JP2014096276A - Fuel cell system and solid oxide fuel cell for use therein and cogeneration system using solid oxide fuel cell - Google Patents

Fuel cell system and solid oxide fuel cell for use therein and cogeneration system using solid oxide fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell in which thermal stress is reduced without increasing the electrical resistance of an electrode.SOLUTION: A solid oxide fuel cell comprises: a solid electrolyte; an inner electrode and a gas flow path provided in a region surrounded by the solid electrolyte; and an outer electrode provided on the outer surface of the solid electrolyte. The solid oxide fuel cell further includes a plurality of interconnectors connected electrically with the inner electrode and penetrating the solid electrolyte and the outer electrode. The inner electrode or the outer electrode between adjoining interconnectors is provided with a gap of inner electrode or outer electrode, and the gap is provided at the position of symmetric axis of adjoining interconnectors.

Description

本発明は、燃料電池システム及びこれに用いる固体酸化物形燃料電池並びに当該固体酸化物形燃料電池を用いたコージェネレーションシステムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, a solid oxide fuel cell used therefor, and a cogeneration system using the solid oxide fuel cell.

燃料電池は、電解質を挟むようにアノード(燃料極)及びカソード(空気極)を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。   The fuel cell includes an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) so as to sandwich an electrolyte. Fuel gas is supplied to the anode side, oxidant gas is supplied to the cathode side, and fuel and oxidant are supplied via the electrolyte. Is a power generation device that generates electricity by electrochemically reacting with.

燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質にイットリア(Y)や酸化ネオジム(Nd)のような酸化物イオン導電性を備えた固体酸化物材料を用い、燃料極にはLa(Sr)MnOやLa(Sr)CoOなどのペロブスカイト構造の酸化物材料を、 空気極にはNiと電解質材との多孔性サーメットを用いている。また、SOFCは、600〜1000℃の高温で動作する燃料電池であるため、排熱を利用して、ガスタービンなどとのハイブリッド化が可能であり、高い発電効率が期待できる。しかしながら、高温動作型であるため、熱応力によるセル構成要素の亀裂や剥離などの問題がある。特に、固体電解質に亀裂が発生すると、燃料ガスが空気極側に漏れ出し、燃焼するため、発電効率の著しい低下をもたらす。熱応力による亀裂や剥離の問題は、セルを構成する材料の熱膨張率の違いが大きな要因と考えられる。 A solid oxide fuel cell (SOFC), which is one type of fuel cell, is a solid having an oxide ion conductivity such as yttria (Y 2 O 3 ) or neodymium oxide (Nd 2 O 3 ) as an electrolyte. An oxide material is used, an oxide material having a perovskite structure such as La (Sr) MnO or La (Sr) CoO is used for the fuel electrode, and a porous cermet of Ni and an electrolyte material is used for the air electrode. Further, since the SOFC is a fuel cell that operates at a high temperature of 600 to 1000 ° C., it can be hybridized with a gas turbine or the like using exhaust heat, and high power generation efficiency can be expected. However, since it is a high-temperature operation type, there are problems such as cracking and peeling of cell components due to thermal stress. In particular, when a crack occurs in the solid electrolyte, the fuel gas leaks to the air electrode side and burns, resulting in a significant decrease in power generation efficiency. The problem of cracking and peeling due to thermal stress is considered to be largely due to the difference in the coefficient of thermal expansion of the materials constituting the cell.

この問題を解決するため、従来、第1電解質層と燃料極との間に第2電解質層を、第1電解質層と空気極との間に第3電解質層を配置した構成をとり、第2電解質層及び第3電解質層の曲げ強度を大きくすることで、熱応力に起因する亀裂(クラック)、割れ等の発生を抑制する技術(特許文献1)や、電極に微小な無数の亀裂を備え、この亀裂に電極よりも熱膨張率の低い中間材料を含浸し焼成することで、電極層としての有効面積を確保しつつ各構成材料の熱膨張率の違いに起因する亀裂や層間剥離の発生防止する技術(特許文献2)が提案されている。   In order to solve this problem, conventionally, the second electrolyte layer is disposed between the first electrolyte layer and the fuel electrode, and the third electrolyte layer is disposed between the first electrolyte layer and the air electrode. By increasing the bending strength of the electrolyte layer and the third electrolyte layer, a technique for suppressing the occurrence of cracks, cracks, etc. caused by thermal stress (Patent Document 1), and the electrodes are provided with a myriad of minute cracks. By impregnating and firing this crack with an intermediate material having a lower thermal expansion coefficient than that of the electrode, cracks and delamination occur due to differences in the thermal expansion coefficient of each constituent material while ensuring an effective area as the electrode layer The technique (patent document 2) to prevent is proposed.

特開2011−192483号公報JP 2011-192484 A 特開2007−18959号公報JP 2007-18959 A

特許文献1に記載のように電解質層を追加する手法は、電解質層の厚さが増加するため、イオン伝導率が低下し、性能低下の原因となる。   In the method of adding an electrolyte layer as described in Patent Document 1, the thickness of the electrolyte layer increases, so that the ionic conductivity is lowered and the performance is lowered.

また、特許文献2に記載の亀裂は、電気抵抗が増大する原因となり、性能低下のおそれがある。   In addition, the crack described in Patent Document 2 causes an increase in electrical resistance, and there is a risk of performance degradation.

本発明の目的は、電極の電気抵抗を増加することなく、熱応力を緩和した固体酸化物形燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell in which thermal stress is reduced without increasing the electrical resistance of an electrode.

本発明の固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、内側電極と電気的に接続され固体電解質及び外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合うインターコネクタの間の内側電極又は外側電極には、内側電極又は外側電極の隙間を設け、隙間は、隣り合うインターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする。   The solid oxide fuel cell of the present invention has a solid electrolyte, an inner electrode and a gas flow path provided in a region surrounded by the solid electrolyte, and an outer electrode provided on the outer surface of the solid electrolyte. A plurality of interconnectors that are electrically connected to the electrodes and pass through the solid electrolyte and the outer electrodes, and the inner electrode or the outer electrode between the adjacent interconnectors is provided with a gap between the inner electrode and the outer electrode. Is provided at the position of the axis of symmetry between adjacent interconnectors.

本発明によれば、電解質のイオン伝導率を低下させず、かつ、電極の電気抵抗の増加を伴うこともなく、熱応力に起因する亀裂や剥離等の発生を抑制することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of cracks and peeling due to thermal stress without reducing the ionic conductivity of the electrolyte and without increasing the electrical resistance of the electrode.

