JP2012003941A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell that prevents a short circuit formed between a fuel cell stack and an auxiliary unit to have high reliability, and is made high in thermal efficiency and low-cost.SOLUTION: A fuel cell 1 includes a fuel cell stack 10 and an auxiliary unit 20. The fuel cell stack 10 is formed by stacking a plurality of power generation cells 11, and generates electric power through power generation reaction. The auxiliary unit 20 has at least one of respective functions of preheating raw materials including an oxidizer and fuel, burning a residual fuel gas after power generation, vaporizing a liquid raw material, and reforming the raw materials. The auxiliary unit 20 is arranged nearby a side face 14 of the fuel cell stack 10. The parts of insulating members 53, 58 constituting the fuel cell stack 10 are provided with protrusion parts 91 protruding from a side face 14 of the fuel cell stack 10 toward the auxiliary unit 20.

Description

本発明は、発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、その側面に近接して配置される補助器とを備えた燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell including a fuel cell stack that generates electric power by a power generation reaction, and an auxiliary device that is disposed close to a side surface of the fuel cell stack.

従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層(固体酸化物層)を備えた固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell ;SOFC)が知られている。このSOFCは、燃料ガスに接する燃料極層と酸化剤ガスに接する空気極層とが固体電解質層の両側に配置された発電セルを備えている。また近年では、性能を高めるために、発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックを備えたSOFCが種々提案されている。   Conventionally, as a fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) including a solid electrolyte layer (solid oxide layer) is known. This SOFC includes a power generation cell in which a fuel electrode layer in contact with a fuel gas and an air electrode layer in contact with an oxidant gas are disposed on both sides of the solid electrolyte layer. In recent years, in order to improve performance, various SOFCs including a fuel cell stack in which a plurality of power generation cells are stacked have been proposed.

なお、SOFCは高温型の燃料電池であるため、燃料ガス及び酸化剤ガスを稼動温度(例えば500℃〜1000℃)まで加熱したときにはじめて、燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応を起こすことが可能となり、電力を発生させることができる。そこで、例えば、燃料電池スタックの熱(ジュール熱など)を用いて燃料ガス及び酸化剤ガスの予熱を行う予熱器(補助器)を、燃料電池スタックの側面に配置することなどが提案されている(例えば特許文献1参照)。   Since the SOFC is a high-temperature fuel cell, the power generation reaction between the fuel gas and the oxidant gas occurs only when the fuel gas and the oxidant gas are heated to the operating temperature (for example, 500 ° C. to 1000 ° C.). Power can be generated. Therefore, for example, a preheater (auxiliary device) that preheats fuel gas and oxidant gas using heat of the fuel cell stack (Joule heat or the like) is arranged on the side surface of the fuel cell stack. (For example, refer to Patent Document 1).

米国特許7374834号公報(図5等)US Pat. No. 7,374,834 (FIG. 5 etc.)

ところで、このような予熱器は、燃料電池スタックの側面に近付けるほど、燃料電池スタックから多くの熱を受けるようになるため、ガスを効率良く予熱することができる。しかし、予熱器を近付け過ぎると、熱サイクルの繰り返しによって、予熱器または燃料電池スタック自体が変形する可能性があるため、予熱器と燃料電池スタックとが接触してショートが発生し、信頼性が低下するおそれがある。そこで、特許文献1に記載の従来技術では、燃料電池スタック(51)と予熱器であるガスフローパネル(55)との間に、絶縁性の挿入物(49)を配置している。   By the way, such a preheater receives more heat from the fuel cell stack as it comes closer to the side surface of the fuel cell stack, so that the gas can be preheated efficiently. However, if the preheater is too close, the preheater or the fuel cell stack itself may be deformed due to repeated thermal cycles. May decrease. Therefore, in the prior art described in Patent Document 1, an insulating insert (49) is disposed between the fuel cell stack (51) and the gas flow panel (55) as a preheater.

ところが、上記した絶縁性の挿入物を予熱器と燃料電池スタックとの間に配置するためには、通常、例えばボルトなどの固定手段が不可欠となる。その結果、燃料電池の製造時に挿入物や固定手段が必要となるため、部品点数や工数の増加が避けられなくなり、製造コストの上昇に繋がってしまうという問題がある。   However, in order to arrange the insulating insert described above between the preheater and the fuel cell stack, a fixing means such as a bolt is usually indispensable. As a result, since inserts and fixing means are required at the time of manufacturing the fuel cell, an increase in the number of parts and man-hours is unavoidable, leading to an increase in manufacturing cost.

また、上記した絶縁性の挿入物を予熱器と燃料電池スタックとの間に配置すると、予熱器に期待されること、具体的には、燃料電池スタックから多くの熱を受けてガスを効率良く予熱することに対し、相反することになるという問題がある。   Further, when the insulating insert described above is arranged between the preheater and the fuel cell stack, what is expected of the preheater, specifically, it receives a lot of heat from the fuel cell stack and efficiently releases the gas. There is a problem that there is a conflict with preheating.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックと補助器との間で起こるショートを防止して信頼性を高くすることができ、かつ、高熱効率化、低コスト化を図ることができる燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to prevent a short circuit occurring between the fuel cell stack and the auxiliary device, to increase reliability, and to achieve high thermal efficiency. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of reducing the cost.

上記課題を解決するための手段(手段1)としては、電解質層と、その両側に配置され燃料ガスに接する燃料極層及び酸化剤ガスに接する空気極層とを有する発電セルを複数積層してなり発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックでの発電反応にあたり、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、液体原料の気化、及び原料の改質の各機能のうちの少なくとも1つの機能を有し、前記燃料電池スタックの側面に近接して配置される補助器とを備えた燃料電池において、前記燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部を前記燃料電池スタックの側面から前記補助器に向けて張り出してなる張出部を備えたことを特徴とする燃料電池がある。   As means (means 1) for solving the above-mentioned problem, a plurality of power generation cells having an electrolyte layer, a fuel electrode layer disposed on both sides thereof and in contact with fuel gas and an air electrode layer in contact with oxidant gas are stacked. A fuel cell stack that generates power by a power generation reaction, and in the power generation reaction in the fuel cell stack, preheating of a raw material containing an oxidant and fuel, combustion of residual fuel gas after power generation, vaporization of a liquid raw material, and One of insulating members constituting the fuel cell stack in a fuel cell having at least one of the reforming functions and including an auxiliary device disposed in proximity to a side surface of the fuel cell stack There is a fuel cell characterized in that it has an overhanging portion that protrudes from the side surface of the fuel cell stack toward the auxiliary device.

手段1に記載の発明によると、燃料電池は、燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部を燃料電池スタックの側面から補助器に向けて張り出してなる張出部を備えている。その結果、燃料電池スタックと補助器との間隔が張出部を介して一定に保持されるため、両者の接触が回避される。従って、燃料電池スタックと補助器との間で起こるショートが防止されるため、燃料電池の信頼性を高くすることができる。しかも、燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部が張出部となることから、張出部は燃料電池スタックと一体になる。よって、張出部を燃料電池スタックに固定するための固定手段を設けたりしなくても済む。ゆえに、燃料電池の部品点数が少なくなり、製造時の工数も少なくなるため、燃料電池の低コスト化を図ることができる。   According to the invention described in the means 1, the fuel cell includes the overhanging portion formed by projecting a part of the insulating member constituting the fuel cell stack from the side surface of the fuel cell stack toward the auxiliary device. As a result, the distance between the fuel cell stack and the auxiliary device is kept constant via the overhanging portion, so that contact between the two is avoided. Therefore, a short circuit that occurs between the fuel cell stack and the auxiliary device is prevented, so that the reliability of the fuel cell can be increased. In addition, since a part of the insulating member constituting the fuel cell stack becomes the overhanging portion, the overhanging portion is integrated with the fuel cell stack. Therefore, there is no need to provide a fixing means for fixing the overhang portion to the fuel cell stack. Therefore, the number of parts of the fuel cell is reduced, and the number of man-hours at the time of manufacture is reduced, so that the cost of the fuel cell can be reduced.

また、燃料電池スタックからの熱を確実に補助器に伝導するために、燃料電池スタックと補助器との間の空間を最小限の部品(張出部)で絶縁し、残りの空間を遮蔽物のない構造とすることができるため、効率的に補助器(例えば、補助器が予熱器である場合には、予熱器内のガス)を昇温させることができる。さらに、燃料電池スタックと補助器とを絶縁する最小限の部品を、燃料電池スタックとほぼ同じ温度にすれば、より効率的に補助器を昇温させることができる。   In addition, in order to reliably conduct the heat from the fuel cell stack to the auxiliary device, the space between the fuel cell stack and the auxiliary device is insulated with a minimum of parts (overhangs), and the remaining space is shielded. Therefore, it is possible to efficiently raise the temperature of the auxiliary device (for example, when the auxiliary device is a preheater, the gas in the preheater). Furthermore, if the minimum parts that insulate the fuel cell stack and the auxiliary device are set to substantially the same temperature as the fuel cell stack, the auxiliary device can be heated more efficiently.

ここで、燃料電池としては、ZrO系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池(PEFC)、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)などが挙げられる。なお、燃料電池の稼動温度(即ち、イオンが電解質中を移動可能となる温度)は、燃料電池の種類ごとに異なっている。具体的に言うと、SOFCの稼動温度は700℃〜1000℃程度、PEFCの稼動温度は常温〜90℃程度、MCFCの稼動温度は650℃〜700℃程度、PAFCの稼動温度は150℃〜200℃程度である。 Here, as the fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a ZrO 2 ceramic or the like as an electrolyte, a solid polymer fuel cell (PEFC) using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, Li-Na / K Examples thereof include a molten carbonate fuel cell (MCFC) using a system carbonate as an electrolyte, and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte. Note that the operating temperature of the fuel cell (that is, the temperature at which ions can move in the electrolyte) differs for each type of fuel cell. Specifically, the operating temperature of SOFC is about 700 ° C. to 1000 ° C., the operating temperature of PEFC is about room temperature to about 90 ° C., the operating temperature of MCFC is about 650 ° C. to 700 ° C., and the operating temperature of PAFC is 150 ° C. to 200 ° C. It is about ℃.

燃料電池を構成する燃料電池スタックは、発電セルを複数積層してなる。発電セルを構成する電解質層は、燃料極層に接する燃料ガス及び空気極層に接する酸化剤ガスの少なくとも一方の一部がイオンとなって移動する性質(イオン伝導性)を有している。電解質層中を移動するイオンとしては、例えば酸素イオンや水素イオンなどが挙げられる。   The fuel cell stack constituting the fuel cell is formed by stacking a plurality of power generation cells. The electrolyte layer constituting the power generation cell has a property (ion conductivity) in which at least one of the fuel gas in contact with the fuel electrode layer and the oxidant gas in contact with the air electrode layer move as ions. Examples of ions that move in the electrolyte layer include oxygen ions and hydrogen ions.

