JP2000133286A - Solid electrolyte fuel cell unit cell and power generation module - Google Patents

Solid electrolyte fuel cell unit cell and power generation module

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JP2000133286A
JP2000133286A JP10298618A JP29861898A JP2000133286A JP 2000133286 A JP2000133286 A JP 2000133286A JP 10298618 A JP10298618 A JP 10298618A JP 29861898 A JP29861898 A JP 29861898A JP 2000133286 A JP2000133286 A JP 2000133286A
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JP
Japan
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fuel
cell
exhaust gas
fuel electrode
electrode
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JP10298618A
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Japanese (ja)
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Shinji Takeuchi
伸二 竹内
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Kansai Electric Power Co Inc
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Kansai Electric Power Co Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte fuel cell unit cell and a power generation module capable of simplifying a unit cell structure, omitting an external steam circulation route, and connecting power leads in the reducing atmosphere. SOLUTION: This cylindrical solid electrolyte fuel cell unit cell is provided with an air electrode 1, a solid electrolyte 2 and a fuel electrode 3 in sequence from the outside, its base end section is opened, and its tip section is closed. The base end section has an opened cylindrical shape, and the unit cell is provided with a conductive fuel feed pipe 4 inserted at a gap from the fuel electrode 3 and the gas-permeable conductive felt 5 filled in the gap between the fuel electrode 3 and the fuel feed pipe 4. The fuel feed pipe 4 is provided with a fuel electrode side exhaust gas circulation port 41 opened near the base end section of a fuel electrode side exhaust gas passage, an ejector section 44 for mixing the fuel electrode side exhaust gas flowing in via the fuel electrode side exhaust gas circulation port 41 and the fuel, and fuel blowout holes 42, 43 for feeding the mixed fuel to the fuel electrode 3 via the conductive felt 5.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池(以下、「SOFC」ともいう。)発電モジュールに使
用するセルの構造及び該セルを用いた固体電解質型燃料
電池発電モジュールに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a cell used in a solid oxide fuel cell (hereinafter, also referred to as "SOFC") power generation module and a solid oxide fuel cell power generation module using the cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質型燃料電池セルの構造とし
て、円筒形方式のものと平板方式のものがあり、更に円
筒形方式ものには、外側から順に燃料極、固体電解質、
空気極を配置したものと、逆に外側から順に空気極、固
体電解質、燃料極を配置したものがある。
2. Description of the Related Art As solid electrolyte fuel cell units, there are a cylindrical type and a flat type. Further, the cylindrical type includes a fuel electrode, a solid electrolyte,
There are a type in which an air electrode is arranged, and a type in which an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode are arranged in this order from the outside.

【0003】外側から順に空気極、固体電解質、燃料極
が配置された円筒形セルは、以下に詳述するように燃料
改質性能に優れ、電極構造が簡単である等の利点があ
り、例えば、図12に示されているようなものがある。
円筒形の空気極51、固体電解質52、燃料極53が同
軸で積層されており、燃料極53の内側には、天然ガス
及び水蒸気を燃料極53に供給するために多数の細孔を
備えた導電性チューブ54が挿入されている。導電性チ
ューブ54と燃料極53との間には、導電性フェルト5
5が詰められており、燃料極53と導電性チューブ54
とを電気的に接続している。セルの陽極には空気極5
1、陰極には導電性チューブ54とされる。
A cylindrical cell in which an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode are arranged in this order from the outside has advantages such as excellent fuel reforming performance and a simple electrode structure as described in detail below. , As shown in FIG.
A cylindrical air electrode 51, a solid electrolyte 52, and a fuel electrode 53 are coaxially stacked, and a number of pores are provided inside the fuel electrode 53 to supply natural gas and water vapor to the fuel electrode 53. A conductive tube 54 is inserted. A conductive felt 5 is provided between the conductive tube 54 and the fuel electrode 53.
5 and the anode 53 and the conductive tube 54
And are electrically connected. Air electrode 5 for cell anode
1. A conductive tube 54 is used for the cathode.

【0004】導電性チューブ54は、内側に天然ガスが
供給され、外側には水蒸気が供給される。導電性チュー
ブ54に供給された天然ガス及び水蒸気は、導電性チュ
ーブ54の多数の細孔から外側に向けて吹き出して導電
性フェルト55内に入る。ここで、天然ガス(メタンを
主成分とする)と水蒸気は、以下のように反応して、電
池反応に寄与する燃料に改質される。
The conductive tube 54 is supplied with natural gas on the inside and steam on the outside. The natural gas and water vapor supplied to the conductive tube 54 are blown outward from many pores of the conductive tube 54 and enter the conductive felt 55. Here, natural gas (mainly composed of methane) and steam react as follows to be reformed into fuel that contributes to the cell reaction.

【0005】 CH4 + H2O → 3H2 + CO - 49.27 kcal (反応式A) CO + H2O → H2 + CO2 + 9.83 kcal (反応式B) 従って、改質反応は全体的には次のように表すことがで
きる。
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO−49.27 kcal (reaction formula A) CO + H 2 O → H 2 + CO 2 +9.83 kcal (reaction formula B) Can be expressed as follows.

【0006】 CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 - 39.44 kcal (反応式C) 実際の改質反応においては、化学平衡論的に反応式Aの
反応が大半であり、反応式Bの反応はそれほど多くはな
いため、改質ガス中には水素の他に一酸化炭素も含まれ
ることとなる。
CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2 -39.44 kcal (reaction formula C) In the actual reforming reaction, the reaction of reaction formula A is the most in terms of chemical equilibrium, and the reaction of reaction formula B Since the reaction is not so large, the reformed gas contains carbon monoxide in addition to hydrogen.

【0007】一方、セルの外側には、空気が供給されて
おり、空気中の酸素は空気極51で電子を受け取り、以
下のようにイオン化する。
On the other hand, air is supplied to the outside of the cell, and oxygen in the air receives electrons at the air electrode 51 and is ionized as follows.

【0008】(1/2)O2 + 2e- → O2- (反応式D) 固体電解質52には、所定の運転温度(約1000℃程
度)において酸化物イオンを透過させる固体材料、例え
ば、イットリア安定化ジルコニア等が使用され、空気極
51で発生した酸化物イオンは、固体電解質52中を通
って燃料極53に到達する。燃料極53においては、固
体電解質52中を通って供給される酸化物イオンと、改
質により生成された水素及び一酸化炭素とが以下のよう
に反応して電子を放出する。
(1/2) O 2 + 2e → O 2- (Reaction Formula D) The solid electrolyte 52 is made of a solid material that allows oxide ions to pass therethrough at a predetermined operating temperature (about 1000 ° C.), for example, Yttria-stabilized zirconia or the like is used, and oxide ions generated at the air electrode 51 reach the fuel electrode 53 through the solid electrolyte 52. In the fuel electrode 53, oxide ions supplied through the solid electrolyte 52, hydrogen and carbon monoxide generated by reforming react as follows, and emit electrons.

【0009】 H2 + O2- → H2O + 2e- (反応式E) CO + O2- → CO2 + 2e- (反応式F) H2の電池反応(反応式E)により燃料極53で発生した
H2O(水蒸気)と、改質(反応式B)及びCOの電池反応
(反応式F)により発生したCO2と、未反応のまま残っ
たH2は、セルの上部からセル外に排出される。尚、改質
により発生した燃料COは、ほぼ全部が電池反応(反応式
F)に寄与するため、排気中に殆ど含まれない。
[0009] H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ( Scheme E) CO + O 2- → CO 2 + 2e - fuel electrode by the battery reaction (Scheme F) H 2 (Scheme E) Occurred at 53
H 2 O (steam), CO 2 generated by the reforming (reaction formula B) and the battery reaction of CO (reaction formula F), and H 2 remaining unreacted are discharged out of the cell from the top of the cell. Is done. It should be noted that almost all of the fuel CO generated by the reforming contributes to the battery reaction (reaction formula F), and therefore, is hardly contained in the exhaust gas.