実施例の固体酸化物型燃料電池を示す上面図である。It is a top view which shows the solid oxide fuel cell of an Example. 図1AのA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 1A. スリットを設けない場合の電極内部の電流の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the electric current inside an electrode when not providing a slit. スリットを設ける位置を検討するための電流分布図である。It is an electric current distribution figure for examining the position which provides a slit. 他の実施例の固体酸化物型燃料電池を示す上面図である。It is a top view which shows the solid oxide fuel cell of another Example. 図3の固体酸化物型燃料電池の寸法を示す上面図である。FIG. 4 is a top view showing dimensions of the solid oxide fuel cell of FIG. 3. 図3の固体酸化物型燃料電池の寸法を示す正面図である。It is a front view which shows the dimension of the solid oxide fuel cell of FIG. 実施例の固体酸化物型燃料電池の構成および作製工程を示す上面図である。It is a top view which shows the structure and manufacturing process of the solid oxide fuel cell of an Example. 従来の固体酸化物型燃料電池を示す上面図である。It is a top view which shows the conventional solid oxide fuel cell. シミュレーションの対象とした固体酸化物型燃料電池の構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the solid oxide fuel cell made into the object of simulation. シミュレーションの結果である固体酸化物型燃料電池の温度分布を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution of the solid oxide fuel cell which is the result of simulation. スリットを設けない場合のシミュレーションの結果である固体酸化物型燃料電池の応力分布を示す図である。It is a figure which shows the stress distribution of the solid oxide fuel cell which is the result of the simulation when not providing a slit. スリットを設けた場合のシミュレーションの結果である固体酸化物型燃料電池の応力分布を示す図である。It is a figure which shows the stress distribution of the solid oxide fuel cell which is the result of the simulation at the time of providing a slit. 固体酸化物型燃料電池の変形例を示す上面図である。It is a top view which shows the modification of a solid oxide fuel cell. 固体酸化物型燃料電池の他の変形例を示す上面図である。It is a top view which shows the other modification of a solid oxide fuel cell. 固体酸化物型燃料電池システムに用いる燃料電池モジュールの例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the fuel cell module used for a solid oxide fuel cell system. 固体酸化物型燃料電池システムを用いたコージェネレーションシステムの例を示す模式構成図である。It is a schematic block diagram which shows the example of the cogeneration system using a solid oxide fuel cell system.

本発明は、電解質を有する燃料電池に係り、特に固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte, and more particularly to a solid oxide fuel cell.

本発明は、電解質(固体電解質)で形成された閉空間の内部に内側電極及びガス流路を有し、電解質の外面に外側電極及び内側電極と電気的に接続された複数のインターコネクタを有するセルを備えた固体酸化物形燃料電池において、内側電極又は外側電極に、インターコネクタ間の中央に位置する場所に隙間(スリット)を設け、スリット中に熱応力緩和材を設けたことを特徴とする。スリット中に設けた熱応力緩和材は、電極の熱伸びによる応力を抑制し、隣接する電解質への影響を緩和することができる。   The present invention has an inner electrode and a gas channel inside a closed space formed of an electrolyte (solid electrolyte), and has a plurality of interconnectors electrically connected to the outer electrode and the inner electrode on the outer surface of the electrolyte. In a solid oxide fuel cell having a cell, a gap (slit) is provided at a position located in the center between interconnectors on an inner electrode or an outer electrode, and a thermal stress relaxation material is provided in the slit. To do. The thermal stress relieving material provided in the slit can suppress the stress due to the thermal elongation of the electrode and can reduce the influence on the adjacent electrolyte.

本発明の燃料電池システムは、1個又は複数個の単セルである固体酸化物形燃料電池と、燃料供給配管と、空気供給配管とを備え、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、内側電極と電気的に接続され固体電解質及び外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合うインターコネクタの間の内側電極又は外側電極には、内側電極又は外側電極の隙間を設け、隙間は、隣り合うインターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする。   The fuel cell system of the present invention includes a solid oxide fuel cell that is one or a plurality of single cells, a fuel supply pipe, and an air supply pipe. The solid oxide fuel cell includes a solid electrolyte, An inner electrode and a gas flow path provided in a region surrounded by the solid electrolyte, and an outer electrode provided on the outer surface of the solid electrolyte, electrically connected to the inner electrode and penetrating the solid electrolyte and the outer electrode. Having a plurality of interconnectors, the inner electrode or the outer electrode between adjacent interconnectors is provided with a gap between the inner electrode and the outer electrode, and the gap is provided at the position of the symmetry axis of the adjacent interconnector. It is characterized by.

本発明のコージェネレーションシステムは、固体酸化物型燃料電池ユニットと、ガスタービンと、このガスタービンによって駆動する発電機とを備え、固体酸化物型燃料電池ユニットは、1個又は複数個の単セルである固体酸化物形燃料電池と、燃料供給配管と、空気供給配管とを備え、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、内側電極と電気的に接続され固体電解質及び外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合うインターコネクタの間の内側電極又は外側電極には、内側電極又は外側電極の隙間を設け、隙間は、隣り合うインターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする。   A cogeneration system of the present invention includes a solid oxide fuel cell unit, a gas turbine, and a generator driven by the gas turbine, and the solid oxide fuel cell unit includes one or a plurality of single cells. A solid oxide fuel cell, a fuel supply pipe, and an air supply pipe. The solid oxide fuel cell includes a solid electrolyte, an inner electrode provided in a region surrounded by the solid electrolyte, and a gas flow. A plurality of interconnectors that are electrically connected to the inner electrode and pass through the solid electrolyte and the outer electrode, between the adjacent interconnectors, and a path and an outer electrode provided on the outer surface of the solid electrolyte. The inner electrode or the outer electrode is provided with a gap between the inner electrode or the outer electrode, and the gap is provided at the position of the symmetry axis of the adjacent interconnector.

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1Aは、扁平円筒形状を有する固体酸化物型燃料電池(単セル)を模式的に示したものである。また、図1Bは、図1AのA−A断面図である。   FIG. 1A schematically shows a solid oxide fuel cell (single cell) having a flat cylindrical shape. Moreover, FIG. 1B is AA sectional drawing of FIG. 1A.

本図において、固体酸化物型燃料電池100(単セル)は、筒状(扁平筒形状)であり、内側のアノード101と、外側のカソード103と、これらの間に配置された固体電解質102とを含む。アノード101の内側は、燃料ガス流路120となっている。   In this figure, a solid oxide fuel cell 100 (single cell) has a cylindrical shape (flat cylindrical shape), an inner anode 101, an outer cathode 103, and a solid electrolyte 102 disposed therebetween. including. Inside the anode 101 is a fuel gas flow path 120.

アノード101には、インターコネクタ104が接続されている。インターコネクタ104は、固体電解質102及びカソード103に設けられている窓110を介して外部に露出するようになっている。インターコネクタ104は、アノード101の電流を取り出すための接続子である。インターコネクタ104とカソード103との間(窓110の隙間)には、これらが電気的に接続しないように絶縁材105が設置されている。   An interconnector 104 is connected to the anode 101. The interconnector 104 is exposed to the outside through a window 110 provided in the solid electrolyte 102 and the cathode 103. The interconnector 104 is a connector for taking out the current of the anode 101. An insulating material 105 is installed between the interconnector 104 and the cathode 103 (a gap between the windows 110) so that they are not electrically connected.