燃料電池がSOFCである場合、電解質層(固体酸化物層)の形成材料としては、例えばZrO系セラミック、LaGaO系セラミック、BaCeO系セラミック、SrCeO系セラミック、SrZrO系セラミック、CaZrO系セラミックなどがある。 When the fuel cell is SOFC, examples of the material for forming the electrolyte layer (solid oxide layer) include ZrO 2 ceramic, LaGaO 3 ceramic, BaCeO 3 ceramic, SrCeO 3 ceramic, SrZrO 3 ceramic, and CaZrO 3. There are ceramics.

また、発電セルを構成する燃料極層は、還元剤となる燃料ガスと接触し、発電セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極層の形成材料としては、例えば、希土類元素(Sc、Yなど)により安定化されたZrO系セラミック、及び、希土類元素(Sm、Gdなど)をドープしたCeO系セラミック等のうち、少なくとも1つのセラミック材料と、金属(Ni、Feなど)との混合物が挙げられる。また、燃料極層の形成材料としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni、Fe等の金属材料やそれらの合金が挙げられる。なお、金属材料(または合金)とセラミック材料との混合物(サーメットなど)を選択してもよい。さらに、金属材料(NiやFeなど)の酸化物とセラミック材料との混合物を選択してもよい。 Further, the fuel electrode layer constituting the power generation cell is in contact with the fuel gas serving as the reducing agent, and functions as a negative electrode in the power generation cell. Here, as the material for forming the fuel electrode layer, for example, ZrO 2 ceramics stabilized by rare earth elements (Sc, Y, etc.), CeO 2 ceramics doped with rare earth elements (Sm, Gd, etc.), etc. Among them, a mixture of at least one ceramic material and a metal (Ni, Fe, etc.) can be mentioned. Examples of the material for forming the fuel electrode layer include metal materials such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe, and alloys thereof. In addition, you may select the mixture (cermet etc.) of a metal material (or alloy) and a ceramic material. Furthermore, a mixture of an oxide of a metal material (such as Ni or Fe) and a ceramic material may be selected.

また、燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。なお、水中にガス(水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス)を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス(水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス)に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、1種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。   Moreover, as fuel gas, hydrogen gas, hydrocarbon gas, the mixed gas of hydrogen gas and hydrocarbon gas, etc. are mentioned, for example. When the hydrocarbon gas is selected as the fuel gas, the type of the hydrocarbon gas is not particularly limited, but is preferably natural gas, naphtha, coal gasification gas, or the like. It is obtained by mixing water vapor with fuel gas obtained by passing gas (hydrogen gas, hydrocarbon gas, mixed gas) in water and humidifying it, or gas (hydrogen gas, hydrocarbon gas, mixed gas). The fuel gas to be used may be selected. Further, only one type of fuel gas may be used, or a plurality of types of fuel gas may be used in combination. Further, the fuel gas may contain an inert gas such as nitrogen or argon. Moreover, what vaporized the liquid raw material can be used as fuel gas, or hydrogen gas produced by reforming a gas other than hydrogen gas can be used as fuel gas.

発電セルを構成する空気極層は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、発電セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極層の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、La、Sr、Ce、Co、Mn、Feの酸化物(La、SrO、Ce、Co、MnO、FeO)などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mnを含有する複合酸化物(La1−xSrCoO系複合酸化物、La1−xSrFeO系複合酸化物、La1−xSrCo1−yFe系複合酸化物、La1−xSrMnO系複合酸化物、Pr1−xBaCoO系複合酸化物、Sm1−xSrCoO系複合酸化物)などがある。 The air electrode layer constituting the power generation cell is in contact with an oxidant gas serving as an oxidant and functions as a positive electrode in the power generation cell. Here, examples of the material for forming the air electrode layer include metal materials, metal oxides, metal composite oxides, and the like. Preferable examples of the metal material include Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, etc., and alloys thereof. Preferable examples of the metal oxide include La, Sr, Ce, Co, Mn, Fe oxide (La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , FeO), etc. There is. Preferable examples of metal composite oxides include, for example, composite oxides containing La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, and Mn (La 1-x Sr x CoO 3 -based composite oxide, La 1 -x Sr x FeO 3-based composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 composite oxide, La 1-x Sr x MnO 3 composite oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 type composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 type composite oxide) and the like.

また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスなどが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることが好ましい。   Examples of the oxidant gas include a mixed gas of oxygen and another gas. This mixed gas may contain an inert gas such as nitrogen or argon. The mixed gas is preferably safe and inexpensive air.

さらに、燃料電池スタックを構成する絶縁部材は、絶縁性、耐熱性、シール性等を考慮して適宜選択することができ、その形成材料としては、例えばセラミック材料などを挙げることができる。セラミック材料の好適例としては、例えばマイカセラミック、アルミナ、ガラスセラミック、結晶化ガラス等の低温焼成材料、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素などがある。   Furthermore, the insulating member constituting the fuel cell stack can be appropriately selected in consideration of the insulating property, heat resistance, sealing property, and the like, and examples of the forming material include a ceramic material. Preferable examples of the ceramic material include low-temperature fired materials such as mica ceramic, alumina, glass ceramic, and crystallized glass, aluminum nitride, silicon carbide, and silicon nitride.

なお、燃料電池スタックを構成する絶縁部材は、複数の発電セル内に配置して積層されるとともにシール部材を兼ねる絶縁フレームであることが好ましい。このようにすれば、シール部材を絶縁部材と別々に設けなくても済む。その結果、燃料電池の部品点数がよりいっそう少なくなるため、燃料電池のさらなる低コスト化を図ることができる。   The insulating member constituting the fuel cell stack is preferably an insulating frame that is disposed and stacked in a plurality of power generation cells and also serves as a seal member. In this way, it is not necessary to provide the sealing member separately from the insulating member. As a result, the number of parts of the fuel cell is further reduced, so that the cost of the fuel cell can be further reduced.

なお、燃料電池を構成する補助器としては、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱の機能を有する予熱器(熱交換器)、発電後の残余燃料ガスの燃焼の機能を有する発熱器、液体原料の気化の機能を有する気化器、原料の改質の機能を有する改質器などが挙げられる。   In addition, as an auxiliary device which comprises a fuel cell, the preheater (heat exchanger) which has the function of the preheating of the raw material containing an oxidizing agent and a fuel, the heat generator which has the function of the combustion of the residual fuel gas after electric power generation, liquid raw material And a reformer having a function of reforming a raw material.

また、燃料電池は、燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部を燃料電池スタックの側面から補助器に向けて張り出してなる張出部を備えている。なお、張出部の先端は、補助器に当接されていることが好ましく、特には、補助器に設けられた凹所に嵌合固定されていることが好ましい。このようにすれば、燃料電池スタックと補助器との間隔を一定に保持しやすくなるため、燃料電池の信頼性を確実に高くすることができる。   In addition, the fuel cell includes an overhang portion formed by projecting a part of the insulating member constituting the fuel cell stack from the side surface of the fuel cell stack toward the auxiliary device. In addition, it is preferable that the front-end | tip of an overhang | projection part is contact | abutted to the auxiliary device, and it is preferable to fit and fix to the recessed part provided in the auxiliary device especially. In this way, the distance between the fuel cell stack and the auxiliary device can be easily kept constant, so that the reliability of the fuel cell can be reliably increased.

また、張出部には、積層する方向の両側面を連通させる開口部が形成されていることが好ましい。このようにすれば、例えば燃料電池の起動時において、起動用バーナーで燃料電池スタックを昇温させる際に、高温のバーナー排ガスが開口部を通過するように設定できる。即ち、高温のバーナー排ガスは燃料電池スタックの近傍を通過するため、開口部を通過したバーナー排ガスによって燃料電池スタックが素早く温められて稼動温度に達するようになる。このため、燃料電池の起動時間の短縮を図ることができる。   Moreover, it is preferable that the overhang part is formed with an opening part that communicates both side surfaces in the stacking direction. If it does in this way, when starting up a fuel cell stack with a starting burner at the time of starting of a fuel cell, for example, it can set so that hot burner exhaust gas may pass through an opening. That is, since the high-temperature burner exhaust gas passes through the vicinity of the fuel cell stack, the fuel cell stack is quickly warmed by the burner exhaust gas that has passed through the opening to reach the operating temperature. For this reason, the start-up time of the fuel cell can be shortened.

なお、張出部において開口部が占める割合は、10%以上90%以下であることが好ましい。仮に、開口部が占める割合が10%未満になると、上記した高温のバーナー排ガスが開口部を通過しにくくなるため、開口部を通過したバーナー排ガスによって燃料電池スタックが温められにくくなり、燃料電池の起動時間を短縮できなくなる。一方、開口部が占める割合が90%よりも大きくなると、張出部の強度が低下して張出部が変形しやすくなるため、燃料電池スタックと補助器との間隔を一定に保持できなくなる。なお、開口部は、1つの張出部に対して1つのみ形成されていてもよいし、1つの張出部に対して複数形成されていてもよい。   In addition, it is preferable that the ratio for which an opening part accounts in a protrusion part is 10% or more and 90% or less. If the ratio of the opening is less than 10%, the above-described high-temperature burner exhaust gas is difficult to pass through the opening, so that the fuel cell stack is not easily warmed by the burner exhaust gas that has passed through the opening. The startup time cannot be shortened. On the other hand, when the ratio occupied by the opening is larger than 90%, the strength of the overhanging portion is reduced and the overhanging portion is likely to be deformed, so that the distance between the fuel cell stack and the auxiliary device cannot be kept constant. Note that only one opening may be formed for one overhang, or a plurality of openings may be formed for one overhang.

上記課題を解決するための別の手段(手段2)としては、電解質層と、その両側に配置され燃料ガスに接する燃料極層及び酸化剤ガスに接する空気極層とを有する発電セルを複数積層してなり発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックでの発電反応にあたり、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、液体原料の気化、及び原料の改質の各機能のうちの少なくとも1つの機能を有し、前記燃料電池スタックの側面に近接して配置される補助器とを備えた燃料電池において、前記燃料電池スタックを構成する導電性金属部材の一部を前記燃料電池スタックの側面から前記補助器に向けて張り出してなる張出部を備えるとともに、該張出部に絶縁被膜が一体形成されていることを特徴とする燃料電池がある。   As another means (means 2) for solving the above-mentioned problem, a plurality of power generation cells having an electrolyte layer, a fuel electrode layer disposed on both sides thereof and in contact with the fuel gas, and an air electrode layer in contact with the oxidant gas are stacked. A fuel cell stack that generates power by a power generation reaction, and in the power generation reaction in the fuel cell stack, preheating of a raw material containing an oxidant and fuel, combustion of residual fuel gas after power generation, vaporization of a liquid raw material, and A fuel cell having at least one function among the reforming functions of the raw material and provided with an auxiliary device disposed in the vicinity of the side surface of the fuel cell stack, the conductivity constituting the fuel cell stack A protruding portion is formed by protruding a part of the metal member from the side surface of the fuel cell stack toward the auxiliary device, and an insulating coating is integrally formed on the protruding portion. There is a fuel cell.

