stress generated in the fuel cell or the sealing material is provided. The first manifold is connected to the upper end of the fuel cell that constitutes the first cell stack, and further, the raw material gas supplied from the outside is reformed into a fuel gas containing hydrogen to reform the fuel gas. A reformer that supplies the fuel gas to the first manifold, and gas that is provided above the second cell stack and below the reformer and discharged from the upper end of the second cell stack. It is characterized by including a combustion unit that heats the reformer by burning .
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. Further, since the fuel gas can be consumed in two stages without significantly changing the cell arrangement, it is possible to provide a fuel cell stack having high power generation efficiency and easy to manufacture.
また、第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルの両端が第1のマニホールド及び第2のマニホールドにより固定される構造であるために、燃料電池セル及び燃料電池セルとマニホールドとを固定するためのシール材に応力が生じ、これらが破損するおそれがある。上記の本発明によれば、第1のマニホールド及び第2のマニホールドの少なくとも一方に応力吸収機構が設けられているため、第1のセルスタックを構成する燃料電池セルやシール材に応力が生じても、応力吸収機構がこの応力を吸収する。これにより、燃料電池セルの破損や、シール部のガスリークを防止できる。 Further, since both ends of each fuel cell of the first cell stack are fixed by the first manifold and the second manifold, the fuel cell and the fuel cell and the manifold are fixed. Stress is generated in the sealing material, which may be damaged. According to the above invention, since the stress absorption mechanism is provided in at least one of the first manifold and the second manifold, stress is generated in the fuel cell and the sealing material constituting the first cell stack. However, the stress absorption mechanism absorbs this stress. This makes it possible to prevent damage to the fuel cell and gas leakage at the seal portion.
本発明において、好ましくは、応力吸収機構は、応力吸収機構が設けられている第1のマニホールド又は第2のマニホールドの容器の一部に形成された弾性部である。
上記構成の本発明によれば、弾性部を設けるという簡単な構成で、応力吸収機構を構成することができる。
In the present invention, the stress absorbing mechanism is preferably an elastic portion formed in a part of the container of the first manifold or the second manifold provided with the stress absorbing mechanism.
According to the present invention having the above configuration, the stress absorption mechanism can be configured with a simple configuration of providing an elastic portion.
本発明において、好ましくは、弾性部は、応力吸収機構が設けられている第1のマニホールド又は第2のマニホールドの容器の他の部分よりも厚みが薄い。
上記構成の本発明によれば、新たな部材を設けることなく、応力吸収機構を構成することができる。
In the present invention, the elastic portion is preferably thinner than the other part of the container of the first manifold or the second manifold provided with the stress absorption mechanism.
According to the present invention having the above configuration, the stress absorption mechanism can be configured without providing a new member.
本発明において、好ましくは、弾性部は、応力吸収機構が設けられている第1のマニホールド又は第2のマニホールドの容器の一部が蛇腹形状に形成されてなる。
上記構成の本発明によれば、新たな部材を設けることなく、応力吸収性能の高い応力吸収機構を構成することができる。
In the present invention, preferably, the elastic portion is formed in a bellows shape as a part of the container of the first manifold or the second manifold provided with the stress absorbing mechanism.
According to the present invention having the above configuration, a stress absorption mechanism having high stress absorption performance can be configured without providing a new member.
本発明において、好ましくは、応力吸収機構が設けられている第1のマニホールド又は第2のマニホールドの容器は複数の部材により構成され、応力吸収機構は、複数の部材のうちの第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルと接続する部材に設けられている。
上記構成の本発明によれば、応力吸収機構を部材単位で形成することができ、マニホールドの容器の形成を簡易化することができる。また、セルスタックの列単位での組付け時に応力を排除しながら組付けを行うことができる。
In the present invention, preferably, the container of the first manifold or the second manifold provided with the stress absorption mechanism is composed of a plurality of members, and the stress absorption mechanism is the first cell stack among the plurality of members. It is provided on the member connected to each fuel cell of the above.
According to the present invention having the above configuration, the stress absorption mechanism can be formed for each member, and the formation of the container of the manifold can be simplified. In addition, it is possible to perform assembly while eliminating stress when assembling the cell stack in column units.
本発明において、好ましくは、複数の部材は、開口を有する枠体を含み、枠体の開口に第1のセルスタックの複数の燃料電池セルが接続され、応力吸収機構は枠体の開口の周囲に設けられている。
上記構成の本発明によれば、これにより、燃料電池セルにいずれの方向に応力が生じても、応力吸収機構により応力を吸収することができる。応力吸収機構が設けられたマニホールドの変形を最小限に抑えることができる。
In the present invention, preferably, the plurality of members include a frame having an opening, a plurality of fuel cell cells of the first cell stack are connected to the opening of the frame, and the stress absorption mechanism is around the opening of the frame. It is provided in.
