JP2016207270A - Fuel cell stack and power generation module - Google Patents

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貴志 大川
Takashi Okawa
貴志 大川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress gas leakage which occurs when contact pressure in a surface direction varies due to the difference in deformation of bolts caused by temperature difference of gas flowing through gas passages in a fuel cell stack.SOLUTION: A fuel cell stack fastened with a plurality of bolts comprises: a plurality of power generation units, each including an electrolyte layer, an air electrode and a fuel electrode, which are aligned in a first direction; and the plurality of bolts extending in the first direction. The plurality of bolts includes: a first bolt forming a gas passage through which gas is introduced from the outside of the fuel cell stack; and a second bolt forming a gas passage through which the gas is discharged to the outside of the fuel cell stack. A linear thermal expansion coefficient αof the first bolt and a linear thermal expansion coefficient αof the second bolt satisfy a relation of α<α.SELECTED DRAWING: Figure 11

Description

本明細書によって開示される技術は、燃料電池スタックおよび発電モジュールに関する。   The technology disclosed by the present specification relates to a fuel cell stack and a power generation module.

固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)は、一般に、所定の方向(以下、「配列方向」ともいう)に並べて配置された複数の発電単位を備える燃料電池スタックの形態で利用される。ここで、発電単位は、発電の最小単位であり、電解質層と、電解質層を挟んで上記配列方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含んでいる。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) is generally used in the form of a fuel cell stack including a plurality of power generation units arranged in a predetermined direction (hereinafter also referred to as “array direction”). Is done. Here, the power generation unit is the minimum unit of power generation, and includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the arrangement direction with the electrolyte layer interposed therebetween.

燃料電池スタックの締結には、上記配列方向に延びる複数のボルトが利用される。また、このボルトを利用して、燃料ガスや酸化剤ガスを流すためのガス流路(「マニホールド」とも呼ばれる)を形成する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。この技術では、ボルトの軸部の外周面とボルトが挿入される孔の内周面との間に形成された空間や、ボルトの軸部の内部に形成された空間が、ガス流路として利用される。   For fastening the fuel cell stack, a plurality of bolts extending in the arrangement direction are used. In addition, a technique for forming a gas flow path (also referred to as a “manifold”) for flowing fuel gas or oxidant gas using this bolt is known (see, for example, Patent Document 1). In this technology, a space formed between the outer peripheral surface of the bolt shaft and the inner peripheral surface of the hole into which the bolt is inserted, or a space formed inside the bolt shaft is used as a gas flow path. Is done.

特開2011−76762号公報JP 2011-76762 A

上記従来の技術において、あるボルトにより形成されるガス流路を通るガスの温度と、別のボルトにより形成されるガス流路を通るガスの温度との間に差がある場合がある。例えば、燃料電池スタックの各発電単位における発電反応では熱が発生するため、燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路を通るガスの温度は、燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路を通るガスの温度より高い。このように、上記従来の技術では、各ガス流路を形成する各ボルトが互いに異なる温度のガスに晒され、各ボルトの熱膨張による変形量に差が生ずる場合がある。各ボルトの熱膨張による変形量差がある程度大きくなると、燃料電池スタックの面方向(上記配列方向に直交する方向)において燃料電池スタックを配列方向に押さえる圧力(以下、「接圧」ともいう)がばらつき、燃料電池スタックの内部から外部にガスが漏洩するおそれがある。なお、このような課題は、SOFCに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。   In the above conventional technique, there may be a difference between the temperature of the gas passing through the gas flow path formed by a certain bolt and the temperature of the gas passing through the gas flow path formed by another bolt. For example, since heat is generated in the power generation reaction in each power generation unit of the fuel cell stack, the temperature of the gas passing through the gas flow path for discharging the gas to the outside of the fuel cell stack is introduced from the outside of the fuel cell stack. Higher than the temperature of the gas passing through the gas flow path. As described above, in the conventional technique, each bolt forming each gas flow path is exposed to gases having different temperatures, and there is a case where a difference occurs in the deformation amount due to thermal expansion of each bolt. When the deformation difference due to thermal expansion of each bolt increases to some extent, the pressure (hereinafter also referred to as “contact pressure”) that holds the fuel cell stack in the arrangement direction in the surface direction of the fuel cell stack (the direction orthogonal to the arrangement direction). There is a risk of gas leaking from the inside of the fuel cell stack to the outside. Such a problem is not limited to SOFC, but is common to other types of fuel cells.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。   In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。   The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.

(1)本明細書に開示される一形態の燃料電池スタックは、電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含み、前記第1の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第1の方向に延びる複数のボルトと、を備え、前記複数のボルトで締結された燃料電池スタックにおいて、前記複数のボルトは、前記燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路を形成する第1のボルトと、前記燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路を形成する第2のボルトとを含み、前記第1のボルトの線熱膨張係数αと前記第2のボルトの線熱膨張係数αとは、α<αの関係を満たすことを特徴とする。一般に、燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路のガス温度(T(A))は、燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路のガス温度(T(B))より低い(T(A)<T(B))。この燃料電池スタックによれば、比較的低温(T(A))のガスが流れるガス流路を形成する第1のボルトの線熱膨張係数αが、比較的高温(T(B))のガスが流れるガス流路を形成する第2のボルトの線熱膨張係数αより大きいため、燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路と燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路とのそれぞれを流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 (1) A fuel cell stack according to one aspect disclosed in the present specification includes an electrolyte layer, an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and the first A fuel cell stack comprising a plurality of power generation units arranged in a direction and a plurality of bolts extending in the first direction, wherein the plurality of bolts are the fuel cell stack A first bolt that forms a gas flow path through which gas is introduced from the outside of the fuel cell stack, and a second bolt that forms a gas flow path that discharges gas to the outside of the fuel cell stack. wherein a linear thermal expansion coefficient alpha 1 of the bolt the second and the linear thermal expansion coefficient alpha 2 of the bolt, and satisfies the alpha 2 <alpha 1 relationship. In general, the gas temperature (T (A)) of the gas flow path into which gas is introduced from the outside of the fuel cell stack is equal to the gas temperature (T (B)) of the gas flow path for discharging the gas to the outside of the fuel cell stack. Lower (T (A) <T (B)). According to this fuel cell stack, the linear thermal expansion coefficient α1 of the first bolt that forms the gas flow path through which the relatively low temperature (T (A)) gas flows has a relatively high temperature (T (B)). Since the linear thermal expansion coefficient α2 of the second bolt that forms the gas flow path through which the gas flows is larger, the gas is discharged from the outside of the fuel cell stack to the gas flow path where the gas is introduced from the outside of the fuel cell stack. The difference in deformation amount of each bolt caused by the temperature difference of the gas flowing through each of the gas flow paths can be reduced, and the leakage of gas caused by variations in contact pressure in the surface direction can be suppressed. .

