JP2013077523A - Fuel cell device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell device capable of supporting a discharge passage of fuel gas or oxidant gas in a plurality of fuel battery cells to be secured while permitting the un-uniform elongation of the fuel battery cells.SOLUTION: The fuel cell device is arranged so that a downstream side end of respective fuel battery cells 16 is formed so as to penetrate through a support hole 101 and protrude from a support plate 100 as well as a gap is formed between the down stream side end and the support hole 101 so that a relative movement between the support plate 100 and the fuel battery cells 16 are permitted while maintaining a state that the support plate 100 supports the fuel battery cells 16.

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas.

このような燃料電池装置として、それぞれが内部に燃料ガス又は酸化剤ガスを通す内部流路を有し、互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルを備えるものが知られている(例えば、下記特許文献1参照)。複数の燃料電池セルは、燃料ガス又は酸化剤ガスをその内部流路に通す一方で、他方のガスを外側に通すことで、発電反応を起こすように構成されている。また、複数の燃料電池セルに燃料ガス又は酸化剤ガスを分配する必要性から、その上流側端部である下端はガスマニホールドによって支持されている。更に、各燃料電池セルに分配された燃料ガス又は酸化剤ガスは、燃料電池セルの内部流路を通った後に外部(上方)に放出される必要があることから、その下流側端部である下端は内部流路に連通する放出流路を確保しつつ支持されている。   As such a fuel cell device, one having a plurality of fuel cell cells each having an internal flow path through which fuel gas or oxidant gas passes and electrically connected to each other is known (for example, See Patent Document 1 below). The plurality of fuel cells are configured to cause a power generation reaction by passing the fuel gas or the oxidant gas through the internal flow path while passing the other gas to the outside. In addition, since the fuel gas or the oxidant gas needs to be distributed to the plurality of fuel cells, the lower end, which is the upstream end, is supported by the gas manifold. Furthermore, since the fuel gas or oxidant gas distributed to each fuel cell needs to be discharged to the outside (upward) after passing through the internal flow path of the fuel cell, it is at the downstream end thereof. The lower end is supported while securing a discharge channel communicating with the internal channel.

特開2009−146623号公報JP 2009-146623 A

上述した従来の燃料電池装置では、複数の燃料電池セルの上流側端部である下端はガスマニホールドに対して脱落しないように固着されると共に、下流側端部である上端も支持板に対して固着されている。   In the conventional fuel cell device described above, the lower ends, which are upstream ends of the plurality of fuel cells, are fixed so as not to drop off from the gas manifold, and the upper ends, which are downstream ends, are also fixed to the support plate. It is fixed.

ところで、複数の燃料電池セルは、ケーシングに収められ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電反応を行うものであるから、密閉された空間内で発電反応を行うことになる。従って、よりケーシング内壁に近い外側に配置されている燃料電池セル近傍の温度と、中央に配置されている燃料電池セル近傍の温度には差が生じ、中央側の温度が上昇する傾向にある。   By the way, since the plurality of fuel cells are housed in the casing and receive the supply of the fuel gas and the oxidant gas to perform the power generation reaction, the power generation reaction is performed in a sealed space. Accordingly, there is a difference between the temperature in the vicinity of the fuel battery cell disposed on the outer side closer to the inner wall of the casing and the temperature in the vicinity of the fuel battery cell disposed in the center, and the temperature on the center side tends to increase.

従って、複数の燃料電池セルそれぞれの運転環境下における伸び量は均一なものではなく、より多く伸びる燃料電池セルと比較的少なく伸びる燃料電池セルとが混在することになる。このような状況に対して、複数の燃料電池セルの両端を剛性の高いガスマニホールドや支持板に固着して固定すると、より多く伸びる燃料電池セルは圧縮側の負荷を受け、比較的少なく伸びる燃料電池セルは引き伸ばし側の負荷を受ける。このように圧縮又は伸張の負荷を受けることは、各燃料電池セルそのものの不具合に繋がるおそれがある。   Accordingly, the amount of extension of each of the plurality of fuel cells in the operating environment is not uniform, and a fuel cell that extends more and a fuel cell that extends relatively less are mixed. In such a situation, when both ends of a plurality of fuel cells are fixed and fixed to a rigid gas manifold or support plate, the fuel cells that expand more are subjected to a load on the compression side, and the fuel that extends relatively less The battery cell receives a load on the stretch side. Such a compression or expansion load may lead to a failure of each fuel cell itself.

