JP2008084683A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of supplying gas nearly homogeneously to respective power generating elements of a cell stack. <P>SOLUTION: In the fuel cell, the power generating elements in which a fuel side electrode 66 is formed on one side of a solid electrolyte 68 while an oxygen side electrode 70 is formed on the other side of it are laminated in a plurality of number. The fuel cell includes the cell stack 60 in which the plurality of power generating elements are electrically connected, a manifold 58 to supply a gas to the plurality of power generating elements via a gas passage 74, and a gas supplying tube 80 installed at one end of the manifold 58. The fuel cell supplies the gas supplied to the manifold 58 by the gas supplying tube 80, respectively, to the power generating element via the gas passage 74. A cross sectional area of the gas passage 74 at the center part of a power generating element laminating direction of the cell stack 60 is larger than that of the gas passage 74 in the gas supplying tube 80 side of the cell stack 60. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、発電素子を複数積層してなるセルスタックと、複数の発電素子にガス通路を介してガスを供給するマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられたガス供給管とを具備する燃料電池に関する。   The present invention provides a fuel comprising: a cell stack formed by stacking a plurality of power generation elements; a manifold that supplies gas to the plurality of power generation elements via gas passages; and a gas supply pipe provided at one end of the manifold. It relates to batteries.

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体電解質形等の種々の形の燃料電池が提案されている。特に、固体電解質形燃料電池は、作動温度が高いが、発電効率が高い、排熱利用が可能である等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。   In recent years, various types of fuel cells such as solid polymer, phosphoric acid, molten carbonate, and solid electrolyte have been proposed as next-generation energy. In particular, solid oxide fuel cells have advantages such as high operating temperature, high power generation efficiency, and use of exhaust heat, and research and development are being promoted.

燃料電池は、例えば、下記特許文献1に記載されているように、収納容器内に、燃料電池セルを複数積層してなるセルスタックと、該セルスタックが設けられたマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられたガス供給管とを具備したものが知られている。このような燃料電池では、ガス供給管によりマニホールドに供給されたガスが、マニホールドに連通するガス通路を介して燃料電池セルの発電部にそれぞれ供給される。
特開2005−285340号公報
For example, as described in Patent Document 1 below, a fuel cell includes a cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked in a storage container, a manifold provided with the cell stack, and one end of the manifold. A gas supply pipe provided in the section is known. In such a fuel cell, the gas supplied to the manifold by the gas supply pipe is supplied to the power generation unit of the fuel cell via a gas passage communicating with the manifold.
JP 2005-285340 A

上述した燃料電池では発電する場合、セルスタックの燃料電池セルの積層方向中央部が、セルスタックの両側部よりも高温となる現象が必然的に発生する。これは、燃料電池セルに電流を流して発電させることにより、燃料電池セルにジュール熱と反応熱が発生し、その熱が燃料電池セルの積層方向中央部に留まることから発生する現象である。従って、燃料電池運転時では、燃料電池セルの積層方向中央部におけるセルスタックの温度が高く、セルスタックの両側部は温度が低いといった温度分布が発生する。   When generating electricity with the above-described fuel cell, a phenomenon occurs in which the central portion of the cell stack in the stacking direction of the fuel cell becomes higher in temperature than both sides of the cell stack. This is a phenomenon that occurs when Joule heat and reaction heat are generated in a fuel cell by causing a current to flow through the fuel cell and the heat stays at the center in the stacking direction of the fuel cell. Therefore, during fuel cell operation, a temperature distribution occurs in which the temperature of the cell stack is high at the center in the stacking direction of the fuel cells and the temperature is low at both sides of the cell stack.

このような燃料電池では、積層方向中央部における燃料電池セルではガス通路内のガスが膨張し、これにより、積層方向中央部における燃料電池セルのガス通路における圧力損失が大きくなり、燃料利用率を高くした場合には、積層方向中央部における燃料電池セルにいわゆる燃料枯れが生じる虞があった。   In such a fuel cell, the gas in the gas passage expands in the fuel cell at the central portion in the stacking direction, thereby increasing the pressure loss in the gas passage of the fuel cell at the central portion in the stacking direction, thereby increasing the fuel utilization rate. When the height is increased, so-called fuel depletion may occur in the fuel cell at the center in the stacking direction.

燃料枯れが生じないまでも、積層方向中央部における燃料電池セルへのガス供給量が少なくなり、積層方向中央部における燃料電池セルの発電性能が低下し、燃料電池全体としても発電量が低下するという問題があった。   Even if fuel depletion does not occur, the amount of gas supplied to the fuel cells in the central portion in the stacking direction is reduced, the power generation performance of the fuel cells in the central portion in the stacking direction is reduced, and the power generation amount of the fuel cell as a whole is also reduced. There was a problem.

このような問題は、10KW以下の燃料電池、特に家庭用として用いられる燃料電池において顕著であった。即ち、家庭用で用いられる燃料電池は小型で高効率化が要求されるため、燃料電池セル間の間隔が短く、燃料電池セルの密集度が高いため、セルスタック内で温度分布が生じやすく、積層方向中央部における燃料電池セルのガス通路における圧力損失が大きくなりやすい。   Such a problem is remarkable in a fuel cell of 10 KW or less, particularly a fuel cell used for home use. In other words, since fuel cells used in homes are required to be small and highly efficient, the distance between the fuel cells is short and the density of the fuel cells is high, so temperature distribution tends to occur in the cell stack, The pressure loss in the gas passage of the fuel cell in the center in the stacking direction tends to increase.

本発明は、セルスタックの発電素子にほぼ均一にガスを供給できる燃料電池を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the fuel cell which can supply gas almost uniformly to the electric power generation element of a cell stack.

本発明の燃料電池は、固体電解質の一方側に燃料側電極、他方側に酸素側電極が形成された発電素子を複数積層してなり、該複数の発電素子が電気的に接続されたセルスタックと、前記複数の発電素子にガス通路を介してガスを供給するマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられたガス供給管とを具備するとともに、前記ガス供給管により前記マニホールドに供給されたガスを、前記ガス通路を介して前記発電素子にそれぞれ供給する燃料電池であって、前記セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の断面積が、前記セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の断面積よりも大きいことを特徴とする。   A fuel cell according to the present invention includes a cell stack in which a plurality of power generation elements each having a fuel side electrode formed on one side and an oxygen side electrode formed on the other side of the solid electrolyte are electrically connected. And a manifold that supplies gas to the plurality of power generation elements via gas passages, and a gas supply pipe provided at one end of the manifold, and gas supplied to the manifold by the gas supply pipe Is supplied to the power generation element via the gas passage, and the cross-sectional area of the gas passage at the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction is the gas passage on the gas supply pipe side of the cell stack. It is characterized by being larger than the cross-sectional area.