(2)上記燃料電池スタックにおいて、前記第1のボルトの線熱膨張係数αと前記第2のボルトの線熱膨張係数αとは、α<1.7αの関係を満たす構成としてもよい。この燃料電池スタックによれば、第1のボルトの線熱膨張係数αが第2のボルトの線熱膨張係数αに対して過大となって各ボルトの変形量の差がかえって大きくなることを抑制することができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩をより効果的に抑制することができる。 (2) In the fuel cell stack, the first coefficient of linear thermal expansion of the bolt alpha 1 and linear thermal expansion coefficient alpha 2 of the second bolt, a structure that satisfies α 1 <1.7α 2 relationship Also good. According to this fuel cell stack, the linear thermal expansion coefficient α1 of the first bolt is excessive with respect to the linear thermal expansion coefficient α2 of the second bolt, and the difference in deformation amount between the bolts becomes rather large. It is possible to suppress gas leakage due to variations in contact pressure in the surface direction.

(3)上記燃料電池スタックにおいて、前記第1のボルトと前記第2のボルトとのそれぞれは、オーステナイト系ステンレスと、フェライト系ステンレスと、ニッケル基合金と、セラミックスとのいずれか1つの材料により形成されている構成としてもよい。この燃料電池スタックによれば、第1のボルトの線熱膨張係数αが第2のボルトの線熱膨張係数αに対して過大となって各ボルトの変形量の差がかえって大きくなることを抑制することができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩をより効果的に抑制することができる。 (3) In the fuel cell stack, each of the first bolt and the second bolt is formed of any one material of austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, nickel-based alloy, and ceramics. It is good also as the structure currently made. According to this fuel cell stack, the linear thermal expansion coefficient α1 of the first bolt is excessive with respect to the linear thermal expansion coefficient α2 of the second bolt, and the difference in deformation amount between the bolts becomes rather large. It is possible to suppress gas leakage due to variations in contact pressure in the surface direction.

(4)上記燃料電池スタックにおいて、さらに、前記複数の発電単位の少なくとも1つに対して前記第1の方向に隣接する位置に設けられ、隣接した前記発電単位と前記第1のボルトにより形成された前記ガス流路から排出されたガスとの熱交換を行う熱交換部を備え、前記複数のボルトは、前記熱交換部から排出されたガスを各前記発電単位に向けて運ぶガス流路を形成する第3のボルトを含み、前記第3のボルトの線熱膨張係数αは、α<α<αの関係を満たす構成としてもよい。一般に、熱交換部から排出されたガスを各発電単位に向けて運ぶガス流路のガス温度(T(C))は、上述した燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路のガス温度(T(A))より高く、かつ、燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路のガス温度(T(B))より低い(T(A)<T(C)<T(B))。この燃料電池スタックによれば、中程度の温度(T(C))のガスが流れるガス流路を形成する第3のボルトの線熱膨張係数αが、比較的低温(T(A))のガスが流れるガス流路を形成する第1のボルトの線熱膨張係数αより小さく、かつ、比較的高温(T(B))のガスが流れるガス流路を形成する第2のボルトの線熱膨張係数αより大きいため、燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路と燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路に加え、熱交換部から排出されたガスを各発電単位に向けて運ぶガス流路について、各ガス流路を流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 (4) In the fuel cell stack, the fuel cell stack is further provided at a position adjacent to at least one of the plurality of power generation units in the first direction, and is formed by the adjacent power generation unit and the first bolt. A heat exchanging section that exchanges heat with the gas discharged from the gas flow path, and the plurality of bolts have gas flow paths that carry the gas discharged from the heat exchanging section toward the power generation units. A third bolt to be formed may be included, and the linear thermal expansion coefficient α 3 of the third bolt may satisfy the relationship of α 231 . In general, the gas temperature (T (C)) of the gas flow path that carries the gas discharged from the heat exchange unit toward each power generation unit is the gas flow path in which the gas is introduced from the outside of the fuel cell stack described above. It is higher than the temperature (T (A)) and lower than the gas temperature (T (B)) of the gas flow path for discharging the gas to the outside of the fuel cell stack (T (A) <T (C) <T ( B)). According to this fuel cell stack, the linear thermal expansion coefficient α 3 of the third bolt that forms the gas flow path through which the medium temperature (T (C)) gas flows has a relatively low temperature (T (A)). Of the second bolt that forms a gas flow path that is smaller than the linear thermal expansion coefficient α1 of the first bolt that forms the gas flow path through which the gas flows and that has a relatively high temperature (T (B)) gas flows. Since the coefficient of linear thermal expansion is larger than 2 , the gas discharged from the heat exchange unit in addition to the gas flow path for introducing gas from the outside of the fuel cell stack and the gas flow path for discharging gas to the outside of the fuel cell stack The difference in the deformation amount of each bolt caused by the temperature difference of the gas flowing through each gas flow path can be reduced and the variation in contact pressure in the surface direction Gas leakage can be suppressed.

(5)上記燃料電池スタックにおいて、さらに、前記第1のボルトに嵌められたナットを備え、前記ナットの線熱膨張係数αは、α<αの関係を満たす構成としてもよい。この燃料電池スタックによれば、ナットの熱膨張による変形量が第1のボルトの熱膨張による変形量に対して過大になることを抑制することができ、塑性変形やクリープが発生することを抑制することができる。 (5) The fuel cell stack may further include a nut fitted to the first bolt, and the linear thermal expansion coefficient α 4 of the nut may satisfy a relationship of α 41 . According to this fuel cell stack, the amount of deformation due to the thermal expansion of the nut can be suppressed from being excessive with respect to the amount of deformation due to the thermal expansion of the first bolt, and the occurrence of plastic deformation and creep can be suppressed. can do.

(6)上記燃料電池スタックにおいて、各前記発電単位は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池の発電単位である構成としてもよい。この燃料電池スタックによれば、固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等のガスの温度が比較的高温となり各ガス流路を流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差が問題となりやすいタイプの燃料電池の燃料電池スタックにおいて、各ガス流路を流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 (6) In the fuel cell stack, each power generation unit may be a power generation unit of a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell. According to this fuel cell stack, the amount of deformation of each bolt caused by the temperature difference of the gas flowing through each gas flow path when the temperature of the gas of the solid oxide fuel cell, the molten carbonate fuel cell, etc. is relatively high. In a fuel cell stack of a type of fuel cell in which the difference between the two is likely to be a problem, the difference in deformation amount of each bolt due to the temperature difference of the gas flowing through each gas flow path can be reduced, and the contact pressure in the surface direction can be reduced. Gas leakage caused by variation can be suppressed.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム等の形態で実現することが可能である。   The technology disclosed in this specification can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell stack, a power generation module including the fuel cell stack, a fuel cell system including the power generation module, and the like. Is possible.