手段2に記載の発明によると、燃料電池は、燃料電池スタックを構成する導電性金属部材の一部を燃料電池スタックの側面から補助器に向けて張り出してなる張出部を備えている。その結果、燃料電池スタックと補助器との間隔が張出部を介して一定に保持されるため、両者の接触が回避される。また、燃料電池スタック及び補助器の両方に接する張出部に絶縁被膜が一体形成されているため、燃料電池スタックと補助器との絶縁が確保される。従って、燃料電池スタックと補助器との間で起こるショートが防止されるため、燃料電池の信頼性を高くすることができる。しかも、燃料電池スタックを構成する導電性金属部材の一部が張出部となることから、張出部は燃料電池スタックと一体になる。よって、張出部を燃料電池スタックに固定するための固定手段を設けたりしなくても済む。ゆえに、燃料電池の部品点数が少なくなり、製造時の工数も少なくなるため、燃料電池の低コスト化を図ることができる。   According to the invention described in the means 2, the fuel cell includes the overhanging portion formed by projecting a part of the conductive metal member constituting the fuel cell stack from the side surface of the fuel cell stack toward the auxiliary device. As a result, the distance between the fuel cell stack and the auxiliary device is kept constant via the overhanging portion, so that contact between the two is avoided. Further, since the insulating coating is integrally formed on the overhanging portion that contacts both the fuel cell stack and the auxiliary device, insulation between the fuel cell stack and the auxiliary device is ensured. Therefore, a short circuit that occurs between the fuel cell stack and the auxiliary device is prevented, so that the reliability of the fuel cell can be increased. In addition, since a part of the conductive metal member constituting the fuel cell stack becomes the overhanging portion, the overhanging portion is integrated with the fuel cell stack. Therefore, there is no need to provide a fixing means for fixing the overhang portion to the fuel cell stack. Therefore, the number of parts of the fuel cell is reduced, and the number of man-hours at the time of manufacture is reduced, so that the cost of the fuel cell can be reduced.

なお、張出部に一体形成された絶縁被膜の形成材料としては、例えばセラミック材料などが挙げられる。セラミック材料の好適例としては、例えばマイカセラミック、アルミナ、ジルコニア、ガラスセラミック、結晶化ガラス、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素などがある。なお、絶縁被膜は、酸化物セラミック、即ち、アルミナやジルコニアなどを主体とする耐熱性絶縁被膜であることが好ましい。このようにすれば、張出部の温度が上昇したとしても、絶縁被膜は、溶けることなく張出部を被覆し続けるため、燃料スタックと補助器との間で起こるショートが確実に防止され、燃料電池の信頼性がよりいっそう向上する。なお、張出部に絶縁被膜を一体形成する方法としては、溶射やスプレーコートの終了後に焼成することなどを挙げることができる。   In addition, as a forming material of the insulating film integrally formed on the projecting portion, for example, a ceramic material or the like can be given. Preferable examples of the ceramic material include mica ceramic, alumina, zirconia, glass ceramic, crystallized glass, aluminum nitride, silicon carbide, and silicon nitride. The insulating film is preferably an oxide ceramic, that is, a heat-resistant insulating film mainly composed of alumina, zirconia, or the like. In this way, even if the temperature of the overhanging portion rises, the insulating coating keeps covering the overhanging portion without melting, so that a short circuit occurring between the fuel stack and the auxiliary device is reliably prevented, The reliability of the fuel cell is further improved. In addition, as a method of integrally forming the insulating coating on the overhanging portion, firing after completion of thermal spraying or spray coating can be exemplified.

本実施形態における燃料電池を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the fuel cell in this embodiment. 燃料電池を示す概略平面図。1 is a schematic plan view showing a fuel cell. 図2のA−A線断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2. 発電セルを示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows a power generation cell. 発電セルを示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows a power generation cell. 燃料電池のシステム構成を示すブロック図。The block diagram which shows the system structure of a fuel cell. 他の実施形態における上側絶縁フレームを示す概略平面図。The schematic plan view which shows the upper side insulation frame in other embodiment. 他の実施形態における絶縁フレームを示す概略平面図。The schematic plan view which shows the insulation frame in other embodiment. 他の実施形態における絶縁フレームを示す概略平面図。The schematic plan view which shows the insulation frame in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池を示す要部断面図。The principal part sectional drawing which shows the fuel cell in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池を示す要部断面図。The principal part sectional drawing which shows the fuel cell in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池スタックを示す概略斜視図。The schematic perspective view which shows the fuel cell stack in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the fuel cell in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the fuel cell in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the fuel cell in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the fuel cell in other embodiment. 他の実施形態における燃料電池を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the fuel cell in other embodiment.

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に示されるように、本実施形態の燃料電池1は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。燃料電池1は、発電反応により電力を発生する燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10の補助器である予熱器20(熱交換器)と、燃料電池スタック10を加熱する起動用バーナー30とを備えている。なお、予熱器20は、燃料電池スタック10へ供給するガスを排ガス(例えば、発電後の残余燃料ガスをさらに燃焼させたガス)の熱で加熱する機能、及び、燃料電池スタック10から放出された熱を吸収する機能のうち少なくとも一方の機能を有している。また、燃料電池スタック10、予熱器20及び起動用バーナー30は、断熱容器2(図6参照)内に収容されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC). The fuel cell 1 includes a fuel cell stack 10 that generates electric power by a power generation reaction, a preheater 20 (heat exchanger) that is an auxiliary device of the fuel cell stack 10, and an activation burner 30 that heats the fuel cell stack 10. I have. The preheater 20 has a function of heating the gas supplied to the fuel cell stack 10 with the heat of the exhaust gas (for example, a gas obtained by further burning the remaining fuel gas after power generation), and the preheater 20 is released from the fuel cell stack 10. It has at least one of the functions of absorbing heat. The fuel cell stack 10, the preheater 20, and the starter burner 30 are accommodated in the heat insulating container 2 (see FIG. 6).

図2,図3に示されるように、予熱器20は、燃料電池スタック10の側面14に近接して配置されている。予熱器20は、耐熱性に優れた材料(例えばステンレス)によって形成され、縦10mm×横180mm×高さ225mmの略直方体状をなしている。また、予熱器20は、燃料電池スタック10での発電反応時に燃料電池スタック10から発生する熱によって、燃料電池スタック10への供給前に燃料ガス(本実施形態では炭化水素ガス)及び空気(酸化剤ガス)の温度を上昇させる機能(予熱を行う機能)を有している。そして、予熱器20は、加熱された燃料ガス及び空気を燃料電池スタック10に供給するようになっている。なお、本実施形態の予熱器20は、上下を金属板で挟まれた空間内に多数の金属製フィンからなる熱交換層(図示略)が配置されるとともに、熱交換層の外周が金属板で包囲された装置である。   As shown in FIGS. 2 and 3, the preheater 20 is disposed close to the side surface 14 of the fuel cell stack 10. The preheater 20 is made of a material excellent in heat resistance (for example, stainless steel) and has a substantially rectangular parallelepiped shape with a length of 10 mm × width of 180 mm × height of 225 mm. In addition, the preheater 20 generates fuel gas (hydrocarbon gas in the present embodiment) and air (oxidation gas) before being supplied to the fuel cell stack 10 by heat generated from the fuel cell stack 10 during a power generation reaction in the fuel cell stack 10. It has a function to increase the temperature of the agent gas) (function to perform preheating). The preheater 20 supplies the heated fuel gas and air to the fuel cell stack 10. In the preheater 20 of the present embodiment, a heat exchange layer (not shown) made of many metal fins is disposed in a space sandwiched between upper and lower metal plates, and the outer periphery of the heat exchange layer is a metal plate. It is a device surrounded by.

図1に示されるように、起動用バーナー30は、略平板状をなし、燃料電池スタック10及び予熱器20を下方から支持するようになっている。起動用バーナー30は、燃料電池スタック10を稼動温度(例えば700℃)まで加熱するようになっている。なお、起動用バーナー30は、フレーム31、燃焼プレート32及び配管33を備えている。燃焼プレート32は、フレーム31の上面(表面)に設置されている。燃焼プレート32は、例えば多孔質のセラミック材料などによって形成され、表面において可燃性ガスと空気との混合ガスが燃焼するようになっている。配管33は、フレーム31の側面から突出しており、混合ガスを燃焼プレート32に供給するようになっている。   As shown in FIG. 1, the start-up burner 30 has a substantially flat plate shape and supports the fuel cell stack 10 and the preheater 20 from below. The activation burner 30 heats the fuel cell stack 10 to an operating temperature (for example, 700 ° C.). The activation burner 30 includes a frame 31, a combustion plate 32, and a pipe 33. The combustion plate 32 is installed on the upper surface (surface) of the frame 31. The combustion plate 32 is formed of, for example, a porous ceramic material, and a mixed gas of combustible gas and air is burned on the surface. The pipe 33 protrudes from the side surface of the frame 31 and supplies the mixed gas to the combustion plate 32.

図1〜図3に示されるように、燃料電池スタック10は、発電の最小単位である略矩形板状の発電セル11を複数積層してなるものである。燃料電池スタック10は、縦180mm×横180mm×高さ80mmの略直方体状をなしている。また、燃料電池スタック10は、同燃料電池スタック10を厚さ方向に貫通する8つの貫通孔40を有している。なお、燃料電池スタック10の四隅にある4つの貫通孔40に締結ボルト41を挿通させ、燃料電池スタック10の下面から突出する締結ボルト41の下端部分にナット(図示略)を螺着させる。また、残り4つの貫通孔40にガス流通用締結ボルト42を挿通させ、燃料電池スタック10の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト42の両端部分にナット43を螺着させる。その結果、複数の発電セル11が固定されるようになっている。   As shown in FIGS. 1 to 3, the fuel cell stack 10 is formed by laminating a plurality of substantially rectangular plate-shaped power generation cells 11 that are the minimum unit of power generation. The fuel cell stack 10 has a substantially rectangular parallelepiped shape with a length of 180 mm × width of 180 mm × height of 80 mm. The fuel cell stack 10 has eight through holes 40 that penetrate the fuel cell stack 10 in the thickness direction. The fastening bolts 41 are inserted into the four through holes 40 at the four corners of the fuel cell stack 10, and a nut (not shown) is screwed to the lower end portion of the fastening bolt 41 protruding from the lower surface of the fuel cell stack 10. Further, gas circulation fastening bolts 42 are inserted into the remaining four through holes 40, and nuts 43 are screwed onto both end portions of the gas circulation fastening bolts 42 protruding from the upper and lower surfaces of the fuel cell stack 10. As a result, the plurality of power generation cells 11 are fixed.

