JP2005044600A - Fuel cell - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To equalize temperature distribution in the stacking direction of a fuel cell stack and enhance efficiency of power generation. <P>SOLUTION: The fuel cell stack 1 is constituted by alternately stacking a power generation cell 5 and a separator 8. Each power generation cell 5 is constituted so that reaction gas is supplied from manifolds 15, 16 through gas connection pipes 13, 14. At least one of oxidizing agent gas pipes 14 supplying air to power generation cells 5 positioned at both ends of the fuel cell stack 1 is made long by detouring around the peripheral region of the fuel cell stack 1 to heat circulating air inside a pipe. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００５】
ところで、特に平板積層型の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向において燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分に比べて極端に低下するという傾向が見られる（図３参照）。これは、燃料電池スタックの両端を除く部分は各発電セルが別の発電セルにより上下で挟まれる構造であるため、運転時の発電セルのジュール熱が外に発散し難く、セル内部に蓄積され易くなっており、一方、燃料電池スタック両端部の発電セルはその片面部分がモジュール内雰囲気に直接接触しているためジュール熱が発散し易いことに起因している。温度が低い部分の発電セルは、高温部分の発電セルに比べて電極反応が活発に行われないため、発電性能（電流密度）が低下している。
【０００６】
燃料電池スタックの積層方向における温度分布の均一化を図るための技術として特許文献１が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６０−２５４５６８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
複数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向に上記したような両肩下がりの温度分布が生じていると、燃料電池の発電性能が低温部の発電セルの発電性能で制限されることになり、よって、燃料電池スタック中段部分の発電セルに高い発電性能が得られていても総合的にみると性能向上に与らない全く無意味な発電になってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図った燃料電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、マニホールドより複数のガス接続管を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した燃料電池において、前記燃料電池スタックの両端に位置する発電セルに空気を供給する酸化剤接続管の内の少なくとも一方を前記燃料電池スタックの周域で迂回させることにより管路を長くしたことを特徴としている。
本構成では、酸化剤接続管内の空気が燃料電池スタックの周域を迂回しながら流通する過程で発電セルからの放射熱を受熱し、その際の高温空気が発電セル内に導入されることにより、燃料電池スタックの端部を積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記管路を長くした酸化剤接続管は、前記燃料電池スタックの周囲を取り巻くように配管されていることを特徴としている。
本構成では、発電セルからの放射熱を効率良く受熱できるようになり、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの中段部に対応する酸化剤接続管に冷空気を導入することを特徴としている。
通常、燃料電池においては、反応用ガス（燃料ガス、および酸化剤ガスとしての空気）は発電セルの積層方向に延設した燃料マニホールド、酸化剤マニホールドの各マニホールドを通して各々対応する発電セルに供給されるように構成されている。従って、請求項１、請求項２の奏する作用効果に加え、本構成では燃料電池スタック中段部の発電セルは冷空気により冷却されることになるため、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの中段部に対応する酸化剤接続管に冷空気を導入すると共に、前記燃料電池スタックの両端部に対応する酸化剤接続管の内の少なくとも一方に温空気を導入することを特徴としている。
本構成では、上記請求項３の奏する作用効果に加え、更にスタック両端部の酸化剤接続管には温空気が導入されるため、燃料電池スタック端部の昇温効果が向上し、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図２は本発明による酸化剤接続管の接続・配置状態を示している。
【００１５】
図１中、符号１は燃料電池スタックを示し、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に積層した構造を有する。
【００１６】
ここで、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ_３ 、ＬａＣｏＯ_３ 等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【００１７】
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に反応ガスを導入する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料通路１１と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤通路１２を有している。但し、燃料電池スタック１両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、燃料通路１１または酸化剤通路１２の何れか一方を有することから、これらを他のセパレータ８と区別して特に端板８Ａ、端板８Ｂと呼んでいる。本実施形態では、端板８Ａは燃料通路１１のみを有し、端板８Ｂは酸化剤通路１２のみを有する。材料は他のセパレータ８と同様にステンレス等で構成されている。
【００１８】