【0010】セルの先端側(上部)では電池反応(反応
式A及びB)によって生じた水蒸気が再び燃料の改質反
応に寄与するため、セルの基端側(底部)から先端側
(上部)間で均一に水蒸気を供給すると、先端側では過
剰となり、基端側では不足する。導電性チューブ54の
基端側を二重構造とし、外側の空間に水蒸気を供給する
ことにより燃料濃度を均一化して電池性能を高めること
ができる。
At the front end (top) of the cell, the steam generated by the battery reaction (reaction formulas A and B) again contributes to the reforming reaction of the fuel, so that the base end (bottom) to the front end (top) of the cell. If the water vapor is supplied uniformly between them, the water vapor becomes excessive on the distal side and insufficient on the proximal side. The base end side of the conductive tube 54 has a double structure, and by supplying steam to the outer space, the fuel concentration can be made uniform and the cell performance can be improved.

【0011】図13は、このようなセルを使用した従来
の固体電解質型燃料電池発電モジュールを示している。
セル56はケーシング57内に収納されている。ケーシ
ング57の上端付近(上部)には、セル56の余剰燃料
放出ゾーン58と、セルの下端付近(底部)から上端付
近(上部)にわたる範囲の電池反応ゾーン59とを分離
する排ガスセパレータ板60が設けられている。
FIG. 13 shows a conventional solid oxide fuel cell power generation module using such cells.
The cell 56 is housed in a casing 57. Near the upper end (upper portion) of the casing 57, an exhaust gas separator plate 60 for separating a surplus fuel discharge zone 58 of the cell 56 and a battery reaction zone 59 ranging from near the lower end (bottom) to near the upper end (top) of the cell. Is provided.

【0012】図13に示されているように、ケーシング
57の上部には燃料極側排気口61が設けられており、
更にケーシング57の側壁にはセル56の直ぐ下方の高
さに、空気供給口62が設けられ、排ガスセパレータ板
60の直ぐ下方に空気極側排気口63が設けられてい
る。空気供給口62から入った空気は、空気室セパレー
タ板64の空気吹出口から上方に向けて吹き出される。
空気中の酸素は電池反応ゾーン59で電池反応に寄与し
て消費され、残った酸素は空気中の他の成分と共に空気
極側排気口63から発電モジュール65の外に排出され
る。
As shown in FIG. 13, a fuel electrode side exhaust port 61 is provided at an upper portion of a casing 57.
Further, an air supply port 62 is provided on the side wall of the casing 57 immediately below the cell 56, and an air electrode side exhaust port 63 is provided immediately below the exhaust gas separator plate 60. The air that has entered through the air supply port 62 is blown upward from the air outlet of the air chamber separator plate 64.
Oxygen in the air contributes to the battery reaction in the battery reaction zone 59 and is consumed, and the remaining oxygen is discharged out of the power generation module 65 from the air electrode side exhaust port 63 together with other components in the air.

【0013】一方、天然ガス供給路66、水蒸気供給路
67から供給された天然ガス及び水蒸気は、フュエルデ
ィストリビューター68によって各セル56に分配さ
れ、各セル56内で改質された後、電池反応に寄与す
る。その後、電池反応に寄与しなかった水素、電池反応
によりできた水蒸気、及び改質によりできた二酸化炭素
は、セル56の上端から余剰燃料放出ゾーン58に入り
燃料極側排気口61からケーシング57の外に排出され
る。
On the other hand, the natural gas and steam supplied from the natural gas supply passage 66 and the steam supply passage 67 are distributed to each cell 56 by a fuel distributor 68, reformed in each cell 56, and then subjected to a battery reaction. To contribute. Thereafter, the hydrogen not contributing to the cell reaction, the water vapor generated by the cell reaction, and the carbon dioxide generated by the reforming enter the surplus fuel discharge zone 58 from the upper end of the cell 56, and enter the casing 57 from the fuel electrode side exhaust port 61. It is discharged outside.

【0014】燃料極側排気の一部は、ポンプ69及び流
量調整器70を介して水蒸気供給路67に再循環され
る。燃料極側排気には多量の純粋な水蒸気が含まれてい
るので、燃料極側排気の一部をそのまま水蒸気供給路6
7に戻している。
A part of the fuel electrode side exhaust gas is recirculated to the steam supply path 67 via a pump 69 and a flow controller 70. Since the fuel electrode side exhaust contains a large amount of pure steam, a part of the fuel electrode side exhaust is
It has been returned to 7.

【0015】以上のような従来のセル及び該セルを使用
した従来の固体電解質型燃料電池発電モジュールは、他
の形式のセル及びモジュールと比べて、多くの利点を有
するものとして開発された。主な利点としては、以下の
点が挙げられる。即ち、上述のようなセル構造は、導電
性フェルト、燃料極、燃料供給用導電性チューブ等に触
媒作用の高いニッケル等を用いれば完全内部改質も可能
となる点で、他の形式のセル構造(例えば、外側から順
に燃料極、固体電解質、空気極を配置するセル構造)に
比べて有利である。
The above-described conventional cell and the conventional solid oxide fuel cell power generation module using the cell have been developed as having many advantages over other types of cells and modules. The main advantages are as follows. That is, the cell structure as described above can be completely internally reformed by using nickel or the like having a high catalytic action for the conductive felt, the fuel electrode, the conductive tube for fuel supply, and the like. It is more advantageous than a structure (for example, a cell structure in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially arranged from the outside).

【0016】また、燃料供給用の導電性チューブ自体を
陰極としているので、インターコネクタが不要である。
このようなインターコネクタレス構造を採用することに
より、セルの有効面積が増加し、単セル出力を大幅に向
上させることができる。
Further, since the fuel supply conductive tube itself is used as a cathode, an interconnector is not required.
By adopting such an interconnectless structure, the effective area of the cell increases, and the output of a single cell can be greatly improved.

【0017】更に、燃料極側排気の一部をそのまま水蒸
気供給路67に戻せば、燃料極側の排気を燃料改質に必
要な水蒸気として有効に利用することができ、コストの
かかる純水の水蒸気を別個に供給源から供給し続ける必
要性がなくなり、或いは低減することができる。
Further, if a part of the fuel electrode side exhaust gas is returned to the steam supply path 67 as it is, the fuel electrode side exhaust gas can be effectively used as steam required for fuel reforming. The need to keep supplying steam separately from the source can be eliminated or reduced.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
セル及び従来のセルを用いた固体電解質型燃料電池発電
モジュールには、以下のような課題が残されていた。
However, the conventional cell and the solid oxide fuel cell power generation module using the conventional cell have the following problems.

【0019】(1)セル底部の構造が複雑 従来のセルの底部側は、空気と燃料との混合を防ぐため
に、セラミックス製の栓がされていた。このため、両端
が開いた円筒形の一端を塞ぐことができる形状にセラミ
ックを加工する必要があった。また、セラミックス製の
栓の中心に導電性チューブを通す必要があり、セル底部
の構造及び製造工程が複雑であった。
(1) The structure of the bottom of the cell is complicated The bottom of the conventional cell is provided with a ceramic stopper in order to prevent mixing of air and fuel. For this reason, it was necessary to process the ceramic into a shape capable of closing one end of a cylindrical shape having both open ends. In addition, it is necessary to pass a conductive tube through the center of the ceramic stopper, and the structure of the cell bottom and the manufacturing process are complicated.

【0020】また、セルの底部は、セル側壁と栓との熱
膨張率の異なる異種材料を組み合わせる構造であったた
め、特にセル底部に熱応力が集中し、クラックの発生な
どが起こりやすいという問題があった。また、上記のよ
うに、水蒸気改質反応は、大きな吸熱作用を伴うため、
燃料供給管の一部で改質反応が行われると、局所的に過
冷却される部分が発生し、セラミック製のセルに局所的
にストレスを与え、クラックや電極の剥がれといった重
大な支障を発生させるおそれもあった。このため、セル
底部に発生するクラック及びそれに伴うガスリークが発
生すると、セルの内側から漏れた燃料と、セルの外側を
流れる空気とが反応して燃焼し、局部加熱により更にセ
ルに損傷を与えてしまうという問題があった。
In addition, since the bottom of the cell has a structure in which different materials having different coefficients of thermal expansion between the cell side wall and the plug are combined, thermal stress is particularly concentrated on the bottom of the cell, and cracks are likely to occur. there were. Also, as described above, since the steam reforming reaction involves a large endothermic effect,
When the reforming reaction is performed in a part of the fuel supply pipe, a part that is locally supercooled occurs, causing local stress on the ceramic cell and causing serious troubles such as cracks and peeling of electrodes. There was also a risk of doing so. For this reason, when a crack generated at the bottom of the cell and a gas leak accompanying the crack occur, the fuel leaked from the inside of the cell and the air flowing outside the cell react and burn, and further damage the cell by local heating. There was a problem that it would.