図3〜図5に示されるように、発電セル11は、コネクタプレート51、空気極フレーム52、上側絶縁フレーム53(絶縁部材)、セパレータ54、空気極層55、電解質層56、燃料極層57、下側絶縁フレーム58(絶縁部材)、燃料極フレーム59及びコネクタプレート60を順番に積層することによって構成されている。   As shown in FIGS. 3 to 5, the power generation cell 11 includes a connector plate 51, an air electrode frame 52, an upper insulating frame 53 (insulating member), a separator 54, an air electrode layer 55, an electrolyte layer 56, and a fuel electrode layer 57. The lower insulating frame 58 (insulating member), the fuel electrode frame 59 and the connector plate 60 are laminated in order.

コネクタプレート51,60は、耐熱性及び導電性に優れたステンレスなどの金属材料によって略矩形板状に形成され、発電セル11の上端部及び下端部に配置されている。コネクタプレート51,60は、発電セル11内にガス流路を形成するとともに、隣接する発電セル11同士を導通させるようになっている。詳述すると、隣接する発電セル11同士の間に位置するコネクタプレート51,60は、いわゆるインターコネクタとなり、隣接する発電セル11同士を区画するようになっている。なお、本実施形態のコネクタプレート60は、下側に隣接する発電セル11のコネクタプレート51を兼ねている。また、燃料電池スタック10の上端部に配置されたコネクタプレート51は上側エンドプレート12となり、燃料電池スタック10の下端部に配置されたコネクタプレート60は下側エンドプレート13となっている。両エンドプレート12,13は、燃料電池スタック10を挟持しており、燃料電池スタック10から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート12,13となるコネクタプレート51,60は、インターコネクタとなるコネクタプレート51,60よりも肉厚になっている。   The connector plates 51 and 60 are formed in a substantially rectangular plate shape by a metal material such as stainless steel having excellent heat resistance and conductivity, and are disposed at the upper end portion and the lower end portion of the power generation cell 11. The connector plates 51 and 60 form a gas flow path in the power generation cell 11 and make the adjacent power generation cells 11 conductive. More specifically, the connector plates 51 and 60 positioned between the adjacent power generation cells 11 serve as so-called interconnectors and partition the adjacent power generation cells 11. Note that the connector plate 60 of the present embodiment also serves as the connector plate 51 of the power generation cell 11 adjacent to the lower side. The connector plate 51 disposed at the upper end of the fuel cell stack 10 serves as the upper end plate 12, and the connector plate 60 disposed at the lower end of the fuel cell stack 10 serves as the lower end plate 13. Both end plates 12 and 13 sandwich the fuel cell stack 10 and serve as output terminals for current output from the fuel cell stack 10. In addition, the connector plates 51 and 60 used as the end plates 12 and 13 are thicker than the connector plates 51 and 60 used as the interconnector.

図3〜図5に示されるように、空気極フレーム52及び燃料極フレーム59は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、空気極フレーム52の中央部には、同空気極フレーム52を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部61が設けられ、燃料極フレーム59の中央部には、同燃料極フレーム59を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部62が設けられている。また、絶縁フレーム53,58は、厚さ0.5mmのマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、上側絶縁フレーム53の中央部には、同上側絶縁フレーム53を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部63が設けられ、下側絶縁フレーム58の中央部には、同下側絶縁フレーム58を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部64が設けられている。さらに、セパレータ54は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、セパレータ54の中央部には、同セパレータ54を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部65が設けられている。   As shown in FIGS. 3 to 5, the air electrode frame 52 and the fuel electrode frame 59 are formed in a substantially rectangular frame shape by a conductive material such as stainless steel. Therefore, a rectangular opening 61 that penetrates the air electrode frame 52 in the thickness direction is provided at the center of the air electrode frame 52, and the fuel electrode frame 59 is provided at the center of the fuel electrode frame 59. A rectangular opening 62 penetrating in the thickness direction is provided. The insulating frames 53 and 58 are formed in a substantially rectangular frame shape by a mica sheet having a thickness of 0.5 mm. Therefore, a rectangular opening 63 penetrating the upper insulating frame 53 in the thickness direction is provided in the central portion of the upper insulating frame 53, and the lower insulating frame 58 is provided in the central portion of the lower insulating frame 58. A rectangular opening 64 penetrating 58 in the thickness direction is provided. Furthermore, the separator 54 is formed in a substantially rectangular frame shape by a conductive material such as stainless steel. Therefore, a rectangular opening 65 penetrating the separator 54 in the thickness direction is provided at the center of the separator 54.

図3〜図5に示されるように、電解質層56は、例えばZrO2などのセラミック材料(酸化物)によって矩形板状に形成されている。電解質層56は、セパレータ54の下面に固定されるとともに、セパレータ54の開口部65を塞ぐように配置されている。電解質層56は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、電解質層56の上面には、燃料電池スタック10に供給された空気に接する空気極層55が貼付され、電解質層56の下面には、同じく燃料電池スタック10に供給された燃料ガスに接する燃料極層57が貼付されている。即ち、空気極層55及び燃料極層57は、電解質層56の両側に配置されている。また、空気極層55は、セパレータ54の開口部65内に配置され、セパレータ54と接触しないようになっている。なお、空気極層55は、金属の複合酸化物によって矩形板状に形成され、燃料極層57は、金属材料とセラミック材料との混合物(本実施形態ではサーメット)によって同じく矩形板状に形成されている。   As shown in FIGS. 3 to 5, the electrolyte layer 56 is formed in a rectangular plate shape by a ceramic material (oxide) such as ZrO 2. The electrolyte layer 56 is fixed to the lower surface of the separator 54 and is disposed so as to close the opening 65 of the separator 54. The electrolyte layer 56 functions as an oxygen ion conductive solid electrolyte body. An air electrode layer 55 that is in contact with the air supplied to the fuel cell stack 10 is affixed to the upper surface of the electrolyte layer 56, and a fuel gas that is also supplied to the fuel cell stack 10 is in contact with the lower surface of the electrolyte layer 56. A fuel electrode layer 57 is attached. That is, the air electrode layer 55 and the fuel electrode layer 57 are disposed on both sides of the electrolyte layer 56. The air electrode layer 55 is disposed in the opening 65 of the separator 54 so as not to contact the separator 54. The air electrode layer 55 is formed in a rectangular plate shape from a metal composite oxide, and the fuel electrode layer 57 is also formed in a rectangular plate shape from a mixture of a metal material and a ceramic material (cermet in this embodiment). ing.

図3に示されるように、本実施形態の発電セル11では、下側絶縁フレーム58の開口部64、燃料極フレーム59の開口部62、及びコネクタプレート60等により、セパレータ54の下方に燃料室15が形成されるようになっている。なお、燃料室15内には、電解質層56、燃料極層57及び燃料極集電体67が収容されている。   As shown in FIG. 3, in the power generation cell 11 of the present embodiment, the fuel chamber is formed below the separator 54 by the opening 64 of the lower insulating frame 58, the opening 62 of the fuel electrode frame 59, the connector plate 60, and the like. 15 is formed. Note that an electrolyte layer 56, a fuel electrode layer 57, and a fuel electrode current collector 67 are accommodated in the fuel chamber 15.

また、本実施形態の発電セル11では、コネクタプレート51、空気極フレーム52の開口部61、及び、上側絶縁フレーム53の開口部63等により、セパレータ54の上方に空気室16が形成されるようになっている。そして、空気極層55及びコネクタプレート51は、空気極集電体66によって電気的に接続されている。よって、絶縁フレーム53,58は、各発電セル11内に配置して積層されるとともに、燃料室15と空気室16とのシール部材を兼ねている。   Further, in the power generation cell 11 of the present embodiment, the air chamber 16 is formed above the separator 54 by the connector plate 51, the opening 61 of the air electrode frame 52, the opening 63 of the upper insulating frame 53, and the like. It has become. The air electrode layer 55 and the connector plate 51 are electrically connected by an air electrode current collector 66. Therefore, the insulating frames 53 and 58 are disposed and stacked in each power generation cell 11 and also serve as a seal member for the fuel chamber 15 and the air chamber 16.

また、燃料電池スタック10は、各発電セル11の燃料室15に燃料ガスを供給する燃料供給経路70と、燃料室15から燃料ガスを排出する燃料排出経路80とを備えている。燃料供給経路70は、ガス流通用締結ボルト42の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔71と、燃料供給孔71と燃料室15とを連通させる燃料供給横孔72とによって構成されている。また、燃料排出経路80は、ガス流通用締結ボルト42の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔81と、燃料排出孔81と燃料室15とを連通させる燃料排出横孔82とによって構成されている。   The fuel cell stack 10 includes a fuel supply path 70 that supplies fuel gas to the fuel chamber 15 of each power generation cell 11 and a fuel discharge path 80 that discharges the fuel gas from the fuel chamber 15. The fuel supply path 70 includes a fuel supply hole 71 extending along the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 42, and a fuel supply lateral hole 72 that allows the fuel supply hole 71 and the fuel chamber 15 to communicate with each other. Yes. The fuel discharge path 80 includes a fuel discharge hole 81 extending in the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 42 and a fuel discharge horizontal hole 82 that allows the fuel discharge hole 81 and the fuel chamber 15 to communicate with each other. Has been.

よって、図3に示されるように、燃料ガスは、燃料供給孔71及び燃料供給横孔72を順番に通過して燃料室15に供給され、燃料排出横孔82及び燃料排出孔81を順番に通過して燃料室15から排出される。なお、燃料供給孔71及び燃料排出孔81を有するガス流通用締結ボルト42の頂部には、ジョイント441を介して断熱容器2外に連通するガスパイプ451が接続されている。   Therefore, as shown in FIG. 3, the fuel gas sequentially passes through the fuel supply hole 71 and the fuel supply lateral hole 72 and is supplied to the fuel chamber 15, and sequentially passes through the fuel discharge lateral hole 82 and the fuel discharge hole 81. It passes through and is discharged from the fuel chamber 15. A gas pipe 451 communicating with the outside of the heat insulating container 2 via a joint 441 is connected to the top of the gas distribution fastening bolt 42 having the fuel supply hole 71 and the fuel discharge hole 81.

さらに、燃料電池スタック10は、各発電セル11の空気室16に空気を供給する空気供給経路(図示略)と、空気室16から空気を排出する空気排出経路(図示略)とを備えている。空気供給経路は、燃料供給経路70と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト42の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔(図示略)と、空気供給孔と空気室16とを連通させる空気供給横孔(図示略)とによって構成されている。また、空気排出経路は、燃料排出経路80と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト42の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔(図示略)と、空気排出孔と空気室16とを連通させる空気排出横孔(図示略)とによって構成されている。   The fuel cell stack 10 further includes an air supply path (not shown) for supplying air to the air chamber 16 of each power generation cell 11 and an air discharge path (not shown) for discharging air from the air chamber 16. . The air supply path has substantially the same structure as the fuel supply path 70, and includes an air supply hole (not shown) extending along the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 42, an air supply hole, and an air An air supply lateral hole (not shown) that communicates with the chamber 16 is formed. The air discharge path has substantially the same structure as the fuel discharge path 80, and includes an air discharge hole (not shown) extending in the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 42, and an air discharge hole. And an air discharge lateral hole (not shown) that communicates with the air chamber 16.