また 図１に示すように、燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８および端板８Ａの燃料通路１１にステンレス製の燃料接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料マニホールド１５と、各セパレータ８および端板８Ｂの酸化剤通路１２にステンレス製の酸化剤接続管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤マニホールド１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
【００１９】
これら、燃料電池スタック１や各マニホールド１５、１６を断熱材等の保温用部材を付装した筒状のハウジング（図示せず）内に収納してモジュール化することによって、固体酸化物形燃料電池が構成される。
【００２０】
本実施形態において、固体酸化物形燃料電池は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、燃料通路１１および酸化剤通路１２を通してセパレータ８や端板８Ａ、８Ｂの略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（排ガス）を発電セル５の外周部から外側に自由に放出するようになっている。
【００２１】
ところで、特に平板積層型の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向において燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分に比べて極端に低下するという傾向が見られ、これが電池性能に大きく影響していることは従来技術の欄で述べた通りである。
【００２２】
そこで、本実施形態では、酸化剤マニホールド１６と端板８Ｂを接続する酸化剤接続管１４については、他の酸化剤接続管１４の接続形態のように、酸化剤マニホールド１６と端板８Ｂを最短距離で直線的に接続するのではなく、酸化剤接続管１４を、一旦、端板８Ｂの回りに、燃料電池スタック１の外周部から放出される排ガスの熱（放射熱）を直接受熱可能な所定の距離をおいて１周半程度、螺旋状に周回させた後、その端部を端板８Ｂの酸化剤通路１２に接続するようにした。酸化剤接続管１４を端板８Ｂの回りに周回させる配管構造（蛇管という）とすることにより、配管自体をコンパクトに収めながら酸化剤接続管１４の管路を燃料電池スタック１の周域において長くすることができる。
【００２３】
従って、上記構成では、外部から酸化剤マニホールド１６に供給された空気は、酸化剤マニホールド１６から多数に分岐した各酸化剤接続管１４を通して各セパレータ８に導入されるが、燃料電池スタック１最上端においては、酸化剤接続管１４を通して流通される空気は端板８Ｂの周囲を周回する過程で、燃料電池スタック１外周部からの放射熱を管内において効率的に受熱し、熱交換された高温の空気が端板８Ｂの酸化剤通路１２を通して吐出口２６から吐出すると共に、対面する空気極集電体７内を拡散して発電セル内に導入され、発電セル５を内部から加熱する。
【００２４】
このように、本実施形態では、温度低下の著しい燃料電池スタック１の端部を温空気の導入によって積極的に昇温することができ、これにより、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００２５】
因みに、作動温度が７００℃前後の固体酸化物形燃料電池では、酸化剤マニホールド１６に常温（２０℃）の空気を導入した場合、酸化剤マニホールド１６と端板８Ｂを酸化剤接続管１４にて直線的に接続した配管構造では、酸化剤接続管１４を経て端板８Ｂに導入される空気の発電セル５への到達時温度は３００〜４００℃程度であるが、図２のように、酸化剤接続管１４を端板８Ｂの回りに螺旋状に周回させた本実施形態の配管構造では、端板８Ｂに導入される空気の発電セル５への到達時温度を６００〜６５０℃に加熱することができ、その昇温効果は極めて大である。
【００２６】
また、図１に示すように、本実施形態では、空気供給管２７を通して外部から供給される冷却用空気を酸化剤マニホールド１６の長手中央部に供給すると共に、酸化剤マニホールド１６の端部には排ガスの熱を利用した公知の熱交換機構等により予熱された温空気を予熱空気供給管２８を通して導入するように構成されている。
【００２７】
酸化剤マニホールド１６と各セパレータ８、および端板８Ｂは、それぞれ酸化剤接続管１４を介して相互に接続されているため、燃料電池スタック１の中段部に当たる発電セル５には中央部分に配設された酸化剤接続管１４を通して空気供給管２７からの冷空気（常温空気）が故意に暖められることなく、そのまま導入されると共に、燃料電池スタック１端部の端板８Ｂには、この冷空気が酸化剤マニホールド１６の中央部から末端部に流通する過程で排熱と熱交換して暖められた温空気と、予熱空気供給管２８を通して供給される温空気との合流空気が導入されることになる。
【００２８】
このように、本構成では、温度の高い燃料電池スタック中段部のセパレータ８には外部の冷空気が直接導入されて中段部が積極的に冷却されることになり、且つ、供給する空気の量も従来に比べて大幅に減少することができる。因みに、従来では、冷却のために発電反応に必要な空気の約８倍もの多量の空気を必要としていた。
また、温度の低い燃料電池スタック１の端板８Ｂについては、上記した蛇管式の酸化剤接続管による昇温効果と、温空気による昇温効果の相乗効果により、燃料電池スタック１の端部における昇温効果が著しく向上することになり、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布はより効果的に均一化することができるようになる。
【００２９】
以上、本実施形態では、本発明による酸化剤接続管構造を燃料電池スタック１上端部の発電セル５に適用した場合について述べたが、燃料電池スタック１下端部の発電セル５にも適用可能であることは勿論である。そもそも、蛇管は構造的に簡単であるため、適用は容易である。
【００３０】
図３は運転時の燃料電池スタック１における積層方向の温度分布を示しており、実線は従来の場合、破線は本発明の構成によるものである。
【００３１】
図３に示すように、従来型では、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布が両肩下がりの特性となっているが、本発明のように燃料電池スタックの低温部分（端部）を昇温し、且つ、高温部分（中段部分）を冷却する構成では、高温部と低温部の温度差を極力少なくして積層方向の全域に亘ってほぼ均一な温度分布を得ることができ、これにより、発電の効率化が図れると共に、破線で示すように高温部における発電セルの温度を低減することにより、熱応力による燃料極層３の剥離等、発電セル５の破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）を向上することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタック端部における空気供給用の酸化剤接続管を燃料電池スタックの周域において迂回させて管路を長くしたので、外部から供給される空気は管内において燃料電池スタックの周域を流通する過程で発電セルからの排熱を受熱して高温空気となり、この高温空気が発電セル内部に導入されることで燃料電池スタックの端部を積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