【0021】(2)水蒸気循環ルートが発電モジュール
外にある 従来の発電モジュールでは、燃料極側排気の一部をその
まま水蒸気供給路に戻し、燃料極側の排気を燃料改質に
必要な水蒸気として利用していた。しかし、このために
は発電モジュールの外に水蒸気の循環ルートを設ける必
要があった。循環ルートに必要とされるポンプ69、流
量調節計70等の補機を駆動するためには動力が必要で
あり、この分だけエネルギー損失が生じていた。また、
これらの補機の制御が難しく、天然ガスや水蒸気の供給
配管も含めると構造が複雑にならざるを得なかった。従
って、燃料極側排気に含まれる多量の水蒸気を有効に利
用して、純水の生産にかかるコストを抑えながらも、外
部の水蒸気循環ルートを省略できるようなセルの開発が
望まれていた。
(2) In the conventional power generation module, the steam circulation route is outside the power generation module. In the conventional power generation module, a part of the fuel electrode side exhaust is returned to the steam supply path as it is, and the fuel electrode side exhaust is used as steam required for fuel reforming. I was using it. However, for this purpose, it was necessary to provide a steam circulation route outside the power generation module. In order to drive auxiliary equipment such as the pump 69 and the flow controller 70 required for the circulation route, motive power is required, and an energy loss has occurred correspondingly. Also,
It was difficult to control these accessories, and the structure had to be complicated when including the supply pipes for natural gas and steam. Therefore, it has been desired to develop a cell capable of effectively using a large amount of water vapor contained in the fuel electrode side exhaust and suppressing the cost of producing pure water, while eliminating the external water vapor circulation route.

【0022】(3)高温酸化雰囲気中における電極接続 電極(パワーリードアセンブリ)の接続に際しては、接
触抵抗の増大や電極の劣化などを避けることが非常に重
要である。しかしながら、固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールの運転温度は、約850℃から約1050℃の
高温であり、セルの周囲も酸化雰囲気であった。そのた
め、従来の固体電解質型燃料電池発電モジュールにおい
ては、パワーリードとして使用できる材料が極めて制限
されていた(例えば、白金、金等)。しかも、何れの材
料を使用しても、費用、加工の容易性、導電率等の全て
の要求を満たすことはできなかった。かかる事情から、
パワーリードが腐食や酸化の影響を受けにくいような構
造を開発し、パワーリードの材料として選択できる材料
の幅を広げる必要があった。
(3) Electrode Connection in High Temperature Oxidizing Atmosphere When connecting an electrode (power lead assembly), it is very important to avoid an increase in contact resistance and deterioration of the electrode. However, the operating temperature of the solid oxide fuel cell power generation module was as high as about 850 ° C. to about 1050 ° C., and the surroundings of the cell were also in an oxidizing atmosphere. Therefore, in the conventional solid oxide fuel cell power generation module, materials that can be used as power leads are extremely limited (for example, platinum, gold, and the like). In addition, no matter which material is used, all the requirements such as cost, easiness of processing, conductivity and the like cannot be satisfied. Under such circumstances,
It was necessary to develop a structure in which the power lead was not easily affected by corrosion or oxidation, and to expand the range of materials that could be selected as the power lead material.

【0023】本発明の目的は、セル構造を簡略化できる
とともに、外部の水蒸気循環ルートを省略することがで
き、さらに還元雰囲気内でパワーリードを接続すること
ができる固体電解質型燃料電池セル及びそれを用いた発
電モジュールを提供することである。
An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of simplifying the cell structure, omitting an external steam circulation route, and connecting a power lead in a reducing atmosphere, and a solid electrolyte fuel cell. An object of the present invention is to provide a power generation module using the same.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】本発明の固体電解質型燃
料電池セルは、外側から順に空気極、固体電解質、燃料
極を有し、基端部が開放され、先端部が空気極を径方向
内方へ延ばして閉鎖された円筒形の固体電解質型燃料電
池セルであって、基端部が開放された円筒状をなし、前
記燃料極との間に間隙をおいて挿入された導電性の燃料
供給管と、前記燃料極と前記燃料供給管との間隙に詰め
られたガス透過性の導電性物質とを備え、前記燃料供給
管は、燃料極側排ガス流路の基端部付近で開口する燃料
極側排ガス循環口と、前記燃料極側排ガス循環口付近に
設けられ、前記燃料極側排ガス循環口を介して流入する
燃料極側排ガスと燃料とを混合するためのエゼクター部
と、前記エゼクター部により燃料極側排ガスと混合され
た燃料を前記導電性物質を介して前記燃料極へ送るため
の燃料吹き出し孔とを備える。
A solid oxide fuel cell according to the present invention has an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode in order from the outside, a base end portion of which is open, and a tip end portion in which the air electrode extends in a radial direction. A cylindrical solid oxide fuel cell that extends inward and is closed, has a cylindrical shape with a base end opened, and has a conductive property inserted with a gap between the fuel electrode. A fuel supply pipe, and a gas-permeable conductive substance filled in a gap between the fuel electrode and the fuel supply pipe, wherein the fuel supply pipe is opened near a base end of a fuel electrode side exhaust gas flow path. A fuel electrode side exhaust gas circulation port, and an ejector unit provided near the fuel electrode side exhaust gas circulation port, for mixing fuel electrode side exhaust gas and fuel flowing through the fuel electrode side exhaust gas circulation port, The fuel mixed with the exhaust gas on the fuel electrode side by the ejector unit And a fuel blowing holes for feeding through the material to the fuel electrode.

【0025】また、前記燃料吹き出し孔は、前記燃料供
給管の先端部及び/又は側面に分散されて複数設けら
れ、前記エゼクター部により燃料極側排ガスと混合され
た燃料は、前記複数の燃料吹き出し孔を介して前記導電
性物質へ送られることが好ましい。
[0025] Further, a plurality of the fuel outlet holes are provided at the tip end and / or the side surface of the fuel supply pipe, and a plurality of fuel outlet holes are provided. Preferably, it is sent to the conductive material via a hole.

【0026】また、前記燃料供給管の内側で且つ前記燃
料吹き出し孔の少なくとも周辺に設けられ、燃料を水蒸
気改質するための改質触媒をさらに備えることが好まし
い。
[0026] It is preferable that the fuel supply system further comprises a reforming catalyst provided inside the fuel supply pipe and at least around the fuel blow-out hole for steam reforming the fuel.

【0027】また、本発明の固体電解質型燃料電池発電
モジュールは、上記いずれかに記載の固体電解質型燃料
電池セルを複数本配置した固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールであって、燃料極側排ガスと空気極側排ガスの
混合を防止するために、セルの基端部が位置する高さに
取り付けられている排ガスセパレータと、セルの燃料供
給管に燃料を分配するフュエルディストリビューター
と、セルの陽極の少なくとも一部に接触している集電体
と、一端が前記集電体に接続され、他端がセルの基端部
側で且つ前記排ガスセパレータを越えて位置しているカ
ソード引出リードと、セルの基端部側で且つ前記排ガス
セパレータを越えた位置で、1又は2以上の燃料供給管
に接続されている燃料極側パワーリードと、セルの基端
部側で且つ前記排ガスセパレータを越えた位置で、1又
は2以上のカソード引出リードに接続された空気極側パ
ワーリードとを備える。
Further, a solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention is a solid oxide fuel cell power module in which a plurality of the solid oxide fuel cells described in any one of the above are arranged, and comprises a fuel electrode side exhaust gas and In order to prevent mixing of the exhaust gas on the cathode side, an exhaust gas separator installed at the height where the base end of the cell is located, a fuel distributor for distributing fuel to the fuel supply pipe of the cell, and an anode for the cell anode A current collector in contact with at least a part of the cell, a cathode lead connected at one end to the current collector, and the other end positioned on the base end side of the cell and beyond the exhaust gas separator; A fuel electrode-side power lead connected to one or more fuel supply pipes at a base end side of the fuel cell and at a position beyond the exhaust gas separator; In position beyond the separator, and a connection air electrode side power lead to one or more cathode conductive leads.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明の好適な実施形態について説明する。図1は本発明
の一実施の形態の固体電解質型燃料電池セルの構造を示
す縦断面及び横断面を示す図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a longitudinal section and a transverse section showing the structure of a solid oxide fuel cell unit according to an embodiment of the present invention.