よって、空気は、空気供給孔及び空気供給横孔を順番に通過して空気室16に供給され、空気排出横孔及び空気排出孔を順番に通過して空気室16から排出される。なお、空気供給孔及び空気排出孔を有するガス流通用締結ボルト42の頂部には、ジョイント442を介して断熱容器2外に連通するガスパイプ452が接続されている。   Therefore, the air passes through the air supply hole and the air supply lateral hole in order and is supplied to the air chamber 16, and passes through the air discharge lateral hole and the air discharge hole in order and is discharged from the air chamber 16. A gas pipe 452 communicating with the outside of the heat insulating container 2 through a joint 442 is connected to the top of the gas circulation fastening bolt 42 having an air supply hole and an air discharge hole.

図1〜図5に示されるように、燃料電池1は、上側絶縁フレーム53の一部を燃料電池スタック10の側面14から予熱器20に向けて張り出してなる張出部91を備えている。張出部91は、燃料電池スタック10を構成する複数の発電セル11のうち、最上層及び最下層の発電セル11に設けられている。張出部91は、長さ(張り出し量)3mm×幅180mm×厚さ0.5mmの略矩形板状をなしている。なお、張出部91の長さは、燃料電池スタック10と予熱器20との間隔と等しくなっている。このため、張出部91の先端は、予熱器20に当接するようになっている。また、張出部91の幅は、燃料電池スタック10の幅(横の長さ)及び予熱器20の幅(横の長さ)と等しくなっている。このため、張出部91の先端面全体が予熱器20に当接するようになっている。さらに、張出部91の厚さは、絶縁フレーム53,58の厚さと等しくなっている。なお、本実施形態の図面では、説明の便宜上、張出部91を実際よりも大きく示している。   As shown in FIGS. 1 to 5, the fuel cell 1 includes an overhang portion 91 formed by projecting a part of the upper insulating frame 53 from the side surface 14 of the fuel cell stack 10 toward the preheater 20. The overhang portion 91 is provided in the uppermost and lowermost power generation cells 11 among the plurality of power generation cells 11 constituting the fuel cell stack 10. The overhang portion 91 has a substantially rectangular plate shape with a length (amount of overhang) of 3 mm, a width of 180 mm, and a thickness of 0.5 mm. Note that the length of the overhang portion 91 is equal to the distance between the fuel cell stack 10 and the preheater 20. For this reason, the tip of the overhang portion 91 comes into contact with the preheater 20. Further, the width of the overhang portion 91 is equal to the width (horizontal length) of the fuel cell stack 10 and the width (horizontal length) of the preheater 20. For this reason, the whole front end surface of the overhang | projection part 91 contact | abuts to the preheater 20. FIG. Furthermore, the thickness of the overhang portion 91 is equal to the thickness of the insulating frames 53 and 58. In the drawings of this embodiment, the overhanging portion 91 is shown larger than the actual size for convenience of explanation.

例えば、断熱容器2内を稼動温度に加熱した状態で、燃料供給経路70から燃料室15に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室16に空気を導入する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが電解質層56を介して反応(発電反応)し、空気極層55を正極、燃料極層57を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施形態の燃料電池スタック10は、発電セル11を複数積層して直列に接続しているため、空気極層55に電気的に接続される上側エンドプレート12が正極となり、燃料極層57に電気的に接続される下側エンドプレート13が負極となる。   For example, fuel gas is introduced into the fuel chamber 15 from the fuel supply path 70 while air is introduced into the air chamber 16 from the air supply path while the inside of the heat insulating container 2 is heated to the operating temperature. As a result, hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air react through the electrolyte layer 56 (power generation reaction), and DC power is generated with the air electrode layer 55 as the positive electrode and the fuel electrode layer 57 as the negative electrode. In the fuel cell stack 10 of the present embodiment, since a plurality of power generation cells 11 are stacked and connected in series, the upper end plate 12 electrically connected to the air electrode layer 55 becomes a positive electrode, and the fuel electrode layer The lower end plate 13 that is electrically connected to 57 serves as a negative electrode.

次に、燃料電池1のシステム構成について説明する。   Next, the system configuration of the fuel cell 1 will be described.

図6に示されるように、燃料電池1を構成する燃料電池スタック10には、燃料電池スタック10に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路101が接続されている。燃料ガス供給流路101は、ガスパイプ451及びジョイント441を介して燃料電池スタック10の燃料供給経路70に連通している(図3参照)。また、燃料ガス供給流路101上には、電磁弁102、脱硫器103及び燃料ポンプ104が設置されている。電磁弁102は、燃料ガス供給流路101を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。電磁弁102は、開状態に切り替えられた際に、燃料ガスとなる原料ガスを下流側に供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の電磁弁102は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。脱硫器103は、上流側から供給されてきた原料ガスを脱硫し、脱硫した原料ガスを下流側に供給するようになっている。燃料ポンプ104は、脱硫器103の下流側に配置されており、脱硫器103によって脱硫された原料ガスを燃料電池スタック10側に供給するようになっている。   As shown in FIG. 6, a fuel gas supply channel 101 that supplies fuel gas to the fuel cell stack 10 is connected to the fuel cell stack 10 that constitutes the fuel cell 1. The fuel gas supply channel 101 communicates with the fuel supply path 70 of the fuel cell stack 10 via a gas pipe 451 and a joint 441 (see FIG. 3). An electromagnetic valve 102, a desulfurizer 103, and a fuel pump 104 are installed on the fuel gas supply channel 101. The solenoid valve 102 is configured to switch the fuel gas supply channel 101 to an open state or a closed state. When the electromagnetic valve 102 is switched to the open state, the raw material gas serving as the fuel gas can be supplied to the downstream side. The electromagnetic valve 102 of the present embodiment is an electromagnetic valve that is operated by a solenoid (not shown). The desulfurizer 103 desulfurizes the raw material gas supplied from the upstream side, and supplies the desulfurized raw material gas to the downstream side. The fuel pump 104 is disposed on the downstream side of the desulfurizer 103 and supplies the raw material gas desulfurized by the desulfurizer 103 to the fuel cell stack 10 side.

また図6に示されるように、燃料電池スタック10には、燃料電池スタック10に空気を供給する空気供給流路111が接続されている。空気供給流路111は、ガスパイプ452及びジョイント442を介して燃料電池スタック10の空気供給経路に連通している。また、空気供給流路111上には、空気ポンプ112が設置されている。空気ポンプ112は、外部から取り入れた空気を燃料電池スタック10側の予熱器20に供給するようになっている。   As shown in FIG. 6, an air supply channel 111 that supplies air to the fuel cell stack 10 is connected to the fuel cell stack 10. The air supply flow path 111 communicates with the air supply path of the fuel cell stack 10 via the gas pipe 452 and the joint 442. An air pump 112 is installed on the air supply channel 111. The air pump 112 supplies air taken from the outside to the preheater 20 on the fuel cell stack 10 side.

一方、原料ガスは、改質器(図示略)によって燃料ガス(水素ガス)に改質された後、燃料電池スタック10に供給される。それとともに、予熱器20は、空気ポンプ112から供給された空気を燃料電池スタック10からの熱によって加熱し、加熱した空気を燃料電池スタック10に供給するようになっている。なお、発電に寄与しないガスや、発電後の使用済みガスは、排出流路113を介して燃料電池スタック10から排出される。   On the other hand, the raw material gas is reformed into fuel gas (hydrogen gas) by a reformer (not shown) and then supplied to the fuel cell stack 10. At the same time, the preheater 20 heats the air supplied from the air pump 112 by the heat from the fuel cell stack 10 and supplies the heated air to the fuel cell stack 10. Gas that does not contribute to power generation and used gas after power generation are discharged from the fuel cell stack 10 via the discharge flow path 113.

図6に示されるように、燃料電池1を構成する起動用バーナー30には、起動用バーナー30に空気及び着火用ガスを供給するガス供給流路121が接続されている。ガス供給流路121は、上流側において、空気供給管122及びガス供給管123に分岐している。空気供給管122上には、空気ブロワ124が設置されている。空気ブロワ124は、外部から取り入れた空気を起動用バーナー30に供給するようになっている。一方、ガス供給管123上には、電磁弁125が設置されている。電磁弁125は、ガス供給管123を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。電磁弁125は、開状態に切り替えられた際に、下流側に着火用ガスを供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の電磁弁125は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。   As shown in FIG. 6, a gas supply passage 121 that supplies air and ignition gas to the activation burner 30 is connected to the activation burner 30 that constitutes the fuel cell 1. The gas supply channel 121 is branched into an air supply pipe 122 and a gas supply pipe 123 on the upstream side. An air blower 124 is installed on the air supply pipe 122. The air blower 124 supplies air taken from the outside to the activation burner 30. On the other hand, an electromagnetic valve 125 is installed on the gas supply pipe 123. The electromagnetic valve 125 switches the gas supply pipe 123 to an open state or a closed state. When the solenoid valve 125 is switched to the open state, the ignition gas can be supplied to the downstream side. Note that the electromagnetic valve 125 of the present embodiment is an electromagnetic valve that is operated by a solenoid (not shown).

そして、空気供給管122とガス供給管123との接続部分には、比例弁126が設置されている。比例弁126は、空気供給管122から起動用バーナー30に供給される空気の量と、ガス供給管123から起動用バーナー30に供給される着火用ガスの量との割合(空燃比)を調整するようになっている。なお、起動用バーナー30に送り込まれた空気及び着火用ガスは、図示しない着火源によって着火され、断熱容器2内を加熱するようになっている。   A proportional valve 126 is installed at a connection portion between the air supply pipe 122 and the gas supply pipe 123. The proportional valve 126 adjusts the ratio (air-fuel ratio) between the amount of air supplied from the air supply pipe 122 to the activation burner 30 and the amount of ignition gas supplied from the gas supply pipe 123 to the activation burner 30. It is supposed to be. The air and ignition gas sent to the starter burner 30 are ignited by an ignition source (not shown) to heat the inside of the heat insulating container 2.

また図6に示されるように、燃料電池1は、システム全体を制御する制御装置131を備えている。制御装置131は、CPU、ROM、RAM及び入出力回路等により構成されている。CPUは、電磁弁102,125、燃料ポンプ104、空気ポンプ112、空気ブロワ124及び比例弁126に電気的に接続されており、各種の駆動信号によってそれらを制御する。   As shown in FIG. 6, the fuel cell 1 includes a control device 131 that controls the entire system. The control device 131 includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output circuit, and the like. The CPU is electrically connected to the electromagnetic valves 102 and 125, the fuel pump 104, the air pump 112, the air blower 124, and the proportional valve 126, and controls them by various drive signals.

次に、燃料電池1の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the fuel cell 1 will be described.