一方、圧縮又は伸張の負荷を受けることを避けるため、複数の燃料電池セルの下流側端部である上端と支持板との固着を単になくしてしまうと、燃料電池セルが伸びた際に支持板の位置がずれて、支持板が燃料電池セルの内部流路から放出される燃料ガス又は酸化剤ガスの流れを妨げ、上述した燃料ガス又は酸化剤ガスの放出流路が確保できなくなるおそれもある。燃料ガス又は酸化剤ガスの放出流路が確保できなくなると、ケーシング内部の気流の乱れを引き起こしてしまうため、所望の発電を行うことができなくなることが懸念される。従って、複数の燃料電池セルの不均一な伸びを許容しつつ、それら複数の燃料電池セルにおける燃料ガス又は酸化剤ガスの放出流路を確保するよう支持することが求められる。   On the other hand, in order to avoid receiving a load of compression or expansion, if the sticking between the upper end, which is the downstream end of the plurality of fuel cells, and the support plate are simply eliminated, the support plate is expanded when the fuel cell is extended. May shift the position of the fuel cell, preventing the flow of the fuel gas or oxidant gas discharged from the internal flow path of the fuel cell, making it impossible to secure the above-described fuel gas or oxidant gas discharge flow path. . If the fuel gas or oxidant gas discharge passage cannot be secured, the airflow inside the casing is disturbed, and there is a concern that the desired power generation cannot be performed. Therefore, it is required to support the fuel gas or the oxidant gas discharge passage in the plurality of fuel cells while allowing the non-uniform elongation of the plurality of fuel cells.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、複数の燃料電池セルの不均一な伸びを許容しつつ、それら複数の燃料電池セルにおける燃料ガス又は酸化剤ガスの放出流路を確保するよう支持することが可能な燃料電池装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is a fuel cell device that generates power by using a fuel gas and an oxidant gas, and allows non-uniform elongation of a plurality of fuel cells. On the other hand, it is an object of the present invention to provide a fuel cell device capable of supporting the fuel gas or oxidant gas discharge channel in the plurality of fuel cells.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、それぞれが内部に燃料ガス又は酸化剤ガスを通す内部流路を有し、互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルに燃料ガス又は酸化剤ガスが流入する上流側端部を支持し、前記燃料電池セルそれぞれに燃料ガス又は酸化剤ガスを分配して供給するガスマニホールドと、前記複数の燃料電池セルから燃料ガス又は酸化剤ガスが流出する下流側端部を支持する支持板と、を備える。前記支持板には、前記複数の燃料電池セルそれぞれの前記下流側端部を貫通させて支持する支持穴が設けられており、前記下流側端部は前記支持穴を貫通して前記支持板から突出するように形成されると共に、前記下流側端部と前記支持穴との間は前記支持板が前記複数の燃料電池セルを支持した状態を維持しつつ相対的な移動を許容するように隙間が形成されている。   In order to solve the above-described problems, a fuel cell device according to the present invention is a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas, each having an internal flow path through which fuel gas or oxidant gas passes. A plurality of fuel cells electrically connected to each other, and an upstream end portion into which the fuel gas or oxidant gas flows into the plurality of fuel cells, and each of the fuel cells has a fuel gas or an oxidation A gas manifold that distributes and supplies the agent gas; and a support plate that supports a downstream end from which the fuel gas or the oxidant gas flows out of the plurality of fuel cells. The support plate is provided with a support hole that penetrates and supports the downstream end of each of the plurality of fuel cells, and the downstream end penetrates the support hole from the support plate. A gap is formed between the downstream end and the support hole so as to allow relative movement while maintaining the state where the support plate supports the plurality of fuel cells. Is formed.

本発明では、複数の燃料電池セルそれぞれの下流側端部を支持する支持板に、下流側端部を貫通させる支持穴を設け、支持穴と下流側端部との間に隙間を形成しているので、支持板と燃料電池セルとの相対的な移動を許容することができる。また、下流側端部は支持板から突出すると共に、下流側端部が支持板に支持された状態は維持されるので、燃料電池セルの内部流路を流れるガスが円滑に外部まで放出される流れを阻害することがない。従って、複数の燃料電池セルの不均一な伸びを許容しつつ、それら複数の燃料電池セルにおける燃料ガス又は酸化剤ガスの放出流路を確保するよう支持することが可能な燃料電池装置を提供することができる。   In the present invention, a support plate that supports the downstream end of each of the plurality of fuel cells is provided with a support hole that penetrates the downstream end, and a gap is formed between the support hole and the downstream end. Therefore, relative movement between the support plate and the fuel battery cell can be allowed. Further, since the downstream end protrudes from the support plate and the downstream end is supported by the support plate, the gas flowing through the internal flow path of the fuel cell is smoothly discharged to the outside. Does not obstruct the flow. Accordingly, there is provided a fuel cell device capable of supporting a fuel gas or an oxidant gas discharge channel in the plurality of fuel cells while ensuring non-uniform elongation of the plurality of fuel cells. be able to.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記燃料電池セルは、燃料極と空気極と電解質層とを有する単セルと、前記単セルの両端に設けられるキャップとを有することも好ましい。   In the fuel cell device according to the present invention, the fuel cell preferably includes a single cell having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte layer, and caps provided at both ends of the single cell.