【0029】図1に示すように、固体電解質燃料電池セ
ルは、外側から順に空気極1、固体電解質2、燃料極3
を積層した円筒形で、セル底部を閉鎖した構造を有して
いる。燃料極3の内側には、燃料供給管4が、セルの上
部側から挿入されている。燃料極3と燃料供給管4との
間には、導電性フェルト5が詰められており、燃料極3
と燃料供給管4とを電気的に接続している。セルの陰極
には燃料供給管4が用いられ、陽極には空気極1が用い
られる。
As shown in FIG. 1, a solid electrolyte fuel cell comprises an air electrode 1, a solid electrolyte 2, and a fuel electrode 3 in that order from the outside.
And a structure in which the bottom of the cell is closed. Inside the fuel electrode 3, a fuel supply pipe 4 is inserted from the upper side of the cell. A conductive felt 5 is packed between the fuel electrode 3 and the fuel supply pipe 4,
And the fuel supply pipe 4 are electrically connected. The fuel supply pipe 4 is used for the cathode of the cell, and the air electrode 1 is used for the anode.

【0030】燃料供給管4のセル上部側には、二つの燃
料極側排ガス循環口41が設けられ、その内部は、エゼ
クター部44を構成し、燃料供給管4により噴射される
メタンを主成分とする燃料(天然ガス等)を高速で噴射
することにより、豊富な水蒸気を含む燃料極側排ガスの
一部が随伴流として燃料供給管4内部に引き込まれ、燃
料と水蒸気が混合される。従って、燃料と水蒸気とが十
分に混合された水蒸気混合燃料が、燃料供給管4の上部
から底部まで均一な状態で送られる。燃料供給管4内に
送られた水蒸気混合燃料は、燃料供給管4の内側に設け
られた多孔性の改質触媒6により改質され(反応式Aか
らC)、燃料電池反応に寄与する水素及び一酸化炭素の
豊富なガスとなる。改質触媒6により改質された燃料
は、燃料供給管4の先端に設けられた先端燃料吹き出し
孔42及び側面に設けられた複数の燃料吹き出し孔43
を介して導電性フェルト5に送られ、さらに改質され、
水素及び一酸化炭素が生成される。
Two fuel electrode side exhaust gas circulation ports 41 are provided on the upper side of the cell of the fuel supply pipe 4, and the inside thereof constitutes an ejector section 44, which mainly contains methane injected by the fuel supply pipe 4. By injecting the fuel (natural gas or the like) at a high speed, a part of the fuel electrode side exhaust gas containing abundant water vapor is drawn into the fuel supply pipe 4 as an accompanying flow, and the fuel and the water vapor are mixed. Accordingly, the steam-mixed fuel in which the fuel and the steam are sufficiently mixed is sent in a uniform state from the top to the bottom of the fuel supply pipe 4. The steam mixed fuel sent into the fuel supply pipe 4 is reformed by the porous reforming catalyst 6 provided inside the fuel supply pipe 4 (reaction formulas A to C), and hydrogen contributing to the fuel cell reaction And a gas rich in carbon monoxide. The fuel reformed by the reforming catalyst 6 is supplied to a tip fuel outlet 42 provided at the tip of the fuel supply pipe 4 and a plurality of fuel outlets 43 provided at the side surface.
To the conductive felt 5 through which is further modified,
Hydrogen and carbon monoxide are produced.

【0031】一方、空気極1の外側には、酸素を含む空
気が流れており、空気中の酸素が電子を受け取ってイオ
ン化し(反応式D)、酸素イオンが固体電解質2中を透
過して燃料極3に到達する。燃料極3では、酸化物イオ
ンが、電子を放出しつつ導電性フェルト5内の水素及び
一酸化炭素と反応する(反応式E及びF)。この反応に
より生じた水蒸気及び二酸化炭素は、導電性フェルト5
内をセル上部に向けて流れる。そして、反応式Eにより
生じた水蒸気は、導電性フェルト5内で再び改質反応に
寄与する(反応式AからC)。
On the other hand, air containing oxygen flows outside the air electrode 1, and oxygen in the air receives and ionizes electrons (reaction formula D), and oxygen ions permeate through the solid electrolyte 2. The fuel electrode 3 is reached. At the fuel electrode 3, oxide ions react with hydrogen and carbon monoxide in the conductive felt 5 while emitting electrons (reaction formulas E and F). Water vapor and carbon dioxide generated by this reaction are converted into conductive felt 5
It flows toward the upper part of the cell. Then, the steam generated by the reaction formula E again contributes to the reforming reaction in the conductive felt 5 (reaction formulas A to C).

【0032】セルの上部には、排ガスセパレータ板11
が設けられており、導電性フェルト5から出た水蒸気等
は、空気と混ざらずに燃料極側排ガスとして放出され
る。この燃料極側排ガスの一部は、燃料極側排ガス循環
口41を介して燃料供給管4内に入り、改質用の水蒸気
としてエゼクター部44により燃料と再び混合されて循
環される。
On the upper part of the cell, an exhaust gas separator plate 11
Is provided, and the steam or the like that has flowed out of the conductive felt 5 is released as fuel electrode side exhaust gas without being mixed with air. A part of the fuel electrode side exhaust gas enters the fuel supply pipe 4 via the fuel electrode side exhaust gas circulation port 41, and is mixed with the fuel again by the ejector unit 44 as steam for reforming and circulated.

【0033】ここで、空気極1としては、従来から使用
される材料を用いることができ、例えば、ストロンチウ
ム添加ランタンマンガナイト等を使用することができ
る。また、固体電解質2としては、例えば、イットリア
安定化ジルコニア等を用いることができる。燃料極3と
しては、天然ガス等の燃料改質の触媒機能を有する材料
を使用することが好ましく、例えば、ニッケルジルコニ
アサーメット等を用いることができる。燃料供給管4と
しては、導電性が高く且つ1000℃の高温でも内部の
燃料ガス圧力に対して十分な強度を有する材料である必
要があり、好ましくは、ニッケル、銅、ステンレス、イ
ンコネルなどの金属材料を用いることが好ましい。改質
触媒6としては、改質反応に適する多孔性の材料を用い
ることができ、例えば、ニッケル担持アルミナ等を用い
ることができる。
Here, as the air electrode 1, a conventionally used material can be used, and for example, strontium-added lanthanum manganite or the like can be used. Further, as the solid electrolyte 2, for example, yttria-stabilized zirconia or the like can be used. As the fuel electrode 3, it is preferable to use a material having a catalytic function for fuel reforming such as natural gas. For example, nickel zirconia cermet or the like can be used. The fuel supply pipe 4 must be made of a material having high conductivity and having sufficient strength against the internal fuel gas pressure even at a high temperature of 1000 ° C., and is preferably made of a metal such as nickel, copper, stainless steel, and inconel. It is preferable to use a material. As the reforming catalyst 6, a porous material suitable for a reforming reaction can be used. For example, nickel-supported alumina or the like can be used.

【0034】また、セルの形状として、加工性等を考慮
すると、セル長(空気極の長手方向長さ)は、20〜1
70cmであることが好ましく、セルの直径(空気極1
の直径)は、10〜30mmであることが好ましい。ま
た、空気極1の厚さは、1〜4mmであることが好まし
く、固体電解質2の厚さは、10〜100μmであるこ
とが好ましく、燃料極3の厚さは、20〜500μmで
あることが好ましく、導電性フェルト5の厚さは、0.
5〜3mmであることが好ましく、燃料供給管4の直径
は、8〜27mmであることが好ましく、燃料供給管4
の厚さは、0.5〜3mmであることが好ましく、改質
触媒6の厚さは、20〜1000μmであることが好ま
しい。
In consideration of workability and the like as the cell shape, the cell length (the length in the longitudinal direction of the air electrode) is 20 to 1
70 cm, and the diameter of the cell (air electrode 1
Is preferably 10 to 30 mm. Further, the thickness of the air electrode 1 is preferably 1 to 4 mm, the thickness of the solid electrolyte 2 is preferably 10 to 100 μm, and the thickness of the fuel electrode 3 is 20 to 500 μm. Is preferable, and the thickness of the conductive felt 5 is 0.1 mm.
The diameter of the fuel supply pipe 4 is preferably 5 to 3 mm, and the diameter of the fuel supply pipe 4 is preferably 8 to 27 mm.
Is preferably 0.5 to 3 mm, and the thickness of the reforming catalyst 6 is preferably 20 to 1000 μm.