According to the present invention having the above configuration, the stress can be absorbed by the stress absorption mechanism regardless of the direction in which the stress is generated in the fuel cell. Deformation of the manifold provided with the stress absorption mechanism can be minimized.
本発明において、好ましくは、応力吸収機構は、第1のマニホールド及び第2のマニホールドのうちの第1のセルスタックの上方に位置するマニホールドに設けられている。
第1のセルスタックの下方に位置するマニホールドと第1のセルスタックの燃料電池セルとの接続部には、燃料電池セルの加重を支持するため剛性が求められる。これに対して、第1のセルスタックの上方に位置するマニホールドと第1のセルスタックの燃料電池セルとの接続部は燃料電池セルの加重を支持する必要がない。このため、上記構成の本発明によれば、燃料電池セルの加重の支持と、応力の吸収とを効率よく両立することができる。
また、本発明において、好ましくは、応力吸収機構は、第1のマニホールド及び第2のマニホールドのうちの第1のセルスタックの上方に位置するマニホールドのみに設けられている。
In the present invention, preferably, the stress absorption mechanism is provided on the manifold located above the first cell stack of the first manifold and the second manifold.
The connection portion between the manifold located below the first cell stack and the fuel cell of the first cell stack is required to have rigidity in order to support the load of the fuel cell. On the other hand, the connection portion between the manifold located above the first cell stack and the fuel cell of the first cell stack does not need to support the weight of the fuel cell. Therefore, according to the present invention having the above configuration, it is possible to efficiently support the load of the fuel cell and absorb the stress.
Further, in the present invention, preferably, the stress absorption mechanism is provided only in the manifold located above the first cell stack among the first manifold and the second manifold.
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及び燃料電池装置を提供することができる。
特に、両端にマニホールドを接続する構成を採用した場合であっても、燃料電池装置の機能が損なわれることを防止できる燃料電池スタック装置を提供することができる。
According to the present invention, a two-stage cascade type fuel cell stack and a fuel cell device using a columnar fuel cell are provided with a simple configuration that can be applied to miniaturization by suppressing the complexity of the device. Can be done.
In particular, even when a configuration in which manifolds are connected to both ends is adopted, it is possible to provide a fuel cell stack device that can prevent the function of the fuel cell device from being impaired.
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 the present specification will be described in detail with reference to the drawings. From the following description, many improvements and other embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art. Therefore, the following description should be construed as an example only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best embodiments of the present invention. The details of its structure and / or function can be substantially modified without departing from the spirit of the present 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 the basic configuration of the
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 from the other end side to the one end side of the
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. 2A, when the fuel gas is consumed in two stages of the
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 similarly 100, and the amount consumed by the cell group is consumed in one stage, so if it is 80, 80 ÷ 100 = 0. Calculated as 0.8, 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 partial pressure of water vapor becomes too high and the electromotive force of the cell decreases. That is, because it is affected by Nernstros, the potential tends to decrease, and the power generation efficiency decreases. Further, if the fuel utilization rate becomes too high, the risk of oxidation of the electrode of the cell 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。
From the above points, by forming a plurality of cells into a
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 the present specification, the
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, a plurality of cells are configured by allowing fuel gas to flow in from the manifold on the other end side, collecting unused gas in the manifold on the one end side, and supplying it to the cell group on the open side. Conventional fuel by simply adjusting the number of cells on the upstream side and the downstream side without significantly restricting or hindering the arrangement of cells, the electrical series connection between cells, the flow of air for power generation, etc. It is possible to provide a fuel cell stack having a high fuel utilization rate to 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 arranging the reformer or the evaporator in the combustion region where the off gas discharged from the fuel cell stack is burned, it is possible to apply the same arrangement configuration as the conventional fuel cell module. Therefore, it is possible to support a small fuel cell device having an output performance of about 1 kW, and to 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, the fuel cell stacking device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a perspective view showing the fuel cell 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 showing the fuel cell cell stack device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the second cell stack side. FIG. 5 is a side view showing the fuel cell cell stack device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the first cell stack side. FIG. 6 is a side view showing the fuel cell cell stack device 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 a first cell stack constituting the fuel cell cell stack device 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 a 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 a connection portion between the lower end of the fuel cell of the first cell stack of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention and the connection portion of the second manifold. The partition plate is omitted in FIGS. 4 to 6.