この好ましい態様では、単セルの両端に設けられるキャップの一方が支持穴と相対的に移動し、キャップの一部が支持穴内を摺動するので、単セルに無用な負荷をかけずその損傷を抑制することができる。   In this preferred embodiment, one of the caps provided at both ends of the single cell moves relative to the support hole, and a part of the cap slides in the support hole, so that the single cell is not damaged unnecessarily. Can be suppressed.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記キャップは、前記支持穴に挿通される小径部と、前記単セルに嵌合され前記支持穴の内径よりもその外径が大きな大径部とを有することも好ましい。   In the fuel cell device according to the present invention, the cap has a small-diameter portion that is inserted through the support hole, and a large-diameter portion that is fitted into the single cell and has an outer diameter larger than the inner diameter of the support hole. It is also preferable.

この好ましい態様では、キャップの小径部が支持穴内を摺動することになるので、複数の燃料電池セルを位置決めしつつ支持することができる。また、支持穴の内径よりもその外径が大きな大径部を備えているので、この大径部が支持板に当接することで、支持板と燃料電池セルとの相対的な移動を許容しつつ、支持板を予め設定された高さ範囲内で支持し続けることができる。   In this preferred embodiment, the small diameter portion of the cap slides in the support hole, so that the plurality of fuel cells can be supported while being positioned. In addition, since the support hole has a large-diameter portion whose outer diameter is larger than the inner diameter of the support hole, the large-diameter portion abuts on the support plate to allow relative movement between the support plate and the fuel cell. However, the support plate can be continuously supported within a preset height range.

また本発明に係る燃料電池装置では、前記支持穴は、前記大径部に臨む側が拡径するテーパ状部分を有することも好ましい。   In the fuel cell device according to the present invention, it is preferable that the support hole has a tapered portion whose diameter increases on the side facing the large diameter portion.

この好ましい態様では、大径部に臨む側の支持穴にテーパ状部分を形成しているので、その拡径した部分により大きな隙間が形成され、支持板と燃料電池セルとの相対的な移動がより円滑に許容される。   In this preferred embodiment, the tapered hole is formed in the support hole on the side facing the large-diameter portion, so that a large gap is formed in the expanded diameter portion, and the relative movement between the support plate and the fuel cell unit is performed. Allowed more smoothly.

本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、複数の燃料電池セルの不均一な伸びを許容しつつ、それら複数の燃料電池セルにおける燃料ガス又は酸化剤ガスの放出流路を確保するよう支持することが可能な燃料電池装置を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas, and allows fuel gas or oxidant in the plurality of fuel cells while allowing non-uniform elongation of the plurality of fuel cells. It is possible to provide a fuel cell device that can be supported so as to secure a gas discharge passage.

本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the fuel cell module in embodiment of this invention. 図1の中央近傍における断面図であって、図1のA方向から見た断面を示す断面図である。It is sectional drawing in the center vicinity of FIG. 1, Comprising: It is sectional drawing which shows the cross section seen from the A direction of FIG. 図1の中央近傍における断面図であって、図1のB方向から見た断面を示す断面図である。It is sectional drawing in the center vicinity of FIG. 1, Comprising: It is sectional drawing which shows the cross section seen from the B direction of FIG. 図1のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which removed some outer plates from the casing of FIG. 図2に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram corresponding to FIG. 2, and is a schematic diagram showing flows of power generation air and combustion gas. 図3に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram corresponding to FIG. 3, and is a schematic diagram showing flows of power generation air and combustion gas. 本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the fuel cell unit used for this embodiment. 本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell stack in this embodiment. 上支持板と燃料電池セルユニットとの接合関係を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the joining relationship of an upper support plate and a fuel cell unit. 燃料電池セルユニットの伸長量が異なった場合の状態を示す部分的な側面図である。It is a partial side view which shows a state when the expansion | extension amount of a fuel cell unit differs.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

本発明の実施形態である燃料電池モジュール(燃料電池装置)について、図1を参照しながら説明する。図1に示す燃料電池モジュール2は、固体電解質形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット(図示せず)とを備える。   A fuel cell module (fuel cell device) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A fuel cell module 2 shown in FIG. 1 constitutes a part of a solid oxide fuel cell device. The solid oxide fuel cell device includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit (not shown).

図1においては、燃料電池モジュール2の高さ方向をy軸方向としている。このy軸に直交する平面に沿ってx軸及びz軸を定義し、燃料電池モジュール2の短手方向に沿った方向をx軸方向とし、燃料電池モジュール2の長手方向に沿った方向をz軸方向としている。図2以降において図中に記載しているx軸、y軸、及びz軸は、図1におけるx軸、y軸、及びz軸を基準としている。また、z軸の負方向に沿った方向をA方向とし、x軸の正方向に沿った方向をB方向としている。   In FIG. 1, the height direction of the fuel cell module 2 is the y-axis direction. The x axis and the z axis are defined along a plane perpendicular to the y axis, the direction along the short direction of the fuel cell module 2 is defined as the x axis direction, and the direction along the longitudinal direction of the fuel cell module 2 is defined as z. Axial direction. The x-axis, y-axis, and z-axis described in FIG. 2 and thereafter are based on the x-axis, y-axis, and z-axis in FIG. Further, the direction along the negative direction of the z axis is the A direction, and the direction along the positive direction of the x axis is the B direction.