【0035】次に、燃料供給管4について、さらに詳細
に説明する。図2は、燃料供給管4の構造を示す側面及
び縦断面を示す図である。
Next, the fuel supply pipe 4 will be described in more detail. FIG. 2 is a diagram showing a side surface and a longitudinal section showing the structure of the fuel supply pipe 4.

【0036】図2に示すように、燃料供給管4の内部
は、中空にされ、セル上部側の内部がノズル形状にされ
るとともに、その断面が略四分の一円の形状を有する二
つの燃料極側排ガス循環口41がノズル形状の先端付近
に設けられ、エゼクター部44が形成されている。ま
た、燃料極3の表面に燃料が均等に行き渡るように、燃
料供給管4の先端には、直径0.1〜2mmの先端燃料
吹き出し孔42が設けられ、その側面には、スパイラル
状に設けられた直径0.2〜2mmの複数の燃料吹き出
し孔43が設けられている。また、燃料吹き出し孔43
は、セル上部に向かって所定の角度傾斜して燃料供給管
4に穿孔されており、燃料吹き出し孔43から噴出した
燃料(特にセル底部側の燃料)がセル内で滞留せずにス
ムーズにセルの外側に排気されるようにしている。
As shown in FIG. 2, the inside of the fuel supply pipe 4 is made hollow, and the inside of the upper part of the cell is made into a nozzle shape. A fuel electrode side exhaust gas circulation port 41 is provided near the tip of the nozzle shape, and an ejector section 44 is formed. Further, a tip fuel outlet hole 42 having a diameter of 0.1 to 2 mm is provided at the tip of the fuel supply pipe 4 so as to evenly distribute the fuel on the surface of the fuel electrode 3, and a spiral shape is provided on a side surface thereof. A plurality of fuel outlet holes 43 having a diameter of 0.2 to 2 mm are provided. In addition, the fuel blowing hole 43
The fuel supply pipe 4 is bored at a predetermined angle toward the upper part of the cell, and the fuel (especially, the fuel at the bottom of the cell) ejected from the fuel outlet 43 does not stay in the cell, and the cell smoothly flows. So that it is exhausted outside.

【0037】先端燃料吹き出し孔42の大きさ、数及び
位置並びに燃料吹き出し孔43の大きさ、数、位置及び
傾斜角度は、上記の例に特に限定されず、使用条件等に
応じて種々の変更が可能であり、先端燃料吹き出し孔を
設けずに、側面の燃料吹き出し孔だけを設けるようにし
てもよい。また、燃料極側排ガス循環口41の個数、形
状等についても、上記の例に特に限定されず、使用条件
等に応じて種々の変更が可能である。
The size, number, and position of the fuel outlet holes 42 and the size, number, position, and inclination angle of the fuel outlet holes 43 are not particularly limited to the above examples, and may be variously changed according to the use conditions and the like. It is also possible to provide only the side fuel discharge holes without providing the front end fuel discharge holes. Further, the number, shape, and the like of the fuel electrode side exhaust gas circulation ports 41 are not particularly limited to the above example, and various changes can be made according to the use conditions and the like.

【0038】燃料ガスは、例えば、約 0.5 〜3 kg/cm2
・G 程度の圧力でエゼクター部44から噴射され、この
燃料の噴出にともなって、燃料極側排ガス循環口41付
近は負圧となり、燃料極側排ガス循環口41から水蒸気
を含む燃料極側排ガスが燃料供給管4内部に引き込まれ
る。このようなエゼクター効果により混合された燃料及
び水蒸気が改質触媒6へ送られ、大半の水蒸気改質反応
を改質触媒6で行うことができる。ここで、燃料供給管
4は、ニッケル等の熱伝導性の高い金属から作られてい
るため、改質触媒6における水蒸気改質反応の吸熱作用
により、局所的に生じた温度変化を効率よく吸収するこ
とができ、セル内部の温度をバランスよく保つことがで
きる。改質された燃料は、先端燃料吹き出し孔42及び
燃料吹き出し孔43から導電性フェルト5全体に均一に
送られてより完全に改質される。
The fuel gas is, for example, about 0.5 to 3 kg / cm 2
The fuel is injected from the ejector section 44 at a pressure of about G, and the fuel is ejected, so that the pressure near the fuel electrode side exhaust gas circulation port 41 becomes a negative pressure. It is drawn into the fuel supply pipe 4. The fuel and steam mixed by such an ejector effect are sent to the reforming catalyst 6, and most of the steam reforming reaction can be performed by the reforming catalyst 6. Here, since the fuel supply pipe 4 is made of a metal having high thermal conductivity such as nickel, the temperature change generated locally by the endothermic effect of the steam reforming reaction in the reforming catalyst 6 is efficiently absorbed. And the temperature inside the cell can be maintained in a well-balanced manner. The reformed fuel is uniformly sent from the tip fuel outlet 42 and the fuel outlet 43 to the entire conductive felt 5 to be completely reformed.

【0039】上記の改質動作により、吸熱反応である水
蒸気改質反応が行われても、局所的に過冷却されること
がないため、セラミック製のセルに局所的にストレスを
与えることがなく、クラックの発生や電極の剥がれとい
った重大な支障を発生させない。また、吸熱反応である
水蒸気改質反応の大半が燃料供給管4内部で行われるた
め、導電性フェルト5及び燃料極3を介して燃料供給管
4に外側に配置される固体電解質2が低温にされること
がなく、電流の減少によるセル性能の低下を招くことも
ない。さらに、改質反応に必要な熱も、電流がセルを通
過するときに生じるジュール発熱により十分に供給さ
れ、電池反応に寄与する十分な燃料を得ることができ
る。
By the above-described reforming operation, even if a steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, is performed, supercooling is not locally performed, so that stress is not locally applied to the ceramic cell. Also, no serious troubles such as generation of cracks and peeling of the electrodes are generated. In addition, since most of the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, is performed inside the fuel supply pipe 4, the solid electrolyte 2 disposed outside the fuel supply pipe 4 via the conductive felt 5 and the fuel electrode 3 has a low temperature. The cell performance is not reduced due to the decrease in the current. Further, heat required for the reforming reaction is also sufficiently supplied by Joule heat generated when an electric current passes through the cell, and sufficient fuel contributing to the battery reaction can be obtained.

【0040】改質された燃料は、燃料極3で電池反応に
使用され、電池反応後の水蒸気を含む燃料極側排ガス
は、導電性フェルト5を通って燃料極側排ガス循環口4
1から吸い込まれ、水蒸気が循環される。ここで、セル
の上端には排ガスセパレータ板11が取り付けられてい
るので、燃料極側排ガスのみが燃料極側排ガス循環口4
1の周囲を流れ、空気極側排ガスは、燃料極側排ガス循
環口41の周囲を通らない。従って、燃料極側排ガスの
みが燃料極側排ガス循環口41から吸い込まれるので、
外部に燃料極側排ガスの循環ルートを設けることなく、
燃料極側排ガス中の水蒸気を有効に利用することが可能
となる。
The reformed fuel is used in the cell reaction at the fuel electrode 3, and the fuel electrode side exhaust gas containing water vapor after the cell reaction passes through the conductive felt 5 and the fuel electrode side exhaust gas circulation port 4.
The water vapor is circulated from the suction port 1. Here, since the exhaust gas separator plate 11 is attached to the upper end of the cell, only the fuel electrode side exhaust gas can be used.
1, the air electrode side exhaust gas does not pass around the fuel electrode side exhaust gas circulation port 41. Therefore, only the fuel electrode side exhaust gas is sucked from the fuel electrode side exhaust gas circulation port 41,
Without providing a fuel electrode side exhaust gas circulation route outside,
The water vapor in the fuel electrode side exhaust gas can be effectively used.