まず、ステンレス板を打ち抜くことにより、コネクタプレート51,60、空気極フレーム52、セパレータ54及び燃料極フレーム59を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム53,58を製造する。具体的には、市販のマイカシート(マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート)を他の部材(コネクタプレート51,60、空気極フレーム52、セパレータ54及び燃料極フレーム59など)とほぼ同じ形状(但し、張出部91を除く)に形成する。なお、マイカシートは、他の部材よりも張出部91となる部分だけ大きく形成される。また、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材と共に積層された後に行われる熱処理によって蒸発する。さらに、マイカシートは、各発電セル11を積層方向にボルト締めした際に他の部材に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。   First, the connector plates 51, 60, the air electrode frame 52, the separator 54, and the fuel electrode frame 59 are formed by punching a stainless steel plate. Further, the insulating frames 53 and 58 are manufactured by forming the mica sheet into a predetermined shape. Specifically, a commercially available mica sheet (a sheet made of a composite of mica and molding resin) is almost the same as other members (connector plates 51, 60, air electrode frame 52, separator 54, fuel electrode frame 59, etc.). It forms in the same shape (however, except the overhang | projection part 91). Note that the mica sheet is formed to be larger than the other members only in the portion that becomes the overhanging portion 91. Moreover, the resin component contained in the mica sheet evaporates by heat treatment performed after being laminated together with other members. Further, the mica sheet seals each member by being sandwiched between other members when each power generation cell 11 is bolted in the stacking direction.

次に、発電セル11を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極層57となるグリーンシート上に電解質層56となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに電解質層56上に空気極層55の形成材料を印刷した後、焼成する(この時点で、SOFCの単セルが得られる)。なお、電解質層56は、ロウ付けによってセパレータ54に対して固定される。そして、コネクタプレート51,60、空気極フレーム52、絶縁フレーム53,58、(SOFCの単セルがロウ付けにて固定された)セパレータ54及び燃料極フレーム59などを積層して一体化する。その結果、発電セル11が形成される。   Next, the power generation cell 11 is formed according to a conventionally known technique. Specifically, a green sheet to be the electrolyte layer 56 is laminated on the green sheet to be the fuel electrode layer 57 and fired. Further, a material for forming the air electrode layer 55 is printed on the electrolyte layer 56 and then fired (at this time, a single cell of SOFC is obtained). The electrolyte layer 56 is fixed to the separator 54 by brazing. Then, the connector plates 51, 60, the air electrode frame 52, the insulating frames 53, 58, the separator 54 (the SOFC single cell is fixed by brazing), the fuel electrode frame 59, and the like are laminated and integrated. As a result, the power generation cell 11 is formed.

次に、各発電セル11を積層して一体化することにより、燃料電池スタック10を形成する。詳述すると、燃料電池スタック10の四隅にある4つの貫通孔40に締結ボルト41を挿通させ、燃料電池スタック10の下面から突出する締結ボルト41の下端部分にナット(図示略)を螺着させる。また、残り4つの貫通孔40にガス流通用締結ボルト42を挿通させ、燃料電池スタック10の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト42の両端部分にナット43を螺着させる。その結果、各発電セル11が固定される。   Next, the fuel cell stack 10 is formed by stacking and integrating the power generation cells 11. More specifically, the fastening bolts 41 are inserted into the four through holes 40 at the four corners of the fuel cell stack 10, and a nut (not shown) is screwed to the lower end portion of the fastening bolt 41 protruding from the lower surface of the fuel cell stack 10. . Further, gas circulation fastening bolts 42 are inserted into the remaining four through holes 40, and nuts 43 are screwed onto both end portions of the gas circulation fastening bolts 42 protruding from the upper and lower surfaces of the fuel cell stack 10. As a result, each power generation cell 11 is fixed.

そして、燃料電池スタック10及び予熱器20を起動用バーナー30上に搭載すれば、燃料電池1が完成する。なお、燃料電池スタック10と予熱器20との間は、張出部91を予熱器20に接触させる。   Then, when the fuel cell stack 10 and the preheater 20 are mounted on the activation burner 30, the fuel cell 1 is completed. Note that the overhanging portion 91 is brought into contact with the preheater 20 between the fuel cell stack 10 and the preheater 20.

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

(1)本実施形態の燃料電池1は、燃料電池スタック10を構成する上側絶縁フレーム53の一部を燃料電池スタック10の側面14から予熱器20に向けて張り出してなる張出部91を備えている。その結果、燃料電池スタック10と予熱器20との間隔が張出部91を介して一定に保持されるため、例えば熱サイクルの繰り返しで燃料電池スタック10や予熱器20が変形したとしても、両者の接触が回避される。従って、燃料電池スタック10と予熱器20との間で起こるショートが防止されるため、燃料電池1の信頼性を高くすることができる。しかも、上側絶縁フレーム53の一部が張出部91になることから、張出部91は燃料電池スタック10と一体になる。よって、張出部91を燃料電池スタック10に固定するための固定手段を設けたりしなくても済む。ゆえに、燃料電池1の部品点数が少なくなり、製造時の工数も少なくなるため、燃料電池1の低コスト化を図ることができる。また、張出部91が燃料電池スタック10と一体になることによって、張出部91の強度が向上する。しかも、振動によって張出部91を有する上側絶縁フレーム53の位置ずれが防止されるため、張出部91が当接する予熱器20の位置ずれが防止される。   (1) The fuel cell 1 of the present embodiment includes an overhang portion 91 formed by projecting a part of the upper insulating frame 53 constituting the fuel cell stack 10 from the side surface 14 of the fuel cell stack 10 toward the preheater 20. ing. As a result, since the distance between the fuel cell stack 10 and the preheater 20 is kept constant via the overhanging portion 91, for example, even if the fuel cell stack 10 and the preheater 20 are deformed by repeated thermal cycles, both Is avoided. Therefore, a short circuit occurring between the fuel cell stack 10 and the preheater 20 is prevented, and the reliability of the fuel cell 1 can be increased. In addition, since a part of the upper insulating frame 53 becomes the overhang portion 91, the overhang portion 91 is integrated with the fuel cell stack 10. Therefore, there is no need to provide a fixing means for fixing the overhang portion 91 to the fuel cell stack 10. Therefore, the number of parts of the fuel cell 1 is reduced, and the number of man-hours at the time of manufacture is also reduced, so that the cost of the fuel cell 1 can be reduced. Further, since the overhang portion 91 is integrated with the fuel cell stack 10, the strength of the overhang portion 91 is improved. Moreover, since the displacement of the upper insulating frame 53 having the overhang portion 91 is prevented by vibration, the displacement of the preheater 20 with which the overhang portion 91 abuts is prevented.

(2)本実施形態では、張出部91が最上層及び最下層の発電セル11にそれぞれ配置されているため、両張出部91は互いに離間している。その結果、両張出部91の先端が予熱器20の上端部及び下端部に当接するようになるため、燃料電池スタック10と予熱器20との間隔を安定的に保持しやすくなる。   (2) In this embodiment, since the overhang | projection part 91 is each arrange | positioned at the power generation cell 11 of the uppermost layer and the lowest layer, both the overhang | projection parts 91 are mutually spaced apart. As a result, the leading ends of the two overhang portions 91 come into contact with the upper end portion and the lower end portion of the preheater 20, so that it is easy to stably maintain the distance between the fuel cell stack 10 and the preheater 20.

(3)本実施形態では、上側絶縁フレーム53において張出部91を除く部分の縦、横の長さが燃料電池スタック10の縦、横の長さと同じ180mmであるのに対して、張出部91の張り出し量(3mm)がかなり小さくなっている。よって、上側絶縁フレーム53に張出部91を形成したとしても、上側絶縁フレーム53が空気極フレーム52及びセパレータ54に挟持されることにより、張出部91が撓んだりせずに確実に保持される。また、仮に下側絶縁フレーム58に張出部91を形成した場合であっても、下側絶縁フレーム58がセパレータ54及び燃料極フレーム59に挟持されることにより、張出部91が撓んだりせずに確実に保持される。従って、張出部91の先端を確実に予熱器20に当接させることができるため、燃料電池1の信頼性が向上する。   (3) In the present embodiment, the vertical and horizontal lengths of the upper insulating frame 53 excluding the protruding portion 91 are 180 mm, which is the same as the vertical and horizontal lengths of the fuel cell stack 10, whereas The overhang amount (3 mm) of the portion 91 is considerably small. Therefore, even if the overhanging portion 91 is formed in the upper insulating frame 53, the overhanging portion 91 is securely held without being bent by the upper insulating frame 53 being sandwiched between the air electrode frame 52 and the separator 54. Is done. Even if the overhanging portion 91 is formed in the lower insulating frame 58, the overhanging portion 91 may be bent due to the lower insulating frame 58 being sandwiched between the separator 54 and the fuel electrode frame 59. It is securely held without Therefore, the tip of the overhanging portion 91 can be reliably brought into contact with the preheater 20, so that the reliability of the fuel cell 1 is improved.

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。   In addition, you may change this embodiment as follows.

・上記実施形態の上側絶縁フレーム53には、略矩形板状をなす張出部91が設けられていた。しかし図7に示されるように、発電セル11が積層する方向の両側面(上面92及び下面)を連通させる開口部94が張出部95に形成された、略矩形環状をなす上側絶縁フレーム96であってもよい。なお、開口部94は、縦2mm×横170mmの平面視長方形状をなしている。このため、開口部94の開口面積は340mmとなる。また本実施形態では、張出部95の上面92(及び下面)の面積が540mm(=3×180mm)となり、張出部95において開口部94が占める割合が約62%となる。なお、上側絶縁フレーム53に加えて下側絶縁フレーム58にも張出部を設け、下側絶縁フレーム58に設けた張出部に開口部を形成してもよい。 -The overhang | projection part 91 which makes a substantially rectangular plate shape was provided in the upper side insulation frame 53 of the said embodiment. However, as shown in FIG. 7, the upper insulating frame 96 having a substantially rectangular ring shape is formed in the projecting portion 95 with the opening portion 94 communicating with both side surfaces (the upper surface 92 and the lower surface) in the stacking direction of the power generation cells 11. It may be. The opening 94 has a rectangular shape in plan view of 2 mm long × 170 mm wide. For this reason, the opening area of the opening 94 is 340 mm 2 . In this embodiment, the area of the upper surface 92 (and the lower surface) of the overhang portion 95 is 540 mm 2 (= 3 × 180 mm 2 ), and the ratio of the opening 94 in the overhang portion 95 is about 62%. In addition to the upper insulating frame 53, the lower insulating frame 58 may be provided with a protruding portion, and an opening may be formed in the protruding portion provided in the lower insulating frame 58.