また、酸化剤接続管を燃料電池スタックの回りを取り巻くように配置することにより、管内空気の熱交換効率を向上できる。
【００３３】
また、本発明によれば、燃料電池スタックの中段部に冷空気を供給し、端部に温空気を供給するように構成したので、燃料電池スタックの積層方向の温度分布をより効果的に均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す断面図。
【図２】本発明が適用された酸化剤接続管の接続・配置状態を示す上面図。
【図３】燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向の温度分布を示す図。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
５ 発電セル
８ セパレータ
１３、１４ ガス接続管（燃料接続管、酸化剤接続管）
１５、１６ マニホールド（燃料マニホールド、酸化剤マニホールド）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell having a stack structure in which power generation cells and separators are alternately stacked, and more particularly to a fuel cell in which power generation efficiency is improved by uniformizing the temperature distribution in the stacking direction in the fuel cell stack. is there.
[0002]
[Prior art]
Solid oxide fuel cells are being developed as third-generation fuel cells for power generation. At present, three types of solid oxide fuel cells have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, all of which include a solid electrolyte composed of an oxide ion conductor as an air electrode layer, a fuel electrode layer, and a fuel electrode layer. It has a laminated structure sandwiched between. A fuel cell stack having a predetermined output can be configured by alternately laminating power generation cells and separators made of this laminate.
[0003]
The power generation cell is supplied with oxygen (air) as an oxidant gas on the air electrode side and fuel gas (H ₂ , CO, CH _4, etc.) on the fuel electrode side. The air electrode and the fuel electrode are both porous so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte. Oxygen supplied to the air electrode side passes through pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. At this portion, electrons are received from the air electrode and converted into oxide ions (O ²⁻ ). Ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H ₂ O, CO _2, etc.), and discharge electrons to the fuel electrode.
[0004]
The electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.

[0005]
By the way, in the flat plate type fuel cell stack, in particular, there is a tendency that the temperature in the vicinity of both ends of the fuel cell stack is extremely lowered in the stacking direction of the power generation cells as compared with the middle portion (see FIG. 3). This is because the fuel cell stack has a structure in which each power generation cell is sandwiched between other power generation cells at the top and bottom, so that the Joule heat of the power generation cell during operation is difficult to dissipate outside and is accumulated inside the cell. On the other hand, since the power generation cells at both ends of the fuel cell stack are in direct contact with the atmosphere in the module, Joule heat is likely to dissipate. Since the electrode reaction is not actively performed in the power generation cell in the low temperature portion as compared with the power generation cell in the high temperature portion, the power generation performance (current density) is lowered.
