JP2009259799A

JP2009259799A - Stack structure of solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP2009259799A
Application number: JP2009065143A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Yoshikata; 邦聡芳片; Kazufumi Kotani; 和史小谷; Yutaka Iwai; 裕岩井
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd; Kyoto University
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd; Kyoto University
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP5464571B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stack structure of a solid oxide fuel cell capable of keeping a temperature of the fuel cell uniform and heating the fuel cell efficiently. <P>SOLUTION: A stack structure 1 of a solid oxide fuel cell to which a fuel gas and an oxidant gas are supplied comprises a cylindrical combustion member 3 which extends vertically; and a plurality of fuel cells 5 that extend vertically, are disposed to enclose the combustion member 3, and include electrolytes 51, fuel electrodes 53 and air electrodes 52. The fuel gas and the oxidant gas used in each of fuel cells 5 are exhausted into the combustion member 3. The combustion member 3 burns the fuel gas and the oxidant gas which are used in each fuel cell 5. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池のスタック構造に関するものである。 The present invention relates to a stack structure of a solid oxide fuel cell.

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池は、作動温度として通常７００〜１０００℃程度必要である。このため、例えば特許文献１に開示された燃料電池スタック構造は、燃料電池セルを上下方向に積層してスタックし、その燃料電池スタックの周囲を囲むように燃焼触媒が担持された熱交換体が設置されている。この燃料電池スタックで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスの未反応分は、その後、燃料電池スタックの外周部から外部に放出され、スタック周囲に設置された熱交換体に担持された燃焼触媒で燃焼されて燃料電池スタックを加熱することで作動温度を確保している。 A fuel cell is a cell that can directly convert chemical energy generated when fuel is oxidized into electric energy while continuously supplying fuel from the outside and exhausting combustion products. The types of fuel cells are classified according to the electrolyte, and those using a solid oxide having ionic conductivity for the electrolyte are called solid oxide fuel cells. This solid oxide fuel cell usually requires an operating temperature of about 700 to 1000 ° C. For this reason, for example, the fuel cell stack structure disclosed in Patent Document 1 includes a stack of fuel cells stacked in a vertical direction, and a heat exchanger that carries a combustion catalyst so as to surround the periphery of the fuel cell stack. is set up. The unreacted portion of the fuel gas and oxidant gas used in this fuel cell stack is then released from the outer periphery of the fuel cell stack to the outside and is a combustion catalyst carried on a heat exchanger installed around the stack. The operating temperature is ensured by heating the fuel cell stack after burning.

特開２００５−３２７５５３号公報JP 2005-327553 A

しかしながら、上記固体酸化物形燃料電池では、熱交換体での触媒燃焼で生じる高温ガスは浮力によりスタック上方に成層するため、スタック下部は相対的にスタック上部よりも低温になってしまい、スタック上下方向の温度が不均一となる。よって、上記固体酸化物形燃料電池では、例えばスタックの上部に配置された燃料電池セルと、スタックの中央付近に配置された燃料電池セルと、スタックの下部に配置された燃料電池セルとでは熱的環境が異なり、スタック性能が低下する問題があった。また、スタック内で最高温度となる燃焼ガスを生成する燃焼部はスタックの外側に設置されて周囲空気と近接しているため，熱漏れが増大して効率的に燃料電池セルを加熱できていないといった問題があった。 However, in the above solid oxide fuel cell, the high temperature gas generated by catalytic combustion in the heat exchanger stratifies above the stack due to buoyancy, so the lower part of the stack is relatively cooler than the upper part of the stack, and The directional temperature is non-uniform. Therefore, in the solid oxide fuel cell, for example, the fuel cell disposed at the top of the stack, the fuel cell disposed near the center of the stack, and the fuel cell disposed at the bottom of the stack are not heated. There was a problem that the stack environment deteriorated due to the difference in the general environment. In addition, the combustion part that generates the combustion gas with the highest temperature in the stack is located outside the stack and is close to the surrounding air, so heat leaks increase and the fuel cells cannot be heated efficiently. There was a problem.

そこで、本発明は、スタック内の各燃料電池セル間の熱的環境を均一に保ち，かつ効率よく燃料電池セルを加熱することのできる固体酸化物形燃料電池のスタック構造を提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a stack structure of a solid oxide fuel cell that can maintain a uniform thermal environment between the fuel cells in the stack and can efficiently heat the fuel cells. And

本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体酸化物形燃料電池のスタック構造であって、上下方向に延びる筒状の燃焼部材と、上下方向に延びるとともに前記燃焼部材の周囲を囲むように設置され、電解質、燃料極及び空気極を有する複数の燃料電池セルと、を備え、前記各燃料電池セルで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを前記燃焼部材内に排出するように構成されており、前記燃焼部材は、前記各燃料電池セルで使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを内部で燃焼するように構成されている。 A stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention is made in order to solve the above problems, and is a stack structure of a solid oxide fuel cell to which a fuel gas and an oxidant gas are supplied. A cylindrical combustion member extending in the vertical direction, and a plurality of fuel cells that extend in the vertical direction and surround the combustion member and have an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, The fuel gas and the oxidant gas used in the fuel battery cell are configured to be discharged into the combustion member, and the combustion member contains the fuel gas and the oxidant gas used in each fuel battery cell inside. It is configured to burn in.

この構成によれば、各燃料電池セルは、上下方向に積層されるのではなく、上下方向に延びるとともに燃焼部材の周囲を囲むように設置されているため、各燃料電池セル間の熱的環境が均一となり、スタック性能の低下を防止することができる。また、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼する燃焼部材の周囲を囲むように燃料電池セルが設置されることで高温部がスタック構造の中心に位置しているため、燃焼部材内で使用済みガスを燃焼することによって発生する熱を効率よく燃料電池セルに加えることができる。さらには、このように燃焼部材の周囲を囲むように燃料電池セルを設置することで、スタックの外周縁の温度が一番低くなるため、スタック周囲の空気との熱交換が抑制されて断熱効果が高まり、効率よく燃料電池セルを加熱することができる。なお、上記「筒状」とは、断面が円状の円筒のみでなく、断面が三角形や四角形など多角形状の角筒も含む概念である。 According to this configuration, the fuel cells are not stacked in the vertical direction, but are installed so as to extend in the vertical direction and surround the periphery of the combustion member. Becomes uniform, and the deterioration of the stack performance can be prevented. Also, since the fuel cell is installed so as to surround the periphery of the combustion member that burns used fuel gas and oxidant gas, the high temperature part is located at the center of the stack structure, so it is used in the combustion member Heat generated by burning the spent gas can be efficiently added to the fuel cell. Furthermore, since the temperature of the outer peripheral edge of the stack is the lowest by installing the fuel cells so as to surround the periphery of the combustion member in this way, heat exchange with the air around the stack is suppressed, and the heat insulating effect And the fuel cell can be efficiently heated. The “tubular shape” is a concept including not only a circular cylinder having a circular cross section but also a polygonal square tube having a triangular or quadrangular cross section.