空気などの酸化剤ガスは、カソード103の外表面に供給される。酸化剤ガスは、カソード103で酸素イオンとなり、酸素イオンは、固体電解質102を通り抜け、アノード101で燃料である水素と反応し、電力を生成する。アノード101で生成された電力は、接続するインターコネクタ104を介して電流として取り出すことができる。   An oxidant gas such as air is supplied to the outer surface of the cathode 103. The oxidant gas becomes oxygen ions at the cathode 103, and the oxygen ions pass through the solid electrolyte 102 and react with hydrogen as a fuel at the anode 101 to generate electric power. The electric power generated by the anode 101 can be taken out as a current through the interconnector 104 to be connected.

本図においては、筒状の単セルの輪切りにする方向にカソード103の隙間106、107(以下、スリットとも呼ぶ。)を設け、この隙間106、107に熱応力緩和材が設置されている。隙間106、107は、電極の切れ目と呼ぶこともできる。   In this figure, gaps 106 and 107 (hereinafter also referred to as slits) of the cathode 103 are provided in the direction of cutting the cylindrical single cell, and a thermal stress relieving material is installed in the gaps 106 and 107. The gaps 106 and 107 can also be called electrode breaks.

なお、本図においては、セル形状を扁平筒形状としたが、本発明は、これに限定されるものではなく、平板形状、円筒形状、楕円形状、直方体形状、立方体形状等であってもよい。また、本図に示す単セルにおいては、内側にアノード101が、外側にカソード103が形成されているが、内側にカソード103が、外側にアノード101が形成された構成であってもよい。   In this figure, the cell shape is a flat cylindrical shape, but the present invention is not limited to this, and may be a flat plate shape, a cylindrical shape, an elliptical shape, a rectangular parallelepiped shape, a cubic shape, or the like. . In the single cell shown in this figure, the anode 101 is formed on the inner side and the cathode 103 is formed on the outer side. However, the cathode 103 may be formed on the inner side and the anode 101 may be formed on the outer side.

図2Aは、スリットを設けない場合の電極内部の電流の分布を示したものである。すなわち、アノード101における電流の向き及び大きさをベクトルで表し、部分的に拡大して示したものである。   FIG. 2A shows the current distribution inside the electrode when no slit is provided. In other words, the direction and magnitude of the current in the anode 101 is represented by a vector and partially enlarged.

本図から、アノード101とインターコネクタ104とが接触している部分の周辺部(近傍部)で電流量が大きくなっている(電流密度が低くなっている)ことがわかる。一方、隣り合うインターコネクタ104の間の領域の中央部は、電流量が小さくなっている。   From this figure, it can be seen that the current amount is large (the current density is low) in the peripheral portion (near portion) where the anode 101 and the interconnector 104 are in contact. On the other hand, the amount of current is small in the central portion of the region between the adjacent interconnectors 104.

拡大図においては、インターコネクタ104の長軸の端部が示されている。隣り合うインターコネクタ104の長軸の間の中央部(AとA’とを結ぶ線上)においては、電流の向きが当該長軸と平行になっている。一方、隣り合うインターコネクタ104の長軸の端部の間の中央部(BとB’とを結ぶ線上)においては、電流の流れを示すベクトルが点状となり、電流がほとんど流れていないことがわかる。   In the enlarged view, the end of the long axis of the interconnector 104 is shown. In the central portion (on the line connecting A and A ′) between the major axes of adjacent interconnectors 104, the direction of current is parallel to the major axis. On the other hand, in the central portion (on the line connecting B and B ′) between the long-axis ends of the adjacent interconnectors 104, the vector indicating the current flow is dotted, and almost no current flows. Recognize.

図2Bは、スリットを設ける位置を検討するための電流分布図である。電流分布は、図2Aと同様である。   FIG. 2B is a current distribution diagram for examining the position where the slit is provided. The current distribution is the same as in FIG. 2A.

図2Bにおいて、線分J、K、L及びMは、スリットを設ける位置の候補を示している。   In FIG. 2B, line segments J, K, L, and M indicate candidate positions for providing slits.

線分Jの位置においては、上述のように、電流の向きがインターコネクタ104の長軸と平行になっている。よって、線分Jの位置にスリットを設けたとしても、電流が阻害されることがなく、アノード101における電気抵抗値に影響を与えない。   At the position of the line segment J, the direction of the current is parallel to the major axis of the interconnector 104 as described above. Therefore, even if the slit is provided at the position of the line segment J, the current is not inhibited and the electric resistance value in the anode 101 is not affected.

線分Jは、隣り合う2個のインターコネクタ104(図中の上下)が線対称の位置にある場合における対称の軸の位置に重なっている。   The line segment J overlaps the position of the axis of symmetry when two adjacent interconnectors 104 (upper and lower in the figure) are in a line-symmetrical position.

線分Kの位置においては、上述のように、電流がほとんど流れていない。よって、線分Kの位置にスリットを設けたとしても、電流が阻害されることがなく、アノード101における電気抵抗値に影響を与えない。   At the position of the line segment K, almost no current flows as described above. Therefore, even if the slit is provided at the position of the line segment K, the current is not inhibited and the electric resistance value in the anode 101 is not affected.

線分Kは、隣り合う2個のインターコネクタ104(図中の左右)が線対称の位置にある場合における対称の軸の位置に重なっている。   The line segment K overlaps the position of the axis of symmetry when two adjacent interconnectors 104 (left and right in the figure) are in a line-symmetrical position.

これに対して、線分L及びMの位置にスリットを設けた場合、電流が阻害され、電気抵抗が上昇する。   On the other hand, when the slits are provided at the positions of the line segments L and M, the current is inhibited and the electric resistance is increased.

したがって、隣り合う2個のインターコネクタ104が線対称の位置にある場合、対称の軸(対称軸)の位置にスリットを設けることにより、アノード101における電気抵抗値の増加を抑制することができる。さらに、当該スリットに熱応力緩和材を充填することにより、電気抵抗値の増加を抑制するとともに、アノード、固体電解質、カソード等の熱膨張率の差異に起因する熱応力を緩和することができる。また、熱応力緩和材がなくても、本発明の効果を得ることはできる。   Therefore, when two adjacent interconnectors 104 are in a line-symmetrical position, an increase in the electrical resistance value in the anode 101 can be suppressed by providing a slit at the position of the symmetrical axis (symmetrical axis). Furthermore, by filling the slit with a thermal stress relaxation material, an increase in electrical resistance value can be suppressed, and thermal stress caused by differences in thermal expansion coefficients of the anode, the solid electrolyte, the cathode, and the like can be reduced. Moreover, even if there is no thermal stress relaxation material, the effect of the present invention can be obtained.

なお、図2A及び2Bからわかるように、当該対称軸の位置の近傍は、電流密度が低いため、厳密に当該対称軸の位置にスリットを設けた場合だけでなく、当該対称軸の位置の近傍にスリットを設けた場合もほぼ同様の効果を得ることができる。よって、当該対称軸の位置の近傍にスリットを設けた場合も、本発明の思想を実現したものということができる。   As can be seen from FIGS. 2A and 2B, since the current density is low in the vicinity of the position of the symmetry axis, not only when a slit is provided at the position of the symmetry axis but also in the vicinity of the position of the symmetry axis. A substantially similar effect can be obtained when a slit is provided in the case. Therefore, even when a slit is provided in the vicinity of the position of the symmetry axis, it can be said that the idea of the present invention has been realized.