【0041】図3から図8は、本発明にかかる固体電解
質型燃料電池セルを用いた場合のセル間接続の一例を示
している。図3に示されているように、空気極電流は、
セルの空気極1に密着したカソード集電体21からカソ
ード引出リード22を通じて取り出される。空気極1に
は集電効果を高めるため、カソード集電体21との間に
は集電補助剤23を、更に、空気極1の周りに一定間隔
で、幅数ミリメートルから数十ミリメートルの集電補助
リング24をコーティングしておくことが好ましい。図
3の実施形態では、カソード集電体21には銅やニッケ
ルなど高導電性金属の細線に、酸化防止のために白金を
コーティングしたものを、集電補助剤23や集電補助リ
ング24には白金ペーストを使用している。
FIGS. 3 to 8 show an example of inter-cell connection when the solid oxide fuel cell according to the present invention is used. As shown in FIG. 3, the cathode current is
It is taken out from the cathode current collector 21 in close contact with the air electrode 1 of the cell through the cathode lead 22. In order to enhance the current collecting effect on the air electrode 1, a current collecting auxiliary agent 23 is provided between the air electrode 1 and the cathode current collector 21, and a collector having a width of several millimeters to several tens of millimeters is further provided around the air electrode 1 at regular intervals. It is preferable that the electric auxiliary ring 24 is coated. In the embodiment of FIG. 3, the cathode current collector 21 is formed by coating a fine wire of a highly conductive metal such as copper or nickel with platinum to prevent oxidation. Uses platinum paste.

【0042】カソード集電体21を流れる電流は、セル
上部に多く集まり、セル底部には少ないため、カソード
集電体21及び集電補助剤23とも底部に行くほど幅を
狭くすることができ、そうすることで材料の使用量を抑
えることができる。カソード引出リードは、カソード集
電体21を延長してもよく、熱応力に耐えるため撚り線
構造とするなど柔軟性を持たせることが望ましい。
Since a large amount of current flows through the cathode current collector 21 at the top of the cell and is small at the bottom of the cell, the width of both the cathode current collector 21 and the current collection aid 23 can be reduced toward the bottom. By doing so, the amount of material used can be reduced. The cathode lead may extend the cathode current collector 21 and preferably has flexibility such as a stranded wire structure to withstand thermal stress.

【0043】セル間の接続は、図4に示されているよう
に、縦方向にはカソード集電体21を介して、横方向に
はカソードスペーサ25を介して複数のセルを接続して
行き、1つのバンドルを構成する。カソードスペーサ2
5は、その上方にセルとセルの間を流れる空気が排出す
るための間隙を作るようセル上端よりやや低い位置まで
延びている。カソードスペーサ25の材質はセルの空気
極1と同じものが好ましく、電気的には固着していなく
ても良い。
As shown in FIG. 4, a plurality of cells are connected to each other via a cathode current collector 21 in the vertical direction and via a cathode spacer 25 in the horizontal direction. , Constitute one bundle. Cathode spacer 2
5 extends to a position slightly lower than the upper end of the cell so as to form a gap above the cell so that air flowing between the cells is discharged. The material of the cathode spacer 25 is preferably the same as that of the air electrode 1 of the cell, and may not be electrically fixed.

【0044】図5はバンドル構造の1例を示している。
ここでは、縦方向に2本、横方向に3本の計6本のセル
を接続したバンドル構造が示されている。空気は、底部
の空気室セパレータ板26の孔を通ってセルに供給さ
れ、外側の空気極に沿ってセル上部に上がって行く。空
気極側排ガスとセルの内側から出てきた燃料極側排ガス
は、排ガスセパレータ板11によって混合燃焼しないよ
うに分離される。排ガスセパレータ板11には、カソー
ド引出リードを通すための貫通孔27が設けられてい
る。
FIG. 5 shows an example of the bundle structure.
Here, a bundle structure in which a total of six cells are connected, two in the vertical direction and three in the horizontal direction, is shown. Air is supplied to the cell through holes in the bottom air chamber separator plate 26 and rises up the cell along the outer cathode. The air electrode side exhaust gas and the fuel electrode side exhaust gas coming out of the inside of the cell are separated by the exhaust gas separator plate 11 so as not to be mixed and burned. The exhaust gas separator plate 11 is provided with a through hole 27 through which a cathode lead is passed.

【0045】バンドルとバンドルの間にはバンドルスペ
ーサ28を設置し、バンドル間を電気的に絶縁すると共
に、その上方は空気極側排ガスの通り道となるように排
ガスセパレータ11との間に間隙を設ける。したがっ
て、セルとセルの間の空気極側排ガスは、図6に示すよ
うに該図の紙面における横方向にはバンドルスペーサ2
8の上部から、縦方向にはカソードスペーサ25の上部
から外に排出される。
A bundle spacer 28 is provided between the bundles to electrically insulate the bundles from each other, and a gap is provided between the bundles and the exhaust gas separator 11 so that the air exhaust gas passes through the bundle. . Accordingly, as shown in FIG. 6, the exhaust gas on the cathode side between the cells is bundled with the bundle spacer 2 in the lateral direction on the paper of FIG.
From the upper part of the cathode spacer 25, it is discharged vertically from the upper part of the cathode spacer 25.

【0046】図6は図5に示されているバンドルを図の
縦方向に4組接続してスタック化した場合の平面図を示
している。上記のようにして並列に接続された6本のセ
ルが各バンドルを構成している。各バンドル間にはバン
ドルスペーサ28があり、この状態ではバンドル1から
4の相互間は絶縁されている。
FIG. 6 is a plan view showing a case where four sets of the bundles shown in FIG. 5 are connected in the vertical direction in the figure to form a stack. Six cells connected in parallel as described above constitute each bundle. There is a bundle spacer 28 between each bundle, and in this state, the bundles 1 to 4 are insulated from each other.

【0047】図7はバンドルからの電極の取り出し方を
示している。燃料極(陰極)側は、燃料供給管4から燃
料極側パワーリード29を介して電極を取り出す。空気
極(陽極)側は、カソード引出リードから空気極側パワ
ーリード30を介して電極を取り出す。燃料極側パワー
リード29を6本の燃料供給管4に接続することによ
り、セルの陰極は、並列に接続されて等電位となる。ま
た、空気極側パワーリード30によって3本のカソード
引出リード22を接続することによりセルの陽極も並列
に接続されて等電位となる。
FIG. 7 shows how to take out the electrodes from the bundle. From the fuel electrode (cathode) side, an electrode is taken out from the fuel supply pipe 4 via the fuel electrode side power lead 29. On the air electrode (anode) side, an electrode is taken out from the cathode extraction lead via the air electrode side power lead 30. By connecting the fuel electrode side power lead 29 to the six fuel supply pipes 4, the cathodes of the cells are connected in parallel and become equipotential. In addition, by connecting the three cathode lead-out leads 22 by the air electrode-side power lead 30, the anodes of the cells are also connected in parallel and become equipotential.

【0048】各燃料供給管4と燃料極側パワーリード2
9、及び各カソード引出リード22と空気極側パワーリ
ード30は、接触抵抗が大きくならないよう溶接やボル
ト締め等でしっかり固定する。それぞれのパワーリード
は撚り線構造等を用いて柔軟性を持たせるのが望まし
い。
Each fuel supply pipe 4 and fuel electrode side power lead 2
9, and the cathode lead 22 and the air electrode side power lead 30 are firmly fixed by welding, bolting, or the like so as not to increase the contact resistance. It is desirable that each power lead has flexibility by using a stranded wire structure or the like.

【0049】バンドル間の電気接続は、図8に示されて
いるように隣り合ったバンドルの空気極側パワーリード
30と燃料極側パワーリード29を溶接やボルト締め等
で接続することによって行い、このようにして各バンド
ルを電気的に直列に繋いでいく。パワーリードの接続
は、セルに排ガスセパレータ板11を被せた後に行う。
The electric connection between the bundles is performed by connecting the air electrode side power lead 30 and the fuel electrode side power lead 29 of the adjacent bundle by welding or bolting as shown in FIG. In this way, the bundles are electrically connected in series. The connection of the power lead is performed after the cell is covered with the exhaust gas separator plate 11.