上記固体酸化物形燃料電池のスタック構造は種々の構造をとることができ、燃焼部材及び燃料電池セルを収容する断熱性のハウジングをさらに備えていることが好ましい。このように構成することで、より断熱性を向上させることができる。 The stack structure of the solid oxide fuel cell can take various structures, and preferably further includes a heat insulating housing that accommodates the combustion member and the fuel cell. By comprising in this way, heat insulation can be improved more.

また、燃焼部は、その内部に燃焼触媒を有していることが好ましい。この構成によれば、燃料電池セルの発電に使用された使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスからなる混合ガスを触媒燃焼させることができ、より効率的に燃焼させることができる。 Moreover, it is preferable that the combustion part has a combustion catalyst in the inside. According to this configuration, the mixed gas composed of the used fuel gas and oxidant gas used for power generation of the fuel battery cell can be catalytically burned, and can be burned more efficiently.

上記スタック構造においては、燃料電池セルに燃料極及び酸化剤ガスを供給するガス流路をさらに設けることができ、このガス流路の少なくとも一部にガス透過性の伝熱材を配置することができる。このように、伝熱材を配置すると、ガス流路内の保温効果が高まり、この流路を通過するガスを高温に維持することができる。その結果、燃料電池セルに供給するガスを高温にすることができ、発電効率を向上することができる。 In the stack structure, a gas flow path for supplying the fuel electrode and the oxidant gas to the fuel cell can be further provided, and a gas-permeable heat transfer material can be disposed in at least a part of the gas flow path. it can. As described above, when the heat transfer material is arranged, the heat retaining effect in the gas channel is increased, and the gas passing through the channel can be maintained at a high temperature. As a result, the gas supplied to the fuel cell can be raised in temperature, and the power generation efficiency can be improved.

また、伝熱材をガス流路内に設置することにより、これを通過するガスの圧力損失が増大し，ガス流れの均一性を向上することが可能となる。 In addition, by installing the heat transfer material in the gas flow path, the pressure loss of the gas passing through it increases, and the uniformity of the gas flow can be improved.

なお、ガス透過性の伝熱材は、流路内全体に充填されていていなくても、一部に配置されていても同様な効果を得ることができる。 In addition, even if the gas-permeable heat transfer material is not filled in the entire flow path or is partially disposed, the same effect can be obtained.

ここで、伝熱材は、燃焼部材と燃料電池セルとの間を径方向に連続的に配置することができる。このようにすると、燃料部材で生じる熱を、伝熱材を介して燃料電池セルに効率よく伝導することができる。その結果、燃料電池セルの発電効率を向上することができる。なお、伝熱材のみで、燃焼部材と燃料電池セルとの間を径方向に連続的に配置されていなくてもよく、例えば、ガス流路が管で構成されている場合には、管の壁を介して伝熱材が連続的に配置されていればよい。また、伝熱材は径方向に厳密に連続して配置されていなくてもよく、上記のように間に壁などが配置されていれば、径方向、または高さ方向に多少ずれて入れも伝熱効果を得ることができる。 Here, the heat transfer material can be continuously arranged in the radial direction between the combustion member and the fuel battery cell. If it does in this way, the heat which arises in a fuel member can be efficiently conducted to a fuel cell via a heat transfer material. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved. It should be noted that only the heat transfer material does not have to be continuously arranged in the radial direction between the combustion member and the fuel battery cell. For example, when the gas flow path is constituted by a pipe, The heat transfer material should just be arrange | positioned continuously through the wall. Further, the heat transfer material does not have to be arranged strictly continuously in the radial direction. If a wall or the like is arranged as described above, the heat transfer material may be slightly shifted in the radial direction or the height direction. A heat transfer effect can be obtained.

また、各燃料電池セル間を電気的に接続するインターコネクタをさらに備えていることが好ましい。 Moreover, it is preferable to further include an interconnector for electrically connecting the fuel cells.

また、燃焼部の周囲を囲むように設置された、燃料電池を支持する支持部材をさらに備え、燃料電池セルは、電解質を挟むように燃料極及び空気極が配置された板状の燃料電池セルであって、支持部材は、燃料電池セルが嵌め込まれる貫通穴が形成された支持部と、支持部材の貫通穴を塞ぐように配置され、貫通孔と対向する面に凹状のガス流路が形成されたガス供給部と、ガス供給部に燃料ガス又は酸化剤ガスを導入するガス導入部と、ガス供給部において使用された燃料ガス又は酸化剤ガスを燃焼部内に排出するガス排出部と、を有していることが好ましい。 The fuel cell further includes a support member for supporting the fuel cell, which is installed so as to surround the periphery of the combustion part, and the fuel cell has a plate-like fuel cell in which a fuel electrode and an air electrode are arranged so as to sandwich the electrolyte. The support member is disposed so as to close the through hole of the support member in which the through hole into which the fuel battery cell is fitted is formed, and a concave gas flow path is formed on the surface facing the through hole. A gas supply unit, a gas introduction unit for introducing fuel gas or oxidant gas into the gas supply unit, and a gas discharge unit for discharging the fuel gas or oxidant gas used in the gas supply unit into the combustion unit, It is preferable to have.

このように、支持部材の支持部の貫通穴内に燃料電池セルを嵌め込んで支持することによって、燃料電池セルの振動によるズレや割れなどを防止することができる。 As described above, by inserting and supporting the fuel cell in the through hole of the support portion of the support member, it is possible to prevent displacement or cracking due to vibration of the fuel cell.

上記支持部材の支持部は、貫通孔の側壁面に前記燃料電池セルを支持する肩部が形成されていることが好ましい。このように肩部を形成してその肩部上に燃料電池を配置する構成とすることで、例えば、ガラスシールなどの接着剤を肩部に塗布することで、ガスリークを防ぐとともに燃料電池セルをさらに強固に固定することができる。 It is preferable that the support portion of the support member has a shoulder portion for supporting the fuel cell on the side wall surface of the through hole. By forming the shoulder portion in this way and arranging the fuel cell on the shoulder portion, for example, by applying an adhesive such as a glass seal to the shoulder portion, gas leakage is prevented and the fuel cell unit is Further, it can be firmly fixed.

本発明によれば、スタック内の各燃料電池セル間の熱的環境を均一に保ち、かつ効率よく燃料電池セルを加熱することのできる固体酸化物形燃料電池のスタック構造を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the stack structure of the solid oxide fuel cell which can maintain the thermal environment between each fuel cell in a stack uniformly, and can heat a fuel cell efficiently can be provided. .