[0006]
Patent Document 1 is disclosed as a technique for achieving a uniform temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 60-254568
[Problems to be solved by the invention]
In a fuel cell stack configured by connecting a plurality of power generation cells in series, if the temperature distribution with both shoulders down as described above occurs in the stacking direction of the power generation cells, the power generation performance of the fuel cell is Therefore, even if high power generation performance is obtained in the power generation cells in the middle part of the fuel cell stack, it is totally meaningless power generation that does not contribute to performance improvement. End up.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell in which the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack is made uniform to improve the efficiency of power generation.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the first aspect of the present invention, the fuel cell stack is configured by alternately stacking the power generation cells and the separator, and the reaction gas is supplied from the manifold to each power generation cell through a plurality of gas connection pipes. In the constructed fuel cell, at least one of the oxidant connection pipes for supplying air to the power generation cells located at both ends of the fuel cell stack is detoured in the peripheral area of the fuel cell stack, thereby extending the pipe line. It is characterized by.
In this configuration, the air in the oxidant connection pipe receives the radiant heat from the power generation cell in the process of circulating while bypassing the peripheral area of the fuel cell stack, and the high-temperature air at that time is introduced into the power generation cell. The temperature of the end of the fuel cell stack can be positively increased. Thereby, the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack is made uniform, and efficient power generation becomes possible.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect, the oxidant connecting pipe having a longer pipe line is provided so as to surround the periphery of the fuel cell stack. It is a feature.
In this configuration, the radiant heat from the power generation cell can be received efficiently, and the temperature distribution of the fuel cell stack can be more effectively uniformized.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, cold air is introduced into an oxidant connection pipe corresponding to a middle portion of the fuel cell stack. It is characterized by.
Usually, in a fuel cell, a reaction gas (fuel gas and air as an oxidant gas) is supplied to the corresponding power generation cell through each manifold of the fuel cell and the oxidant manifold extending in the stacking direction of the power generation cells. It is comprised so that. Therefore, in addition to the operational effects of the first and second aspects, in this configuration, the power generation cells in the middle stage of the fuel cell stack are cooled by cold air, so that the temperature distribution of the fuel cell stack can be more effectively improved. It can be made uniform.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, cold air is introduced into an oxidant connection pipe corresponding to a middle portion of the fuel cell stack. The hot air is introduced into at least one of the oxidant connection pipes corresponding to both ends of the fuel cell stack.
In this configuration, in addition to the operational effects of the third aspect of the present invention, since warm air is further introduced into the oxidant connection pipes at both ends of the stack, the temperature rising effect at the ends of the fuel cell stack is improved, and the fuel cell stack The temperature distribution can be made more effective.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
FIG. 1 shows an internal schematic configuration of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied, and FIG. 2 shows a connection / arrangement state of an oxidant connecting pipe according to the present invention.
[0015]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a fuel cell stack, and a power generation cell 5 in which a fuel electrode layer 3 and an air electrode layer (oxidant electrode layer) 4 are arranged on both surfaces of a solid electrolyte layer 2, A structure in which a fuel electrode current collector 6, an air electrode current collector (oxidant electrode current collector) 7 outside the air electrode layer 4, and a separator 8 outside each current collector 6, 7 are sequentially laminated. Have.
[0016]
Here, the solid electrolyte layer 2 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 3 is composed of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ, and air. The electrode layer 4 is made of LaMnO ₃ , LaCoO ₃ or the like, the fuel electrode current collector 6 is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 7 is made of an Ag-based alloy or the like. The separator 8 is made of stainless steel or the like.
[0017]
The separator 8 electrically connects the power generation cells 5 and has a function of introducing a reaction gas into the power generation cells 5. The separator 8 has a function of introducing fuel gas from the outer peripheral surface of the separator 8. A fuel passage 11 to be discharged from the substantially central portion of the surface facing the body 6 and an oxidant gas (air) are introduced from the outer peripheral surface of the separator 8 and discharged from the surface of the separator 8 facing the air electrode current collector 7. An oxidant passage 12 is provided. However, since the separators 8 (8A, 8B) at both ends of the fuel cell stack 1 have either one of the fuel passage 11 or the oxidant passage 12, these are distinguished from the other separators 8 in particular by the end plate 8A, the end plate. It is called 8B. In the present embodiment, the end plate 8 </ b> A has only the fuel passage 11, and the end plate 8 </ b> B has only the oxidant passage 12. The material is made of stainless steel or the like as with the other separators 8.
[0018]
As shown in FIG. 1, on the side of the fuel cell stack 1, a fuel manifold 15 for supplying fuel gas to the fuel passages 11 of the separators 8 and the end plates 8A through the fuel connection pipes 13 made of stainless steel, and the separators 8 and an oxidant manifold 16 for supplying oxidant gas (air) to the oxidant passage 12 of the end plate 8B through the stainless steel oxidant connection pipe 14 are provided extending in the stacking direction of the power generation cells 5. Yes.