発電素子へガスを供給するガス通路を同一断面積とした場合、発電素子は発電反応熱やジュール熱により、発電素子積層方向中央部における発電素子の温度が、発電素子積層方向両側部の発電素子よりも高くなるため、ガス膨張により発電素子の積層方向中央部におけるガス通路内の圧力損失が大きくなり、マニホールドにガスを供給するガス供給管側の発電素子に比較して発電素子へのガス供給量が少なくなり、積層方向中央部の発電素子に、いわゆる燃料枯れが生じる虞があるが、本発明では、セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の断面積を、セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の断面積よりも大きくしたため、発電素子積層方向中央部における発電素子の温度が高くなったとしても、発電素子積層方向中央部とガス供給管側の発電素子にガスを供給するガス通路の圧力損失差を小さくすることができ、発電素子積層方向中央部とガス供給管側の発電素子に供給されるガス量をほぼ均一とできる。   When the gas passages for supplying gas to the power generation element have the same cross-sectional area, the power generation element has a power generation reaction heat or Joule heat so that the temperature of the power generation element at the center in the power generation element stacking direction As a result, the pressure loss in the gas passage at the central portion in the stacking direction of the power generation elements increases due to gas expansion, and the gas supply to the power generation elements compared to the power supply elements on the gas supply pipe side that supplies gas to the manifold However, in the present invention, the cross-sectional area of the gas passage at the central portion of the cell stack in the stacking direction is determined by the gas supply of the cell stack. Since the cross-sectional area of the gas passage on the tube side is larger, even if the temperature of the power generation element at the center of the power generation element stacking direction becomes higher, the power generation element stacking direction The pressure loss difference between the gas passage for supplying gas to the power generation element on the central part and the gas supply pipe side can be reduced, and the amount of gas supplied to the power generation element on the power generation element laminating direction and the power supply element on the gas supply pipe side can be reduced. Can be uniform.

また、本発明の燃料電池は、前記ガス供給管によるガス供給方向端部におけるガス通路の断面積は、前記セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の断面積よりも小さく、前記セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の断面積よりも大きいことを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタック全体におけるガス通路の圧力損失差を小さくすることができ、ガスをセルスタックのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。   Further, in the fuel cell of the present invention, the cross-sectional area of the gas passage at the end portion in the gas supply direction by the gas supply pipe is smaller than the cross-sectional area of the gas passage at the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction. It is characterized by being larger than the cross-sectional area of the gas passage on the gas supply pipe side. In such a fuel cell, the pressure loss difference of the gas passage in the whole cell stack can be reduced, and gas can be supplied to each power generating element of the cell stack almost uniformly.

本発明の燃料電池は、固体電解質の一方側に燃料側電極、他方側に酸素側電極が形成された発電素子を複数積層してなり、該複数の発電素子が電気的に接続されたセルスタックと、前記複数の発電素子にガス通路を介してガスを供給するマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられたガス供給管とを具備するとともに、前記ガス供給管により前記マニホールドに供給されたガスを、前記マニホールドに連通するガス通路を介して前記発電素子にそれぞれ供給する燃料電池であって、前記セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の長さが、前記セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の長さよりも短いことを特徴とする。   A fuel cell according to the present invention includes a cell stack in which a plurality of power generation elements each having a fuel side electrode formed on one side and an oxygen side electrode formed on the other side of the solid electrolyte are electrically connected. And a manifold that supplies gas to the plurality of power generation elements via gas passages, and a gas supply pipe provided at one end of the manifold, and gas supplied to the manifold by the gas supply pipe Is supplied to the power generation element via a gas passage communicating with the manifold, and the length of the gas passage in the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction is the gas supply pipe of the cell stack. It is characterized by being shorter than the length of the gas passage on the side.

このような燃料電池では、セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路長さが、マニホールドのガス供給管側におけるガス通路の長さよりも短いため、積層方向中央部における発電素子の温度が高くなったとしても、発電素子積層方向中央部とガス供給管側の発電素子にガスを供給するガス通路の圧力損失差を小さくすることができ、発電素子積層方向中央部とガス供給管側の発電素子に供給されるガス量をほぼ均一とできる。   In such a fuel cell, since the gas passage length in the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction is shorter than the length of the gas passage on the gas supply pipe side of the manifold, the temperature of the power generation element in the central portion in the stacking direction is high. Even in this case, it is possible to reduce the pressure loss difference between the gas passage supplying gas to the power generation element on the gas supply pipe side and the power generation element stacking direction center. The amount of gas supplied to the element can be made substantially uniform.

また、本発明の燃料電池は、前記ガス供給管によるガス供給方向端部におけるガス通路の長さは、前記セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の長さよりも長く、前記セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の長さよりも短いことを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタック全体におけるガス通路の圧力損失差を小さくすることができ、ガスをセルスタックのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。   Further, in the fuel cell of the present invention, the length of the gas passage at the gas supply direction end portion of the gas supply pipe is longer than the length of the gas passage at the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction. It is characterized by being shorter than the length of the gas passage on the gas supply pipe side. In such a fuel cell, the pressure loss difference of the gas passage in the whole cell stack can be reduced, and gas can be supplied to each power generating element of the cell stack almost uniformly.

本発明の燃料電池は、発電量が10KW以下であることを特徴とする。また、本発明の燃料電池は、家庭用に用いられることを特徴とする。このような燃料電池では、小型で、高い発電量を得るため、多数の発電素子を隙間なく配置する必要があり、特に発電素子の積層方向中央部がその両側よりも高温となりやすくなるため、本発明の燃料電池を有効に用いることができる。   The fuel cell of the present invention is characterized in that the amount of power generation is 10 KW or less. The fuel cell of the present invention is used for home use. In such a fuel cell, it is necessary to arrange a large number of power generation elements without gaps in order to obtain a small amount of electricity and a large amount of power generation. In particular, the central portion of the power generation elements in the stacking direction tends to be hotter than both sides. The fuel cell of the invention can be used effectively.

本発明の燃料電池は、積層方向中央部における発電素子の温度が高くなったとしても、発電素子積層方向中央部とガス供給管側の発電素子にガスを供給するガス通路の圧力損失差を小さくすることができ、発電素子積層方向中央部とガス供給管側の発電素子に供給されるガス量をほぼ均一とできる。   The fuel cell of the present invention reduces the difference in pressure loss between the gas passage supplying gas to the power generation element on the gas supply pipe side and the power generation element stack direction central portion even if the temperature of the power generation element in the center portion in the stacking direction becomes high. Therefore, the amount of gas supplied to the central portion in the power generation element stacking direction and the power generation element on the gas supply pipe side can be made substantially uniform.

以下、本発明の燃料電池を図1〜3を参照して説明する。図示の燃料電池は略直方体形状のハウジング2を具備している。このハウジング2の6個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁(遮熱部材)、即ち上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁9、前断熱壁(図示せず)及び後断熱壁(図示せず)が配設されている。ハウジング2内には発電・燃焼室12が規定されている。   Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. The illustrated fuel cell includes a housing 2 having a substantially rectangular parallelepiped shape. The outer surface of the six wall surfaces of the housing 2 is a heat insulating wall (heat insulating member) formed of an appropriate heat insulating material, that is, the upper heat insulating wall 4, the lower heat insulating wall 6, the right heat insulating wall 8, the left heat insulating wall 9, and the front A heat insulating wall (not shown) and a rear heat insulating wall (not shown) are disposed. A power generation / combustion chamber 12 is defined in the housing 2.

前断熱壁及び/又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び/又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室12内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。   The front heat insulation wall and / or the rear heat insulation wall are detachably or detachably mounted, and the power generation / combustion chamber 12 can be accessed by detaching or opening the front heat insulation wall and / or the rear heat insulation wall. If desired, an outer wall, which may be made of a metal plate, can be disposed on the outer surface of each heat insulating wall.