本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の実施形態を示す正面断面図である。1 is a front sectional view showing an embodiment of a stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 図１のＡ−Ａ線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 本実施形態に係る支持部材の平面図である。It is a top view of the support member concerning this embodiment. 図３のＢ−Ｂ線断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line BB in FIG. 3. 本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the flow of the fuel gas and oxidant gas in the stack structure of the solid oxide fuel cell which concerns on this embodiment. 本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の他の実施形態を示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows other embodiment of the stack structure of the solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 支持部材の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of a supporting member. ガス流路の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of a gas flow path. 固体酸化物形燃料電池のスタック構造の他の例を示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the other example of the stack structure of a solid oxide fuel cell. 図９におけるガス流路の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the gas flow path in FIG.

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の正面断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。 Hereinafter, embodiments of a stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a front sectional view of a stack structure of a solid oxide fuel cell according to this embodiment, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG.

図１及び図２に示されるように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造１は、円筒状のハウジング２と、ハウジング２内の中央部にハウジング２と同軸となるように設置された円筒状の燃焼部材３と、燃焼部材３の周囲を囲むように間隔をあけて設置された複数の支持部材４とを備えている。また、各支持部材４には燃料電池セル５が支持されており、燃焼部材３と支持部材４との間にはガス供給筒７が介在している。 As shown in FIGS. 1 and 2, the stack structure 1 of the solid oxide fuel cell according to the present embodiment has a cylindrical housing 2, and a central portion in the housing 2 is coaxial with the housing 2. An installed cylindrical combustion member 3 and a plurality of support members 4 installed at intervals so as to surround the periphery of the combustion member 3 are provided. Each support member 4 supports a fuel cell 5, and a gas supply cylinder 7 is interposed between the combustion member 3 and the support member 4.

ハウジング２は、上下方向に延びる円筒状であって、下端部が閉鎖されている。上端部は、その中央部が開口するように内向きフランジ２１が形成されている。このハウジング２の材質としては、断熱性が高い材料を使用しており、例えば、シリカ系材料などを含有する鉱物系の素材を繊維状にしたものなどを挙げることができる。 The housing 2 has a cylindrical shape extending in the vertical direction and has a lower end portion closed. An inward flange 21 is formed at the upper end portion so that the center portion is opened. As the material of the housing 2, a material having high heat insulation is used, and examples thereof include a fiber made of a mineral material containing a silica material or the like.

ハウジング２の中央部を上下方向に延びるように、円筒状の燃焼部材３が設置されている。燃焼部材３は、上端部及び下端部が開口しており、燃焼部材３の上端部はハウジング２の上端部の開口から現れている。また、燃焼部材３の下端部は、後述するガス供給筒７の外筒７２下端部に形成された内向きフランジ７２１の上面と接着している。燃焼部材３の材質としては、シリカ系材料、アルミナ系材料、ジルコニア系材料、チタニア系材料、マグネシア系などのセラミックス系材料、耐熱性のある金属材料などを挙げることができ，これらを混合して使用してもよく、或いはこれらを積層して使用してもよい。 The cylindrical combustion member 3 is installed so that the center part of the housing 2 may be extended in an up-down direction. The combustion member 3 is open at the upper end and the lower end, and the upper end of the combustion member 3 appears from the opening at the upper end of the housing 2. The lower end portion of the combustion member 3 is bonded to the upper surface of an inward flange 721 formed at the lower end portion of an outer cylinder 72 of a gas supply cylinder 7 to be described later. Examples of the material of the combustion member 3 include silica-based materials, alumina-based materials, zirconia-based materials, titania-based materials, magnesia-based ceramic materials, heat-resistant metal materials, and the like. These may be used, or these may be laminated and used.

また、図示は省略しているが、燃焼部材３の内部空間には、ペレット状やハニカム構造を有する多孔質体が設置されており、この多孔質体には燃焼触媒が担持されている。燃焼触媒としては、例えば白金や、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、金、銀などの貴金属やペロブスカイト型複合酸化物、スピネル型酸化物、層状アルミネート化合物などを用いることができる。また、担体である多孔質体としては、シリカ系材料、アルミナ系材料、ジルコニア系材料、チタニア系材料、マグネシア系などのセラミックス系材料、耐熱性のある金属材料などを挙げることができ，これらを混合して使用することができる。 Although not shown, a porous body having a pellet shape or a honeycomb structure is installed in the internal space of the combustion member 3, and a combustion catalyst is supported on the porous body. Examples of the combustion catalyst that can be used include noble metals such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, gold and silver, perovskite complex oxides, spinel oxides, and layered aluminate compounds. Examples of the porous body as a carrier include silica-based materials, alumina-based materials, zirconia-based materials, titania-based materials, magnesia-based ceramic materials, and heat-resistant metal materials. Can be used as a mixture.

燃焼部材３の周囲を覆うように、燃料ガス又は酸化剤ガスを導入するためのガス供給筒７が設置されている。このガス供給筒７は、内筒７１と外筒７２との２つの円筒から構成されている。内筒７１は上端部及び下端部が開口しており、上端部に外向きフランジ７１１が形成されている。内筒７１の上端部は、ハウジング２の上端部に形成された開口から外部へ現れている。また、内筒７１の下端部は、後述する外筒７２の内向きフランジ７２１と接着しており、この内向きフランジ７２１によって閉鎖されている。内筒７１の下部には外筒７２との間でガスが行き来するための第１の連絡穴７３が円周に沿って複数形成されている。 A gas supply cylinder 7 for introducing fuel gas or oxidant gas is installed so as to cover the periphery of the combustion member 3. The gas supply cylinder 7 is composed of two cylinders, an inner cylinder 71 and an outer cylinder 72. The inner cylinder 71 is open at the upper end and the lower end, and an outward flange 711 is formed at the upper end. The upper end portion of the inner cylinder 71 appears outside through an opening formed in the upper end portion of the housing 2. The lower end of the inner cylinder 71 is bonded to an inward flange 721 of the outer cylinder 72 described later, and is closed by the inward flange 721. A plurality of first communication holes 73 are formed along the circumference of the inner cylinder 71 in order to allow gas to flow to and from the outer cylinder 72.