以上のようにすれば、張出部95に開口部94が形成されているため、燃料電池1の起動時や起動後において、起動用バーナー30から排出される高温のバーナー排ガスや高温の周囲空気が開口部94を通過するようになる。即ち、高温のバーナー排ガスや周囲空気は燃料電池スタック10の近傍を通過するため、開口部94を通過した高温のバーナー排ガスや周囲空気によって燃料電池スタック10が素早く温められて稼動温度に達するようになる。このため、燃料電池1の起動時間の短縮を図ることができる。しかも、図7に示す開口部94であれば、開口部94を形成したとしても、張出部95の先端全体が予熱器20に当接するようになるため、燃料電池スタック10と予熱器20との間隔を安定的に保持しやすくなる。   With the above configuration, since the opening 94 is formed in the overhanging portion 95, the high-temperature burner exhaust gas and the high-temperature ambient air discharged from the startup burner 30 when the fuel cell 1 is started or after the startup. Passes through the opening 94. That is, since the high-temperature burner exhaust gas and the ambient air pass in the vicinity of the fuel cell stack 10, the fuel cell stack 10 is quickly heated by the high-temperature burner exhaust gas and the ambient air that have passed through the opening 94 to reach the operating temperature. Become. For this reason, the starting time of the fuel cell 1 can be shortened. Moreover, in the case of the opening 94 shown in FIG. 7, even if the opening 94 is formed, the entire tip of the overhanging portion 95 comes into contact with the preheater 20, so that the fuel cell stack 10 and the preheater 20 It becomes easy to keep the interval of stable.

・上記実施形態では、張出部91の幅が上側絶縁フレーム53の幅(燃料電池スタック10の幅)と等しくなっていたが、図8,図9に示されるように、張出部211,212の幅を絶縁フレーム213,214の幅より小さくしてもよい。このようにした場合、図8に示される絶縁フレーム213では、張出部211の両端部に、厚さ方向から見て略L字状をなす切欠部215(開口部)が配置されるようになる。切欠部215は、張出部211の上面217及び下面を連通するとともに、張出部211の先端及び側縁において開口するようになっている。また、図9に示される絶縁フレーム214では、張出部212の中央部に、厚さ方向から見て略コ字状をなす切欠部216(開口部)が配置されるようになる。切欠部216は、張出部212の上面218及び下面を連通するとともに、張出部212の先端において開口するようになっている。   In the above embodiment, the width of the overhang portion 91 is equal to the width of the upper insulating frame 53 (the width of the fuel cell stack 10), but as shown in FIGS. The width of 212 may be smaller than the width of the insulating frames 213 and 214. In this case, in the insulating frame 213 shown in FIG. 8, cutout portions 215 (openings) having a substantially L shape when viewed from the thickness direction are arranged at both ends of the overhang portion 211. Become. The notch portion 215 communicates the upper surface 217 and the lower surface of the overhang portion 211 and opens at the tip and side edges of the overhang portion 211. Further, in the insulating frame 214 shown in FIG. 9, a notch 216 (opening) having a substantially U-shape when viewed from the thickness direction is arranged at the center of the protruding portion 212. The notch 216 communicates with the upper surface 218 and the lower surface of the overhang portion 212 and opens at the tip of the overhang portion 212.

以上のようにすれば、張出部211,212に切欠部215,216が形成されているため、燃料電池1の起動時や起動後において、起動用バーナー30から排出される高温のバーナー排ガスや高温の周囲空気が切欠部215,216を通過するようになる。即ち、高温のバーナー排ガスや周囲空気は燃料電池スタック10の近傍を通過するため、切欠部215,216を通過した高温のバーナー排ガスや周囲空気によって燃料電池スタック10が素早く温められて稼動温度に達するようになる。このため、燃料電池1の起動時間の短縮を図ることができる。   In this way, since the notches 215 and 216 are formed in the overhang portions 211 and 212, the high-temperature burner exhaust gas discharged from the starter burner 30 at the start and after the start of the fuel cell 1 Hot ambient air will pass through the notches 215, 216. That is, since the high-temperature burner exhaust gas and ambient air pass in the vicinity of the fuel cell stack 10, the fuel cell stack 10 is quickly warmed by the high-temperature burner exhaust gas and ambient air that have passed through the notches 215 and 216 to reach the operating temperature. It becomes like this. For this reason, the starting time of the fuel cell 1 can be shortened.

・上記実施形態の燃料電池1では、上側絶縁フレーム53に張出部91が設けられていたが、下側絶縁フレーム58にも張出部91を設けてもよい。また、上側絶縁フレーム53に張出部91を設ける代わりに、下側絶縁フレーム58に張出部91を設けるようにしてもよい。   In the fuel cell 1 of the above embodiment, the overhang portion 91 is provided in the upper insulating frame 53, but the overhang portion 91 may be provided also in the lower insulating frame 58. Further, instead of providing the overhanging portion 91 in the upper insulating frame 53, the overhanging portion 91 may be provided in the lower insulating frame 58.

・上記実施形態の燃料電池1は、上側絶縁フレーム53の一部を燃料電池スタック10の側面14から予熱器20に向けて張り出してなる張出部91を備えていた。しかし、図10に示されるように、導電性金属部材であるコネクタプレート141の一部を燃料電池スタック142の側面143から予熱器144に向けて張り出してなる張出部145を備えた燃料電池140であってもよい。なお、空気極フレーム52、セパレータ54、燃料極フレーム59などを、張出部が形成される導電性金属部材として用いてもよい。   -The fuel cell 1 of the said embodiment was provided with the overhang | projection part 91 formed by protruding a part of the upper side insulation flame | frame 53 toward the preheater 20 from the side surface 14 of the fuel cell stack 10. FIG. However, as shown in FIG. 10, the fuel cell 140 includes an overhanging portion 145 that is formed by protruding a part of the connector plate 141 that is a conductive metal member from the side surface 143 of the fuel cell stack 142 toward the preheater 144. It may be. Note that the air electrode frame 52, the separator 54, the fuel electrode frame 59, and the like may be used as the conductive metal member on which the overhang portion is formed.

なお、コネクタプレート141に張出部145を設ける場合、張出部145の先端面や、張出部145の先端部の上面及び下面には、コネクタプレート141と予熱器144とを電気的に絶縁させる絶縁被膜146が一体形成される。ここで、絶縁被膜146は、アルミナなどの酸化物セラミックを主体とする耐熱性絶縁被膜であることが好ましい。また、絶縁被膜146は、コネクタプレート141の外表面全体に形成されていてもよい。   In addition, when providing the overhang | projection part 145 in the connector plate 141, the connector plate 141 and the preheater 144 are electrically insulated from the front end surface of the overhang | projection part 145, and the upper surface and lower surface of the front-end | tip part of the overhang | projection part 145. An insulating coating 146 is integrally formed. Here, the insulating coating 146 is preferably a heat resistant insulating coating mainly composed of an oxide ceramic such as alumina. Further, the insulating coating 146 may be formed on the entire outer surface of the connector plate 141.

・上記実施形態の燃料電池1では、張出部91の先端が予熱器20に当接されていた。しかし図11に示されるように、張出部151の先端が予熱器152に設けられた凹所153に嵌合固定された燃料電池150であってもよい。   In the fuel cell 1 of the above embodiment, the tip of the overhang portion 91 is in contact with the preheater 20. However, as shown in FIG. 11, the fuel cell 150 may be configured such that the tip of the overhanging portion 151 is fitted and fixed in a recess 153 provided in the preheater 152.

・上記実施形態では、張出部91が最上層及び最下層の発電セル11のみに配置されていたが、張出部91の配置態様を変更してもよい。例えば、張出部91を、中間層の発電セル11に配置してもよい。また、張出部91を、全ての発電セル11に配置してもよいし、1つの発電セル11のみに配置してもよい。なお、張出部91の数を多くすれば、燃料電池スタック10と予熱器20との接触をより確実に回避できるため、燃料電池1の信頼性がよりいっそう高くなる。   In the above-described embodiment, the overhang portion 91 is disposed only in the power generation cells 11 in the uppermost layer and the lowermost layer, but the arrangement mode of the overhang portion 91 may be changed. For example, the overhang portion 91 may be arranged in the power generation cell 11 in the intermediate layer. Further, the overhang portion 91 may be disposed in all the power generation cells 11 or only in one power generation cell 11. If the number of the overhang portions 91 is increased, contact between the fuel cell stack 10 and the preheater 20 can be avoided more reliably, and the reliability of the fuel cell 1 is further increased.

・上記実施形態では、絶縁フレーム53,58(マイカシート)の厚さが0.5mmであって、張出部91の厚さが絶縁フレーム53,58の厚さと等しくなっていた。即ち、最上層の発電セル11に形成された張出部91の厚さと、最下層の発電セル11に形成された張出部91の厚さとが等しくなっていた。しかし、張出部91の厚さを適宜変更してもよい。例えば、最上層の発電セル11に形成された張出部91を、最下層の発電セル11に形成された張出部91より厚くしてもよいし、薄くしてもよい。   In the above embodiment, the thickness of the insulating frames 53 and 58 (mica sheet) is 0.5 mm, and the thickness of the overhanging portion 91 is equal to the thickness of the insulating frames 53 and 58. That is, the thickness of the overhang portion 91 formed in the uppermost power generation cell 11 is equal to the thickness of the overhang portion 91 formed in the lowermost power generation cell 11. However, you may change the thickness of the overhang | projection part 91 suitably. For example, the overhang 91 formed in the uppermost power generation cell 11 may be thicker or thinner than the overhang 91 formed in the lowermost power generation cell 11.

・上記実施形態では、絶縁フレーム53,58が、厚さ0.5mmのマイカシートによって形成されていた。しかし、絶縁フレーム53,58を形成するマイカシートの厚さを、例えば0.3mm、2mmなどに変更してもよい。また、マイカシートを重ねることにより、より厚い絶縁フレーム53,58を形成してもよい。   In the above embodiment, the insulating frames 53 and 58 are formed of a mica sheet having a thickness of 0.5 mm. However, the thickness of the mica sheet forming the insulating frames 53 and 58 may be changed to, for example, 0.3 mm and 2 mm. Further, thicker insulating frames 53 and 58 may be formed by overlapping mica sheets.

・図12に示される燃料電池スタック160のように、張出部161に設けられた開口部162と張出部163に設けられた開口部164とを、燃料電池スタック160の側面165に沿った方向(発電セル11が積層する方向とは直交する方向)にずらして配置してもよい。このようにすれば、起動用バーナー30から排出される高温のバーナー排ガスや高温の周囲空気が上昇して開口部162,164を通過する際に、バーナー排ガスや周囲空気が張出部161,163に当たって蛇行するため、燃料電池スタック160をより素早く温めることができる。   As in the fuel cell stack 160 shown in FIG. 12, the opening 162 provided in the overhanging portion 161 and the opening 164 provided in the overhanging portion 163 extend along the side surface 165 of the fuel cell stack 160. You may shift and arrange | position to a direction (direction orthogonal to the direction where the electric power generation cell 11 laminates | stacks). In this way, when the high-temperature burner exhaust gas or the high-temperature ambient air discharged from the activation burner 30 rises and passes through the openings 162 and 164, the burner exhaust gas and the ambient air are overhang portions 161 and 163. Therefore, the fuel cell stack 160 can be warmed more quickly.