図3は、他の実施例の固体酸化物型燃料電池を示す上面図である。   FIG. 3 is a top view showing a solid oxide fuel cell according to another embodiment.

本図において、固体酸化物型燃料電池200(単セル)は、筒状(扁平筒形状)であり、内側のアノード201と、外側のカソード203と、これらの間に配置された固体電解質202とを含む。   In this figure, a solid oxide fuel cell 200 (single cell) has a cylindrical shape (flat cylindrical shape), an inner anode 201, an outer cathode 203, and a solid electrolyte 202 disposed therebetween. including.

アノード201には、インターコネクタ204が接続されている。インターコネクタ204は、固体電解質202及びカソード203に設けられている窓206を介して外部に露出するようになっている。インターコネクタ204は、アノード201の電流を取り出すための接続子である。インターコネクタ204とカソード203との間(窓206の隙間)には、これらが電気的に接続しないように絶縁材205が設置されている。   An interconnector 204 is connected to the anode 201. The interconnector 204 is exposed to the outside through a window 206 provided in the solid electrolyte 202 and the cathode 203. The interconnector 204 is a connector for taking out the current of the anode 201. An insulating material 205 is installed between the interconnector 204 and the cathode 203 (a gap between the windows 206) so that they are not electrically connected.

本図においては、筒状の単セルの輪切りにする方向にカソード203の隙間207、208、209、210(スリット)が設けてある。これらの隙間207、208、209、210には、熱応力緩和材が設置されている。本実施例においては、隙間207、208、209、210の幅はそれぞれ0.5mmである。さらに、カソード203には、インターコネクタ204の長軸に平行な隙間211、212が設けてある。これらの隙間207、208、209、210(スリット)にも、熱応力緩和材が設置されている。本実施例においては、隙間211、212の幅はそれぞれ1.0mmである。   In this figure, gaps 207, 208, 209, and 210 (slits) of the cathode 203 are provided in a direction in which a cylindrical single cell is cut into rounds. In these gaps 207, 208, 209, 210, a thermal stress relaxation material is installed. In this embodiment, the widths of the gaps 207, 208, 209, and 210 are 0.5 mm, respectively. Further, the cathode 203 is provided with gaps 211 and 212 parallel to the major axis of the interconnector 204. Thermal stress relaxation materials are also installed in these gaps 207, 208, 209, and 210 (slits). In the present embodiment, the gaps 211 and 212 each have a width of 1.0 mm.

本実施例においては、内側のアノード201にも、インターコネクタ204の長軸に平行な隙間251、252(スリット)が設けてある。   In the present embodiment, the inner anode 201 is also provided with gaps 251 and 252 (slits) parallel to the long axis of the interconnector 204.

図4Aは、図3の固体酸化物型燃料電池の寸法を示す上面図である。また、図4Bは、実施例の固体酸化物型燃料電池の寸法を示す正面図である。   4A is a top view showing dimensions of the solid oxide fuel cell of FIG. FIG. 4B is a front view showing dimensions of the solid oxide fuel cell of the example.

図4Aに示すように、固体酸化物型燃料電池400の寸法は、幅57mm、長さ260mmである。また、固体酸化物型燃料電池400の厚さは、図4Bに示すように、2mmである。   As shown in FIG. 4A, the solid oxide fuel cell 400 has a width of 57 mm and a length of 260 mm. The thickness of the solid oxide fuel cell 400 is 2 mm as shown in FIG. 4B.

図4Aにおいて、符号401は、筒状に形成された内側のアノード411に沿って形成される燃料ガス流路の入口部であり、符号402は出口部である。   In FIG. 4A, reference numeral 401 denotes an inlet portion of the fuel gas flow path formed along the inner anode 411 formed in a cylindrical shape, and reference numeral 402 denotes an outlet portion.

燃料ガス流路と直交する一点鎖線B、Cは、スリットの設置位置であり、インターコネクタ404の長軸方向に隣り合うインターコネクタ404の対称の軸の位置に重なっている。入口部401及び出口部402の近くには、一点鎖線B、Cと平行に、それぞれ、一点鎖線A、Dの位置にスリットが設けてある。A−B間、B−C間及びC−D間の長さはそれぞれ、80.5mmである。   The alternate long and short dash lines B and C perpendicular to the fuel gas flow path are the slit installation positions, and overlap the positions of the symmetrical axes of the interconnectors 404 adjacent to each other in the major axis direction of the interconnectors 404. In the vicinity of the inlet portion 401 and the outlet portion 402, slits are provided in parallel with the alternate long and short dash lines B and C at the positions of alternate long and short dashed lines A and D, respectively. The length between A-B, B-C, and C-D is 80.5 mm, respectively.

一方、燃料ガス流路に沿って示された一点鎖線E、Fは、スリットの設置位置であり、隣り合うインターコネクタ404の対称の軸の位置に重なっている。一点鎖線E、Fで分けられた3つの領域の幅はそれぞれ、19.0mmである。   On the other hand, alternate long and short dash lines E and F shown along the fuel gas flow path are the positions where the slits are installed, and overlap the positions of the symmetrical axes of the adjacent interconnectors 404. The widths of the three regions separated by the alternate long and short dash lines E and F are each 19.0 mm.

上記のスリットには、熱応力緩和材を設けることが望ましい。これにより、電流を妨げることなく、電気抵抗の上昇を抑制することができる。   It is desirable to provide a thermal stress relaxation material in the slit. Thereby, an increase in electrical resistance can be suppressed without disturbing the current.

図5は、図3の固体酸化物型燃料電池の構成及び作製工程を示したものである。   FIG. 5 shows the configuration and manufacturing process of the solid oxide fuel cell of FIG.

固体酸化物型燃料電池は、筒状の固体電解質内側に設置される内側電極または内側流路に設置される多孔質体を支持体とする。   A solid oxide fuel cell uses an inner electrode installed inside a cylindrical solid electrolyte or a porous body installed in an inner channel as a support.

以下、図5に従って説明する。   Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

固体電解質内側に設置される内側流路501は、内側電極の中空部又は多孔質層である。   The inner flow path 501 installed inside the solid electrolyte is a hollow portion or a porous layer of the inner electrode.

多孔質層とした場合、材料としては、窒化ケイ素(Si)、炭化ケイ素(SiC)、ジルコニア(ZrO)、アルミナ(Al)、ムライト(3Al・SiO)、コーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)などの耐熱衝撃性に優れたファインセラミックスを用いる。この材料は、支持体としての強度を持つため、気孔率が30%〜95%であることが望ましい。ここでは、支持基板としての機能を持たせるため、厚さ1.9mm、幅75mm、長さ260mmの窒化ケイ素セラミックス多孔体を用いた。 In the case of a porous layer, materials include silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon carbide (SiC), zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), mullite (3Al 2 O 3 .SiO 2 ). , using excellent fine ceramics in thermal shock resistance, such as cordierite (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2). Since this material has strength as a support, the porosity is desirably 30% to 95%. Here, a silicon nitride ceramic porous body having a thickness of 1.9 mm, a width of 75 mm, and a length of 260 mm was used in order to provide a function as a support substrate.