ガス供給筒７の外筒７２は、上端部及び下端部が開口しており、下端部には内向きフランジ７２１が形成されている。外筒７２の上端部は内筒７１の外向きフランジ７１１と接着しており、この外向きフランジ７１１によって閉鎖されている。外筒７２の上端部の外周面は、ハウジング２の内向きフランジ２１の先端部を接着している。また、外筒７２の上部には、その周囲に設置された各燃料電池セル５にガスを供給するために、第２の連絡穴７４が円周に沿って複数形成されている。外筒７２の下端部に形成された開口は、燃焼部材３の内径とほぼ同一の大きさを有しており、燃焼部材３の下端部の開口と一致するような位置となっている。なお、上記内筒７１及び外筒７２の材質としては、耐熱性のあるSUSなどの金属やアルミナなどのセラミックス系材料を挙げることができる。 The outer cylinder 72 of the gas supply cylinder 7 has an upper end portion and a lower end portion that are open, and an inward flange 721 is formed at the lower end portion. The upper end portion of the outer cylinder 72 is bonded to the outward flange 711 of the inner cylinder 71 and is closed by the outward flange 711. The outer peripheral surface of the upper end portion of the outer cylinder 72 is bonded to the distal end portion of the inward flange 21 of the housing 2. In addition, a plurality of second communication holes 74 are formed along the circumference in the upper part of the outer cylinder 72 in order to supply gas to each fuel cell 5 installed around the outer cylinder 72. The opening formed in the lower end portion of the outer cylinder 72 has substantially the same size as the inner diameter of the combustion member 3 and is positioned so as to coincide with the opening in the lower end portion of the combustion member 3. Examples of the material of the inner cylinder 71 and the outer cylinder 72 include metals having heat resistance such as SUS and ceramic materials such as alumina.

ガス供給筒７を介して燃焼部材３の周囲を囲むように、複数の支持部材４がそれぞれ間隔をあけて設置されている。図３は支持部材４の平面図、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図３では燃料電池セル５の記載を省略している。図３及び図４に示すように、支持部材４は、燃料電池セル５を支持する矩形状の支持部４１と、その下面に接合された矩形状のガス供給部４２と、ガス供給部４２にガスを導入するガス導入部４３と、ガス供給部４２において使用されたガスを排出するガス排出部４４で構成され、全て導電性の材料で形成されている。支持部４１とガス供給部４２は、例えば、金属メッキの後、熱圧着することで接合することができる。 A plurality of support members 4 are installed at intervals so as to surround the periphery of the combustion member 3 via the gas supply cylinder 7. 3 is a plan view of the support member 4, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. In addition, description of the fuel cell 5 is abbreviate | omitted in FIG. As shown in FIGS. 3 and 4, the support member 4 includes a rectangular support portion 41 that supports the fuel cell 5, a rectangular gas supply portion 42 joined to the lower surface thereof, and a gas supply portion 42. The gas introduction part 43 for introducing the gas and the gas discharge part 44 for discharging the gas used in the gas supply part 42 are all formed of a conductive material. The support part 41 and the gas supply part 42 can be joined by thermocompression bonding after metal plating, for example.

支持部４１は、燃料電池セル５と同じ形状の貫通穴４１１が形成されており、この貫通穴４１１に燃料電池セル５が嵌め込まれる。貫通穴４１１の内壁面の下部には、燃料電池セル５を支持する段状の肩部４１２が、貫通孔４１１の中心方向に四辺から突出している。 The support portion 41 is formed with a through hole 411 having the same shape as the fuel battery cell 5, and the fuel battery cell 5 is fitted into the through hole 411. At the lower portion of the inner wall surface of the through hole 411, a stepped shoulder 412 that supports the fuel cell 5 protrudes from the four sides in the central direction of the through hole 411.

ガス供給部４２は、上面に複数の溝からなるガス流路４２１が形成されている。このガス流路４２１は、支持部４１の貫通孔４１１と対向するように配置されており、ガス流路４２１を通過するガスが燃料電池セル５に供給されるようになっている。 The gas supply unit 42 has a gas flow path 421 formed of a plurality of grooves on the upper surface. The gas flow path 421 is disposed so as to face the through hole 411 of the support portion 41, and the gas passing through the gas flow path 421 is supplied to the fuel cell 5.

また、支持部４１及びガス供給部４２の角部（図３の左下部）からガス導入部４３が延びている。このガス導入部４３は、ガス供給部４２から延びた部分の上面に溝状のガス流路４３２が形成されており、このガス流路４３２の上面を閉鎖するように支持部４１から延びた部分が接合している。なお、このガス導入部４３に形成されたガス流路４３２は、ガス供給部４２に形成されたガス流路４２１と連結している。また、ガス導入部４３の支持部４１から延びた部分にはガス導入口４３１が形成されており、このガス導入口４３１は外部とガス流路４３２とを連結している。 Further, a gas introduction part 43 extends from a corner part (lower left part in FIG. 3) of the support part 41 and the gas supply part 42. The gas introduction part 43 has a groove-like gas flow path 432 formed on the upper surface of a part extending from the gas supply part 42, and a part extending from the support part 41 so as to close the upper surface of the gas flow path 432. Are joined. The gas flow path 432 formed in the gas introduction part 43 is connected to the gas flow path 421 formed in the gas supply part 42. Further, a gas introduction port 431 is formed in a portion extending from the support portion 41 of the gas introduction portion 43, and this gas introduction port 431 connects the outside and the gas flow path 432.

そして、支持部４１及びガス供給部４２のガス導入部４３と対角上の位置（図３の右上部）からはガス排出部４４が延びている。このガス排出部４４も、ガス供給部４２から延びた部分の上面に溝状のガス流路４４２が形成されており、このガス流路４４２の上面を閉鎖するように支持部４１から延びた部分が接合している。なお、このガス排出部４４に形成されたガス流路４４２は、ガス供給部４２に形成されたガス流路４２１と連結している。また、ガス排出部４４の支持部４１から延びた部分にはガス排出口４４１が形成されており、このガス排出口４４１は外部とガス流路４４２とを連結している。 And the gas discharge part 44 is extended from the gas introduction part 43 and the gas supply part 43 of the support part 41 and the gas supply part 42 (upper right part of FIG. 3). The gas discharge portion 44 also has a groove-like gas flow path 442 formed on the upper surface of the portion extending from the gas supply portion 42, and a portion extending from the support portion 41 so as to close the upper surface of the gas flow path 442. Are joined. Note that the gas flow path 442 formed in the gas discharge unit 44 is connected to the gas flow path 421 formed in the gas supply unit 42. Further, a gas discharge port 441 is formed in a portion extending from the support portion 41 of the gas discharge unit 44, and the gas discharge port 441 connects the outside and the gas flow path 442.

図１及び２に戻って説明を続けると、以上のように構成された支持部材４をハウジング２内に設置した状態では、ガス導入部４３が上部に、ガス排出部４４が下部になるように配置されている。そして、ガス導入部４３はハウジング２の上部側面を貫通してから外部へと突出した状態となっており、ガス導入口４３１がハウジング２の外部に位置している。また、ガス排出部４４は、ハウジング２の中央に向かって延びており、その先端に形成されたガス排出口４４１が燃焼部材３の下方に位置している。 Returning to FIGS. 1 and 2, the description will be continued. In the state where the support member 4 configured as described above is installed in the housing 2, the gas introduction part 43 is at the upper part and the gas discharge part 44 is at the lower part. Has been placed. The gas introduction part 43 is in a state of projecting to the outside after passing through the upper side surface of the housing 2, and the gas introduction port 431 is located outside the housing 2. Further, the gas discharge portion 44 extends toward the center of the housing 2, and a gas discharge port 441 formed at the tip thereof is located below the combustion member 3.