第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a fuel cell stack 100 in a first embodiment. FIG. 第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a fuel cell stack 100 in a first embodiment. FIG. 第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a fuel cell stack 100 in a first embodiment. FIG. 第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a fuel cell stack 100 in a first embodiment. FIG. 第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a fuel cell stack 100 in a first embodiment. FIG. 第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a fuel cell stack 100 in a first embodiment. FIG. 発電単位102の詳細構成を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a power generation unit 102. FIG. 発電単位102の詳細構成を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a power generation unit 102. FIG. 発電単位102の詳細構成を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a power generation unit 102. FIG. 発電単位102の詳細構成を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a power generation unit 102. FIG. 熱交換部103の上側の平面構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the planar structure of the upper side of the heat exchange part 103. FIG. ボルト22の変形量ΔLの差Dの計算例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of calculation of the difference D of deformation amount (DELTA) L of the volt | bolt 22. FIG. 第2実施形態における燃料電池ホットモジュール10の構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematically the structure of the fuel cell hot module 10 in 2nd Embodiment. 発電モジュール20の構成を概略的に示す説明図である。3 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a power generation module 20. FIG. 発電モジュール20の構成を概略的に示す説明図である。3 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a power generation module 20. FIG. 発電モジュール20の構成を概略的に示す説明図である。3 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a power generation module 20. FIG. 第3実施形態における燃料電池スタック100bの構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematically the structure of the fuel cell stack 100b in 3rd Embodiment. 第3実施形態における燃料電池スタック100bの構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematically the structure of the fuel cell stack 100b in 3rd Embodiment.

A.第1実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1から図6は、第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。図1には、燃料電池スタック100の外観構成が示されており、図2には、燃料電池スタック100の上側の平面構成が示されており、図3には、燃料電池スタック100の下側の平面構成が示されており、図4には、図1から図3のIV−IVの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図5には、図1から図3のV−Vの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図6には、図1から図3のVI−VIの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されている。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図7以降についても同様である。
A. First embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
1 to 6 are explanatory views schematically showing the configuration of the fuel cell stack 100 in the first embodiment. FIG. 1 shows an external configuration of the fuel cell stack 100, FIG. 2 shows a planar configuration of the upper side of the fuel cell stack 100, and FIG. FIG. 4 shows a cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position IV-IV in FIGS. 1 to 3, and FIG. 5 shows a plan configuration in FIGS. A cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position VV is shown, and FIG. 6 shows a cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position VI-VI in FIGS. 1 to 3. In each figure, XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown. In this specification, for the sake of convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction. However, the fuel cell stack 100 is actually different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIG.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では6つの)発電単位102と、熱交換部103と、一対のエンドプレート104,106とを備える。6つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。ただし、6つの発電単位102の内、3つの発電単位102は互いに隣接するように配置され、残りの3つの発電単位102も互いに隣接するように配置され、上記3つの発電単位102と上記残りの3つの発電単位102との間に熱交換部103が配置されている。すなわち、熱交換部103は、6つの発電単位102と熱交換部103とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート104,106は、6つの発電単位102と熱交換部103とから構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は第1の方向に相当する。   The fuel cell stack 100 includes a plurality of (six in this embodiment) power generation units 102, a heat exchange unit 103, and a pair of end plates 104 and 106. The six power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment). However, among the six power generation units 102, the three power generation units 102 are arranged adjacent to each other, and the remaining three power generation units 102 are also arranged adjacent to each other, so that the three power generation units 102 and the remaining power generation units 102 are arranged. A heat exchanging unit 103 is disposed between the three power generation units 102. That is, the heat exchanging unit 103 is arranged near the center in the vertical direction in the assembly composed of the six power generation units 102 and the heat exchanging unit 103. The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of the six power generation units 102 and the heat exchange unit 103 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction.

燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、熱交換部103、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。   A plurality of (eight in this embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portions around the Z direction of each layer (power generation unit 102, heat exchange unit 103, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100. The corresponding holes formed in each layer communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106.

各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図4から図6に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。   Bolts 22 extending in the vertical direction are inserted into the communication holes 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolts 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolts 22. 4 to 6, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 constituting the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100. However, in a place where a gas passage member 27 described later is provided, an insulating sheet disposed between the nut 24 and the surface of the end plate 106 on the upper and lower sides of the gas passage member 27 and the gas passage member 27, respectively. 26 is interposed. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder sheet, a glass sheet, a glass ceramic composite agent, or the like.

各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図2から図4に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの頂点(Y軸負方向側およびX軸負方向側の頂点)付近に位置するボルト22(ボルト22A)により形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入されるガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22C)により形成された空間は、熱交換部103から排出された酸化剤ガスOGを各発電単位102に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド163として機能する。また、図2、図3および図5に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)により形成された空間は、各発電単位102から排出された未反応の酸化剤ガスOGである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、酸化剤ガス側について、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aは第1のボルトに相当し、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bは第2のボルトに相当し、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cは第3のボルトに相当する。また、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。   The outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in FIGS. 2 to 4, a bolt 22 (bolt 22 </ b> A) is located near one vertex (vertex on the Y-axis negative direction side and X-axis negative direction side) on the outer periphery around the Z direction of the fuel cell stack 100. The formed space functions as an oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path into which the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and one side on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction. The space formed by the bolt 22 (bolt 22C) located near the midpoint of the two sides parallel to the Y-axis (the side on the X-axis positive direction side) is an oxidant discharged from the heat exchange unit 103. It functions as an oxidant gas supply manifold 163 that is a gas flow path that carries the gas OG toward each power generation unit 102. As shown in FIGS. 2, 3, and 5, one side of the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction (the side on the negative X-axis side of the two sides parallel to the Y axis) The space formed by the bolts 22 (bolts 22B) located near the midpoint discharges the oxidant off-gas OOG, which is an unreacted oxidant gas OG discharged from each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. Functions as an oxidant gas discharge manifold 162. On the oxidant gas side, the bolt 22A that forms the oxidant gas introduction manifold 161 corresponds to the first bolt, and the bolt 22B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 corresponds to the second bolt. The bolt 22C forming the gas supply manifold 163 corresponds to a third bolt. In the present embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