[0019]
The fuel cell stack 1 and the manifolds 15 and 16 are housed in a cylindrical housing (not shown) equipped with a heat retaining member such as a heat insulating material and modularized, so that a solid oxide fuel cell is obtained. Is configured.
[0020]
In the present embodiment, the solid oxide fuel cell has a sealless structure in which no gas leakage prevention seal is provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 5. During operation, the separator 8 and the oxidant passage 12 pass through the separator 8 and the oxidant passage 12. The fuel gas and the oxidant gas supplied from the substantially central portions of the end plates 8A and 8B toward the power generation cell 5 are diffused in the outer peripheral direction of the power generation cell 5 and are excellent over the entire surface of the fuel electrode layer 3 and the air electrode layer 4. The power generation reaction is caused to spread with a wide distribution, and surplus gas (exhaust gas) that has not been consumed in the power generation reaction is freely released from the outer peripheral portion of the power generation cell 5 to the outside.
[0021]
By the way, in particular, in the flat plate type fuel cell stack, the temperature near the both ends of the fuel cell stack in the stacking direction of the power generation cells tends to be extremely lower than that in the middle stage, which greatly affects the battery performance. This is as described in the section of the prior art.
[0022]
Therefore, in the present embodiment, the oxidant connection pipe 14 that connects the oxidant manifold 16 and the end plate 8B has the shortest distance between the oxidant manifold 16 and the end plate 8B as in the connection form of the other oxidant connection pipes 14. Rather than linearly connecting at a distance, the oxidant connecting pipe 14 can directly receive the heat (radiant heat) of the exhaust gas emitted from the outer peripheral portion of the fuel cell stack 1 once around the end plate 8B. After rotating around a predetermined distance about one and a half times in a spiral manner, the end portion was connected to the oxidant passage 12 of the end plate 8B. By adopting a piping structure (referred to as a serpentine tube) that circulates the oxidant connecting pipe 14 around the end plate 8B, the conduit of the oxidant connecting pipe 14 is made longer in the peripheral area of the fuel cell stack 1 while the pipe itself is stored compactly. can do.
[0023]
Therefore, in the above configuration, the air supplied to the oxidant manifold 16 from the outside is introduced into each separator 8 through each oxidant connection pipe 14 branched in a large number from the oxidant manifold 16, but the uppermost end of the fuel cell stack 1. , In the process of circulating around the end plate 8B, the air circulated through the oxidant connection pipe 14 efficiently receives the radiant heat from the outer periphery of the fuel cell stack 1 in the pipe, and the heat exchanged high temperature Air is discharged from the discharge port 26 through the oxidant passage 12 of the end plate 8B, diffuses in the facing air electrode current collector 7, is introduced into the power generation cell, and heats the power generation cell 5 from the inside.
[0024]
As described above, in the present embodiment, the temperature of the end of the fuel cell stack 1 in which the temperature is significantly decreased can be positively increased by introducing warm air, whereby the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack 1 is It becomes uniform and enables efficient power generation.
[0025]
Incidentally, in a solid oxide fuel cell having an operating temperature of around 700 ° C., when air at ordinary temperature (20 ° C.) is introduced into the oxidant manifold 16, the oxidant manifold 16 and the end plate 8 B are connected by the oxidant connection pipe 14. In the linearly connected piping structure, the temperature when the air introduced into the end plate 8B through the oxidant connecting pipe 14 reaches the power generation cell 5 is about 300 to 400 ° C., but as shown in FIG. In the piping structure of the present embodiment in which the agent connecting pipe 14 is spirally wound around the end plate 8B, the temperature when the air introduced into the end plate 8B reaches the power generation cell 5 is heated to 600 to 650 ° C. The temperature raising effect is extremely large.
[0026]
Further, as shown in FIG. 1, in the present embodiment, cooling air supplied from the outside through the air supply pipe 27 is supplied to the longitudinal central portion of the oxidant manifold 16, and at the end of the oxidant manifold 16. Hot air preheated by a known heat exchange mechanism using the heat of exhaust gas is introduced through the preheated air supply pipe 28.