支持部材４に支持されている燃料電池セル５は、図４に示すように、矩形の板状の電解質５１の上面に薄膜状の空気極５２が形成され、下面に薄膜状の燃料極５３がそれぞれ形成されることで構成されている。燃料電池セル５の燃料極５３は、肩部４１２に接触しない大きさ、つまり肩部４１２によって狭められた貫通穴４１１からガス供給部４２を臨むような大きさに形成されている。したがって、肩部４１２には、燃料電池セル５の電解質５１が接触しており、ここでは、ガラスシール（図示省略）によって、電解質５１が肩部４１２に固定されている。このようなガラスシールによってシールすることにより、貫通穴４１１内では、燃料極５３と空気極５２との間のガスの流通が遮断される。そして、燃料極５３とガス流路４２１との間の空間には、多孔質からなるシート状の集電体（導電性部材）６が配置されており、これによって、燃料電池セル５とガス供給部４２とが電気的に接続される。このように支持部材４に支持された燃料電池セル５は、図２に示すように、ガス供給筒７を介して燃焼部材３の周囲を囲むように設置されるが、各燃料電池セル５はインターコネクタ８を介して直列接続している。すなわち、インターコネクタ８が、燃料電池セル５の空気極５２と、これに隣接する支持部材４のガス供給部４２の底面とを電気的に接続するように設置されている。ガス供給部４２は、集電体６を介して燃料電池セル５の燃料極５３と電気的に接続されているため、各燃料電池セル５は隣接する燃料電池セル５と直列接続されている。また、燃料電池セル５は、電解質５１を支持基板とするものの他に、一方の電極を支持基板とし、電解質５１、他方の電極の順に薄膜で形成した構造とすることも出来る。更に、多孔質の導電性基板を支持体として、一方の電極、電解質５１、他方の電極の順に薄膜で形成した構造としても良い。 As shown in FIG. 4, the fuel cell 5 supported by the support member 4 has a thin film-like air electrode 52 formed on the upper surface of a rectangular plate-shaped electrolyte 51 and a thin-film fuel electrode 53 formed on the lower surface. Each is formed by being formed. The fuel electrode 53 of the fuel cell 5 has a size that does not contact the shoulder portion 412, that is, a size that faces the gas supply portion 42 from the through hole 411 narrowed by the shoulder portion 412. Therefore, the electrolyte 51 of the fuel cell 5 is in contact with the shoulder 412, and here the electrolyte 51 is fixed to the shoulder 412 by a glass seal (not shown). By sealing with such a glass seal, the gas flow between the fuel electrode 53 and the air electrode 52 is blocked in the through hole 411. A porous sheet-like current collector (conductive member) 6 is disposed in the space between the fuel electrode 53 and the gas flow path 421, and thereby the fuel cell 5 and the gas supply are provided. The part 42 is electrically connected. As shown in FIG. 2, the fuel cell 5 supported by the support member 4 is installed so as to surround the combustion member 3 via the gas supply cylinder 7. They are connected in series via the interconnector 8. That is, the interconnector 8 is installed so as to electrically connect the air electrode 52 of the fuel battery cell 5 and the bottom surface of the gas supply part 42 of the support member 4 adjacent thereto. Since the gas supply unit 42 is electrically connected to the fuel electrode 53 of the fuel cell 5 via the current collector 6, each fuel cell 5 is connected in series with the adjacent fuel cell 5. In addition to the fuel cell 5 using the electrolyte 51 as a supporting substrate, the fuel cell 5 may have a structure in which one electrode is used as a supporting substrate and the electrolyte 51 and the other electrode are formed in the order of a thin film. Furthermore, it is good also as a structure formed with the thin film in order of one electrode, the electrolyte 51, and the other electrode by using a porous conductive substrate as a support.

上記燃料電池セル５を構成する材料について説明すると、まず、電解質５１の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物（ＹＳＺ）などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。 The material constituting the fuel cell 5 will be described. First, as the material of the electrolyte 51, a known material can be used as the electrolyte of the solid oxide fuel cell. For example, samarium or gadolinium is doped. Oxygen ion conductive ceramic materials such as ceria-based oxide (GDC), lanthanum galide-based oxide doped with strontium and magnesium, and zirconia-based oxide (YSZ) containing scandium and yttrium can be used.

燃料極５３及び空気極５２は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。 The fuel electrode 53 and the air electrode 52 can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

燃料極５３は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極２を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極５３は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。 As the fuel electrode 53, for example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor can be used. As the metal catalyst used at this time, a material that is stable in a reducing atmosphere, such as nickel, iron, cobalt, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and has hydrogen oxidation activity can be used. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Among the above materials, it is preferable to form the fuel electrode 2 with a mixture of an oxide ion conductor and nickel. The mixed form of the ceramic material made of the oxide ion conductor and nickel may be a physical mixed form, or may be a powder modification to nickel or a nickel modification to ceramic material. Good. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. The fuel electrode 53 can also be configured using a metal catalyst alone.

空気極５２を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。 As the ceramic powder material forming the air electrode 52, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn or the like having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO ₃ , (La, Sr) MnO ₃ , (La, Sr) CoO ₃ , (La, Sr) (Fe, Co) O ₃ , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O _{3 and the} like, and (La, Sr) (Fe, Co) O ₃ is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

上記燃料極５３及び空気極５２は、種々の方法で形成することができる。例えば、ウエットコ−ティング法或いは、ドライコーティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スクリーン印刷法、電気泳動（ＥＰＤ）法、ドクターブレード法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコ−ト法、ディップコート法等が例示できる。その際、これら燃料極５３、空気極５２は、ペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電気化学気相成長法、イオンビーム法、レーザーアブレーション法、大気圧プラズマ成膜法、減圧プラズマ成膜法等で形成することもできる。また、電解質は、上述の燃料極、及び空気極と同様の手法により形成することが可能であるが、ドライコーティング法やゾルゲル法により形成すれば、上記ウエットコ−ティング法よりも一般的に、低温で緻密な金属酸化物膜を形成できる。更に、基板となる電極や電解質は、粉末をプレスして焼結する方法やテ−プキャスト法により形成することが可能である。 The fuel electrode 53 and the air electrode 52 can be formed by various methods. For example, it can be formed by a wet coating method or a dry coating method. Examples of the wet coating method include a screen printing method, an electrophoresis (EPD) method, a doctor blade method, a spray coating method, an ink jet method, a spin coating method, and a dip coating method. At this time, the fuel electrode 53 and the air electrode 52 need to be paste-like, and are formed by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, and the like with the above-described material as a main component. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. Examples of dry coating methods include vapor deposition, sputtering, ion plating, chemical vapor deposition (CVD), electrochemical vapor deposition, ion beam, laser ablation, and atmospheric pressure plasma deposition. Alternatively, it can be formed by a low pressure plasma film forming method or the like. In addition, the electrolyte can be formed by the same method as the above-described fuel electrode and air electrode. However, if formed by a dry coating method or a sol-gel method, the electrolyte is generally at a lower temperature than the wet coating method. A dense metal oxide film can be formed. Furthermore, the electrode and electrolyte used as the substrate can be formed by a method of pressing and sintering powder or a tape casting method.