燃料電池モジュール2は、燃料電池セル(詳細は後述する)を収容するケーシング56と、ケーシング56の上部に設けられている熱交換器22とを備える。ケーシング56の内部は密封空間となっている。ケーシング56には、被改質ガス供給管60と、水供給管62とが繋げられている。一方、熱交換器22には、発電用空気導入管74と、燃焼ガス排出管82とが繋げられている。   The fuel cell module 2 includes a casing 56 that houses fuel cells (details will be described later), and a heat exchanger 22 that is provided on the upper portion of the casing 56. The inside of the casing 56 is a sealed space. A reformed gas supply pipe 60 and a water supply pipe 62 are connected to the casing 56. On the other hand, a power generation air introduction pipe 74 and a combustion gas discharge pipe 82 are connected to the heat exchanger 22.

被改質ガス供給管60は、ケーシング56の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管62は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管74は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気(酸化剤ガス)を供給する管路である。燃焼ガス排出管82は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。   The to-be-reformed gas supply pipe 60 is a pipe line that supplies a to-be-reformed gas for reforming such as city gas into the casing 56. The water supply pipe 62 is a pipe for supplying water used when steam reforming the gas to be reformed. The power generation air introduction pipe 74 is a pipe for supplying power generation air (oxidant gas) for causing a power generation reaction with the reformed fuel gas. The combustion gas discharge pipe 82 is a pipe line for discharging the combustion gas generated as a result of burning the fuel gas after the power generation reaction.

続いて、図2〜図4を参照しながら、燃料電池モジュール2の内部について説明する。図2は、燃料電池モジュール2をその中央近傍において図1のA方向から見た断面図である。図3は、燃料電池モジュール2をその中央近傍において図2のB方向から見た断面図である。図4は、図1に示す燃料電池モジュール2から燃料電池セル集合体を覆うケーシング56の一部を取り外した状態を示す斜視図である。   Next, the inside of the fuel cell module 2 will be described with reference to FIGS. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 as viewed from the direction A in FIG. 1 in the vicinity of the center thereof. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 as viewed from the direction B in FIG. 2 in the vicinity of the center thereof. FIG. 4 is a perspective view showing a state where a part of the casing 56 covering the fuel cell assembly is removed from the fuel cell module 2 shown in FIG.

図2〜図4に示すように、燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12は、ケーシング56により、全体が覆われている。図4に示すように、燃料電池セル集合体12は、全体としてB方向よりA方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器20側の上面、燃料ガスタンク68(ガスマニホールド)側の下面、図4のA方向に沿って延びる長辺側面と、図4のB方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。   As shown in FIGS. 2 to 4, the fuel cell assembly 12 of the fuel cell module 2 is entirely covered with a casing 56. As shown in FIG. 4, the fuel cell assembly 12 as a whole has a substantially rectangular parallelepiped shape that is longer in the A direction than in the B direction. The upper surface on the reformer 20 side and the lower surface on the fuel gas tank 68 (gas manifold) side. , A long side surface extending along the direction A in FIG. 4 and a short side surface extending along the direction B in FIG.

本実施形態の場合、水供給管62から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器(図に明示しない)は、改質器20の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス(都市ガス)と空気とを混合するためのものである。   In the present embodiment, an evaporating mixer (not explicitly shown) for evaporating the water supplied from the water supply pipe 62 is provided inside the reformer 20. The evaporative mixer is heated by the combustion gas to convert water into water vapor, and to mix this water vapor with fuel gas (city gas) that is a reformed gas and air.

被改質ガス供給管60及び水供給管62は、ケーシング56の内部に導かれた後、共に改質器20に繋がれている。より具体的には、図3に示すように、改質器20の上流端である図中右側の端部に繋がれている。   The reformed gas supply pipe 60 and the water supply pipe 62 are both connected to the reformer 20 after being led into the casing 56. More specifically, as shown in FIG. 3, the reformer 20 is connected to an end on the right side in the drawing, which is an upstream end of the reformer 20.

改質器20は、燃料電池セル集合体12の上方に形成された燃焼室18の更に上方に配置されている。したがって、改質器20は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。   The reformer 20 is disposed further above the combustion chamber 18 formed above the fuel cell assembly 12. Accordingly, the reformer 20 is heated by the combustion heat of the remaining fuel gas and air after the power generation reaction, and is configured to serve as an evaporative mixer and a reformer that causes a reforming reaction. Has been.

改質器20の下流端(図3の左端)には、燃料供給管66の上端が接続されている。この燃料供給管66の下端側66aは、燃料ガスタンク68内に入り込むように配置されている。   The upper end of the fuel supply pipe 66 is connected to the downstream end of the reformer 20 (the left end in FIG. 3). The lower end side 66 a of the fuel supply pipe 66 is disposed so as to enter the fuel gas tank 68.