ハウジング2内の上端部には空気室(酸素含有ガス室)16が配設されている。空気室16は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース17内に規定されている。空気室16には、発電・燃焼室に向かって空気(酸素含有ガス)を送り込むための多数の空気供給管(酸素含有ガス供給手段)22aの上端が連通している。空気供給管22aaの形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図1、2では円筒の空気供給管22aaを記載した。空気供給管22aは後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気供給管22aaはセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。   An air chamber (oxygen-containing gas chamber) 16 is disposed at the upper end in the housing 2. The air chamber 16 is defined in a rectangular parallelepiped case 17 having a relatively small vertical dimension. The air chamber 16 communicates with the upper ends of a number of air supply pipes (oxygen-containing gas supply means) 22a for sending air (oxygen-containing gas) toward the power generation / combustion chamber. The shape of the air supply pipe 22aa may be a cylinder or a hollow plate structure. 1 and 2, a cylindrical air supply pipe 22aa is shown. The air supply pipe 22a is disposed between the cell stacks described later, and has an opening at the lower end portion of the cell, and air is ejected from the opening portion. The air supply pipe 22aa is preferably made of a material having high heat resistance such as ceramics.

ハウジング2の両側部、更に詳しくは右側断熱壁8の内側及び左側断熱壁9の内側には、全体として平板形状である熱交換器24が配設されている。熱交換器24の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース26から構成されている。   A heat exchanger 24 having a flat plate shape as a whole is disposed on both sides of the housing 2, more specifically, inside the right heat insulating wall 8 and inside the left heat insulating wall 9. Each of the heat exchangers 24 is constituted by a case 26 having a hollow flat plate shape extending substantially vertically.

かかるケース26内にはその横方向中間に位置する仕切板28が配設されており、ケース26内は内側に位置する排出路30と外側に位置する流入路32とに区画されている。排出路30内には上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁34及び36が配置されている。更に詳述すると、排出路30内には、その前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁34と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁36とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路30はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。   A partition plate 28 located in the middle in the lateral direction is disposed in the case 26, and the inside of the case 26 is partitioned into a discharge path 30 positioned on the inner side and an inflow path 32 positioned on the outer side. Three partition walls 34 and 36 are arranged in the discharge path 30 at intervals in the vertical direction. More specifically, in the discharge passage 30, the front edge is located rearwardly away from the front wall (not shown) of the case 26, but the rear edge is the rear wall (not shown) of the case 26. And a partition wall 36 whose front edge is connected to the front wall of the case 26 but whose rear edge is spaced forward from the rear wall of the case 26. Are alternately arranged, and thus the combustion gas discharge passage 30 is zigzag-shaped. If desired, a form other than the zigzag flow path may be used.

同様に、流入路32内にも上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁38及び40、即ちその前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁38と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁40とが交互に配置されており、かくして流入路32もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。   Similarly, the three partition walls 38 and 40, that is, the front edges thereof are also spaced apart from the front wall (not shown) of the case 26 in the inflow path 32 with a space in the vertical direction. The rear wall is connected to the rear wall (not shown) of the case 26, and the front edge of the partition wall 38 is connected to the front wall of the case 26. The partition walls 40 spaced apart from the front are alternately arranged, and thus the inflow passage 32 is also zigzag-shaped. If desired, a form other than the zigzag flow path may be used.

ケース26の内側壁の上端部には排出開口42が形成されており、排出路30は排出開口42を介して発電・燃焼室12と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器24の各々の発電・燃焼室12側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁(遮熱部材)が配置されている。即ち右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44b、前蓄熱壁(図示せず)及び後蓄熱壁(図示せず)、下蓄熱壁44e、上断熱壁44fが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44bの上部には、排出開口42の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部45が形成されており、排出開口42は開口部45を通して発電・燃焼室12に連通せしめられている。   A discharge opening 42 is formed at the upper end of the inner wall of the case 26, and the discharge path 30 is communicated with the power generation / combustion chamber 12 through the discharge opening 42. In the illustrated embodiment, heat storage walls (heat shielding members) made of a heat storage material are arranged on the power generation / combustion chamber 12 side of the heat exchanger 24, that is, on the fuel cell side and above and below the fuel cell. Has been. That is, the right heat storage wall 44a, the left heat storage wall 44b, the front heat storage wall (not shown), the rear heat storage wall (not shown), the lower heat storage wall 44e, and the upper heat insulation wall 44f are arranged so as to surround the cell assembly. ing. An opening 45 is formed in the upper part of the right heat storage wall 44 a and the left heat storage wall 44 b so as to be located at substantially the same height as the lower edge of the discharge opening 42, and the discharge opening 42 generates power through the opening 45. -It is connected to the combustion chamber 12.

ケース26の上壁における外側部には流入開口48が形成されており、流入路32はかかる流入開口48を介して空気室(酸素含有ガス室)16に連通せしめられている。熱交換器24、流入開口48は、ガス供給流路を構成している。流入路32の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体50(図1にその上端部のみを図示している)が配設されており、かかる二重筒体50は外側筒部材52と内側筒部材54とから構成されている。排出路30の下端部は外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路32の下端部は内側筒部材54内に規定されている流入路に接続されている。   An inflow opening 48 is formed on the outer side of the upper wall of the case 26, and the inflow path 32 is communicated with the air chamber (oxygen-containing gas chamber) 16 through the inflow opening 48. The heat exchanger 24 and the inflow opening 48 constitute a gas supply channel. A double cylinder 50 (only the upper end portion is shown in FIG. 1) extending in the vertical direction is disposed behind each of the inflow passages 32. The double cylinder 50 is an outer cylinder member. 52 and an inner cylindrical member 54. The lower end of the discharge path 30 is connected to the lower end of the discharge path defined between the outer cylinder member 52 and the inner cylinder member 54, and the lower end of the inflow path 32 is defined in the inner cylinder member 54. Connected to the inflow channel.

上述した発電・燃焼室の下部には4個の発電ユニット56a、56b、56c及び56dが配置されている。発電ユニット56a、56b、56c及び56dは、夫々、上述した空気供給管22a間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に、空気供給管22aが配設されている。   Four power generation units 56a, 56b, 56c and 56d are arranged in the lower part of the above-described power generation / combustion chamber. The power generation units 56a, 56b, 56c and 56d are respectively positioned between the air supply pipes 22a described above. In other words, the air supply pipe 22a is disposed between the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d.

即ち、複数の燃料電池セル62が一列に配設されてセルスタック60a、60b、60c及び60dが構成され、複数のセルスタック60a、60b、60c及び60dが、複数の燃料電池セル62が行列をなすように(燃料電池セルの配列方向と直角をなす方向に)所定間隔を置いて配列されており、セルスタック60a、60b、60c及び60d間に空気供給管22aにより空気が供給されるように構成されている。   That is, a plurality of fuel cells 62 are arranged in a line to form cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and the plurality of cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d are arranged in a matrix. So that the air is supplied through the air supply pipe 22a between the cell stacks 60a, 60b, 60c, and 60d. It is configured.

燃料電池セル62は、燃料ガス通路74が長さ方向に貫通して設けられており、該燃料電池セル62は、後述するように、燃料マニホールド58aの上面上に立設して設けられている。   The fuel cell 62 is provided with a fuel gas passage 74 penetrating in the length direction, and the fuel cell 62 is provided upright on the upper surface of the fuel manifold 58a, as will be described later. .