集電体６及びインターコネクタ８は、導電性のある金属或いは金属酸化物材料からなり、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、ＳＵＳ系材料、又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。 The current collector 6 and the interconnector 8 are made of a conductive metal or metal oxide material, and are Pt, Au, Ag, Ni, SUS-based material, or La (Cr, Mg) O ₃ , (La, Ca). It can be formed of lanthanum chromite materials such as CrO ₃ and (La, Sr) CrO _3, and one of these may be used alone, or a mixture of two or more may be used. Also good.

次に上述したように構成されたスタック構造１における発電方法について説明する。まず、図５に示すように、空気などの酸化剤ガスをガス供給筒７の内筒７１上端部から供給する。内筒７１内に供給された酸化剤ガスは内筒７１内を下方に向かって進み、第１の連絡口７３を通って外筒７２内へと進み、さらに外筒７２内を上方へと進む。そして、外筒７２の上部まで進んだ酸化剤ガスは、第２の連絡口７４を通ってハウジング２内へと進みハウジング２内を下方へと進む。このハウジング２内を下方へと進む過程で、支持部材４に支持された燃料電池セル５の露出している空気極５２と接触する。そして、ハウジング２内の下部まで進んだ使用済みの酸化剤ガスは、ハウジング２内の中央部の燃焼部材３の下端部近傍まで進む。 Next, a power generation method in the stack structure 1 configured as described above will be described. First, as shown in FIG. 5, an oxidant gas such as air is supplied from the upper end of the inner cylinder 71 of the gas supply cylinder 7. The oxidant gas supplied into the inner cylinder 71 travels downward in the inner cylinder 71, travels through the first connection port 73 into the outer cylinder 72, and further proceeds through the outer cylinder 72 upward. . Then, the oxidant gas that has traveled up to the upper portion of the outer cylinder 72 passes through the second communication port 74 into the housing 2 and travels downward through the housing 2. In the process of proceeding downward in the housing 2, it comes into contact with the exposed air electrode 52 of the fuel cell 5 supported by the support member 4. Then, the used oxidant gas that has traveled to the lower part in the housing 2 travels to the vicinity of the lower end of the combustion member 3 at the center in the housing 2.

一方、酸化剤ガスの供給と並行して、支持部材４のガス導入口４３１からは、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスを導入する。ガス導入口４３１から導入された燃料ガスは、図３及び図４に基づいて説明すると、ガス導入部４３のガス流路４３２内を流れてガス供給部４２に形成されたガス流路４２１に供給される。ガス流路４２１に供給された燃料ガスは、集電部６を介して燃料極５３と接触し、その後、ガス排出部４４に形成されたガス流路４４２を流れてガス排出口４４１から排出される。ガス排出口４４１から排出された使用済みの燃料ガスは、図５に示すように、燃焼部材３の下端部近傍へと排出される。そして、燃焼部材３の下端部近傍において、使用済みの燃焼ガス及び酸化剤ガスが混合して混合ガスとなり、燃焼部材３内へと送られる。燃焼部材３内へと送られた使用済みの混合ガスは、燃焼部材３内に設置された燃焼触媒と接触し、触媒燃焼が行われる。このように、燃料極５３及び空気極５２がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極５３と空気極５２との間で、電解質５１を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。 On the other hand, in parallel with the supply of the oxidant gas, a fuel gas composed of hydrogen or a hydrocarbon such as methane or ethane is introduced from the gas inlet 431 of the support member 4. The fuel gas introduced from the gas introduction port 431 flows through the gas flow path 432 of the gas introduction part 43 and is supplied to the gas flow path 421 formed in the gas supply part 42 as described with reference to FIGS. Is done. The fuel gas supplied to the gas flow path 421 comes into contact with the fuel electrode 53 via the current collector 6, and then flows through the gas flow path 442 formed in the gas discharge section 44 and is discharged from the gas discharge port 441. The The spent fuel gas discharged from the gas discharge port 441 is discharged to the vicinity of the lower end portion of the combustion member 3 as shown in FIG. In the vicinity of the lower end portion of the combustion member 3, the used combustion gas and oxidant gas are mixed to form a mixed gas and sent into the combustion member 3. The used mixed gas sent into the combustion member 3 comes into contact with a combustion catalyst installed in the combustion member 3 and catalytic combustion is performed. Thus, since the fuel electrode 53 and the air electrode 52 are in contact with the fuel gas and the oxidant gas, respectively, oxygen ion conduction through the electrolyte 51 occurs between the fuel electrode 53 and the air electrode 52, and power generation is performed. Is called.

以上のように、本実施形態によれば、各燃料電池セル５は、上下方向に積層されるのではなく、上下方向に延びるとともに燃焼部材３の周囲を囲むように設置されているため、各燃料電池セル５間の熱的環境が均一となり、スタック性能の低下を防止することができる。また、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼する燃焼部材３の周囲を囲むように燃料電池セル５が設置されることで高温部がスタック構造の中心に位置しているため、燃焼部材３内で使用済みガスを燃焼することによって発生する熱を効率よく燃料電池セル５に加えることができる。さらには、このように燃焼部材３の周囲を囲むように燃料電池セル５を設置することで、スタック１の外周縁の温度が一番低くなるため、スタック周囲の空気との熱交換が抑制されて断熱効果が高まり、効率よく燃料電池セルを加熱することができる。 As described above, according to the present embodiment, each fuel cell 5 is not stacked in the vertical direction, but extends in the vertical direction and is disposed so as to surround the combustion member 3. The thermal environment between the fuel cells 5 becomes uniform, and the deterioration of the stack performance can be prevented. Further, since the fuel cell 5 is installed so as to surround the periphery of the combustion member 3 that burns the used fuel gas and oxidant gas, the high temperature portion is located at the center of the stack structure, and thus the combustion member 3 The heat generated by burning the spent gas inside can be efficiently applied to the fuel cell 5. Furthermore, since the temperature of the outer peripheral edge of the stack 1 is lowest by installing the fuel cells 5 so as to surround the periphery of the combustion member 3 in this way, heat exchange with the air around the stack is suppressed. Thus, the heat insulation effect is enhanced and the fuel cell can be efficiently heated.