【0050】図9はスタック構造のアッセンブリの一例
を示している。これは図5に示されているバンドルを縦
方向に4組直列に接続したものである。燃料は、フュエ
ルディストリビューター31からフレキシブル絶縁ジョ
イント32及び燃料供給管4を通してセル内部に送られ
る。スタック相互の間はパーテーションボード33によ
って仕切られる。見易さのため、この図からは空気極側
パワーリード及び燃料極側パワーリード(パワーリード
アセンブリ)を省略している。
FIG. 9 shows an example of an assembly having a stack structure. This is obtained by connecting four bundles shown in FIG. 5 in series in the vertical direction. The fuel is sent from the fuel distributor 31 through the flexible insulating joint 32 and the fuel supply pipe 4 to the inside of the cell. The stacks are partitioned by a partition board 33. For the sake of clarity, the air electrode side power lead and the fuel electrode side power lead (power lead assembly) are omitted from this drawing.

【0051】図10は、フレキシブル絶縁ジョイント3
2と燃料供給管4との接続を拡大して示したものであ
る。燃料供給管4とフュエルディストリビューター31
とはフレキシブル絶縁ジョイント32によって繋がれ
る。図10に示されているようにフレキシブル絶縁ジョ
イント32は相互にネジ締めによって繋ぐことができ
る。フレキシブル絶縁ジョイント32を柔軟な構造にす
れば、セル及び発電モジュール内の各部の熱応力や膨張
率が異なっていても、それによる摺動を吸収することが
できる。また、フレキシブル絶縁ジョイント32は、セ
ラミックスやテフロン等の絶縁性材料で構成されてお
り、燃料供給管4とフュエルディストリビューター31
との間を電気的に絶縁することができる。
FIG. 10 shows a flexible insulating joint 3.
2 shows the connection between the fuel supply pipe 2 and the fuel supply pipe 4 in an enlarged manner. Fuel supply pipe 4 and fuel distributor 31
Are connected by a flexible insulating joint 32. As shown in FIG. 10, the flexible insulating joints 32 can be connected to each other by screwing. If the flexible insulating joint 32 has a flexible structure, even if the cells and the power generation module have different thermal stresses and different expansion coefficients, the sliding caused by the differences can be absorbed. The flexible insulating joint 32 is made of an insulating material such as ceramics or Teflon, and is connected to the fuel supply pipe 4 and the fuel distributor 31.
Can be electrically isolated from each other.

【0052】図9に示されているスタックを更に直列に
接続して構成した発電モジュールの一実施形態を図11
に示す。発電モジュールには、下側から順に空気室3
4、電池反応室35、燃料極排ガス室36、フュエルデ
ィストリビューター31が設けられている。空気室34
と電池反応室35との間は空気室セパレータ板26で仕
切られており、電池反応室35と燃料極排ガス室36と
の間は排ガスセパレータ板11で仕切られている。更
に、フュエルディストリビューター31と燃料極排ガス
室36との間にはフュエルディストリビューター31を
支持するためのトッププレート37が取り付けられてい
る。
FIG. 11 shows an embodiment of the power generation module constructed by further connecting the stack shown in FIG. 9 in series.
Shown in In the power generation module, the air chamber 3
4. A battery reaction chamber 35, a fuel electrode exhaust gas chamber 36, and a fuel distributor 31 are provided. Air chamber 34
The cell reaction chamber 35 is partitioned by the air chamber separator plate 26, and the cell reaction chamber 35 and the fuel electrode exhaust gas chamber 36 are partitioned by the exhaust gas separator plate 11. Further, a top plate 37 for supporting the fuel distributor 31 is attached between the fuel distributor 31 and the fuel electrode exhaust gas chamber 36.

【0053】空気室34に入った空気は、空気室セパレ
ータ板26に設けられた孔から上方に向けて吹きだし、
電池反応室35において電池反応に寄与した後、空気極
側排ガスとして排出される。一方、天然ガス等の燃料
は、フュエルディストリビューター31によって、各セ
ルに分配され、フレキシブル絶縁ジョイント32を介し
て各セルの燃料供給管4に供給されて電池反応室35に
入る。燃料は電池反応室35において改質及び電池反応
に寄与した後、燃料極側排ガスとして燃料極排ガス室3
6に入る。この一部が燃料極側排ガス循環路41から吸
い込まれて再び改質反応に寄与する。その他の燃料極側
排ガスは燃料極排ガス室36の外に排出される。
The air entering the air chamber 34 is blown upward from a hole provided in the air chamber separator plate 26,
After contributing to the battery reaction in the battery reaction chamber 35, the gas is discharged as the air electrode side exhaust gas. On the other hand, a fuel such as natural gas is distributed to each cell by a fuel distributor 31, supplied to a fuel supply pipe 4 of each cell via a flexible insulating joint 32, and enters a battery reaction chamber 35. After the fuel contributes to the reforming and the cell reaction in the cell reaction chamber 35, the fuel is discharged as the fuel electrode side exhaust gas in the fuel electrode exhaust gas chamber 3
Enter 6. Part of this is sucked from the fuel electrode side exhaust gas circulation path 41 and again contributes to the reforming reaction. Other fuel electrode side exhaust gas is discharged out of the fuel electrode exhaust gas chamber 36.

【0054】燃料極排ガス室36と電池反応室35の間
では、差圧コントロールによって、燃料極排ガス室36
と電池反応室35のガス圧力差をなくするようにするの
が好ましい。圧力差をなくすことによって、排ガスセパ
レータ板11とセルの間からのガスリークによる混合燃
焼を抑えることができ、排ガスセパレータ板11とセル
上部との間に特別なシールを行わずに済む。更に、セル
上部にまで上がってきた燃料極側排ガス中の可燃性ガス
は、電池反応によって殆ど消費されているので微妙なリ
ークは許容される。
Between the anode exhaust gas chamber 36 and the cell reaction chamber 35, the anode exhaust gas chamber 36 is controlled by differential pressure control.
And the gas pressure difference between the battery reaction chamber 35 and the battery reaction chamber 35 are preferably eliminated. By eliminating the pressure difference, mixed combustion due to gas leakage from between the exhaust gas separator plate 11 and the cell can be suppressed, and a special seal between the exhaust gas separator plate 11 and the upper part of the cell can be eliminated. Further, the flammable gas in the fuel-electrode-side exhaust gas that has risen to the upper part of the cell is almost consumed by the battery reaction, so that a slight leak is allowed.

【0055】なお、上記の説明では、固体電解質型燃料
電池セルを、セルの先端部が下側を向くようにして複数
本配置した発電モジュールについて述べたが、基端部の
ガスシールや冷停止時のセル内の水抜き等を考慮して、
セルの基端部が下側を向くようにセルを配置してもよ
い。
In the above description, a power generation module in which a plurality of solid oxide fuel cells are arranged so that the front end of the cell faces downward is explained. In consideration of drainage in the cell at the time,
The cells may be arranged such that the base ends of the cells face downward.

【0056】[0056]

【発明の効果】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発
電モジュールに使用するセルは、セル底部が押し出し成
形により製造できる構造となっているので、厳格な寸法
でセラミックス製の栓を別に製造して取り付ける必要が
ない。また、セル底部の構造は熱応力が1個所に集中し
にくい構造であるので、クラックの発生及びそれに伴う
ガスリークの問題を解消することができる。
The cell used in the solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention has a structure in which the bottom of the cell can be manufactured by extrusion, so that a ceramic stopper with strict dimensions is separately manufactured. No need to install. Further, since the structure at the bottom of the cell is a structure in which thermal stress is unlikely to be concentrated at one location, it is possible to solve the problem of cracks and gas leakage accompanying the cracks.

【0057】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電
モジュールは、エゼクター効果を利用してセル内におい
て水蒸気を循環させているので、発電モジュールの外に
水蒸気循環ルートを設ける必要がなく、水蒸気循環ルー
トで使用していたポンプや流量調整器などの補機が不要
となる。これによりエネルギー損失を少なくすることが
でき、また、発電モジュール全体の制御も容易になる。
In the solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention, the steam is circulated in the cell utilizing the ejector effect. Therefore, there is no need to provide a steam circulation route outside the power generation module, and the steam circulation route is not required. Auxiliary equipment, such as a pump and a flow regulator, used in the above-mentioned method are not required. As a result, energy loss can be reduced, and control of the entire power generation module becomes easy.