空気供給管22aの接続構造を具体的に説明すると、図2(b)に示すように、空気供給管22aが一列に配設された状態で、その一端部が板状体17aに固定された配管集合体18を複数作製するとともに、空気室16を構成するケース17のセルスタック側の壁17bに、セルスタック間の空間に位置する部分にスリット17cをそれぞれ形成し、該スリット17cに配管集合体18の空気供給管22aをそれぞれ挿入し、配管集合体18の板状体17aをセルスタック壁17bの上面に当接し固定されている。   The connection structure of the air supply pipe 22a will be described in detail. As shown in FIG. 2B, one end of the air supply pipe 22a is fixed to the plate-like body 17a in a state where the air supply pipes 22a are arranged in a row. A plurality of pipe assemblies 18 are produced, and slits 17c are formed in the cell stack side wall 17b of the case 17 constituting the air chamber 16 in portions located in the space between the cell stacks. The air supply pipes 22a of the body 18 are respectively inserted, and the plate-like body 17a of the pipe assembly 18 is in contact with and fixed to the upper surface of the cell stack wall 17b.

空気供給管22aは断面がリング状をなしており、円筒状とされ、空気供給管22a内部を上から下へと空気を供給し、燃料電池セル62内部を下から上へと燃料ガスが供給される。   The air supply pipe 22a has a ring-shaped cross section, is cylindrical, supplies air from the top to the bottom inside the air supply pipe 22a, and supplies fuel gas from the bottom to the top inside the fuel cell 62. Is done.

図1、2と共に、図3、4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは前後方向(図1において紙面に垂直な方向)に細長く延びる直方体形状の燃料マニホールド58aを具備している。   3 and 4 together with FIGS. 1 and 2, the power generation unit 56a includes a rectangular parallelepiped fuel manifold 58a extending in the front-rear direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1).

燃料ガス室を規定している燃料マニホールド58aの上面上にはセルスタック60aが設けられている。セルスタック60aは上下方向に細長く延びる直立セル62を燃料マニホールド58aの長手方向(即ち前後方向)に複数個縦列配置(一列)して構成されている。図5に明確に図示する如く、中空平板状のセル62の各々は電極支持基板64、内側電極層である燃料極層66、固体電解質層68、外側電極層である酸素極層70、及びインターコネクタ72から構成されている。   A cell stack 60a is provided on the upper surface of the fuel manifold 58a that defines the fuel gas chamber. The cell stack 60a is configured by arranging a plurality of upright cells 62 that are elongated in the vertical direction in the longitudinal direction (that is, the front-rear direction) of the fuel manifold 58a. As clearly shown in FIG. 5, each of the hollow flat cells 62 includes an electrode support substrate 64, a fuel electrode layer 66 as an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 68, an oxygen electrode layer 70 as an outer electrode layer, and an interface. The connector 72 is configured.

電極支持基板64は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板64にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は6個)の燃料ガス通路74が形成されている。燃料電池セル62の各々は燃料マニホールド58aの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。   The electrode support substrate 64 is a columnar plate-like piece that is elongated in the vertical direction, and the cross-sectional shape thereof has both flat surfaces and both sides of a semicircular shape. The electrode support substrate 64 is formed with a plurality (six in the illustrated example) of fuel gas passages 74 penetrating the electrode support substrate 64 in the vertical direction. Each of the fuel cells 62 is joined to the upper wall of the fuel manifold 58a by, for example, a ceramic adhesive having excellent heat resistance.

燃料マニホールド58aの上壁には図1において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット(図示していない)が形成されており、電極支持基板64の各々に形成されている燃料ガス通路74がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。   On the upper wall of the fuel manifold 58a, a plurality of slits (not shown) extending in the left-right direction are formed at intervals in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. A fuel gas passage 74 is communicated with the fuel gas chamber according to each of the slits.

インターコネクタ72は電極支持基板64の片面(図5のセルスタック60aにおいて上面)上に配設されている。燃料極層66は電極支持基板64の他面(図5のセルスタック60aにおいて下面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。固体電解質層68は燃料極層66の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。酸素極層70は、固体電解質層68の主部上、即ち電極支持基板64の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板64を挟んでインターコネクタ72に対向して位置せしめられている。   The interconnector 72 is disposed on one side of the electrode support substrate 64 (upper surface in the cell stack 60a in FIG. 5). The fuel electrode layer 66 is disposed on the other surface (the lower surface in the cell stack 60a of FIG. 5) and both side surfaces of the electrode support substrate 64, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 72. The solid electrolyte layer 68 is disposed so as to cover the entire fuel electrode layer 66, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 72. The oxygen electrode layer 70 is disposed on the main part of the solid electrolyte layer 68, that is, on the portion covering the other surface of the electrode support substrate 64, and is positioned to face the interconnector 72 with the electrode support substrate 64 interposed therebetween. .

固体電解質層68の一方側には、燃料極層66が形成され、他方側には酸素極層70が形成されており、これにより、電極支持基板64の片面(図5のセルスタック60aにおいて下面)上に、固体電解質層68上に燃料極層66、酸素極層70が重畳した発電素子が配設されている。言い換えれば、発電素子は、電極支持基板64、インターコネクタ72、集電部材76を介して複数積層されており、隣設する発電素子同士は、電極支持基板64、インターコネクタ72、集電部材76を介して電気的に直列に接続され、セルスタック60aが構成されている。   A fuel electrode layer 66 is formed on one side of the solid electrolyte layer 68, and an oxygen electrode layer 70 is formed on the other side, whereby one side of the electrode support substrate 64 (the lower surface in the cell stack 60a in FIG. 5). ) On which the fuel electrode layer 66 and the oxygen electrode layer 70 are superimposed on the solid electrolyte layer 68 is disposed. In other words, a plurality of power generating elements are stacked via the electrode support substrate 64, the interconnector 72, and the current collecting member 76, and the adjacent power generating elements are the electrode support substrate 64, the interconnector 72, and the current collecting member 76. Are connected in series electrically to form a cell stack 60a.

セルスタック60aにおける隣接するセル62間には集電部材76が配設されており、一方のセル62のインターコネクタ72と他方のセル62の酸素極層70とを接続している。セルスタック60aの両端、即ち図5において上端及び下端に位置するセル62の片面及び他面にも集電部材76が配設されている。セルスタック60aの両端に位置する集電部材76には電力取出手段(図示していない)が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング2の前断熱壁、後断熱壁、または下断熱材6を通してハウジング2外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック60a、60b、60c及び60dを相互に直列接続し、4個のセルスタック60a、60b、60c及び60dに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。   A current collecting member 76 is disposed between adjacent cells 62 in the cell stack 60a, and connects the interconnector 72 of one cell 62 and the oxygen electrode layer 70 of the other cell 62. Current collecting members 76 are disposed on both ends of the cell stack 60a, that is, on one side and the other side of the cell 62 positioned at the upper end and the lower end in FIG. Electric power extraction means (not shown) is connected to the current collecting members 76 located at both ends of the cell stack 60a. The electric power extraction means is the front heat insulating wall, the rear heat insulating wall, or the lower heat insulating material 6 of the housing 2. And extends outside the housing 2. If desired, the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d are connected in series with each other by appropriate connection means instead of disposing the power extraction means in each of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d. Common power extraction means may be provided for the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d.

セル62について更に詳述すると、電極支持基板64は燃料ガスを燃料極層66まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ72を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。   More specifically about the cell 62, the electrode support substrate 64 is gas permeable to allow fuel gas to permeate to the anode layer 66, and is also conductive to collect current through the interconnector 72. Can be formed from a porous conductive ceramic (or cermet) that satisfies such requirements.