また、図2、図3および図6に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)により形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)により形成された空間は、各発電単位102から排出された未反応の燃料ガスFGや燃料ガスFGの発電後のガスを含む燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、燃料ガス側について、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dは第1のボルトに相当し、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eは第2のボルトに相当する。また、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。   2, 3, and 6, one side of the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction (the side on the Y axis positive direction side of the two sides parallel to the X axis) In the space formed by the bolts 22 (bolts 22D) located near the midpoint, the fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100 and the fuel gas FG is supplied to each power generation unit 102. The space formed by the bolt 22 (bolt 22E) located near the midpoint of the opposite side of the side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis) is A fuel gas discharge manifold 172 that discharges unreacted fuel gas FG discharged from each power generation unit 102 and fuel off-gas FOG including gas after power generation of the fuel gas FG to the outside of the fuel cell stack 100. Functional. On the fuel gas side, the bolt 22D that forms the fuel gas introduction manifold 171 corresponds to the first bolt, and the bolt 22E that forms the fuel gas discharge manifold 172 corresponds to the second bolt. In the present embodiment, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used as the fuel gas FG.

図4から図6に示すように、燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通している。また、図5に示すように、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図6に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。   As shown in FIGS. 4 to 6, the fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow cylindrical main body portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28. The hole of the branch part 29 communicates with the hole of the main body part 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. As shown in FIG. 4, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22 </ b> A that forms the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. As shown in FIG. 5, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 6, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102と熱交換部103とが押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are rectangular flat plate-shaped conductive members, and are formed of, for example, stainless steel. One end plate 104 is disposed on the upper side of the power generation unit 102 located on the uppermost side, and the other end plate 106 is disposed on the lower side of the power generation unit 102 located on the lowermost side. The plurality of power generation units 102 and the heat exchange unit 103 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

(発電単位102の構成)
図7から図10は、発電単位102の詳細構成を示す説明図である。図7には、図5に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102の断面構成が示されており、図8には、図6に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102の断面構成が示されており、図9には、図7のIX−IXの位置における発電単位102の断面構成が示されており、図10には、図7のX−Xの位置における発電単位102の断面構成が示されている。
(Configuration of power generation unit 102)
7 to 10 are explanatory diagrams showing the detailed configuration of the power generation unit 102. FIG. FIG. 7 shows a cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 5, and FIG. 8 shows adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 9 shows a cross-sectional configuration of the two power generation units 102. FIG. 9 shows a cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position IX-IX in FIG. 7, and FIG. A cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position X is shown.

図7および図8に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。   As shown in FIGS. 7 and 8, the power generation unit 102 that is the minimum unit of power generation includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, and a fuel electrode side frame. 140, a fuel electrode side current collector 144, and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102. A hole corresponding to the above-described communication hole 108 into which the bolt 22 is inserted is formed in the peripheral portion around the Z direction in the separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150.

インターコネクタ150は、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図4から図6参照)。   The interconnector 150 is a rectangular flat plate-shaped conductive member, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes the pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 4 to 6).

単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。   The unit cell 110 includes an electrolyte layer 112, and an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 that face each other in the vertical direction (the arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 with the fuel electrode 116.

電解質層112は、矩形の平板形状部材であり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。   The electrolyte layer 112 is a rectangular flat plate-shaped member. For example, YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium doped ceria), perovskite oxide, etc. The solid oxide is formed. The air electrode 114 is a rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)). ing. The fuel electrode 116 is a rectangular flat plate-like member, and is formed of, for example, Ni (nickel), cermet made of Ni and ceramic particles, Ni-based alloy, or the like. Thus, the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルという。   The separator 120 is a frame-like member in which a rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The peripheral part of the hole 121 in the separator 120 is opposed to the peripheral part of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed in the facing portion. The separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leaks from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the single cell 110. It is suppressed. The single cell 110 to which the separator 120 is joined is referred to as a single cell with a separator.

空気極側フレーム130は、図7から図9に示すように、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド163と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。   As shown in FIGS. 7 to 9, the air electrode side frame 130 is a frame-like member in which a rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed in the vicinity of the center, and is formed of an insulator such as mica, for example. ing. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. . The hole 131 of the air electrode side frame 130 forms an air chamber 166 that faces the air electrode 114. The pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 is electrically insulated by the air electrode side frame 130. The air electrode side frame 130 has an oxidant gas supply communication hole 132 communicating the oxidant gas supply manifold 163 and the air chamber 166, and an oxidant gas communicating the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162. A discharge communication hole 133 is formed.

燃料極側フレーム140は、図7、図8および図10に示すように、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。なお、本実施形態では、燃料極側フレーム140は、セパレータ120とインターコネクタ150とに溶接されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。   As shown in FIGS. 7, 8 and 10, the fuel electrode side frame 140 is a frame-like member in which a rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center. For example, the fuel electrode side frame 140 is made of metal. Yes. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. In the present embodiment, the fuel electrode side frame 140 is welded to the separator 120 and the interconnector 150. The hole 141 of the fuel electrode side frame 140 forms a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116. Further, the fuel electrode side frame 140 has a fuel gas supply communication hole 142 that connects the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. And are formed.

空気極側集電体134は、図7から図9に示すように、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触することにより、空気極114とインターコネクタ150とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。   The air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166 as shown in FIGS. 7 to 9. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially quadrangular columnar conductive members arranged at predetermined intervals, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is brought into contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114, whereby the air electrode 114 and the interconnector 150 are electrically connected. The air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be formed as an integral member.

燃料極側集電体144は、図7、図8および図10に示すように、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、複数の電極対向部145と、各電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。具体的には、燃料極側集電体144は、図10における部分拡大図に示すように、矩形の平板形状部材に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴あき状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図10における部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、複数の矩形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。各電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触し、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触する。そのため、燃料極側集電体144は、燃料極116とインターコネクタ150とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150との電気的接続が良好に維持される。   The fuel electrode side current collector 144 is disposed in the fuel chamber 176 as shown in FIGS. 7, 8 and 10. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, a plurality of electrode facing portions 145, and a connecting portion 147 that connects each electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Or nickel alloy, stainless steel or the like. Specifically, as shown in the partially enlarged view in FIG. 10, the fuel electrode side current collector 144 is manufactured by cutting a rectangular flat plate-shaped member and bending the plurality of rectangular portions. The The bent rectangular portion becomes the electrode facing portion 145, the flat plate portion other than the bent raised portion becomes the interconnector facing portion 146, and the portion connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 is connected. Part 147. In addition, in the partial enlarged view in FIG. 10, in order to show the manufacturing method of the fuel electrode side collector 144, the state before the bending raising process of a part of several rectangular part is shown. Each electrode facing portion 145 contacts the surface of the fuel electrode 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 contacts the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. To do. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 electrically connects the fuel electrode 116 and the interconnector 150. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle or reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 are electrically connected via the fuel electrode side current collector 144. Maintained well.