[0027]
Since the oxidant manifold 16, each separator 8, and the end plate 8 </ b> B are connected to each other via an oxidant connection pipe 14, the power generation cell 5 corresponding to the middle stage of the fuel cell stack 1 is disposed in the center portion. The cold air (normal temperature air) from the air supply pipe 27 is introduced as it is without being intentionally heated through the oxidant connecting pipe 14, and the cold air is introduced into the end plate 8B at the end of the fuel cell stack 1. Is introduced into the oxidant manifold 16 from the central part to the terminal part, and the combined air of the warm air heated by the heat exchange with the exhaust heat and the warm air supplied through the preheated air supply pipe 28 is introduced. become.
[0028]
Thus, in this configuration, external cold air is directly introduced into the separator 8 in the middle stage of the fuel cell stack having a high temperature, and the middle stage is actively cooled, and the amount of air to be supplied Also, it can be greatly reduced compared to the conventional case. Incidentally, conventionally, a large amount of air as much as about eight times as much as that required for power generation reaction has been required for cooling.
Further, the end plate 8B of the fuel cell stack 1 having a low temperature is provided at the end portion of the fuel cell stack 1 due to a synergistic effect of the temperature rise effect by the above-described serpentine type oxidant connecting pipe and the temperature rise effect by the warm air. The temperature increase effect is remarkably improved, and the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack 1 can be more effectively uniformized.
[0029]
As described above, in this embodiment, the case where the oxidant connecting pipe structure according to the present invention is applied to the power generation cell 5 at the upper end of the fuel cell stack 1 has been described. Of course there is. In the first place, since the serpentine tube is structurally simple, application is easy.
[0030]
FIG. 3 shows the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack 1 during operation. The solid line is the conventional case, and the broken line is the structure of the present invention.
[0031]
As shown in FIG. 3, in the conventional type, the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack 1 has a characteristic that both shoulders are lowered, but the low temperature portion (end) of the fuel cell stack is raised as in the present invention. In the configuration that warms and cools the high-temperature part (middle part), the temperature difference between the high-temperature part and the low-temperature part can be reduced as much as possible to obtain a substantially uniform temperature distribution over the entire region in the stacking direction. In addition to improving the efficiency of power generation, as shown by the broken line, the temperature of the power generation cell can be reduced to prevent the fuel cell layer 5 from being damaged, such as peeling of the fuel electrode layer 3 due to thermal stress. Durability (thermal cycle characteristics) can be improved.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the oxidizer connecting pipe for supplying air at the end of the fuel cell stack is detoured in the peripheral area of the fuel cell stack and the pipe line is lengthened, the air supplied from the outside In the process of circulating around the fuel cell stack in the pipe, the exhaust heat from the power generation cells is received and becomes high-temperature air, and this high-temperature air is introduced into the power generation cells to actively move the end of the fuel cell stack. The temperature can be increased. Thereby, the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack is made uniform, and efficient power generation becomes possible.
Further, the heat exchange efficiency of the air in the pipe can be improved by arranging the oxidant connecting pipe so as to surround the fuel cell stack.
[0033]
In addition, according to the present invention, the cold air is supplied to the middle part of the fuel cell stack and the hot air is supplied to the end part, so that the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack is more effectively uniform. Can be
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic internal configuration of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a top view showing a connection / arrangement state of an oxidant connection pipe to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram showing a temperature distribution in the stacking direction of power generation cells in a fuel cell stack.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 5 Power generation cell 8 Separator 13, 14 Gas connection pipe (fuel connection pipe, oxidant connection pipe)
15, 16 Manifold (fuel manifold, oxidizer manifold)

Claims (4)

In a fuel cell configured to alternately stack power generation cells and separators to form a fuel cell stack, and to supply reaction gas to each power generation cell through a plurality of gas connection pipes from a manifold,
A fuel cell characterized in that at least one of oxidant connection pipes for supplying air to power generation cells located at both ends of the fuel cell stack is detoured in the peripheral area of the fuel cell stack, thereby extending the pipe line. . 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the oxidizer connection pipe having a long pipe line is provided so as to surround the periphery of the fuel cell stack. 3. The fuel cell according to claim 1, wherein cold air is introduced into an oxidant connecting pipe corresponding to a middle portion of the fuel cell stack. Cold air is introduced into the oxidant connection pipe corresponding to the middle part of the fuel cell stack, and hot air is introduced into at least one of the oxidant connection pipes corresponding to both ends of the fuel cell stack. The fuel cell according to any one of claims 1 and 2.

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