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
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
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 end of each
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。
Raw material gas and water (or steam) are supplied to the
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
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
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
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。
Inside each
The
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
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
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
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-
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
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-
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。 As the interconnector 11, a lanthanum romite-based perovskite-type oxide (LaCrO3-based oxide), a lanthanum strontium titanium-based perovskite-type oxide (LaSrTiO3-based 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
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
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 in the array direction on the upstream side (right front side in FIG. 3) of the
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
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
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
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
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。
The
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は分配管20の上端に設けられ、当該開口20Aから上方に噴出した燃料ガスは第1のマニホールド2aの天面に衝突して内部空間に拡散する。また、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、複数の開口20Aは、上記の態様の他、開口面積を同一とし、開口間のピッチを先端に向かって大きくなるように調整して配置することもできる。また、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 of the
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
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
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。
The
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
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。
It should be noted that such a stress absorbing mechanism includes not only the connection portion between the lower end of the
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
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
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
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
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。
Further, a third
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 the facing
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 fuel gas and water (steam) in the fuel
The raw material gas and water (steam) are supplied to the fuel
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 reformed fuel gas in the
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
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 that has flowed into the chamber 2b2 is sent from the lower end to the internal flow path of the
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
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
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 to the
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
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
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
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 effects are exhibited.
According to the present embodiment, the fuel gas used in the
また、第1のセルスタック10aと第1のマニホールド2a及び第2のマニホールド2bの接続部に応力吸収機構52bが設けられているため、第1のセルスタック2aに熱膨張等に起因する応力が生じても、応力吸収機構52bがこの応力を吸収する。これにより、燃料電池セルの破損や、シール部のガスリークを防止できる。
Further, since the
また、本実施形態では、応力吸収機構52bは、第1のマニホールド2a及び第2のマニホールド2bの容器に設けられた弾性部からなる。このように、本実施形態によれば、容器に弾性部を設けるという簡単な構成で、応力吸収機構52bを構成することができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態では、弾性部は応力吸収機構52bが設けられている第1のマニホールド2a及び第2のマニホールド2bの容器の他の部分よりも厚みが薄く形成された部分からなる。このように、本実施形態によれば、新たな部材を設けることなく、応力吸収機構52bを構成することができる。
Further, in the present embodiment, the elastic portion is composed of a portion formed to be thinner than the other portions of the container of the
また、本実施形態では、応力吸収機構は、第1のマニホールド2a及び第2のマニホールド2bの容器が蛇腹形状に形成されてなる。このように、本実施形態によれば、新たな部材を設けることなく、応力吸収性能の高い応力吸収機構52bを構成することができる。
Further, in the present embodiment, the stress absorption mechanism is such that the containers of the
また、本実施形態では、第1のマニホールド2a及び第2のマニホールド2bが枠体及び筐体により構成され、応力吸収機構52bは枠体に形成されている。これにより、応力吸収機構52bを部材単位で形成することができ、第1のマニホールド2a及び第2のマニホールド2bの容器の形成を簡易化することができる。また、第1のセルスタック10aの列単位での組付け時に応力を排除しながら組付けを行うことができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態では、応力吸収機構52bは、枠体の開口50cの周囲に設けられている。これにより、燃料電池セル1aにいずれの方向に応力が生じても、応力吸収機構52bにより応力を吸収することができる。応力吸収機構52bが設けられたマニホールドの変形を最小限に抑えることができる。
Further, in the present embodiment, the
また、応力吸収機構52bを第1のマニホールド2a及び第2のマニホールド2bの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。このような構成によれば、燃料電池セル1aの加重の支持と、応力の吸収とを効率よく両立することができる。
When the
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, the fuel cell stack device according to the 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 cell)
FIG. 12 is a diagram showing cells constituting the cell stack according to the second embodiment of the present invention. FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of the end of the cell.