図2〜図4に示すように、燃料ガスタンク68は、燃料電池セル集合体12の真下に設けられている。燃料ガスタンク68は、4個の固定部材30(詳細は後述する)を用いて、ケーシング底板56aの上面に固定されている。なお、固定部材30は4個である必要はない。固定部材30の個数や配置場所は、燃料ガスタンク68の大きさや重量等を勘案して任意に設定することができる。   As shown in FIGS. 2 to 4, the fuel gas tank 68 is provided directly below the fuel cell assembly 12. The fuel gas tank 68 is fixed to the upper surface of the casing bottom plate 56a by using four fixing members 30 (details will be described later). Note that the number of fixing members 30 need not be four. The number and location of the fixing members 30 can be arbitrarily set in consideration of the size and weight of the fuel gas tank 68.

また、燃料ガスタンク68内に挿入された燃料供給管66の下端側66aの外周には、長手方向(A方向)に沿って複数の小穴(図示せず)が形成されている。改質器20で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴(図示せず)によって燃料ガスタンク68内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク68に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体12を構成する各燃料電池セルユニット16の内側にある燃料ガス流路(詳細は後述する)内に供給され、燃料電池セルユニット16内を上昇して、燃焼室18に至るようになっている。   A plurality of small holes (not shown) are formed along the longitudinal direction (A direction) on the outer periphery of the lower end side 66 a of the fuel supply pipe 66 inserted into the fuel gas tank 68. The fuel gas reformed by the reformer 20 is uniformly supplied in the longitudinal direction into the fuel gas tank 68 through the plurality of small holes (not shown). The fuel gas supplied to the fuel gas tank 68 is supplied into a fuel gas flow path (details will be described later) inside each fuel cell unit 16 constituting the fuel cell assembly 12, and the fuel cell unit 16 It rises up to reach the combustion chamber 18.

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール2の内部へ供給するための構造を、図2〜図4及び図5,図6を参照しながら説明する。図5は、図2に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図は6、図3に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器20の上方に、熱交換器22が設けられている。熱交換器22には、複数の燃焼ガス配管70と、この燃焼ガス配管70の周囲に形成された発電用空気流路72とが設けられている。   Next, a structure for supplying power generation air to the inside of the fuel cell module 2 will be described with reference to FIGS. 2 to 4, 5, and 6. FIG. 5 is a schematic diagram corresponding to FIG. 2 and shows the flow of power generation air and combustion gas. The figure is a schematic view corresponding to FIGS. 6 and 3 and similarly shows the flow of power generation air and combustion gas. As shown in these drawings, a heat exchanger 22 is provided above the reformer 20. The heat exchanger 22 is provided with a plurality of combustion gas pipes 70 and a power generation air flow path 72 formed around the combustion gas pipes 70.

熱交換器22の上面における一端側(図3における右端)には、発電用空気導入管74が取り付けられている。この発電用空気導入管74により、発電用空気流量調整ユニット(図示しない)から、発電用空気が、熱交換器22内に導入されるようになっている。   A power generation air introduction pipe 74 is attached to one end side (the right end in FIG. 3) of the upper surface of the heat exchanger 22. With this power generation air introduction pipe 74, power generation air is introduced into the heat exchanger 22 from a power generation air flow rate adjustment unit (not shown).

熱交換器22の上側の他端側(図3における左端)には、図2に示すように、発電用空気流路72の出口ポート76aが一対形成されている。この出口ポート76aは、一対の連絡流路76につながっている。さらに、燃料電池モジュール2のケーシング56の幅方向(B方向:短辺側面方向)の両側の外側には、発電用空気供給路77が形成されている。   As shown in FIG. 2, a pair of outlet ports 76 a of the power generation air flow path 72 is formed on the other end side (the left end in FIG. 3) on the upper side of the heat exchanger 22. The outlet port 76a is connected to a pair of communication channels 76. Further, power generation air supply passages 77 are formed on the outer sides of both sides of the casing 56 of the fuel cell module 2 in the width direction (B direction: short side surface direction).

したがって、発電用空気供給路77には、発電用空気流路72の出口ポート76a及び連絡流路76から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路77は、燃料電池セル集合体12の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体12の下方側に対応する位置に、発電室10内の燃料電池セル集合体12の各燃料電池セルユニット16に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口78a,78bが形成されている。これらの吹出口78a,78bから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット16の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。   Therefore, power generation air is supplied to the power generation air supply path 77 from the outlet port 76 a of the power generation air flow path 72 and the communication flow path 76. The power generation air supply path 77 is formed along the longitudinal direction of the fuel cell assembly 12. Furthermore, in order to blow out the air for power generation toward each fuel cell unit 16 of the fuel cell assembly 12 in the power generation chamber 10 at a position corresponding to the lower side of the fuel cell assembly 12 below the fuel cell assembly 12. A plurality of outlets 78a and 78b are formed. The power generation air blown out from these air outlets 78 a and 78 b flows from the lower side to the upper side along the outer side of each fuel cell unit 16.