(熱交換部103の構成)
図11は、熱交換部103の上側の平面構成を概略的に示す説明図である。図4から図6および図11に示すように、熱交換部103は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。上述したように、熱交換部103のZ方向回りの周縁部には、ボルト22が挿入される連通孔108を構成する8つの孔が形成されている。また、熱交換部103の中央付近には、上下方向に貫通する孔182が形成されている。さらに、熱交換部103には、中央の孔182と酸化剤ガス導入マニホールド161を形成する連通孔108とを連通する連通孔184と、中央の孔182と酸化剤ガス供給マニホールド163を形成する連通孔108とを連通する連通孔186とが形成されている。熱交換部103は、熱交換部103の上側に隣接する発電単位102に含まれる下側のインターコネクタ150と、熱交換部103の下側に隣接する発電単位102に含まれる上側のインターコネクタ150とに挟持されている。これらのインターコネクタ150間において、孔182と連通孔184と連通孔186とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスOGを流す熱交換流路188として機能する。
(Configuration of heat exchange unit 103)
FIG. 11 is an explanatory diagram schematically showing a planar configuration on the upper side of the heat exchange unit 103. As shown in FIGS. 4 to 6 and FIG. 11, the heat exchanging portion 103 is a rectangular flat plate-like member, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. As described above, eight holes constituting the communication hole 108 into which the bolt 22 is inserted are formed in the peripheral portion around the Z direction of the heat exchanging portion 103. Further, a hole 182 penetrating in the vertical direction is formed near the center of the heat exchanging portion 103. Further, the heat exchange unit 103 has a communication hole 184 communicating with the central hole 182 and the communication hole 108 forming the oxidant gas introduction manifold 161, and a communication forming the central hole 182 and the oxidant gas supply manifold 163. A communication hole 186 that communicates with the hole 108 is formed. The heat exchange unit 103 includes a lower interconnector 150 included in the power generation unit 102 adjacent to the upper side of the heat exchange unit 103 and an upper interconnector 150 included in the power generation unit 102 adjacent to the lower side of the heat exchange unit 103. And is sandwiched between. A space formed by the holes 182, the communication holes 184, and the communication holes 186 between these interconnectors 150 functions as a heat exchange channel 188 through which the oxidant gas OG flows for heat exchange described later.

A−2.燃料電池スタック100の動作:
図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、図4および図11に示すように、熱交換部103内に形成された熱交換流路188内に流入し、熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出される。なお、酸化剤ガス導入マニホールド161は、各発電単位102の空気室166には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出された酸化剤ガスOGは、図4、図5、図7および図9に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド163から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIG. 4, when the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. The oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28. As shown in FIGS. 4 and 11, the oxidant gas OG supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 flows into the heat exchange channel 188 formed in the heat exchange unit 103, and the heat exchange channel 188. And is discharged to the oxidant gas supply manifold 163. Since the oxidant gas introduction manifold 161 is not in communication with the air chamber 166 of each power generation unit 102, the oxidant gas OG is supplied from the oxidant gas introduction manifold 161 to the air chamber 166 of each power generation unit 102. There is nothing. The oxidant gas OG discharged to the oxidant gas supply manifold 163 is communicated from the oxidant gas supply manifold 163 to the oxidant gas supply communication of each power generation unit 102 as shown in FIGS. 4, 5, 7 and 9. The air is supplied to the air chamber 166 through the hole 132.

また、図6、図8および図10に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。   Further, as shown in FIGS. 6, 8, and 10, the fuel gas is connected via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. When the FG is supplied, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the fuel of each power generation unit 102 is supplied from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel is supplied to the fuel chamber 176 through the gas supply communication hole 142.

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、熱交換部103を介しているものの、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。   When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power is generated by an electrochemical reaction between the oxidant gas OG and the fuel gas FG in the single cell 110. Is called. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected via the fuel electrode side current collector 144. The other interconnector 150 is electrically connected. In addition, the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series although the heat exchange unit 103 is interposed therebetween. Therefore, electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the start-up until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation. (Not shown).

各発電単位102において発電反応に利用されなかった酸化剤ガスOGである酸化剤オフガスOOGは、図5、図7および図9に示すように、空気室166から酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102において発電反応に利用されなかった燃料ガスFGである燃料オフガスFOGは、図6、図8および図10に示すように、燃料室176から燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。   As shown in FIGS. 5, 7, and 9, the oxidant off-gas OOG that is the oxidant gas OG that has not been used for the power generation reaction in each power generation unit 102 passes from the air chamber 166 through the oxidant gas discharge communication hole 133. The gas is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 and further connected to the branch part 29 through the holes of the main body part 28 and the branch part 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162. It is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 through piping (not shown). Further, as shown in FIGS. 6, 8, and 10, the fuel off-gas FOG that is the fuel gas FG that has not been used in the power generation reaction in each power generation unit 102 passes through the fuel gas discharge communication hole 143 from the fuel chamber 176. Gas piping (shown in the figure) connected to the branching portion 29 through the holes of the main body portion 28 and the branching portion 29 of the gas passage member 27 that is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 and further provided at the position of the fuel gas discharge manifold 172. Is not discharged to the outside of the fuel cell stack 100.