ステップ1においては、窒化ケイ素セラミックス粉末に焼結助剤を添加・混合し、焼却可能な短繊維の気孔形成材の粉体を加え、水系泥しょう鋳込みにより成型体を作製し、不活性ガス下で加熱し、分散した短繊維を焼却除去することにより、窒化ケイ素セラミックス多孔体である内側流路501を得た。窒化ケイ素セラミックス多孔体は、繊維状の貫通気孔及び所定の強度を有し、その気孔率は85%である。   In step 1, a sintering aid is added to and mixed with silicon nitride ceramic powder, incinerated short fiber pore-forming material powder is added, and a molded body is produced by water-based slurry casting. The inner flow path 501 which is a silicon nitride ceramic porous body was obtained by heating and removing the dispersed short fibers by incineration. The silicon nitride ceramic porous body has a fibrous through-hole and a predetermined strength, and its porosity is 85%.

次に、ステップ2においては、内側流路501の周囲に、スリット中に熱応力緩和材を設置したアノード層502を作製した。   Next, in Step 2, an anode layer 502 in which a thermal stress relaxation material was installed in the slit around the inner flow path 501 was produced.

アノード層502は、Niとセラミック材料とのコンポジット材料(Ni−ScSZサーメット)を有する複合電極である。図4の説明で述べたスリット設置に従い、流路方向(長軸方向)に幅0.5mm、長軸に直交する方向に幅1mmのスリットが構成されるように、スリット形状の施されたマスクを用いてスクリーン印刷を行った。これにより、スラリー状に加工したアノード構成材料を厚さ50μmになるように内側流路501の周囲に形成した。その後、スリットの部分(凹部)に、固体電解質202と同じ材料、例えばイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)のスラリー状の固体電解質構成材料を熱応力緩和材として設置し、内側流路501の周囲に、スリット中に熱応力緩和材を設置したアノード層502を作製した。   The anode layer 502 is a composite electrode having a composite material (Ni—ScSZ cermet) of Ni and a ceramic material. In accordance with the slit installation described in the description of FIG. 4, a slit-shaped mask is formed so that a slit having a width of 0.5 mm in the flow channel direction (long axis direction) and a width of 1 mm in the direction orthogonal to the long axis is formed. Was used for screen printing. Thereby, the anode constituent material processed into a slurry was formed around the inner flow path 501 so as to have a thickness of 50 μm. Thereafter, the same material as the solid electrolyte 202, for example, a slurry-like solid electrolyte constituent material of yttrium-stabilized zirconia (YSZ) is installed as a thermal stress relaxation material in the slit portion (concave portion), and around the inner flow path 501, An anode layer 502 in which a thermal stress relaxation material was installed in the slit was produced.

ここで、熱応力緩和材には、熱膨張係数が10×10−6以下(有効数字2桁)の低熱膨張セラミックス、例えばコーディエライト、チタン酸アルミニウム、リン酸ジルコニウムなども用いてもよい。また、内側流路501に用いた孔質層と同じ材料である、例えば窒化ケイ素セラミックス多孔体であってもよい。また、熱応力緩和材は、TiN‐WC系サーメット、Cr−Ni−W系サーメット、Al系サーメットなど、高温で耐酸化性が強いサーメット材でもよく、また、これらのサーメットでコーティングされたセラミックス材でもよい。また、これらの材料の多孔質材を用いてもよく、気孔率制御によりヤング率を100×10N/m以下の値(有効数字2桁)に設定することにより、弾力性を持たせ、熱ひずみを吸収しやすくしてもよい。 Here, as the thermal stress relaxation material, low thermal expansion ceramics having a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 or less (2 significant digits), for example, cordierite, aluminum titanate, zirconium phosphate, or the like may be used. Further, it may be the same material as the porous layer used for the inner channel 501, for example, a silicon nitride ceramic porous body. The thermal stress relaxation material may be a cermet material having high oxidation resistance at high temperatures, such as TiN-WC cermet, Cr 3 C 2 -Ni-W cermet, Al 2 O 3 cermet, and these cermets. Ceramic material coated with In addition, porous materials of these materials may be used. By setting the Young's modulus to a value of 100 × 10 9 N / m 2 or less (2 significant digits) by controlling the porosity, elasticity is given. The thermal strain may be easily absorbed.

次に、ステップ3においては、アノード層502の周囲に固体電解質層503を形成した。この固体電解質層503は、厚さ10μmのイットリア(Y)や酸化ネオジウム(Nd)のような酸化物イオン導電性を有する固体酸化物材料のスラリー状の固体電解質構成材料を用い、インターコネクタを設置するための窓が空いた形状のマスクを用いたスクリーン印刷法により形成した。その後、温度1400℃、所定時間(例えば、1時間)高温状態に保持し、焼結を行うことにより、アノード層502と固体電解質層503との積層焼結体を得た。 Next, in Step 3, a solid electrolyte layer 503 was formed around the anode layer 502. This solid electrolyte layer 503 is a slurry-like solid electrolyte constituent material of a solid oxide material having oxide ion conductivity such as yttria (Y 2 O 3 ) or neodymium oxide (Nd 2 O 3 ) having a thickness of 10 μm. It was formed by a screen printing method using a mask having a shape in which a window for installing an interconnector was opened. Thereafter, the laminate was sintered at a temperature of 1400 ° C. for a predetermined time (for example, 1 hour) and sintered to obtain a laminated sintered body of the anode layer 502 and the solid electrolyte layer 503.

ステップ4においては、アノード層502と同様に、ステップ3で作製したアノード層502と固体電解質層503の積層焼結体の周囲に、スリット中に熱応力緩和材を設置したカソード層504を作製した。   In Step 4, as in the anode layer 502, a cathode layer 504 in which a thermal stress relaxation material was installed in the slit around the laminated sintered body of the anode layer 502 and the solid electrolyte layer 503 produced in Step 3 was produced. .

カソード層504には、La(Sr)MnOやLa(Sr)CoOなどのペロブスカイト構造の酸化物材料を用いた。図4の説明で述べたスリット設置に従い、流路方向(長軸方向)に幅0.5mm、長軸に直交する方向に幅1mmのスリットが構成されるように、スリット形状及びインターコネクタを設置するための窓が空いた形状からなるマスクを用いたスクリーン印刷を行った。これにより、スラリー状に加工したカソード構成材料を厚さ50μmになるようにステップ3で作製した積層焼結体の周囲に形成した。これを温度1200℃、所定時間(例えば、1時間)高温状態に保持し、焼結を行うことにより、カソード層504の積層焼結体を得た。   For the cathode layer 504, an oxide material having a perovskite structure such as La (Sr) MnO or La (Sr) CoO was used. In accordance with the slit installation described in the explanation of FIG. 4, the slit shape and the interconnector are installed so that a slit having a width of 0.5 mm in the flow path direction (long axis direction) and a width of 1 mm in the direction orthogonal to the long axis is configured. Screen printing was performed using a mask having a shape in which a window for opening the window was opened. Thereby, the cathode constituent material processed into a slurry was formed around the laminated sintered body produced in Step 3 so as to have a thickness of 50 μm. This was held at a high temperature of 1200 ° C. for a predetermined time (for example, 1 hour) and sintered to obtain a laminated sintered body of the cathode layer 504.