続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット16の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼室18内を上昇し、整流板21に至る。整流板21には、図6に示すように、開口21aが設けられており、開口21a内に燃焼ガスが導かれる。この開口21aを通った燃焼ガスは、熱交換器22の他端側に至る。熱交換器22内には、燃焼室18で燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管70が設けられている。これらの燃焼ガス配管70の下流端側には、燃焼ガス排出管82が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。   Subsequently, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air will be described. The combustion gas generated above the fuel cell unit 16 rises in the combustion chamber 18 and reaches the rectifying plate 21. As shown in FIG. 6, the rectifying plate 21 is provided with an opening 21a, and the combustion gas is guided into the opening 21a. The combustion gas that has passed through the opening 21 a reaches the other end side of the heat exchanger 22. In the heat exchanger 22, a plurality of combustion gas pipes 70 are provided for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air in the combustion chamber 18. A combustion gas discharge pipe 82 is connected to the downstream end side of these combustion gas pipes 70 so that the combustion gas is discharged to the outside.

続いて、図7を参照しながら燃料電池セルユニット16(本発明においては燃料電池セルに相当する)について説明する。図7は、本実施形態の燃料電池セルユニット16を示す部分断面図である。   Next, the fuel cell unit 16 (corresponding to a fuel cell in the present invention) will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing the fuel cell unit 16 of the present embodiment.

図7に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84(本発明においては単セルに相当する)と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。   As shown in FIG. 7, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 (corresponding to a single cell in the present invention) and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84. And.

燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。   The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode layer 92, an inner electrode layer 90, and an outer side. An electrolyte layer 94 is provided between the electrode layer 92 and the electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セルユニット16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   Since the inner electrode terminals 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell unit 16 have the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

続いて、図8を参照しながら燃料電池セルスタック14について説明する。図8は、本発実施形態の燃料電池セルスタック14を示す斜視図である。   Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a perspective view showing the fuel cell stack 14 of the present embodiment.

図8に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、燃料ガスタンク上板68a及びセラミック製の上支持板100により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。   As shown in FIG. 8, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and the lower end side and the upper end side of these fuel cell units 16 are respectively made of a fuel gas tank upper plate 68 a and a ceramic product. It is supported by the upper support plate 100. The fuel gas tank upper plate 68a and the upper support plate 100 are formed with through holes through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と、隣接する燃料電池セルユニット16の空気極である外側電極層92の外周面とを電気的に接続するものである。   Furthermore, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 electrically connects the inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode and the outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is the air electrode of the adjacent fuel cell unit 16. To do.

さらに、燃料電池セルスタック14の端に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104に接続され、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Further, the external terminals 104 are connected to the inner electrode terminals 86 at the upper and lower ends of the two fuel cell units 16 located at the ends of the fuel cell stack 14. These external terminals 104 are connected to the external terminals 104 of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and all 160 fuel cell units 16 are connected in series. Yes.

続いて、図9に、上支持板100と燃料電池セルユニット16との接合関係を拡大して示す。図9に示すように、上支持板100には、各燃料電池セルユニット16の下流側端部である上端を挿入するための支持穴101が形成されている。支持穴101は、燃料電池セルユニット16側が拡径するテーパ状部分を有している。   Subsequently, FIG. 9 shows an enlarged connection relationship between the upper support plate 100 and the fuel cell unit 16. As shown in FIG. 9, the upper support plate 100 is formed with a support hole 101 for inserting the upper end, which is the downstream end of each fuel cell unit 16. The support hole 101 has a tapered portion whose diameter increases on the fuel cell unit 16 side.

燃料電池セルとしての燃料電池セルユニット16は、単セルとしての燃料電池セル84の両端に、キャップとしての内側電極端子86を取り付けて構成されている。キャップとしての内側電極端子86は、小径部86aと、大径部86bとを有している。支持穴101には、小径部86aが挿入される。大径部86bは、上支持板100の裏面に当接するストッパーとして機能している。   The fuel battery cell unit 16 as a fuel battery cell is configured by attaching inner electrode terminals 86 as caps to both ends of a fuel battery cell 84 as a single cell. The inner electrode terminal 86 as a cap has a small diameter portion 86a and a large diameter portion 86b. A small diameter portion 86 a is inserted into the support hole 101. The large diameter portion 86 b functions as a stopper that contacts the back surface of the upper support plate 100.

上述したように本実施形態では、上支持板100に、複数の燃料電池セルユニット16(燃料電池セル)それぞれの下流側端部を貫通させて支持する支持穴101が設けられており、その下流側端部は支持穴101を貫通して上支持板100から突出するように形成されている。更に、下流側端部と支持穴101との間は上支持板100が複数の燃料電池セルユニット16を支持した状態を維持しつつ相対的な移動を許容するように隙間が形成されている(図10参照)。   As described above, in the present embodiment, the upper support plate 100 is provided with the support hole 101 that supports the downstream end of each of the plurality of fuel cell units 16 (fuel cell) through the downstream side thereof. The side end portion is formed so as to protrude from the upper support plate 100 through the support hole 101. Further, a gap is formed between the downstream end and the support hole 101 so as to allow relative movement while maintaining the state where the upper support plate 100 supports the plurality of fuel cell units 16 ( (See FIG. 10).