A−3.各マニホールドを流れるガスの温度:
上述したように、酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、熱交換部103内に形成された熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出される。ここで、熱交換部103は、上側および下側について発電単位102に隣接している。また、発電単位102における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスOGが熱交換部103内の熱交換流路188を通過する際に、酸化剤ガスOGと発電単位102との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスOGの温度が上昇する。また、酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出された酸化剤ガスOGは、各発電単位102に供給された後、酸化剤ガス排出マニホールド162へと排出される。酸化剤ガスOGが各発電単位102を通過する際に、発電反応に伴い発生する熱によって、酸化剤ガスOGの温度はさらに上昇する。従って、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス供給マニホールド163、酸化剤ガス排出マニホールド162のそれぞれを流れるガスの温度T(A)、T(C)、T(B)の高低関係は、以下の式(1)のようになる。
T(A)<T(C)<T(B) ・・・(1)
A-3. Temperature of gas flowing through each manifold:
As described above, the oxidant gas OG supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 is discharged to the oxidant gas supply manifold 163 through the heat exchange channel 188 formed in the heat exchange unit 103. Here, the heat exchanging unit 103 is adjacent to the power generation unit 102 on the upper side and the lower side. The power generation reaction in the power generation unit 102 is an exothermic reaction. Therefore, when the oxidant gas OG passes through the heat exchange channel 188 in the heat exchange unit 103, heat exchange is performed between the oxidant gas OG and the power generation unit 102, and the temperature of the oxidant gas OG increases. To do. The oxidant gas OG discharged to the oxidant gas supply manifold 163 is supplied to each power generation unit 102 and then discharged to the oxidant gas discharge manifold 162. When the oxidant gas OG passes through each power generation unit 102, the temperature of the oxidant gas OG further increases due to heat generated by the power generation reaction. Therefore, the level relationship between the temperatures T (A), T (C), and T (B) of the gas flowing through the oxidant gas introduction manifold 161, the oxidant gas supply manifold 163, and the oxidant gas discharge manifold 162 is as follows. Equation (1) is obtained.
T (A) <T (C) <T (B) (1)

例えば、酸化剤ガス導入マニホールド161を流れるガスの温度T(A)は350℃から450℃程度であり、酸化剤ガス供給マニホールド163を流れるガスの温度T(C)は550℃から650℃程度であり、酸化剤ガス排出マニホールド162を流れるガスの温度T(B)は700℃から800℃程度である。なお、各温度を表す符号に付されたアルファベットは、各マニホールドを形成するボルト22の符号に付されたアルファベットに対応している。例えば、ボルト22Aにより形成される酸化剤ガス導入マニホールド161を流れるガス温度をT(A)と表している。この点は、燃料ガスFGの流路についても同様である。   For example, the temperature T (A) of the gas flowing through the oxidant gas introduction manifold 161 is about 350 ° C. to 450 ° C., and the temperature T (C) of the gas flowing through the oxidant gas supply manifold 163 is about 550 ° C. to 650 ° C. The temperature T (B) of the gas flowing through the oxidant gas discharge manifold 162 is about 700 ° C. to 800 ° C. In addition, the alphabet attached | subjected to the code | symbol showing each temperature respond | corresponds to the alphabet attached | subjected to the code | symbol of the volt | bolt 22 which forms each manifold. For example, the temperature of the gas flowing through the oxidant gas introduction manifold 161 formed by the bolt 22A is represented as T (A). The same applies to the flow path of the fuel gas FG.

また、燃料ガス導入マニホールド171に供給された燃料ガスFGは、各発電単位102に供給された後、燃料ガス排出マニホールド172へと排出される。燃料ガスFGが各発電単位102を通過する際に、発電反応に伴い発生する熱によって、燃料ガスFGの温度は上昇する。従って、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172のそれぞれを流れるガスの温度T(D)、T(E)の高低関係は、以下の式(2)のようになる。
T(D)<T(E) ・・・(2)
In addition, the fuel gas FG supplied to the fuel gas introduction manifold 171 is supplied to each power generation unit 102 and then discharged to the fuel gas discharge manifold 172. When the fuel gas FG passes through each power generation unit 102, the temperature of the fuel gas FG rises due to heat generated by the power generation reaction. Therefore, the level relationship between the temperatures T (D) and T (E) of the gas flowing through the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas discharge manifold 172 is expressed by the following equation (2).
T (D) <T (E) (2)

例えば、燃料ガス導入マニホールド171を流れるガスの温度T(D)は550℃から650℃程度であり、燃料ガス排出マニホールド172を流れるガスの温度T(E)は700℃から800℃程度である。   For example, the temperature T (D) of the gas flowing through the fuel gas introduction manifold 171 is about 550 ° C. to 650 ° C., and the temperature T (E) of the gas flowing through the fuel gas discharge manifold 172 is about 700 ° C. to 800 ° C.

A−4.各ボルト22の線熱膨張係数α:
上述したように、各マニホールドを流れるガスの温度には差があるため、各マニホールドを形成するボルト22は異なる温度のガスに晒されることとなる。そのため、各マニホールドを形成する各ボルト22の線熱膨張係数α(単位は1/℃)が互いに等しいと、各ボルト22の長さL(図4参照)の熱膨張による変形量ΔLに差が生ずるため、各ボルト22の締結力に差が生ずる。これにより、面方向(発電単位102の配列方向に直交する方向)において接圧(燃料電池スタック100を配列方向に押さえる圧力)がばらつき、燃料電池スタック100の内部から外部にガスが漏洩するおそれがある。なお、温度が0℃におけるボルト22の軸方向長さLを基準としたときのT℃におけるボルト22の軸方向の変形量ΔLは、以下の式(3)で算出される。
ΔL=α・T・L ・・・(3)
A-4. Linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22:
As described above, since there is a difference in the temperature of gas flowing through each manifold, the bolts 22 forming each manifold are exposed to gases having different temperatures. Therefore, if the linear thermal expansion coefficient α (unit: 1 / ° C.) of each bolt 22 forming each manifold is equal to each other, there is a difference in the deformation amount ΔL due to thermal expansion of the length L of each bolt 22 (see FIG. 4). As a result, a difference occurs in the fastening force of each bolt 22. As a result, the contact pressure (pressure for pressing the fuel cell stack 100 in the arrangement direction) varies in the surface direction (the direction orthogonal to the arrangement direction of the power generation units 102), and there is a possibility that gas leaks from the inside of the fuel cell stack 100 to the outside. is there. Note that the axial deformation amount ΔL of the bolt 22 at T ° C. when the axial length L 0 of the bolt 22 at 0 ° C. is used as a reference is calculated by the following equation (3).
ΔL = α · T · L 0 (3)

そこで、本実施形態では、各マニホールドを形成するボルト22の線熱膨張係数αを、各マニホールドを流れるガスの温度を考慮して設定している。具体的には、酸化剤ガスOGの流路に関しては、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1と、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cの線熱膨張係数αc3と、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが、以下の式(4)の関係を満たすようにしている。
αc2<αc3<αc1 ・・・(4)
Therefore, in this embodiment, the linear thermal expansion coefficient α of the bolts 22 forming each manifold is set in consideration of the temperature of the gas flowing through each manifold. Specifically, regarding the flow path of the oxidant gas OG, the linear thermal expansion coefficient α c1 of the bolt 22A that forms the oxidant gas introduction manifold 161 and the linear thermal expansion of the bolt 22C that forms the oxidant gas supply manifold 163. The coefficient α c3 and the linear thermal expansion coefficient α c2 of the bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162 are set to satisfy the relationship of the following formula (4).
α c2c3c1 (4)