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
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, the
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
A porous insulating support can also be used as the support, and in this case, a fuel electrode layer is formed as an inner electrode layer on the outer side of 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
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
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
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
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
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。
The
(燃料電池スタック)
図14(A)及び図14(B)は本実施形態における燃料電池スタックを示したものである。上述した図1の燃料電池セルスタック1100のセル群配列の構成について、燃料電池スタック1100の幅方向(短辺方向)にセル群1010a、セル群1010b、セル群1010aの順に区画して配列させたもので、図14(A)において右側のセル群1010aと左側のセル群1010aとは図14の紙面奥手においてつながっている。このため、セル群1010aに配置の複数のセル1001が接続固定されるマニホールド1002bは、上面視において「コ」字状の形状である(図14(B))。
(Fuel cell stack)
14 (A) and 14 (B) show the fuel cell stack in this embodiment. Regarding the configuration of the cell group arrangement of the
セル1001は円筒形状であり、燃料極1003の両端に電気的に接続された金属キャップ1004を備え、金属キャップ1004はセル1001とガラス材料1005(図13~図15では図示せず)によってシールされている。セル1001は絶縁性支持部材1006(ブッシュともいう)を介してマニホールド1002bに、立設され、ガラスリング1007により気密固定される。またセル1001の一部は、上面視において「コ」字状のマニホールド1002aの下方に、絶縁性支持部材1006を介して他端側が配置され、ガラスリング1007によって気密接合されている。
The
複数のセル1001同士の電気的接続は、金属キャップ1004と空気極1008の端部とを集電体1009を介して電気的に直列となるように接続されている。ここで、セル1001内の電流分布を考慮すると、燃料ガスの流れる方向に対してセル1001の下流側に集電体を設置するのが望ましい。そのため、他端側から一端側へ(図14(A)において上端側から下端側に向かって)燃料ガスが流れるセル群1010aにおいては、一端側(下端側)に集電体1009を設けることが好ましい。一方、一端側から他端側の方向(図14(A)において下端側から上端側への方向)に燃料ガスが流れるセル群1010bにおいては、他端側に集電体1009を設けることが好ましい。またセル群1010aとセル群1010bとの電気的接続は、セル群1010aに配置のセル1001の一端側とセル群1010bに配置のセル1001の他端側との接続が必要となるため、一端側から他端側にわたる長距離の集電体による接続が必要となるため、セル1001への短絡防止という観点で、セル群1010aとセル群1010bとのセル間を離間させると良い。
The electrical connection between the plurality of
改質器1011で改質された燃料ガスは、図14(B)に示すように、上面視「コ」字状のマニホールド1002aの燃料ガス供給管1020から供給され、「コ」字状のマニホールド1002aの内部で分散し、「コ」字状のマニホールド1002aと連通するように接続された上流側のセル群1010aのガス流路を他端側から一端側へ流れる。セル群1010aから排出された発電に未使用の燃料ガスは、マニホールド1002bにおいて集約され、他端側が開放された下流側のセル群1010bのガス流路を一端側から他端側へ向かって流れ、セル群1010bの上端から排出される。
As shown in FIG. 14B, the fuel gas reformed by the
また、図14(C)に示すように、直方体形状のマニホールド1002aを2つに分割して他端側に配置した構成としてもよい。改質器1011から導出される燃料ガスを分配して、マニホールド2bの燃料ガス供給管1020にそれぞれ供給されることで、セル群1010aから下流側のセル群1010bへ順に燃料ガスを供給することができる。
Further, as shown in FIG. 14C, the rectangular
一方発電用の空気は、セル群1010aまたはセル群1010bとして立設される複数の円筒状のセル1001の側面に、セル1001の下方より供給される(図14(A)の点線矢印)。供給された発電用の空気はセル1001の一端側から他端側に向かって流れ、他端側が開放された下流側のセル群1010bの上端部において未使用ガスと混合し、燃焼される。
On the other hand, the air for power generation is supplied from below the
ここで、他端側にマニホールド1002aが設置される上流側のセル群1010aを構成する複数のセル1001の隙間には発電用の空気が流れにくくなるため、空気の流れを考慮して、上流側のセル群1010aと下流側のセル群1010bとを所定距離だけ離間させることが好ましい。
Here, since it becomes difficult for air for power generation to flow in the gaps between the plurality of
また上面視において、図14(D)の点線矢印に示すように、「コ」字状のマニホールド2bにおいて燃料電池スタックの短辺方向に延びる領域直下においては発電用の空気が流れにくいため、複数のセル1001に発電用の空気を供給するための空気供給孔は燃料電池セルスタックの長辺側だけとせず、短辺側にも設置して発電用の空気の供給を行うことが好ましい。
Further, in the top view, as shown by the dotted arrow in FIG. 14 (D), since it is difficult for air for power generation to flow directly under the region extending in the short side direction of the fuel cell stack in the “U” -shaped
燃料ガスはマニホールド1002aを通過し、上流側のセル群1010aにおいて発電反応のために消費される。発電反応によって消費されずに残存する未使用ガスは、マニホールド1002bを通って下流側のセル群1010bに供給され、さらに下流側のセル群1010bにおいて発電反応により消費される。
The fuel gas passes through the manifold 1002a and is consumed for the power generation reaction in the
また、図15に示すように、直方体形状のマニホールド1002aを上面視中央の他端側に配置する構成としてもよい。改質器1011から導出される燃料ガスを分配して、マニホールド1002aの燃料ガス供給管1020にそれぞれ供給されることで、セル群1010aから下流側のセル群1010bへ順に燃料ガスを供給することができる。
Further, as shown in FIG. 15, a rectangular