・上記実施形態の燃料電池スタック10は、1つの側面14に予熱器20を1つだけ配置していた。しかし、図13に示されるように、1つの側面171に複数個(図13では2個)の予熱器172を配置した燃料電池スタック170であってもよい。また図17に示されるように、互いに隣接する側面191,192にそれぞれ予熱器193を1つずつ配置した燃料電池スタック190であってもよい。さらに図14,図15に示されるように、互いに反対側に位置する側面181,182にそれぞれ予熱器183,184を1つずつ配置した燃料電池スタック180であってもよい。この場合、予熱器183には、絶縁フレーム185の一部を燃料電池スタック180の側面181から張り出してなる張出部186の先端が当接するとともに、予熱器184には、絶縁フレーム185とは別の絶縁フレーム187の一部を燃料電池スタック180の側面182から張り出してなる張出部188の先端が当接する。なお図16に示されるように、1つの絶縁フレーム201に対して、側面181から張り出してなる張出部202と、側面182から張り出してなる張出部203とを形成し、張出部202の先端を予熱器183に当接させるとともに、張出部203の先端を予熱器184に当接させるようにしてもよい。   In the fuel cell stack 10 of the above embodiment, only one preheater 20 is disposed on one side surface 14. However, as shown in FIG. 13, a fuel cell stack 170 in which a plurality of (two in FIG. 13) preheaters 172 are arranged on one side 171 may be used. Further, as shown in FIG. 17, a fuel cell stack 190 in which one preheater 193 is arranged on each of the side surfaces 191 and 192 adjacent to each other may be used. Further, as shown in FIGS. 14 and 15, a fuel cell stack 180 in which one preheater 183 and 184 is arranged on each of side surfaces 181 and 182 located on opposite sides may be used. In this case, the preheater 183 comes into contact with the tip of an overhang portion 186 that is formed by protruding a part of the insulating frame 185 from the side surface 181 of the fuel cell stack 180, and the preheater 184 is separated from the insulating frame 185. The tip of an overhanging portion 188 that protrudes from a side surface 182 of the fuel cell stack 180 contacts a part of the insulating frame 187. As shown in FIG. 16, an overhang portion 202 that projects from the side surface 181 and an overhang portion 203 that projects from the side surface 182 are formed on one insulating frame 201. The front end may be brought into contact with the preheater 183 and the front end of the overhang portion 203 may be brought into contact with the preheater 184.

・上記実施形態では、絶縁フレーム53,58が絶縁部材として用いられていたが、他のものを絶縁部材として用いてもよい。例えば、絶縁フレーム53,58を用いる代わりに、セパレータ54上や燃料極フレーム59上に貼付された平面視矩形状の絶縁片(図示略)などを絶縁部材として用いてもよい。この場合、張出部は、絶縁片の外周縁から突出し、燃料電池スタック10の側面14から予熱器20に向けて張り出すようになる。   In the above embodiment, the insulating frames 53 and 58 are used as insulating members, but other members may be used as insulating members. For example, instead of using the insulating frames 53 and 58, an insulating piece (not shown) having a rectangular shape in plan view attached on the separator 54 or the fuel electrode frame 59 may be used as the insulating member. In this case, the protruding portion protrudes from the outer peripheral edge of the insulating piece and protrudes from the side surface 14 of the fuel cell stack 10 toward the preheater 20.

・上記実施形態の燃料電池1では、予熱器20が燃料電池スタック10を補助する補助器として用いられていた。しかし、発熱器、気化器及び改質器などを補助器として用いてもよい。詳述すると、発熱器は、燃焼触媒を備え、発電後に燃料電池スタック10から排出された残余燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池1からの残余燃料ガスの排出を防止する機能を有している。また、気化器は、例えば燃料電池1の起動時において、起動用バーナー30からの熱や残余燃料ガスの燃焼による熱によって液体原料である水を気化し、気化した水(水蒸気)を燃料電池スタック10に供給する機能を有している。さらに、改質器は、改質用の触媒(例えばルテニウム、あるいはニッケル)を備え、水蒸気を用いて原料(本実施形態では炭化水素)を改質し、改質した原料を燃料電池スタック10に供給することにより、燃料極層57での炭素の析出や温度低下を防止する機能を有している。   In the fuel cell 1 of the above embodiment, the preheater 20 is used as an auxiliary device that assists the fuel cell stack 10. However, a heater, a vaporizer, a reformer, or the like may be used as an auxiliary device. More specifically, the heat generator includes a combustion catalyst, and has a function of preventing the remaining fuel gas from being discharged from the fuel cell 1 by burning the remaining fuel gas discharged from the fuel cell stack 10 after power generation. Yes. Further, the vaporizer vaporizes water, which is a liquid raw material, by heat from the start burner 30 or heat from combustion of the remaining fuel gas when the fuel cell 1 is started, for example, and the vaporized water (water vapor) is converted into a fuel cell stack. 10 is provided. Further, the reformer includes a reforming catalyst (for example, ruthenium or nickel), reforms the raw material (hydrocarbon in this embodiment) using steam, and supplies the reformed raw material to the fuel cell stack 10. By supplying, the fuel electrode layer 57 has a function of preventing carbon deposition and temperature decrease.

次に、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。   Next, the technical ideas grasped by the embodiment described above are listed below.

(1)上記手段1または2において、前記張出部の幅が前記補助器の幅と等しくなっており、前記張出部の先端面全体が前記補助器に当接することを特徴とする燃料電池。   (1) In the fuel cell according to the first or second aspect, the width of the overhanging portion is equal to the width of the auxiliary device, and the entire distal end surface of the overhanging portion is in contact with the auxiliary device. .

(2)上記手段1または2において、前記燃料電池スタックは前記絶縁部材を複数有し、前記絶縁部材の厚さは互いに等しいことを特徴とする燃料電池。   (2) In the above means 1 or 2, the fuel cell stack has a plurality of the insulating members, and the thickness of the insulating members is equal to each other.

1,140,150…燃料電池
10,142,160,170,180,190…燃料電池スタック
14,143,165,171,181,182,191,192…燃料電池スタックの側面
11…発電セル
20,144,152,172,183,184,193…補助器としての予熱器
53,96…絶縁部材としての上側絶縁フレーム
55…空気極層
56…電解質層
57…燃料極層
58…絶縁部材としての下側絶縁フレーム
91,95,145,151,161,163,186,188,202,203,211,212…張出部
92,217,218…張出部の側面としての上面
94,162,164,215,216…開口部
141…導電性金属部材としてのコネクタプレート
146…絶縁被膜
153…凹所
185,187,201,213,214…絶縁部材としての絶縁フレーム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,140,150 ... Fuel cell 10,142,160,170,180,190 ... Fuel cell stack 14,143,165,171,181,182,191,192 ... Fuel cell stack side surface 11 ... Power generation cell 20, 144, 152, 172, 183, 184, 193 ... Preheaters 53, 96 as auxiliary devices ... Upper insulating frame 55 as insulating member ... Air electrode layer 56 ... Electrolyte layer 57 ... Fuel electrode layer 58 ... Under insulating member Side insulating frames 91, 95, 145, 151, 161, 163, 186, 188, 202, 203, 211, 212 ... overhangs 92, 217, 218 ... upper surfaces 94, 162, 164 as side surfaces of the overhangs 215, 216 ... opening 141 ... connector plate 146 as a conductive metal member ... insulating coating 153 ... recesses 185, 187, 2 1,213,214 ... insulation frame as an insulating member

Claims (7)

電解質層と、その両側に配置され燃料ガスに接する燃料極層及び酸化剤ガスに接する空気極層とを有する発電セルを複数積層してなり発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックでの発電反応にあたり、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、液体原料の気化、及び原料の改質の各機能のうちの少なくとも1つの機能を有し、前記燃料電池スタックの側面に近接して配置される補助器と
を備えた燃料電池において、
前記燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部を前記燃料電池スタックの側面から前記補助器に向けて張り出してなる張出部を備えた
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell stack in which a plurality of power generation cells having an electrolyte layer, a fuel electrode layer disposed on both sides thereof and in contact with a fuel gas, and an air electrode layer in contact with an oxidant gas are stacked to generate power by a power generation reaction;
In the power generation reaction in the fuel cell stack, at least one of the functions of preheating the raw material including the oxidant and fuel, burning the residual fuel gas after power generation, vaporizing the liquid raw material, and reforming the raw material is performed. A fuel cell comprising an auxiliary device disposed in proximity to a side surface of the fuel cell stack,
A fuel cell comprising: an overhanging portion formed by projecting a part of an insulating member constituting the fuel cell stack from a side surface of the fuel cell stack toward the auxiliary device.
電解質層と、その両側に配置され燃料ガスに接する燃料極層及び酸化剤ガスに接する空気極層とを有する発電セルを複数積層してなり発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックでの発電反応にあたり、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、液体原料の気化、及び原料の改質の各機能のうちの少なくとも1つの機能を有し、前記燃料電池スタックの側面に近接して配置される補助器と
を備えた燃料電池において、
前記燃料電池スタックを構成する導電性金属部材の一部を前記燃料電池スタックの側面から前記補助器に向けて張り出してなる張出部を備えるとともに、該張出部に絶縁被膜が一体形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell stack in which a plurality of power generation cells having an electrolyte layer, a fuel electrode layer disposed on both sides thereof and in contact with a fuel gas, and an air electrode layer in contact with an oxidant gas are stacked to generate power by a power generation reaction;
In the power generation reaction in the fuel cell stack, at least one of the functions of preheating the raw material including the oxidant and fuel, burning the residual fuel gas after power generation, vaporizing the liquid raw material, and reforming the raw material is performed. A fuel cell comprising an auxiliary device disposed in proximity to a side surface of the fuel cell stack,
The fuel cell stack includes a projecting portion formed by projecting a part of the conductive metal member from the side surface of the fuel cell stack toward the auxiliary device, and an insulating coating is integrally formed on the projecting portion. A fuel cell characterized by comprising:
前記燃料電池スタックを構成する絶縁部材は、複数の前記発電セル内に配置して積層されるとともにシール部材を兼ねる絶縁フレームであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the insulating member constituting the fuel cell stack is an insulating frame that is disposed and stacked in the plurality of power generation cells and also serves as a seal member. 前記絶縁被膜は、酸化物セラミックを主体とする耐熱性絶縁被膜であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, wherein the insulating coating is a heat-resistant insulating coating mainly composed of an oxide ceramic. 前記張出部の先端が、前記補助器に当接されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a tip of the overhanging portion is in contact with the auxiliary device. 前記張出部の先端が、前記補助器に設けられた凹所に嵌合固定されていることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。   6. The fuel cell according to claim 5, wherein a tip of the overhanging portion is fitted and fixed in a recess provided in the auxiliary device. 前記張出部には、前記積層する方向の両側面を連通させる開口部が形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein an opening for communicating both side surfaces in the stacking direction is formed in the overhanging portion.
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