ステップ5においては、Fe−22Crを主成分としたフェライト系合金、SrTiO系ぺロブスカイト材又はランタンクロマイド材からなるインターコネクタ及びアルミナ(Al)、シリカ(SiO)又はカルシア(CaO)を主成分とする結晶化ガラス材からなる絶縁材を配置し、温度950℃、所定時間(例えば、1時間)高温状態に保持し、絶縁材を結晶化させ、窓の隙間に密着させ、固体酸化物型燃料電池505を得た。 In Step 5, an interconnector made of a Fe-22Cr-based ferritic alloy, a SrTiO 3 perovskite material or a lanthanum chromide material, and alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ) or calcia (CaO). ) Is formed of a crystallized glass material having a main component, and is maintained at a high temperature state at a temperature of 950 ° C. for a predetermined time (for example, 1 hour) to crystallize the insulating material and closely adhere to a gap between windows, A solid oxide fuel cell 505 was obtained.

次に、数値シミュレーションを用いた解析により、本発明の効果を検討する。   Next, the effect of the present invention will be examined by analysis using numerical simulation.

解析の対象は、図3の固体酸化物型燃料電池200である。また、発明の効果を明らかにするため、アノード201及びカソード203にスリットを設けず、かつ、熱応力緩和材を設置しない、すなわち熱応力緩和手段を持たない場合である図6の固体酸化物型燃料電池600の場合についても、同じ条件のもとで数値シミュレーションによる解析を実施した。   The object of analysis is the solid oxide fuel cell 200 of FIG. Further, in order to clarify the effect of the invention, the solid oxide type of FIG. 6 is a case where no slit is provided in the anode 201 and the cathode 203 and no thermal stress relaxation material is provided, that is, no thermal stress relaxation means is provided. In the case of the fuel cell 600, analysis by numerical simulation was performed under the same conditions.

数値シミュレーションには、市販のシミュレータソフトであるANSYS社の熱流体解析プログラムFLUENT及び構造解析プログラムMECHANICALを用いた。   For the numerical simulation, a commercially available simulator software, a thermal fluid analysis program FLUENT manufactured by ANSYS and a structure analysis program MECHANICAL were used.

表1は、固体酸化物型燃料電池に用いる材料の物性値を示したものである。   Table 1 shows physical property values of materials used for the solid oxide fuel cell.

熱応力緩和材は、スリットを設けた場合にスリット内(スリットの凹部)に充填するものである。ここでは、電極の熱膨張係数より小さい固体電解質と同じ材料を用いた。熱膨張係数の小さい材料を電極中のスリットに配置することにより、電極の熱膨張による歪みを低減し、隣接する固体電解質への引張り応力を低減することができる。   The thermal stress relieving material fills the slit (the concave portion of the slit) when the slit is provided. Here, the same material as the solid electrolyte smaller than the thermal expansion coefficient of the electrode was used. By disposing a material having a small coefficient of thermal expansion in the slit in the electrode, distortion due to thermal expansion of the electrode can be reduced, and tensile stress to the adjacent solid electrolyte can be reduced.

Figure 2014096276
Figure 2014096276

数値シミュレーションにおける解析条件は、次のとおりである。   The analysis conditions in the numerical simulation are as follows.

運転電流密度は0.6A/cmとし、燃料ガスは水素及び窒素の混合ガスとし、酸化剤ガスは空気とした。燃料利用率は90%とし、酸素利用率は20%とし、燃料ガス及び空気の入口温度は700℃とした。 The operating current density was 0.6 A / cm 2 , the fuel gas was a mixed gas of hydrogen and nitrogen, and the oxidant gas was air. The fuel utilization rate was 90%, the oxygen utilization rate was 20%, and the inlet temperature of the fuel gas and air was 700 ° C.

図7Aに示すように、固体酸化物型燃料電池801に流入する燃料ガスと空気とは対向流とした。壁面は断熱と仮定した。   As shown in FIG. 7A, the fuel gas and the air flowing into the solid oxide fuel cell 801 are opposed to each other. The wall was assumed to be insulated.

まず、熱流体解析プログラムFLUENTを用いて固体酸化物型燃料電池801の温度を解析した。   First, the temperature of the solid oxide fuel cell 801 was analyzed using the thermal fluid analysis program FLUENT.

図7Bは、図6の固体酸化物型燃料電池600の解析結果であり、固体酸化物型燃料電池600の温度分布を示したものである。   FIG. 7B is an analysis result of the solid oxide fuel cell 600 of FIG. 6 and shows the temperature distribution of the solid oxide fuel cell 600.

図7Bから、燃料ガス流路の上流側の温度が約1000℃に達していることがわかる。   From FIG. 7B, it can be seen that the temperature on the upstream side of the fuel gas channel reaches about 1000 ° C.

この温度分布に基づいて、構造解析プログラムMECHANICALを用いて、固体酸化物型燃料電池に生じる熱応力を計算した。   Based on this temperature distribution, the structural stress analysis program MECHANICAL was used to calculate the thermal stress generated in the solid oxide fuel cell.

図7Cは、スリットを設けていない図6の固体酸化物型燃料電池600における固体電解質部分の応力分布を示したものである。また、図7Dは、スリットを設け、そのスリットに熱応力緩和材を充填した構成を有する図3の固体酸化物型燃料電池200における固体電解質部分の応力分布を示したものである。   FIG. 7C shows the stress distribution of the solid electrolyte portion in the solid oxide fuel cell 600 of FIG. 6 in which no slit is provided. FIG. 7D shows the stress distribution of the solid electrolyte portion in the solid oxide fuel cell 200 of FIG. 3 having a configuration in which a slit is provided and the slit is filled with a thermal stress relaxation material.

本数値シミュレーションを用いた解析の結果、図3の固体酸化物型燃料電池200(スリットあり)においては、最大応力が478MPaであった。一方、図6の固体酸化物型燃料電池600(スリットなし)においては、最大応力が508MPaであった。よって、スリット及び熱応力緩和材を設けたことにより、本発明の効果として、約6%熱応力を低減できることがわかった。   As a result of analysis using this numerical simulation, the maximum stress was 478 MPa in the solid oxide fuel cell 200 (with slits) in FIG. On the other hand, in the solid oxide fuel cell 600 (without slits) shown in FIG. 6, the maximum stress was 508 MPa. Therefore, it was found that by providing the slit and the thermal stress relaxation material, the thermal stress can be reduced by about 6% as an effect of the present invention.

図8は、固体酸化物型燃料電池の変形例を示す上面図である。   FIG. 8 is a top view showing a modification of the solid oxide fuel cell.