燃料極層66及び/又は固体電解質層68との同時焼成によりセル62を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板64を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。   In order to manufacture the cell 62 by co-firing with the fuel electrode layer 66 and / or the solid electrolyte layer 68, it is preferable to form the electrode support substrate 64 from the iron group metal component and the specific rare earth oxide. In order to provide the required gas permeability, it is preferred that the open porosity is in the range of 30% or more, in particular 35 to 50%, and the conductivity is also 300 S / cm or more, in particular 440 S / cm or more. Is preferred.

燃料極層66は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニアと称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。 The fuel electrode layer 66 can be formed of a porous conductive ceramic, for example, ZrO 2 (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni and / or NiO.

固体電解質層68は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrOから形成されている。 The solid electrolyte layer 68 has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage between fuel gas and air. In general, it is formed from ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved.

酸素極層70は所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層70はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。 The oxygen electrode layer 70 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. The oxygen electrode layer 70 is required to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

インターコネクタ72は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ72は電極支持基板64に形成された燃料ガス通路74を通る燃料ガス及び電極支持基板64の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。 Although the interconnector 72 can be formed from a conductive ceramic, it needs to have a reduction resistance and an oxidation resistance in order to come into contact with a fuel gas and air that may be hydrogen gas. A perovskite oxide (LaCrO 3 oxide) is preferably used. The interconnector 72 must be dense in order to prevent leakage of fuel gas passing through the fuel gas passage 74 formed in the electrode support substrate 64 and air flowing outside the electrode support substrate 64, and is 93% or more. In particular, it is desired to have a relative density of 95% or more.

集電部材76は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。   The current collecting member 76 can be composed of a member having an appropriate shape formed of a metal or alloy having elasticity, or a member obtained by adding a required surface treatment to a felt made of metal fiber or alloy fiber.

図4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは、セルスタック60aの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状(或いは円筒形状)であるのが好都合である改質ケース78aも具備している。改質ケース78aの前面には燃料ガス送給管80aの一端即ち上端が接続されている。   Continuing the description with reference to FIG. 4, the power generation unit 56 a also includes a reforming case 78 a that is preferably a rectangular shape (or a cylindrical shape) that extends elongated in the front-rear direction above the cell stack 60 a. ing. One end, that is, the upper end of the fuel gas supply pipe 80a is connected to the front surface of the reforming case 78a.

燃料ガス送給管80aは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管80aの他端は上記燃料マニホールド58aの前面(一端部)に接続されている。改質ケース78aの後面には被改質ガス供給管82aの一端が接続されている。被改質ガス供給管82aは改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。   The fuel gas supply pipe 80a extends downward, then curves and extends rearward, and the other end of the fuel gas supply pipe 80a is connected to the front surface (one end) of the fuel manifold 58a. One end of a reformed gas supply pipe 82a is connected to the rear surface of the reforming case 78a. The to-be-reformed gas supply pipe 82 a extends downward from the reforming case, and extends under the housing 2 and out of the housing 2.

そして、本発明の燃料電池では、図6に示すように、セルスタック60aの発電素子積層方向x中央部における燃料電池セル62の燃料ガス通路74の断面積が、セルスタック60aの燃料ガス供給管80a側(図6の右側)における燃料電池セル62の燃料ガス通路74の断面積よりも大きくされている。電極支持基板64にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は6個)の燃料ガス通路74が形成されているが、電極支持基板64の6個の燃料ガス通路74は同一断面積とされている。   In the fuel cell according to the present invention, as shown in FIG. 6, the cross-sectional area of the fuel gas passage 74 of the fuel cell 62 in the central portion x of the power stacking direction of the cell stack 60a is the fuel gas supply pipe of the cell stack 60a. The cross-sectional area of the fuel gas passage 74 of the fuel cell 62 on the 80a side (the right side in FIG. 6) is made larger. The electrode support substrate 64 is formed with a plurality (six in the illustrated example) of fuel gas passages 74 penetrating through the electrode support substrate 64 in the vertical direction. It is an area.

このような燃料電池では、セルスタック60aの発電素子積層方向x中央部における燃料ガス通路74の断面積を、セルスタック60aの燃料ガス供給管側における燃料ガス通路74の断面積よりも大きくしたため、発電素子積層方向x中央部における発電素子の温度が高くなったとしても、発電素子積層方向x中央部と燃料ガス供給管80a側の発電素子にガスを供給する燃料ガス通路74の圧力損失差を小さくすることができ、発電素子積層方向x中央部とガス供給管側の発電素子に供給されるガス量をほぼ均一とできる。   In such a fuel cell, the cross-sectional area of the fuel gas passage 74 at the central portion x in the power generation element stacking direction x of the cell stack 60a is larger than the cross-sectional area of the fuel gas passage 74 on the fuel gas supply pipe side of the cell stack 60a. Even if the temperature of the power generation element in the central portion of the power generation element stacking direction x increases, the pressure loss difference between the fuel gas passage 74 that supplies gas to the power generation element on the fuel gas supply pipe 80a side and the central portion of the power generation element stacking direction x is The amount of gas supplied to the power generation element stacking direction x center and the power generation element on the gas supply pipe side can be made substantially uniform.

また、図6に示すように、燃料ガス供給管80aによる燃料ガス供給方向Y端部における燃料ガス通路74の断面積が、セルスタック60aの発電素子積層方向x中央部における燃料ガス通路74の断面積よりも小さく、セルスタック60aの燃料ガス供給管側における燃料ガス通路74の断面積よりも大きくされている。これにより、セルスタック60a全体における燃料ガス通路74の圧力損失差を小さくすることができ、燃料ガスをセルスタック60aのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。   Further, as shown in FIG. 6, the cross-sectional area of the fuel gas passage 74 at the end portion in the fuel gas supply direction Y by the fuel gas supply pipe 80a is such that the fuel gas passage 74 is disconnected at the central portion x in the power generation element stacking direction x of the cell stack 60a. It is smaller than the area and larger than the cross-sectional area of the fuel gas passage 74 on the fuel gas supply pipe side of the cell stack 60a. Thereby, the pressure loss difference of the fuel gas passage 74 in the entire cell stack 60a can be reduced, and the fuel gas can be supplied to each power generating element of the cell stack 60a substantially uniformly.

被改質ガス供給管82aは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源(図示していない)に接続されており、被改質ガス供給管82aを介して改質ケース78aに被改質ガスが供給される。改質ケース78a内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。   The to-be-reformed gas supply pipe 82a is connected to a to-be-reformed gas supply source (not shown) which may be a hydrocarbon gas such as city gas, and is connected to the reforming case 78a through the to-be-reformed gas supply pipe 82a. A gas to be reformed is supplied. An appropriate reforming catalyst for reforming the fuel gas into a hydrogen-rich fuel gas is accommodated in the reforming case 78a.

図示の実施形態においては、改質ケース78aは燃料ガス送給管80aを介して燃料マニホールド58aに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図4に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管82aの下面と燃料マニホールド58aの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材84aを付設することもできる。   In the illustrated embodiment, the reforming case 78a is connected to the fuel manifold 58a via the fuel gas supply pipe 80a and is thereby held at a required position. If necessary, the reforming case 78a is shown by a two-dot chain line in FIG. As shown in the drawing, for example, an appropriate support member 84a can be provided between the lower surface of the reformed gas supply pipe 82a and the lower surface or rear surface of the rear end portion of the fuel manifold 58a.