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, a plurality of cells are configured by allowing fuel gas to flow in from the manifold on the other end side, collecting unused gas in the manifold on the one end side, and supplying it to the cell group on the open side. Conventional fuel by simply adjusting the number of cells on the upstream side and the downstream side without significantly restricting or hindering the arrangement of cells, the electrical series connection between cells, the flow of air for power generation, etc. It is possible to provide a fuel cell stack having a high fuel utilization rate to 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 arranging the reformer or the evaporator in the combustion region where the off gas discharged from the fuel cell stack is burned, it is possible to apply the same arrangement configuration as the conventional fuel cell module. Therefore, it is possible to support a small fuel cell device having an output performance of about 1 kW, and to 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)
10b Second cell stack (cell group)
12
1001
Claims (8)
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1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルの一端は、前記第1のマニホールドにシール材により固定されているとともに、前記第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルの他端は、シール材により前記第2のマニホールドに固定されており、
前記第1のマニホールド及び前記第2のマニホールドの少なくとも一方には、前記第1のマニホールド及び前記第2のマニホールドにより前記第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルの両端が固定されることにより、前記燃料電池セル又は前記シール材に生じる応力を吸収するための、応力吸収機構が設けられており、
前記第1のマニホールドは、前記第1のセルスタックを構成する燃料電池セルの上端に接続されており、
さらに、
外部から供給された原料ガスを水素を含む燃料ガスに改質し、改質された前記燃料ガスを前記第1のマニホールドに供給する改質器と、
前記第2のセルスタックの上方、かつ、前記改質器の下方に設けられ、前記第2のセルスタックの上端から排出されたガスを燃焼することにより前記改質器を加熱する燃焼部と、を備える、ことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。 A first cell stack and a second cell stack formed by juxtaposing a plurality of columnar fuel cell cells having a gas flow path extending in the longitudinal direction inside.
A first manifold for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack, and
A fuel cell provided with a second manifold for recovering the fuel gas discharged from the first cell stack and supplying the recovered fuel gas to each fuel cell of the second cell stack. It is a cell stack device
One end of each fuel cell of the first cell stack is fixed to the first manifold with a sealing material, and the other end of each fuel cell of the first cell stack is a sealing material. Is fixed to the second manifold by
Both ends of each fuel cell of the first cell stack are fixed to at least one of the first manifold and the second manifold by the first manifold and the second manifold. A stress absorption mechanism for absorbing the stress generated in the fuel cell or the sealing material is provided .
The first manifold is connected to the upper end of the fuel cell constituting the first cell stack.
Moreover,
A reformer that reforms the raw material gas supplied from the outside into a fuel gas containing hydrogen and supplies the reformed fuel gas to the first manifold.
A combustion unit provided above the second cell stack and below the reformer and heating the reformer by burning gas discharged from the upper end of the second cell stack. A fuel cell stacking device, characterized in that it comprises.
前記応力吸収機構が設けられている前記第1のマニホールド又は前記第2のマニホールドの容器の一部に形成された弾性部である、請求項1に記載の燃料電池セルスタック装置。 The stress absorption mechanism is
The fuel cell stack device according to claim 1, which is an elastic portion formed in a part of the container of the first manifold or the second manifold provided with the stress absorbing mechanism.
前記応力吸収機構は、前記複数の部材のうちの前記第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルと接続する部材に設けられている、請求項1~4の何れか1項に記載の燃料電池セルスタック装置。 The container of the first manifold or the second manifold provided with the stress absorbing mechanism is composed of a plurality of members.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the stress absorbing mechanism is provided on a member of the plurality of members connected to each fuel cell of the first cell stack. Cell stack device.
前記枠体の開口に前記第1のセルスタックの複数の燃料電池セルが接続され、
前記応力吸収機構は前記枠体の前記開口の周囲に設けられている、請求項5に記載の燃料電池セルスタック装置。 The plurality of members include a frame body having an opening, and the plurality of members include a frame body.
A plurality of fuel cell cells of the first cell stack are connected to the opening of the frame body.
The fuel cell stack device according to claim 5, wherein the stress absorbing mechanism is provided around the opening of the frame.
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