固体酸化物型燃料電池900は、図1Aの固体酸化物型燃料電池100において、燃料ガス入口902に近い部分901にインターコネクタ911よりも長軸の短いインターコネクタ912を設け、隣り合うインターコネクタ912の間に、長軸に直交するスリット913を配置したものである。スリット913(隙間)の幅は、1.2mmにし、他のスリット914の幅より5〜20%ほど広くしてある。これにより、燃料ガス入口902に近い部分901について、スリット913及びスリット913の凹部に充填する熱応力緩和材を多くすることができる。   In the solid oxide fuel cell 900, in the solid oxide fuel cell 100 of FIG. 1A, an interconnector 912 having a longer axis than the interconnector 911 is provided in a portion 901 near the fuel gas inlet 902, and adjacent interconnectors 912 are provided. A slit 913 perpendicular to the major axis is disposed between the two. The width of the slit 913 (gap) is 1.2 mm, which is 5 to 20% wider than the widths of the other slits 914. Thereby, about the part 901 near the fuel gas inlet 902, the thermal stress relaxation material with which the recessed part of the slit 913 and the slit 913 is filled can be increased.

図7B〜7Dに示す解析結果から、燃料ガス入口902に近い部分901においては、セル温度が高くなり、固体電解質の熱応力が大きくなることがわかる。したがって、部分901に設けるインターコネクタを細かく分割し、スリット913及び熱応力緩和材の設置を増やすことにより、熱応力に対する抑制効果を大きくすることができる。   From the analysis results shown in FIGS. 7B to 7D, it can be seen that in the portion 901 close to the fuel gas inlet 902, the cell temperature increases and the thermal stress of the solid electrolyte increases. Therefore, the effect of suppressing thermal stress can be increased by finely dividing the interconnector provided in the portion 901 and increasing the number of slits 913 and thermal stress relaxation materials.

図9は、固体酸化物型燃料電池の他の変形例を示す上面図である。   FIG. 9 is a top view showing another modification of the solid oxide fuel cell.

本図において、固体酸化物型燃料電池1000は、図1Aに示す固体酸化物型燃料電池100のインターコネクタ104の配置を基準とすると、長軸に直交する方向に隣り合うインターコネクタ1004を長軸方向にずらした位置に配置し、屈曲した隙間1001及び1002を設けたものである。これにより、熱応力緩和材を設置できる領域(面積)が増え、熱応力を抑制する効果を大きくすることができる。   In this figure, the solid oxide fuel cell 1000 has a long axis extending from an interconnector 1004 adjacent in the direction perpendicular to the long axis, with reference to the arrangement of the interconnector 104 of the solid oxide fuel cell 100 shown in FIG. 1A. The gaps 1001 and 1002 are arranged at positions shifted in the direction and bent. Thereby, the area | region (area) which can install a thermal stress relaxation material increases, and the effect which suppresses a thermal stress can be enlarged.

なお、これらの隙間1001及び1002は、固体酸化物型燃料電池1000の裏面に設けた隙間と重ならないようにすることが望ましい。隙間に沿って固体酸化物型燃料電池1000全体が破断することを防止するためである。   It is desirable that these gaps 1001 and 1002 do not overlap with the gaps provided on the back surface of the solid oxide fuel cell 1000. This is to prevent the entire solid oxide fuel cell 1000 from breaking along the gap.

図10は、固体酸化物型燃料電池システム(固体酸化物型燃料電池ユニット)に用いる燃料電池モジュールの例を示す断面図である。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a fuel cell module used in a solid oxide fuel cell system (solid oxide fuel cell unit).

本図に示す燃料電池モジュール1100は、4個の固体酸化物型燃料電池1101(単セル)を直列に接続し、これらを2列並列に接続したものである。燃料電池モジュール1100は、コレクタ1102、1103によって挟み込まれ、容器1104に封入されている。   The fuel cell module 1100 shown in the figure is formed by connecting four solid oxide fuel cells 1101 (single cells) in series and connecting these in parallel in two rows. The fuel cell module 1100 is sandwiched between collectors 1102 and 1103 and enclosed in a container 1104.

本図においては、計8個の固体酸化物型燃料電池1101によって燃料電池モジュール1100を構成したが、これに限定されるものではない。1個の固体酸化物型燃料電池で燃料電池モジュールを構成してもよい。   In this figure, the fuel cell module 1100 is constituted by a total of eight solid oxide fuel cells 1101, but the present invention is not limited to this. A fuel cell module may be constituted by one solid oxide fuel cell.

図11は、固体酸化物型燃料電池ユニットを用いたコージェネレーションシステムの例を示す模式構成図である。   FIG. 11 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a cogeneration system using a solid oxide fuel cell unit.

本図において、コージェネレーションシステム1200は、圧縮機1202と、固体酸化物型燃料電池ユニット1204と、ガスタービン1206と、発電機1207とを備えている。   In this figure, the cogeneration system 1200 includes a compressor 1202, a solid oxide fuel cell unit 1204, a gas turbine 1206, and a generator 1207.

圧縮機1202は、ガスタービン1206と同軸で回転する構成である。ガスタービン1206が回転することにより、発電機1207及び圧縮機1202が駆動する。圧縮機1202は、配管1201から外気(空気)を吸引し、配管1203を介して固体酸化物型燃料電池ユニット1204に高圧の空気を送り込むようになっている。空気の圧力が高いほど、固体酸化物型燃料電池ユニット1204の効率が向上する。   The compressor 1202 is configured to rotate coaxially with the gas turbine 1206. The generator 1207 and the compressor 1202 are driven by the rotation of the gas turbine 1206. The compressor 1202 sucks outside air (air) from the pipe 1201 and sends high-pressure air to the solid oxide fuel cell unit 1204 through the pipe 1203. The higher the air pressure, the more efficient the solid oxide fuel cell unit 1204 is.

また、固体酸化物型燃料電池ユニット1204には、配管1205を介して燃料ガスが供給され、この燃料ガスと空気との反応により電気を発生する。固体酸化物型燃料電池ユニット1204で発生した高圧の排気ガスは、ガスタービン1206に送られ、ガスタービン1206を駆動する。ガスタービン1206を通過した排気ガスは、配管1208を介して大気中に排出される。   Further, fuel gas is supplied to the solid oxide fuel cell unit 1204 via a pipe 1205, and electricity is generated by a reaction between the fuel gas and air. The high-pressure exhaust gas generated in the solid oxide fuel cell unit 1204 is sent to the gas turbine 1206 to drive the gas turbine 1206. Exhaust gas that has passed through the gas turbine 1206 is discharged into the atmosphere via a pipe 1208.

なお、図示していないが、ガスタービン1206を通過した排気ガスの熱により水を加熱して水蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動することにより、更に発電することもできる。   Although not shown in the drawing, it is possible to further generate power by heating the water with the heat of the exhaust gas that has passed through the gas turbine 1206 to generate water vapor and driving the steam turbine.

コージェネレーションシステム1200の構成は、本図に示すものに限定されるものではなく、種々の組み合わせに適用し得る。   The configuration of the cogeneration system 1200 is not limited to that shown in the figure, and can be applied to various combinations.