図3において説明すると、発電ユニット56cは上述した発電ユニット56aと実質上同一であり、発電ユニット56b及び56dは、発電ユニット56a及び56cに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース78b及び78dと燃料マニホールド58b及び58dとを接続する燃料ガス送給管(図示していない)が後側に配置され、被改質ガス供給管82b及び82dが改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。   Referring to FIG. 3, the power generation unit 56c is substantially the same as the power generation unit 56a described above, and the power generation units 56b and 56d are disposed in the front-rear direction opposite to the power generation units 56a and 56c. Fuel gas supply pipes (not shown) connecting the quality cases 78b and 78d and the fuel manifolds 58b and 58d are arranged on the rear side, and the reformed gas supply pipes 82b and 82d extend downward from the reforming case. , Extending under the housing 2 and out of the housing 2.

上述したとおりの燃料電池においては、被改質ガスが被改質ガス供給管82a、82b、82c、82dを介して改質ケース78a、78b、78c及び78dに供給され、改質ケース78a、78b、78c及び78d内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管80a、80b、80c、80dを通して燃料マニホールド58a、58b、58c及び58d内に規定されている燃料ガス室に、その長手方向(燃料電池セルの積層方向)に供給され、次いでセルスタック60a、60b、60c及び60dの燃料電池セル62の燃料ガス通路74を介して、燃料電池セル62の発電素子にそれぞれ供給される。   In the fuel cell as described above, the gas to be reformed is supplied to the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d via the gas to be reformed supply pipes 82a, 82b, 82c and 82d, and the reforming cases 78a and 78b. , 78c and 78d, after being reformed into hydrogen-rich fuel gas, the fuel gas chambers defined in the fuel manifolds 58a, 58b, 58c and 58d are passed through the fuel gas feed pipes 80a, 80b, 80c and 80d. Are supplied in the longitudinal direction (stacking direction of the fuel cells), and then supplied to the power generation elements of the fuel cells 62 through the fuel gas passages 74 of the fuel cells 62 of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, respectively. Is done.

セルスタック60a、60b、60c及び60dのセル62各々においては、酸素極において、
1/2O+2e→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
2−(固体電解質)+H→HO+2e
の電極反応が生成されて発電される。
In each of the cells 62 of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d,
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e
The electrode reaction is generated and power is generated.

発電に使用されることなくセルスタック60a、60b、60c及び60dから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室12内に配設されている点火手段(図示していない)によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック60a、60b、60c及び60dにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室12内は例えば800℃程度の高温になる。改質ケース78a、78b、78c及び78dは発電・燃焼室12内に配設され、セルスタック60a、60b、60c及び60dの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室12内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。   Fuel gas and air that have flown upward from the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d without being used for power generation are ignited by an ignition means (not shown) disposed in the power generation / combustion chamber 12 at the time of startup. It is ignited and burned. As is well known, the power generation / combustion chamber 12 has a high temperature of, for example, about 800 ° C. due to power generation in the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and also due to combustion of fuel gas and air. The reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d are disposed in the power generation / combustion chamber 12, and are positioned immediately above the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d, and are directly heated by the combustion flame. Thus, the high temperature generated in the power generation / combustion chamber 12 is effectively used for reforming the reformed gas.

発電・燃焼室12内に生成された燃焼ガスは熱交換器24に形成されている排出開口42から排出路30に流入し、ジグザグ状に延在する排出路30を流動した後に二重筒体50の外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体50における排出路を流動する際には、二重筒体50における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。   The combustion gas generated in the power generation / combustion chamber 12 flows into the discharge passage 30 from the discharge opening 42 formed in the heat exchanger 24, and flows through the discharge passage 30 extending in a zigzag shape. 50 is discharged through a discharge passage defined between the outer cylinder member 52 and the inner cylinder member 54. When the combustion gas flows through the discharge path in the double cylinder 50, air flows through the inflow path in the double cylinder 50, and heat exchange is performed between the combustion gas and air.

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器24の排出路30をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器24の流入路32をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。   Further, when the combustion gas is caused to flow in the exhaust passage 30 of the heat exchanger 24 in a zigzag manner, the air is caused to flow so as to face the inflow passage 32 of the heat exchanger 24 in a zigzag manner. Thus, heat is effectively exchanged between the combustion gas and air to preheat the air.

長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック60a、60b、60c及び60dの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング2の前断熱壁或いは後断熱壁を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出す。   When part or all of the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d deteriorates by performing power generation over a long period of time, the front heat insulation wall or the rear heat insulation wall of the housing 2 is detached or opened, and the power generation unit Part or all of 56a, 56b, 56c and 56d is taken out from the housing 2.

そして、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部におけるセルスタック60a、60b、60c及び60dのみを新しいものに交換して、再びハウジング2内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部あるいは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出し、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d自体を新しいものに或いは改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。   Then, replace some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d with new ones, or only the cell stacks 60a, 60b, 60c and 60d in some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d. May be replaced with a new one and mounted again at a required position in the housing 2. Even when it is necessary to replace the reforming catalyst accommodated in the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d in some or all of the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d, the power generation units 56a, 56b , 56c and 56d are removed from the housing 2, and the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d themselves in the power generation units 56a, 56b, 56c and 56d are replaced with new ones or reforming cases. Only the reforming catalyst in 78a, 78b, 78c and 78d may be replaced with a new one.

改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース78a、78b、78c及び78dの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。   In order to be able to perform the replacement of the reforming catalyst in the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d sufficiently easily, a part of the reforming cases 78a, 78b, 78c and 78d can be opened and closed if desired. It can be put on the door.

一方、空気は二重筒体50の内側筒部材54内に規定されている流入路を通して熱交換器24の流入路32に供給され、熱交換器24を通過して予熱(加熱)された空気は、空気室16に一旦貯留され、空気供給管22aを通って燃焼・発電室12のセルスタック間に供給される。この際、空気供給管22aはセルスタック60の燃料電池セル62の上端の燃料ガス通路74近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室16の予熱空気はセルスタック60上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。   On the other hand, air is supplied to the inflow path 32 of the heat exchanger 24 through the inflow path defined in the inner cylinder member 54 of the double cylinder 50, and is preheated (heated) through the heat exchanger 24. Is temporarily stored in the air chamber 16 and supplied between the cell stacks of the combustion / power generation chamber 12 through the air supply pipe 22a. At this time, the air supply pipe 22 a passes through the combustion gas atmosphere that burns in the vicinity of the fuel gas passage 74 at the upper end of the fuel cell 62 of the cell stack 60. Accordingly, the preheated air in the air chamber 16 is further heated in the combustion region above the cell stack 60, and the air heated to a high temperature is supplied to the cell.

特に、本発明では、多数の燃料電池セル62を集電部材76により電気的に接続したが、このような燃料電池では、発電素子積層方向中央部が加熱されやすいため、本発明を好適に用いることができる。   In particular, in the present invention, a large number of fuel cells 62 are electrically connected by the current collecting member 76. However, in such a fuel cell, the central portion in the power generation element stacking direction is easily heated, and thus the present invention is preferably used. be able to.

以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. It goes without saying that this is possible.

例えば、セルスタックの上方に特定の改質ケースを備えた燃料電池組立体に関連せしめて本発明を説明したが、改質ケースがセルスタックの上方以外の場合でも、本発明を適用することが出来る。また、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。   For example, the present invention has been described in relation to a fuel cell assembly having a specific reforming case above the cell stack. However, the present invention can be applied even when the reforming case is not located above the cell stack. I can do it. Moreover, the case where a reforming case is not provided in a housing may be sufficient.