すなわち、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス供給マニホールド163、酸化剤ガス排出マニホールド162の内、最も低温のガスが流れる酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1を最も大きくし、最も高温のガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2を最も小さくし、両者の間の温度のガスが流れる酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cの線熱膨張係数αc3を両者の間の値としている。このようにすることで、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス供給マニホールド163、酸化剤ガス排出マニホールド162を流れるガスの温度差を原因とする各ボルト22の変形量ΔLの差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 That is, the linear thermal expansion coefficient α c1 of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 through which the coldest gas flows among the oxidant gas introduction manifold 161, the oxidant gas supply manifold 163, and the oxidant gas discharge manifold 162 is set. The linear thermal expansion coefficient α c2 of the bolt 22B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 through which the highest temperature gas flows is minimized, and the oxidant gas supply manifold 163 through which the gas at the temperature between the two flows is formed. The linear thermal expansion coefficient α c3 of the bolt 22C to be used is a value between the two. In this way, the difference in deformation amount ΔL of each bolt 22 caused by the temperature difference of the gas flowing through the oxidant gas introduction manifold 161, the oxidant gas supply manifold 163, and the oxidant gas discharge manifold 162 is reduced. It is possible to suppress gas leakage caused by variations in contact pressure in the surface direction.

なお、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aをオーステナイト系ステンレスであるSUS304で形成し、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cをオーステナイト系ステンレスであるSUS316で形成し、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bをフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、各ボルト22の線熱膨張係数αの大小関係は上記式(4)の通りとなる。なお、ボルト22に使用する材料としては、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金、フェライト系ステンレス、セラミックスから選択することができる。例えば、オーステナイト系ステンレスとしては、SUS201、SUS301、SUS305、SUS304、SUS316等が挙げられる。また、ニッケル基合金としては、インコネル600、インコネル718、インコロイ802等が挙げられる。また、フェライト系ステンレスとしては、SUS430、SUS434、SUS405、SUS444等が挙げられる。ボルト22に使用する材料は、これらの材料の中から、適宜、式(4)を満たすように選択される。   The bolt 22A for forming the oxidant gas introduction manifold 161 is formed of SUS304, which is austenitic stainless steel, and the bolt 22C for forming the oxidant gas supply manifold 163 is formed of SUS316, which is austenitic stainless steel. If the bolts 22B forming the manifold 162 are formed of SUS444, which is a ferritic stainless steel, the magnitude relationship of the linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22 is as shown in the above formula (4). The material used for the bolt 22 can be selected from austenitic stainless steel, nickel-base alloy, ferritic stainless steel, and ceramics. For example, examples of the austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, SUS305, SUS304, and SUS316. Examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. Examples of the ferritic stainless steel include SUS430, SUS434, SUS405, and SUS444. The material used for the bolt 22 is appropriately selected from these materials so as to satisfy the formula (4).

また、理論上、以下の式(5)が成立していれば、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Bの変形量ΔLとが同一となる。そのため、例えば、以下の式(6)が成立していれば、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Bの変形量ΔLとの差をある程度小さい範囲に収めることができるため好ましい。
αc2=αc1・T(A)/T(B) ・・・(5)
0.9・αc1・T(A)/T(B)<αc2<1.1・αc1・T(A)/T(B) ・・・(6)
Theoretically, if the following expression (5) holds, the deformation amount ΔL of the bolt 22A and the deformation amount ΔL of the bolt 22B are the same. Therefore, for example, it is preferable that the following expression (6) is satisfied because the difference between the deformation amount ΔL of the bolt 22A and the deformation amount ΔL of the bolt 22B can be kept within a certain small range.
α c2 = α c1 · T (A) / T (B) (5)
0.9 · α c1 · T (A) / T (B) <α c2 <1.1 · α c1 · T (A) / T (B) (6)

同様に、理論上、以下の式(7)が成立していれば、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Cの変形量ΔLとが同一となる。そのため、例えば、以下の式(8)が成立していれば、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Cの変形量ΔLとの差をある程度小さい範囲に収めることができるため好ましい。
αc3=αc1・T(A)/T(C) ・・・(7)
0.9・αc1・T(A)/T(C)<αc3<1.1・αc1・T(A)/T(C) ・・・(8)
Similarly, theoretically, if the following expression (7) holds, the deformation amount ΔL of the bolt 22A and the deformation amount ΔL of the bolt 22C are the same. Therefore, for example, it is preferable that the following expression (8) is satisfied because the difference between the deformation amount ΔL of the bolt 22A and the deformation amount ΔL of the bolt 22C can be kept within a certain small range.
α c3 = α c1 · T (A) / T (C) (7)
0.9 · α c1 · T (A) / T (C) <α c3 <1.1 · α c1 · T (A) / T (C) (8)

同様に、本実施形態では、燃料ガス側に関し、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの線熱膨張係数αa1と、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの線熱膨張係数αa2とが、以下の式(9)の関係を満たすようにしている。
αa2<αa1 ・・・(9)
Similarly, in the present embodiment, on the fuel gas side, the linear thermal expansion coefficient α a1 of the bolt 22D that forms the fuel gas introduction manifold 171 and the linear thermal expansion coefficient α a2 of the bolt 22E that forms the fuel gas discharge manifold 172 However, the relationship of the following formula | equation (9) is satisfy | filled.
α a2a1 (9)

すなわち、燃料ガス導入マニホールド171および燃料ガス排出マニホールド172の内、より低温のガスが流れる燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの線熱膨張係数αa1より、より高温のガスが流れる燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの線熱膨張係数αa2を小さくしている。このようにすることで、燃料ガス導入マニホールド171および燃料ガス排出マニホールド172を流れるガスの温度差を原因とする各ボルト22の変形量ΔLの差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 That is, of the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas discharge manifold 172, the fuel gas discharge through which higher temperature gas flows than the linear thermal expansion coefficient α a1 of the bolt 22D that forms the fuel gas introduction manifold 171 through which lower temperature gas flows. The linear thermal expansion coefficient α a2 of the bolt 22E forming the manifold 172 is reduced. By doing so, the difference in deformation amount ΔL of each bolt 22 caused by the temperature difference between the gas flowing through the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas discharge manifold 172 can be reduced, and the contact pressure in the surface direction can be reduced. Gas leakage caused by variation can be suppressed.

なお、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dをオーステナイト系ステンレスであるSUS304やSUS316で形成し、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eをフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、各ボルト22の線熱膨張係数αの大小関係は上記式(9)の通りとなる。   If the bolts 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 are formed of SUS304 or SUS316, which are austenitic stainless steel, and the bolts 22E forming the fuel gas discharge manifold 172 are formed of SUS444, which is ferritic stainless steel, each bolt 22 The linear thermal expansion coefficient α is as shown in the above equation (9).