【0058】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電
モジュールに使用するセルは、燃料極排ガス室において
パワーリードを接続することが可能である。燃料極排ガ
ス室は還元雰囲気であり、このような還元雰囲気中でパ
ワーリードを接続すれば、パワーリードが腐食や酸化の
影響を受けにくい。その結果、パワーリードの材料とし
て選択できる材料の幅が広がり、高価な白金等以外の材
料でパワーリードを形成することができる。
The cell used in the solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention can be connected to a power lead in an anode exhaust gas chamber. The fuel electrode exhaust gas chamber is in a reducing atmosphere. If the power leads are connected in such a reducing atmosphere, the power leads are less susceptible to corrosion and oxidation. As a result, the range of materials that can be selected as the power lead material is expanded, and the power lead can be formed of a material other than expensive platinum or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施の形態の固体電解質型燃料電池
セルの構造を示す縦断面及び横断面を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a longitudinal section and a transverse section showing the structure of a solid oxide fuel cell unit according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す燃料供給管の構造を示す側面及び縦
断面を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a side view and a longitudinal section showing a structure of a fuel supply pipe shown in FIG. 1;

【図3】本発明にかかるセルの空気極の集電構造を示す
斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing a current collecting structure of an air electrode of the cell according to the present invention.

【図4】本発明にかかるセルの空気極の接続を示す平面
図である。
FIG. 4 is a plan view showing the connection of the air electrode of the cell according to the present invention.

【図5】本発明にかかるセルのバンドル構造の一例を示
す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a cell bundle structure according to the present invention.

【図6】図5に示されているバンドル構造をスタック化
したものを示す平面図である。
FIG. 6 is a plan view showing a stack of the bundle structure shown in FIG. 5;

【図7】本発明にかかるセルのパワーリード接続の一例
を示す斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing an example of a power lead connection of a cell according to the present invention.

【図8】本発明にかかるセルのパワーリード接続の一例
を示す斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a power lead connection of a cell according to the present invention.

【図9】本発明にかかるセルのスタック構造の一例を示
す斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view showing an example of a cell stack structure according to the present invention.

【図10】本発明にかかる発電モジュールにおいて使用
するフレキシブル絶縁ジョイントと燃料供給管との接続
を拡大して示した図である。
FIG. 10 is an enlarged view showing a connection between a flexible insulating joint and a fuel supply pipe used in the power generation module according to the present invention.

【図11】図9に示されているスタックを更に直列に接
続して構成した発電モジュールの一実施形態を示す図で
ある。
11 is a diagram showing one embodiment of a power generation module configured by further connecting the stack shown in FIG. 9 in series.

【図12】従来の固体電解質型燃料電池のセル構造を示
す縦断面及びV-V線断面を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a vertical section and a VV line section showing a cell structure of a conventional solid oxide fuel cell.

【図13】従来のセルを使用した固体電解質型燃料電池
発電モジュールを示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a solid oxide fuel cell power generation module using a conventional cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 空気極 2 固体電解質 3 燃料極 4 燃料供給管 5 導電性フェルト 6 改質触媒 21 カソード集電体 22 カソード引出リード 23 集電補助剤 24 集電補助リング 25 カソードスペーサ 29 燃料極側パワーリード 30 空気極側パワーリード 32 フレキシブル絶縁ジョイント 34 空気室 35 電池反応室 36 燃料極排ガス室 41 燃料極側排ガス循環口 42 先端燃料吹き出し孔 43 燃料吹き出し孔 44 エゼクター部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air electrode 2 Solid electrolyte 3 Fuel electrode 4 Fuel supply pipe 5 Conductive felt 6 Reforming catalyst 21 Cathode current collector 22 Cathode extraction lead 23 Current collection auxiliary agent 24 Current collection auxiliary ring 25 Cathode spacer 29 Fuel electrode side power lead 30 Air electrode side power lead 32 Flexible insulation joint 34 Air chamber 35 Battery reaction chamber 36 Fuel electrode exhaust gas chamber 41 Fuel electrode side exhaust gas circulation port 42 Tip fuel outlet hole 43 Fuel outlet hole 44 Ejector unit

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 外側から順に空気極、固体電解質、燃料
極を有し、基端部が開放され、先端部が空気極を径方向
内方へ延ばして閉鎖された円筒形の固体電解質型燃料電
池セルであって、 基端部が開放された円筒状をなし、前記燃料極との間に
間隙をおいて挿入された導電性の燃料供給管と、 前記燃料極と前記燃料供給管との間隙に詰められたガス
透過性の導電性物質とを備え、 前記燃料供給管は、燃料極側排ガス流路の基端部付近で
開口する燃料極側排ガス循環口と、前記燃料極側排ガス
循環口付近に設けられ、前記燃料極側排ガス循環口を介
して流入する燃料極側排ガスと燃料とを混合するための
エゼクター部と、前記エゼクター部により燃料極側排ガ
スと混合された燃料を前記導電性物質を介して前記燃料
極へ送るための燃料吹き出し孔とを備える固体電解質型
燃料電池セル。
1. A cylindrical solid electrolyte fuel having an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode in order from the outside, a base end portion being open, and a front end portion being closed by extending the air electrode radially inward. A battery cell, comprising: a cylindrical fuel cell having an open base end; a conductive fuel supply pipe inserted with a gap between the fuel electrode and the fuel electrode; A gas-permeable conductive material filled in the gap, wherein the fuel supply pipe has a fuel electrode-side exhaust gas circulation opening that is open near the base end of the fuel electrode-side exhaust gas flow path, and the fuel electrode-side exhaust gas circulation An ejector section provided near the port, for mixing fuel and exhaust gas flowing through the anode-side exhaust gas circulation port, and a fuel mixed with fuel electrode-side exhaust gas by the ejector section. Blow-out hole for sending to the anode through a permeable material A solid oxide fuel cell comprising:
【請求項2】 前記燃料吹き出し孔は、前記燃料供給管
の先端部及び/又は側面に分散されて複数設けられ、前
記エゼクター部により燃料極側排ガスと混合された燃料
は、前記複数の燃料吹き出し孔を介して前記導電性物質
へ送られる請求項1記載の固体電解質型燃料電池セル。
2. The fuel supply hole is provided in plural at a tip end and / or a side surface of the fuel supply pipe, and the fuel mixed with fuel electrode side exhaust gas by the ejector unit is provided with the plurality of fuel supply holes. The solid oxide fuel cell according to claim 1, which is sent to the conductive substance through a hole.
【請求項3】 前記燃料供給管の内側で且つ前記燃料吹
き出し孔の少なくとも周辺に設けられ、燃料を水蒸気改
質するための改質触媒をさらに備える請求項1又は2記
載の固体電解質型燃料電池セル。
3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising a reforming catalyst provided inside the fuel supply pipe and at least around the fuel outlet, for reforming the fuel with steam. cell.
【請求項4】 請求項1から3のいずれかに記載の固体
電解質型燃料電池セルを複数本配置した固体電解質型燃
料電池発電モジュールであって、 燃料極側排ガスと空気極側排ガスの混合を防止するため
に、セルの基端部が位置する高さに取り付けられている
排ガスセパレータと、 セルの燃料供給管に燃料を分配するフュエルディストリ
ビューターと、 セルの陽極の少なくとも一部に接触している集電体と、 一端が前記集電体に接続され、他端がセルの基端部側で
且つ前記排ガスセパレータを越えて位置しているカソー
ド引出リードと、 セルの基端部側で且つ前記排ガスセパレータを越えた位
置で、1又は2以上の燃料供給管に接続されている燃料
極側パワーリードと、 セルの基端部側で且つ前記排ガスセパレータを越えた位
置で、1又は2以上のカソード引出リードに接続された
空気極側パワーリードとを備える固体電解質型燃料電池
発電モジュール。
4. A solid oxide fuel cell power generation module in which a plurality of solid oxide fuel cells according to claim 1 are arranged, wherein a fuel electrode side exhaust gas and an air electrode side exhaust gas are mixed. To prevent this, an exhaust gas separator mounted at the height where the base end of the cell is located, a fuel distributor that distributes fuel to the fuel supply pipe of the cell, and at least part of the anode of the cell A cathode lead connected at one end to the current collector, the other end at the base end side of the cell and located beyond the exhaust gas separator, and at the base end side of the cell; A fuel electrode side power lead connected to one or more fuel supply pipes at a position beyond the exhaust gas separator; and 1 or 2 at a base end side of the cell and at a position beyond the exhaust gas separator. A solid oxide fuel cell power generation module including the cathode lead and the air electrode side power lead connected to the cathode lead.
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