上記のようなスタック構造は、内筒７１、外筒７２、燃料電池セル５、ハウジング２を順に組み立てることで構成される。各部材間には、耐熱性のガスケットを挿入しネジで固定することができる。各部材は、取り外し可能であり、メンテナンスや故障時に交換が容易な構造となっている。 The stack structure as described above is constructed by assembling the inner cylinder 71, the outer cylinder 72, the fuel cell 5 and the housing 2 in this order. A heat-resistant gasket can be inserted between the members and fixed with screws. Each member is removable, and has a structure that can be easily replaced at the time of maintenance or failure.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ガス供給筒７によって酸化剤ガスや燃料ガスを燃料電池セル５に供給するように構成されているが、ガス供給筒７は燃料電池セル５に酸化剤ガスや燃料ガスを供給することができるものであれば特に構成はこれに限定されるものではない。さらには、例えば図６に示すように、ガス供給筒７自体を省略することもでき、酸化剤ガスをハウジング２の内向きフランジ２１と燃焼部材３との間の空間から酸化剤ガスや燃料ガスを供給することもできる。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the gas supply cylinder 7 is configured to supply the oxidant gas and the fuel gas to the fuel cell 5, but the gas supply cylinder 7 supplies the fuel cell 5 with the oxidant gas and the fuel gas. The structure is not particularly limited as long as it can be supplied. Further, for example, as shown in FIG. 6, the gas supply cylinder 7 itself can be omitted, and oxidant gas or fuel gas is supplied from the space between the inward flange 21 of the housing 2 and the combustion member 3. Can also be supplied.

また、上記実施形態では、ガス供給筒７に酸化剤ガスを導入し、支持部材４のガス流路４２１に燃料ガスを導入していたが、ガス供給筒７に燃料ガス、支持部材４のガス流路４２１に酸化剤ガスを供給してもよい。 In the above embodiment, the oxidant gas is introduced into the gas supply cylinder 7 and the fuel gas is introduced into the gas flow path 421 of the support member 4. However, the fuel gas and the gas of the support member 4 are introduced into the gas supply cylinder 7. An oxidizing gas may be supplied to the channel 421.

また、上記実施形態では、燃焼部材３内に燃焼触媒を設置して触媒燃焼を行っているが、触媒を使用しない通常の燃焼を行うこともできる。 Moreover, in the said embodiment, although the combustion catalyst is installed in the combustion member 3 and catalytic combustion is performed, normal combustion which does not use a catalyst can also be performed.

また、上記支持部材４は種々の構成をとることができ、例えば図７に示すように、支持部材４のガス供給部４２の形状を波状（図７（ａ））や円弧状（図７（ｂ））とすることもできる。さらには、支持部材４を省略して、円筒状あるいは扁平円筒状の燃料電池セル５を使用することもできる。 Further, the support member 4 can take various configurations. For example, as shown in FIG. 7, the shape of the gas supply part 42 of the support member 4 is wave-shaped (FIG. 7A) or arc-shaped (FIG. 7 ( b)). Furthermore, the support member 4 can be omitted, and a cylindrical or flat cylindrical fuel cell 5 can be used.

また、燃焼部材３から燃料電池セル５には、ガス供給筒７を介してガスが供給されているが、ガスを供給するガス流路の構成は、特には限定されず、種々の態様が可能である。例えば、上記のような筒を組み合わせてガス流路を形成する以外に、管を組み合わせてガス流路としてもよい。また、図８（ａ）に示すように、燃焼部材３の周囲を螺旋状に延びて燃料電池セル５に到達するようなガス流路７９であってもよい。また、図８（ｂ）に示すように、燃焼部材３の周囲に筒状の多孔質板１０を配置することもできる。そして、この多孔質板は、上端部の一部を開放してガスを供給可能とし、下端部を閉じておく。この構成によれば、燃焼部材３と多孔質板１０との間にガスを供給すると、ガスは、多孔質板１０から径方向外方にガスを排出し、燃料電池セル５に供給される。 Further, gas is supplied from the combustion member 3 to the fuel cell 5 via the gas supply cylinder 7, but the configuration of the gas flow path for supplying the gas is not particularly limited, and various modes are possible. It is. For example, in addition to forming a gas flow path by combining the above-described cylinders, a pipe may be combined to form a gas flow path. Further, as shown in FIG. 8A, a gas flow path 79 that extends spirally around the combustion member 3 and reaches the fuel cell 5 may be used. Further, as shown in FIG. 8B, a cylindrical porous plate 10 can be disposed around the combustion member 3. And this porous board open | releases a part of upper end part, enables gas supply, and closes a lower end part. According to this configuration, when gas is supplied between the combustion member 3 and the porous plate 10, the gas is discharged radially outward from the porous plate 10 and supplied to the fuel cell 5.

ところで、燃料電池セルが発電するには、高温に維持することが必要になるが、燃焼部材３で発生する熱を利用することができる。図９に示す態様は、図１に示すスタック構造にガス透過性の伝熱材９をさらに設けている。より詳細には、ガス供給筒における燃焼部材３と内筒７１との間の第１流路７５、及び内筒と外筒との間の第２流路７６に伝熱材９を配置する。このとき、第１流路７５の伝熱材９と第２流路７６の伝熱材９とは、径方向の対応する位置に配置される。伝熱材９は、例えば、ペレット状、ハニカム構造、ウール形状、コイル形状とすることができる。また、その材料は、シリカ系材料、アルミナ系材料、ジルコニア系材料、チタニア系材料、マグネシア系などのセラミックス系材料、耐熱性のあるＳＵＳなどの金属材料などを挙げることができ，これらを混合して使用してもよく、或いはこれらを積層して使用してもよい。 By the way, in order for the fuel cell to generate electric power, it is necessary to maintain it at a high temperature, but the heat generated in the combustion member 3 can be used. In the embodiment shown in FIG. 9, a gas-permeable heat transfer material 9 is further provided in the stack structure shown in FIG. More specifically, the heat transfer material 9 is disposed in the first flow path 75 between the combustion member 3 and the inner cylinder 71 in the gas supply cylinder and the second flow path 76 between the inner cylinder and the outer cylinder. At this time, the heat transfer material 9 of the first flow path 75 and the heat transfer material 9 of the second flow path 76 are arranged at corresponding positions in the radial direction. The heat transfer material 9 can be formed into, for example, a pellet shape, a honeycomb structure, a wool shape, or a coil shape. Examples of the material include silica-based materials, alumina-based materials, zirconia-based materials, titania-based materials, ceramic materials such as magnesia-based materials, and metal materials such as heat-resistant SUS. These may be used, or these may be laminated and used.