本実施形態では、複数の燃料電池セルユニット16それぞれの下流側端部を支持する上支持板100に、下流側端部を貫通させる支持穴101を設け、支持穴101と下流側端部との間に隙間を形成しているので、上支持板100と燃料電池セルユニット16との相対的な移動を許容することができる。また、下流側端部は上支持板100から突出すると共に、下流側端部が上支持板100に支持された状態は維持されるので、燃料電池セルユニット16の内部流路を流れるガスが円滑に外部まで放出される流れを阻害することがない。従って、複数の燃料電池セルユニット16の不均一な伸びを許容しつつ、それら複数の燃料電池セルユニット16における燃料ガス又は酸化剤ガスの放出流路を確保するよう支持することが可能であって、且つ内部流路を流れるガスの流れも阻害しない燃料電池装置を提供することができる。   In this embodiment, the upper support plate 100 that supports the downstream end of each of the plurality of fuel cell units 16 is provided with a support hole 101 that penetrates the downstream end, and the support hole 101 and the downstream end are separated from each other. Since a gap is formed therebetween, relative movement between the upper support plate 100 and the fuel cell unit 16 can be allowed. Further, since the downstream end protrudes from the upper support plate 100 and the downstream end is supported by the upper support plate 100, the gas flowing through the internal flow path of the fuel cell unit 16 is smooth. The flow released to the outside is not obstructed. Accordingly, it is possible to support the fuel gas or oxidant gas discharge passages in the plurality of fuel cell units 16 while ensuring the non-uniform elongation of the plurality of fuel cell units 16. And the fuel cell apparatus which does not inhibit the flow of the gas which flows through an internal flow path can be provided.

燃料電池セルユニット16は、燃料極と空気極と電解質層とを有する単セルである燃料電池セル84と、単セルである燃料電池セル84の両端に設けられるキャップとしての内側電極端子86とを有する。   The fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 that is a single cell having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte layer, and inner electrode terminals 86 as caps provided at both ends of the fuel cell 84 that is a single cell. Have.

このように、単セルである燃料電池セル84の両端に設けられるキャップとしての内側電極端子86の一方が支持穴101と相対的に移動し、キャップとしての内側電極端子86の一部が支持穴101内を摺動するので、単セルである燃料電池セル84に無用な負荷をかけずその損傷を抑制することができる。   In this way, one of the inner electrode terminals 86 as caps provided at both ends of the fuel cell 84 which is a single cell moves relative to the support hole 101, and a part of the inner electrode terminal 86 as a cap moves to the support hole. Since it slides inside the fuel cell 101, it is possible to suppress damage without applying unnecessary load to the fuel cell 84 which is a single cell.

また、キャップとしての内側電極端子86は、支持穴101に挿通される小径部86aと、単セルである燃料電池セル84に嵌合され支持穴101の内径よりもその外径が大きな大径部86bとを有する。   The inner electrode terminal 86 as a cap has a small-diameter portion 86a inserted into the support hole 101 and a large-diameter portion fitted into the fuel cell 84 that is a single cell and having an outer diameter larger than the inner diameter of the support hole 101. 86b.

この好ましい態様では、キャップとしての内側電極端子86の小径部86aが支持穴101内を摺動することになるので、上支持板100を大型化させずに複数の燃料電池セルユニット16を支持することができる。また、支持穴101の内径よりもその外径が大きな大径部86bを備えているので、この大径部86bが上支持板100に当接することで、上支持板100と燃料電池セルユニット16との相対的な移動を許容しつつ、上支持板100を予め設定された高さ範囲内で支持し続けることができる。   In this preferred embodiment, the small diameter portion 86a of the inner electrode terminal 86 serving as a cap slides in the support hole 101, so that the plurality of fuel cell units 16 are supported without increasing the size of the upper support plate 100. be able to. In addition, since the large-diameter portion 86b whose outer diameter is larger than the inner diameter of the support hole 101 is provided, the large-diameter portion 86b contacts the upper support plate 100, so that the upper support plate 100 and the fuel cell unit 16 are in contact. The upper support plate 100 can be continuously supported within a preset height range while allowing relative movement between the upper support plate 100 and the upper support plate 100.

また、支持穴101は、大径部86bに臨む側が拡径するテーパ状部分を有する。   Further, the support hole 101 has a tapered portion whose diameter increases on the side facing the large diameter portion 86b.

このように、大径部86bに臨む側の支持穴101にテーパ状部分を形成しているので、その拡径した部分により大きな隙間が形成され、上支持板100と燃料電池セルユニット16との相対的な移動がより円滑に許容される。   As described above, since the tapered portion is formed in the support hole 101 on the side facing the large-diameter portion 86b, a large gap is formed by the enlarged diameter portion, and the upper support plate 100 and the fuel cell unit 16 are separated from each other. Relative movement is allowed more smoothly.