また、上記形態では、図2に示したように、複数の円筒状の空気供給管22aを一列に配列し、これをセルスタック間等に配置したが、複数の円筒状の空気供給管の代わりに中空板状の空気供給管を用いても良い。   In the above embodiment, as shown in FIG. 2, a plurality of cylindrical air supply pipes 22a are arranged in a line and arranged between the cell stacks. However, instead of the plurality of cylindrical air supply pipes, Alternatively, a hollow plate-like air supply pipe may be used.

さらに、上記形態では、燃料電池セルの上方で燃料ガスと空気が反応して燃焼する場合について説明したが、燃焼しない場合であっても本発明を適用できるが、燃焼させるタイプの場合には、ハウジング内がより高温となりやすいため、本発明を好適に用いることができる。   Furthermore, in the above embodiment, the case where the fuel gas and air react and burn above the fuel battery cell has been described, but the present invention can be applied even when not burning, but in the case of the type to burn, Since the inside of the housing is likely to have a higher temperature, the present invention can be suitably used.

また、上記形態では、円筒状の空気供給管を用いて、最下端の開口から空気を下方に向けて供給する場合について説明したが、側方に配置されている燃料電池セルに空気を噴出するため、円筒状の空気供給管の側面から空気が噴出されるようにしても良い。   Moreover, although the said form demonstrated the case where air was supplied toward the downward direction from opening of the lowest end using a cylindrical air supply pipe | tube, air is jetted to the fuel cell arrange | positioned to the side. Therefore, air may be ejected from the side surface of the cylindrical air supply pipe.

また、上記形態では、空気を空気供給管を用いて上方から下方に向けて供給する場合について説明したが、本発明では、下方から上方に向けて供給する場合であっても良い。   Moreover, although the case where air is supplied from the upper side to the lower side using the air supply pipe has been described in the above embodiment, the present invention may be applied to the case where the air is supplied from the lower side to the upper side.

図7は、本発明の燃料電池の他の形態を示すもので、この形態では、セルスタック60aの発電素子積層方向x中央部における燃料ガス通路74の長さが、セルスタック60aの燃料ガス供給管80a側における燃料ガス通路74の長さよりも短くされている。 FIG. 7 shows another embodiment of the fuel cell according to the present invention. In this embodiment, the length of the fuel gas passage 74 at the center of the power stacking direction x of the cell stack 60a is the fuel gas supply of the cell stack 60a. The length of the fuel gas passage 74 on the pipe 80a side is shorter.

尚、セルスタック60aの発電素子の長さは全て同一長さとされている。即ち、発電素子積層方向xの両端部の燃料電池セル62では、発電素子積層方向x中央部における燃料電池セル62と比較して、酸素極層70の形成位置は同一高さであるが、セル長さが長く形成され、これにより、燃料ガス通路74の長さが長く形成されている。   The lengths of the power generating elements of the cell stack 60a are all the same. That is, in the fuel cell 62 at both ends in the power generation element stacking direction x, the oxygen electrode layer 70 is formed at the same height as the fuel cell 62 in the center of the power generation element stacking direction x. The length is formed long, and thus the length of the fuel gas passage 74 is formed long.

このような燃料電池では、セルスタック60aの発電素子積層方向x中央部における燃料ガス通路74の長さは、マニホールド58aの燃料ガス供給管側における燃料ガス通路74の長さよりも短いため、積層方向x中央部における発電素子の温度が高くなったとしても、発電素子積層方向x中央部と燃料ガス供給管80a側の発電素子にガスを供給する燃料ガス通路74の圧力損失差を小さくすることができ、発電素子積層方向x中央部とガス供給管側の発電素子に供給されるガス量をほぼ均一とできる。   In such a fuel cell, the length of the fuel gas passage 74 at the center of the power generation element stacking direction x of the cell stack 60a is shorter than the length of the fuel gas passage 74 on the fuel gas supply pipe side of the manifold 58a. Even if the temperature of the power generation element at the center of x increases, the pressure loss difference between the power generation element stacking direction x center and the fuel gas passage 74 for supplying gas to the power generation element on the fuel gas supply pipe 80a side can be reduced. In addition, the amount of gas supplied to the power generation element stacking direction x center and the power generation element on the gas supply pipe side can be made substantially uniform.

さらに、燃料ガス供給管80aによる燃料ガス供給方向Y端部における燃料ガス通路74の長さを、セルスタック60aの発電素子積層方向x中央部における燃料ガス通路74の長さよりも長く、セルスタック60aの燃料ガス供給管側における燃料ガス通路74の長さよりも短くすることにより、セルスタック60a全体における燃料ガス通路74の圧力損失差を小さくすることができ、ガスをセルスタック60aのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。   Further, the length of the fuel gas passage 74 at the end portion in the fuel gas supply direction Y by the fuel gas supply pipe 80a is longer than the length of the fuel gas passage 74 at the central portion x in the power generation element stacking direction x of the cell stack 60a. By making the length shorter than the length of the fuel gas passage 74 on the fuel gas supply pipe side, the pressure loss difference of the fuel gas passage 74 in the entire cell stack 60a can be reduced, and the gas is supplied to each power generation element of the cell stack 60a. Can be supplied almost uniformly.

図8は、本発明の燃料電池のさらに他の形態を示すもので、この形態では、燃料電池セル62の燃料ガス通路74とは別途に、燃料電池セル62の下端部に燃料ガス通路74への連結管74aを有するセル固定用キャップ90を、予めシール材91にてシール固定し、これらを複数個束ね、一括してマニホールド58aに同じくシール材にてシール固定することでセルスタック60aを構成する。これらの連結管74aを、図8に示すように長さを変更し、もしくは図9に示すように断面積を変更することにより、前記形態と同様な効果が得られ、セルスタック60a全体における燃料ガス通路74の圧力損失差を小さくすることができ、ガスをセルスタック60aのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。   FIG. 8 shows still another embodiment of the fuel cell according to the present invention. In this embodiment, a fuel gas passage 74 is provided at the lower end of the fuel cell 62 separately from the fuel gas passage 74 of the fuel cell 62. The cell fixing cap 90 having the connecting pipe 74a is previously sealed with a sealing material 91, a plurality of these are bundled together, and the cell stack 60a is configured by sealing and fixing to the manifold 58a with the same sealing material. To do. By changing the length of these connecting pipes 74a as shown in FIG. 8 or changing the cross-sectional area as shown in FIG. 9, the same effect as the above-described embodiment can be obtained, and the fuel in the entire cell stack 60a can be obtained. The pressure loss difference in the gas passage 74 can be reduced, and the gas can be supplied almost uniformly to the respective power generation elements of the cell stack 60a.