上記構成により、燃焼部材３と燃料電池セル５との間が、径方向において、伝熱材９、内筒７１、及び外筒７２で連続的に結ばれることになり、燃焼部材３で発生した熱が、径方向に伝導し、燃料電池セル５に伝わる。その結果、燃料電池セル５を高温で駆動することができ、発電効率を向上することができる。図９においては、第１及び第２流路７５，７６に配置されている伝熱材９が高さ方向（図９の上下方向）の同じ位置に配置されているが、必ずしもこのようにする必要はなく、ずれていてもよい。すなわち、両伝熱材の間に壁、板材、空気層などの媒体があれば、高さ方向、もしくは径方向に多少ずれていても伝熱効果を得ることができる。 With the above configuration, the combustion member 3 and the fuel battery cell 5 are continuously connected by the heat transfer material 9, the inner cylinder 71, and the outer cylinder 72 in the radial direction. Heat is conducted in the radial direction and is transmitted to the fuel cell 5. As a result, the fuel cell 5 can be driven at a high temperature, and the power generation efficiency can be improved. In FIG. 9, the heat transfer materials 9 arranged in the first and second flow paths 75 and 76 are arranged at the same position in the height direction (vertical direction in FIG. 9), but this is not necessarily done. It is not necessary and may be shifted. That is, if there is a medium such as a wall, a plate, or an air layer between the two heat transfer materials, the heat transfer effect can be obtained even if they are slightly shifted in the height direction or the radial direction.

また、伝熱材９は上記のように径方向に連続的に配置しなくてもガス流路に配置するだけでも効果を奏する。すなわち、伝熱材９により、ガス流路内の保温効果が高まり、この流路を通過するガスを高温に維持することができる。その結果、燃料電池セル５に供給するガスを高温にすることができ、発電効率を向上することができる。また、ガス透過性の伝熱材９をガスが通過することにより、ガスの圧力損失が増大し，ガス流れの均一性を向上することが可能となる。すなわち、ガスの整流効果がある。以上の観点から、伝熱材９は、ガス流路内全体に充填されていていなくても、一部に配置されていても同様な効果を得ることができる。 Further, the heat transfer material 9 is effective even if it is arranged in the gas flow path without being continuously arranged in the radial direction as described above. That is, the heat transfer material 9 increases the heat retaining effect in the gas flow path, and the gas passing through the flow path can be maintained at a high temperature. As a result, the gas supplied to the fuel cell 5 can be made high temperature, and the power generation efficiency can be improved. In addition, when the gas passes through the gas-permeable heat transfer material 9, the pressure loss of the gas increases, and the uniformity of the gas flow can be improved. That is, there is a gas rectifying effect. From the above viewpoint, even if the heat transfer material 9 is not filled in the entire gas flow path or is partially disposed, the same effect can be obtained.

なお、伝熱材とガス流路の配置は、特には限定されず、例えば、図１０（ａ）に示すように、燃料電池セル５と燃焼部材３との間に１つのガス流路７７を形成し、このガス流路７７に伝熱材９を配置することもできる。また、ガス流路以外に伝熱材を配置することもできる。例えば、図１０（ｂ）に示すように、燃料電池セル５と燃焼部材３との間にＵ字型のガス流路７８を形成する。そして、ガス流路７８のうち、対向する部分、及びガス流路で形成される凹部に伝熱材９を配置すれば、燃料電池セル５と燃焼部材３とが伝熱材９によって径方向に連続的に結ばれることになる。これによっても、伝熱効果を得ることができる。 The arrangement of the heat transfer material and the gas flow path is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 10A, one gas flow path 77 is provided between the fuel cell 5 and the combustion member 3. It is also possible to form the heat transfer material 9 in the gas flow path 77. Moreover, a heat transfer material can also be arrange | positioned besides a gas flow path. For example, as shown in FIG. 10B, a U-shaped gas flow path 78 is formed between the fuel cell 5 and the combustion member 3. And if the heat transfer material 9 is arrange | positioned in the opposing part and the recessed part formed with a gas flow path among the gas flow paths 78, the fuel cell 5 and the combustion member 3 will become radial direction by the heat transfer material 9. It will be tied continuously. Also by this, the heat transfer effect can be obtained.

１固体酸化物形燃料電池のスタック構造
２ハウジング
３燃焼部材
４支持部材
４１支持部
４１１貫通穴
４２ガス供給部
４２１ガス流路
４３ガス導入部
４４ガス排出部
５燃料電池セル
５１電解質
５２空気極
５３燃料極
８インターコネクタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stack structure of solid oxide fuel cell 2 Housing 3 Combustion member 4 Support member 41 Support part 411 Through hole 42 Gas supply part 421 Gas flow path 43 Gas introduction part 44 Gas discharge part 5 Fuel cell 51 Electrolyte 52 Air electrode 53 Fuel electrode 8 interconnector

Claims

A stack structure of a solid oxide fuel cell to which a fuel gas and an oxidant gas are supplied,
A cylindrical combustion member extending in the vertical direction;
A plurality of fuel cells that extend in the vertical direction and are installed so as to surround the combustion member, and have an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode,
It is configured to discharge the fuel gas and oxidant gas used in each fuel cell into the combustion member,
The combustion member is a stack structure of a solid oxide fuel cell in which the fuel gas and the oxidant gas used in each fuel cell are burned inside.

The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising a heat insulating housing that houses the combustion member and the fuel cell.

The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the combustion member has a combustion catalyst therein.

A gas flow path for supplying a fuel electrode and an oxidant gas to the fuel cell;
The stack structure of a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein a gas-permeable heat transfer material is disposed in at least a part of the gas flow path.

The solid oxide fuel cell stack structure according to claim 4, wherein the heat transfer material is continuously disposed in a radial direction between the combustion member and the fuel cell.

The solid oxide fuel cell stack structure according to any one of claims 1 to 5, further comprising an interconnector for electrically connecting the fuel cells.

A support member installed to surround the combustion member and supporting the fuel cell;
The fuel cell is a plate-shaped fuel cell in which a fuel electrode and an air electrode are arranged so as to sandwich an electrolyte,
The support member is
A support part formed with a through hole into which the fuel cell is fitted;
A gas supply part, which is arranged so as to close the through hole of the support part, and in which a concave gas flow path is formed on a surface facing the through hole;
A gas introduction unit for introducing a fuel gas or an oxidant gas into the gas supply unit;
A gas discharge unit for discharging the fuel gas or oxidant gas used in the gas supply unit into the combustion unit;
The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 1, comprising:

The solid oxide fuel cell stack structure according to claim 7, wherein a shoulder portion for supporting the fuel cell is formed on a side wall surface of the through hole.