2:燃料電池モジュール(燃料電池装置)
10:発電室
12:燃料電池セル集合体
14:燃料電池セルスタック
16:燃料電池セルユニット(燃料電池セル)
18:燃焼室
20:改質器
21:整流板
21a:開口
22:熱交換器
30:固定部材
31:溶接部
56:ケーシング
56a:ケーシング底板
60:被改質ガス供給管
62:水供給管
66:燃料供給管
66a:下端側
68:燃料ガスタンク(ガスマニホールド)
68a:燃料ガスタンク上板
68b:燃料ガスタンク側板
70:燃焼ガス配管
72:発電用空気流路
74:発電用空気導入管
76:連絡流路
76a:出口ポート
77:発電用空気供給路
78a,78b:吹出口
82:燃焼ガス排出管
84:燃料電池セル(単セル)
86:内側電極端子
88:燃料ガス流路
90:内側電極層
90a:上部
90b:外周面
90c:上端面
92:外側電極層
94:電解質層
96:シール材
98:燃料ガス流路
100:上支持板
102:集電体
104:外部端子
2: Fuel cell module (fuel cell device)
10: Power generation chamber 12: Fuel cell assembly 14: Fuel cell stack 16: Fuel cell unit (fuel cell)
18: Combustion chamber 20: Reformer 21: Rectifying plate 21a: Opening 22: Heat exchanger 30: Fixed member 31: Welding part 56: Casing 56a: Casing bottom plate 60: Reformed gas supply pipe 62: Water supply pipe 66 : Fuel supply pipe 66a: Lower end side 68: Fuel gas tank (gas manifold)
68a: Fuel gas tank upper plate 68b: Fuel gas tank side plate 70: Combustion gas pipe 72: Power generation air flow path 74: Power generation air introduction pipe 76: Communication flow path 76a: Outlet port 77: Power generation air supply paths 78a, 78b: Air outlet 82: Combustion gas discharge pipe 84: Fuel cell (single cell)
86: Inner electrode terminal 88: Fuel gas channel 90: Inner electrode layer 90a: Upper part 90b: Outer peripheral surface 90c: Upper end surface 92: Outer electrode layer 94: Electrolyte layer 96: Sealing material 98: Fuel gas channel 100: Upper support Plate 102: Current collector 104: External terminal

Claims (4)

燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、
それぞれが内部に燃料ガス又は酸化剤ガスを通す内部流路を有し、互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルに燃料ガス又は酸化剤ガスが流入する上流側端部を支持し、前記燃料電池セルそれぞれに燃料ガス又は酸化剤ガスを分配して供給するガスマニホールドと、
前記複数の燃料電池セルから燃料ガス又は酸化剤ガスが流出する下流側端部を支持する支持板と、を備え、
前記支持板には、前記複数の燃料電池セルそれぞれの前記下流側端部を貫通させて支持する支持穴が設けられており、
前記下流側端部は前記支持穴を貫通して前記支持板から突出するように形成されると共に、前記下流側端部と前記支持穴との間は前記支持板が前記複数の燃料電池セルを支持した状態を維持しつつ相対的な移動を許容するように隙間が形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
A fuel cell device that generates power using fuel gas and oxidant gas,
A plurality of fuel cells each having an internal flow path through which fuel gas or oxidant gas passes and electrically connected to each other;
A gas manifold that supports an upstream end where fuel gas or oxidant gas flows into the plurality of fuel cells and distributes and supplies fuel gas or oxidant gas to each of the fuel cells;
A support plate for supporting a downstream end portion from which the fuel gas or oxidant gas flows out of the plurality of fuel cells, and
The support plate is provided with a support hole for supporting the downstream end of each of the plurality of fuel battery cells through the support plate,
The downstream end is formed so as to penetrate the support hole and protrude from the support plate, and the support plate includes the plurality of fuel cells between the downstream end and the support hole. A fuel cell device characterized in that a gap is formed so as to allow relative movement while maintaining a supported state.
前記燃料電池セルは、燃料極と空気極と電解質層とを有する単セルと、前記単セルの両端に設けられるキャップとを有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell includes a single cell having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte layer, and caps provided at both ends of the single cell. 前記キャップは、前記支持穴に挿通される小径部と、前記単セルに嵌合され前記支持穴の内径よりもその外径が大きな大径部とを有することを特徴とする請求項3記載の燃料電池装置。   The said cap has a small diameter part inserted in the said support hole, and a large diameter part which is fitted to the said single cell and whose outer diameter is larger than the internal diameter of the said support hole. Fuel cell device. 前記支持穴は、前記大径部に臨む側が拡径するテーパ状部分を有することを特徴とする請求項3記載の燃料電池装置。   4. The fuel cell device according to claim 3, wherein the support hole has a tapered portion whose diameter increases on the side facing the large diameter portion.
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