100、1101:固体酸化物型燃料電池、101:アノード、102:固体電解質、103:カソード、104:インターコネクタ、105:絶縁材、106、107、207、208、209、210、211、212:隙間、110:窓、120:燃料ガス流路、1100:燃料電池モジュール、1102、1103:コレクタ、1104:容器、1200:コージェネレーションシステム、1202:圧縮機、1204:固体酸化物型燃料電池ユニット、1206:ガスタービン、1207:発電機。   100, 1101: Solid oxide fuel cell, 101: Anode, 102: Solid electrolyte, 103: Cathode, 104: Interconnector, 105: Insulating material, 106, 107, 207, 208, 209, 210, 211, 212: Gap, 110: Window, 120: Fuel gas flow path, 1100: Fuel cell module, 1102, 1103: Collector, 1104: Container, 1200: Cogeneration system, 1202: Compressor, 1204: Solid oxide fuel cell unit, 1206: Gas turbine, 1207: Generator.

Claims (16)

1個又は複数個の単セルである固体酸化物形燃料電池と、燃料供給配管と、空気供給配管とを備え、前記固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、前記固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、前記固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、前記内側電極と電気的に接続され前記固体電解質及び前記外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合う前記インターコネクタの間の前記内側電極又は前記外側電極には、前記内側電極又は前記外側電極の隙間を設け、前記隙間は、隣り合う前記インターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする燃料電池システム。   A solid oxide fuel cell that is one or a plurality of single cells, a fuel supply pipe, and an air supply pipe, the solid oxide fuel cell being surrounded by a solid electrolyte and the solid electrolyte A plurality of inner electrodes and gas passages provided in the region and outer electrodes provided on the outer surface of the solid electrolyte, and electrically connected to the inner electrode and penetrating the solid electrolyte and the outer electrode; The inner electrode or the outer electrode between the adjacent interconnectors is provided with a gap between the inner electrode or the outer electrode, and the gap is a symmetrical axis of the adjacent interconnector. A fuel cell system provided at a position. 前記隙間には、熱応力緩和材を設置したことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein a thermal stress relaxation material is installed in the gap. 前記熱応力緩和材は、熱膨張係数が10×10−6以下若しくはヤング率が100×10N/m以下のいずれか又は両方を満たす材料で形成されていることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 The thermal stress relaxation material is formed of a material satisfying one or both of a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 or less and a Young's modulus of 100 × 10 9 N / m 2 or less. 3. The fuel cell system according to 2. 前記隙間のうち少なくとも燃料ガスの入口に最も近いものの幅は、他の前記隙間の幅に比べ5〜20%広いことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the width of at least the gap closest to the fuel gas inlet is 5 to 20% wider than the width of the other gap. 前記固体酸化物形燃料電池は、扁平筒形状であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell has a flat cylindrical shape. 固体電解質と、前記固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、前記固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、前記内側電極と電気的に接続され前記固体電解質及び前記外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合う前記インターコネクタの間の前記内側電極又は前記外側電極には、前記内側電極又は前記外側電極の隙間を設け、前記隙間は、隣り合う前記インターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。   A solid electrolyte, an inner electrode and a gas flow path provided in a region surrounded by the solid electrolyte, and an outer electrode provided on an outer surface of the solid electrolyte, and electrically connected to the inner electrode A plurality of interconnectors penetrating the solid electrolyte and the outer electrode, and the inner electrode or the outer electrode between the adjacent interconnectors is provided with a gap between the inner electrode or the outer electrode, and the gap Is provided at the position of the axis of symmetry of the adjacent interconnectors. 前記隙間には、熱応力緩和材を設置したことを特徴とする請求項6記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein a thermal stress relaxation material is installed in the gap. 前記熱応力緩和材は、熱膨張係数が10×10−6以下若しくはヤング率が100×10N/m以下のいずれか又は両方を満たす材料で形成されていることを特徴とする請求項7記載の固体酸化物形燃料電池。 The thermal stress relaxation material is formed of a material satisfying one or both of a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 or less and a Young's modulus of 100 × 10 9 N / m 2 or less. 8. The solid oxide fuel cell according to 7. 前記隙間のうち少なくとも燃料ガスの入口に最も近いものの幅は、他の前記隙間の幅に比べ5〜20%広いことを特徴とする請求項6記載の固体酸化物形燃料電池。   7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the width of at least the gap closest to the fuel gas inlet is 5 to 20% wider than the width of the other gap. 全体の形状が扁平筒形状であることを特徴とする請求項6記載の固体酸化物形燃料電池。   7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the overall shape is a flat cylindrical shape. 固体酸化物型燃料電池ユニットと、ガスタービンと、このガスタービンによって駆動する発電機とを備え、固体酸化物型燃料電池ユニットは、1個又は複数個の単セルである固体酸化物形燃料電池と、燃料供給配管と、空気供給配管とを備え、前記固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、前記固体電解質に囲まれた領域に設けられた内側電極及び気体流路と、前記固体電解質の外面に設けられた外側電極とを有し、前記内側電極と電気的に接続され前記固体電解質及び前記外側電極を貫通する複数個のインターコネクタを有し、隣り合う前記インターコネクタの間の前記内側電極又は前記外側電極には、前記内側電極又は前記外側電極の隙間を設け、前記隙間は、隣り合う前記インターコネクタの対称軸の位置に設けたことを特徴とするコージェネレーションシステム。   A solid oxide fuel cell unit comprising a solid oxide fuel cell unit, a gas turbine, and a generator driven by the gas turbine, wherein the solid oxide fuel cell unit is one or a plurality of single cells. The solid oxide fuel cell includes a solid electrolyte, an inner electrode and a gas flow path provided in a region surrounded by the solid electrolyte, and the solid electrolyte. A plurality of interconnectors that are electrically connected to the inner electrode and pass through the solid electrolyte and the outer electrode, and between the adjacent interconnectors. The inner electrode or the outer electrode is provided with a gap between the inner electrode or the outer electrode, and the gap is provided at the position of the axis of symmetry of the adjacent interconnector. Generation system. さらに、圧縮機を備えたことを特徴とする請求項11記載のコージェネレーションシステム。   The cogeneration system according to claim 11, further comprising a compressor. 前記隙間には、熱応力緩和材を設置したことを特徴とする請求項11記載のコージェネレーションシステム。   The cogeneration system according to claim 11, wherein a thermal stress relaxation material is installed in the gap. 前記熱応力緩和材は、熱膨張係数が10×10−6以下若しくはヤング率が100×10N/m以下のいずれか又は両方を満たす材料で形成されていることを特徴とする請求項13記載のコージェネレーションシステム。 The thermal stress relaxation material is formed of a material satisfying one or both of a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 or less and a Young's modulus of 100 × 10 9 N / m 2 or less. 13. The cogeneration system according to 13. 前記隙間のうち少なくとも燃料ガスの入口に最も近いものの幅は、他の前記隙間の幅に比べ5〜20%広いことを特徴とする請求項11記載のコージェネレーションシステム。   12. The cogeneration system according to claim 11, wherein the width of at least the gap closest to the fuel gas inlet is 5 to 20% wider than the width of the other gap. 前記固体酸化物形燃料電池は、扁平筒形状であることを特徴とする請求項11記載のコージェネレーションシステム。   12. The cogeneration system according to claim 11, wherein the solid oxide fuel cell has a flat cylindrical shape.
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