さらには、セル固定用キャップに取り付けられた連結管74aを、任意の金属部材から構成することができるため、高温になることが予測される積層方向x中央部の連結管74aを熱膨張係数の大きい金属部材にて構成し、更には燃料ガス供給方向Y端部においては温度が低いことが予測されるものの圧力の低下の懸念があるため、燃料ガス供給方向Y端部の連結管74aの熱膨張係数を、前記積層方向x中央部の連結管74aよりも熱膨張係数が小さく、燃料ガス供給管側における連結管74aの熱膨張係数よりも大きい金属部材にて構成し、発電時の温度分布に応じて連結管74aの断面積を変化させることが可能となり、これにより温度分布の少ない低温での発電時や発電を伴わない起動時においてもガスをセルスタック60aのそれぞれの発電素子にほぼ均一に供給することができる。   Furthermore, since the connecting pipe 74a attached to the cell fixing cap can be made of an arbitrary metal member, the connecting pipe 74a in the central portion in the stacking direction x, which is expected to be high in temperature, has a coefficient of thermal expansion. Although it is composed of a large metal member and the temperature is expected to be low at the end portion in the fuel gas supply direction Y, there is a concern of a drop in pressure, so the heat of the connecting pipe 74a at the end portion in the fuel gas supply direction Y The expansion coefficient is made of a metal member having a thermal expansion coefficient smaller than that of the connecting pipe 74a at the center in the stacking direction x and larger than the thermal expansion coefficient of the connecting pipe 74a on the fuel gas supply pipe side, and temperature distribution during power generation It is possible to change the cross-sectional area of the connecting pipe 74a in accordance with the above, so that gas can be supplied to the cell stack 60a even at the time of power generation at a low temperature with little temperature distribution or at the time of startup without power generation. It can be substantially uniformly supplied to the power generation device Les.

尚、本発明は、固体電解質の一方側に燃料側電極、他方側に酸素側電極が形成された発電素子を複数積層した平板形燃料電池にも適用できる。即ち、平板形燃料電池では、平板状の発電素子を複数積層し、発電素子積層方向中央部が高温となりやすいため、本発明を好適に用いることができる。例えば、セパレータと燃料側電極とを連結する燃料極集電部材、もしくはセパレータにガス通路を設け、このガス通路を介して発電素子中央部にガスを供給し、この発電素子中央部から発電素子外周部に向けて流すことが行われるため、本発明を好適に用いることができる。   The present invention can also be applied to a flat plate fuel cell in which a plurality of power generating elements each having a fuel-side electrode formed on one side and an oxygen-side electrode formed on the other side are stacked. That is, in the flat plate fuel cell, a plurality of flat power generation elements are stacked, and the central portion in the power generation element stacking direction tends to become high temperature, so that the present invention can be suitably used. For example, a fuel electrode current collecting member that connects the separator and the fuel side electrode, or a gas passage is provided in the separator, and gas is supplied to the central portion of the power generating element through the gas passage. Since flowing toward the part is performed, the present invention can be suitably used.

本発明の燃料電池の好適実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows suitable embodiment of the fuel cell of this invention. 空気室内から見た空気供給管の配設パターンを示すもので、(a)は平面図、(b)は分解斜視図。The arrangement | positioning pattern of the air supply pipe | tube seen from the air chamber is shown, (a) is a top view, (b) is a disassembled perspective view. 図1の燃料電池に使用されている発電ユニット集合体を示す斜視図。The perspective view which shows the electric power generation unit aggregate | assembly currently used for the fuel cell of FIG. 図3の発電ユニットを示す斜視図。The perspective view which shows the electric power generation unit of FIG. 図3のセルスタックを示す断面図。Sectional drawing which shows the cell stack of FIG. 発電素子積層方向中央部の燃料ガス通路の断面積を、両側部の燃料ガス通路より大きくした形態を示す斜視図。The perspective view which shows the form which made the cross-sectional area of the fuel gas channel | path of the power generation element lamination direction center part larger than the fuel gas channel | path of both sides. 発電素子積層方向中央部の燃料ガス通路の長さを、両側部の燃料ガス通路より長くした形態を示す斜視図。The perspective view which shows the form which made the length of the fuel gas channel | path of the center part of a power generation element lamination direction longer than the fuel gas channel | path of both sides. (a)は燃料電池セルの下端部に燃料ガス供給管を設けた状態を示す斜視図、(b)は燃料ガス供給管の長さを制御した形態を示す断面図。(A) is a perspective view which shows the state which provided the fuel gas supply pipe | tube in the lower end part of the fuel cell, (b) is sectional drawing which shows the form which controlled the length of the fuel gas supply pipe | tube. 燃料ガス供給管の断面積を制御した形態を示す断面図。Sectional drawing which shows the form which controlled the cross-sectional area of the fuel gas supply pipe | tube.

符号の説明Explanation of symbols

58:マニホールド
60:セルスタック
66:燃料側電極
68:固体電解質
70:酸素側電極
74:ガス通路
80:ガス供給管
58: Manifold 60: Cell stack 66: Fuel side electrode 68: Solid electrolyte 70: Oxygen side electrode 74: Gas passage 80: Gas supply pipe

Claims (4)

固体電解質の一方側に燃料側電極、他方側に酸素側電極が形成された発電素子を複数積層してなり、該複数の発電素子が電気的に接続されたセルスタックと、前記複数の発電素子にガス通路を介してガスを供給するマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられたガス供給管とを具備するとともに、前記ガス供給管により前記マニホールドに供給されたガスを、前記ガス通路を介して前記発電素子にそれぞれ供給する燃料電池であって、前記セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の断面積が、前記セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の断面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池。 A cell stack in which a plurality of power generation elements each having a fuel side electrode formed on one side and an oxygen side electrode formed on the other side of the solid electrolyte are stacked, and the plurality of power generation elements are electrically connected. And a gas supply pipe provided at one end of the manifold, and the gas supplied to the manifold by the gas supply pipe is passed through the gas passage. Each of the fuel cells to be supplied to the power generation element, wherein a cross-sectional area of the gas passage at the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction is larger than a cross-sectional area of the gas passage on the gas supply pipe side of the cell stack. A fuel cell. 前記ガス供給管によるガス供給方向端部におけるガス通路の断面積は、前記セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の断面積よりも小さく、前記セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 The cross-sectional area of the gas passage at the gas supply direction end portion of the gas supply pipe is smaller than the cross-sectional area of the gas passage at the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction, and the gas passage on the gas supply pipe side of the cell stack 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell has a cross-sectional area larger than that of the fuel cell. 固体電解質の一方側に燃料側電極、他方側に酸素側電極が形成された発電素子を複数積層してなり、該複数の発電素子が電気的に接続されたセルスタックと、前記複数の発電素子にガス通路を介してガスを供給するマニホールドと、該マニホールドの一端部に設けられたガス供給管とを具備するとともに、前記ガス供給管により前記マニホールドに供給されたガスを、前記マニホールドに連通するガス通路を介して前記発電素子にそれぞれ供給する燃料電池であって、前記セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の長さが、前記セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の長さよりも短いことを特徴とする燃料電池。 A cell stack in which a plurality of power generation elements each having a fuel side electrode formed on one side and an oxygen side electrode formed on the other side of the solid electrolyte are stacked, and the plurality of power generation elements are electrically connected. And a gas supply pipe provided at one end of the manifold, and the gas supplied to the manifold through the gas supply pipe is communicated with the manifold. A fuel cell to be supplied to each of the power generation elements via a gas passage, wherein the length of the gas passage at the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction is greater than the length of the gas passage on the gas supply pipe side of the cell stack. A fuel cell characterized by a short length. 前記ガス供給管によるガス供給方向端部におけるガス通路の長さは、前記セルスタックの発電素子積層方向中央部におけるガス通路の長さよりも長く、前記セルスタックのガス供給管側におけるガス通路の長さよりも短いことを特徴とする請求項3記載の燃料電池。 The length of the gas passage at the gas supply direction end portion by the gas supply pipe is longer than the length of the gas passage at the central portion of the cell stack in the power generation element stacking direction, and the length of the gas passage on the gas supply pipe side of the cell stack. The fuel cell according to claim 3, wherein the fuel cell is shorter.
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