また、理論上、以下の式(10)が成立していれば、ボルト22Dの変形量ΔLとボルト22Eの変形量ΔLとが同一となる。そのため、例えば、以下の式(11)が成立していれば、ボルト22Dの変形量ΔLとボルト22Eの変形量ΔLとの差をある程度小さい範囲に収めることができるため好ましい。
αa2=αa1・T(D)/T(E) ・・・(10)
0.9・αa1・T(D)/T(E)<αa2<1.1・αa1・T(D)/T(E) ・・・(11)
In theory, if the following expression (10) holds, the deformation amount ΔL of the bolt 22D and the deformation amount ΔL of the bolt 22E become the same. Therefore, for example, it is preferable that the following expression (11) holds, because the difference between the deformation amount ΔL of the bolt 22D and the deformation amount ΔL of the bolt 22E can be kept within a certain small range.
α a2 = α a1 · T (D) / T (E) (10)
0.9 · α a1 · T (D) / T (E) <α a2 <1.1 · α a1 · T (D) / T (E) (11)

図12は、ボルト22の変形量ΔLの差Dの計算例を示す説明図である。具体的には、図12には、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの変形量ΔL(mm)と酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの変形量ΔL(mm)との差D(=ΔL−ΔL)の計算例が示されている。図12に示すように、上記式(4)の関係(αc2<αc1)を満たす実施例における変形量差Dは、式(4)を満たさない比較例1から3における変形量差Dより小さい。そのため、この実施例では、各比較例と比べて、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a calculation example of the difference D of the deformation amount ΔL of the bolt 22. Specifically, FIG. 12 shows the deformation amount ΔL 1 (mm) of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 and the deformation amount ΔL 2 (mm) of the bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162. A calculation example of the difference D (= ΔL 2 −ΔL 1 ) is shown. As shown in FIG. 12, the deformation amount difference D in the example satisfying the relationship (α c2c1 ) of the above equation (4) is larger than the deformation amount difference D in Comparative Examples 1 to 3 not satisfying the equation (4). small. Therefore, in this embodiment, it is possible to suppress gas leakage caused by variations in contact pressure in the surface direction as compared with the comparative examples.

なお、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bは酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aより高温のガスに晒されるため、図12に示すように、一般的にはボルト22Bの変形量ΔLはボルト22Aの変形量ΔLより大きくなる。ただし、ボルト22Aの線熱膨張係数αc1が大きすぎると、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Bの変形量ΔLとの大小関係が逆転し、変形量差Dがかえって大きくなることも起こり得る。そのため、ボルト22Aの線熱膨張係数αc1とボルト22Bの線熱膨張係数αc2とは、以下の式(12)の関係を満たしていることが好ましい。
αc1<1.7αc2 ・・・(12)
The bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162 is exposed to a gas having a temperature higher than that of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161. Therefore, as shown in FIG. ΔL 2 is larger than the deformation amount ΔL 1 of the bolt 22A. However, when the linear thermal expansion coefficient alpha c1 bolt 22A is too large, the magnitude relationship between the deformation amount [Delta] L 2 of the deformation amount [Delta] L 1 and the bolt 22B of the bolt 22A is reversed, also be larger deformation amount difference D Gakaette occur obtain. Therefore, the linear thermal expansion coefficient alpha c2 of linear thermal expansion coefficient alpha c1 and bolt 22B of the bolt 22A, it is preferable to satisfy the following relationship of equation (12).
α c1 <1.7 α c2 (12)

ボルト22Aの線熱膨張係数αc1とボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが上記式(12)を満たせば、上述した各ガス流路のガス温度(例えば、酸化剤ガス導入マニホールド161については350℃から450℃程度であり、酸化剤ガス排出マニホールド162については700℃から800℃程度)では、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Bの変形量ΔLとの大小関係が逆転することはない。酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aをオーステナイト系ステンレスであるSUS304やSUS316で形成し、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bをフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、各ボルト22の線熱膨張係数αの大小関係は式(12)を満たす。 Satisfies the linear thermal expansion coefficient of the linear thermal expansion coefficient alpha c1 and bolt 22B of the bolt 22A and alpha c2 is the above formula 12, the gas temperature of the gas flow path described above (e.g., the oxidant gas inlet manifold 161 is about 450 ° C. from 350 ° C., at about 800 ° C.) from 700 ° C. for the oxidizing gas discharging manifold 162, the magnitude relationship between the deformation amount [Delta] L 2 of the deformation amount [Delta] L 1 and the bolt 22B of the bolt 22A is reversed Absent. If the bolt 22A that forms the oxidant gas introduction manifold 161 is formed of SUS304 or SUS316 that is austenitic stainless steel, and the bolt 22B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 is formed of SUS444 that is ferritic stainless steel, each bolt 22 The magnitude relationship of the linear thermal expansion coefficient α satisfies the formula (12).

なお、燃料ガス側についても同様に、以下の式(13)の関係を満たしていることが好ましい。燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dをオーステナイト系ステンレスであるSUS304やSUS316で形成し、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eをフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、各ボルト22の線熱膨張係数αの大小関係は式(13)を満たす。
αa1<1.7αa2 ・・・(13)
Similarly, the fuel gas side preferably satisfies the relationship of the following formula (13). If the bolt 22D that forms the fuel gas introduction manifold 171 is formed of SUS304 or SUS316 that is austenitic stainless steel, and the bolt 22E that forms the fuel gas discharge manifold 172 is formed of SUS444 that is ferritic stainless steel, the wire of each bolt 22 The magnitude relationship of the thermal expansion coefficient α satisfies the formula (13).
α a1 <1.7 α a2 (13)

また、本明細書に開示される技術思想は、各マニホールドを形成する各ボルト22の線熱膨張係数αを適切に設定することにより、各ボルト22の熱膨張による変形量ΔLの差Dを低減させる点にある。すなわち、以下の式(14)に示すように、各ボルト22の熱膨張による変形量ΔLの差Dを、各ボルト22が同じ材料で形成され、各ボルト22の線熱膨張係数αが互いに等しい比較例における各ボルト22の変形量ΔLの差Dより小さくする技術思想であると言える。
D<D ・・・(14)
Further, the technical idea disclosed in the present specification reduces the difference D in the deformation amount ΔL due to thermal expansion of each bolt 22 by appropriately setting the linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22 forming each manifold. It is in point to let you. That is, as shown in the following formula (14), the difference D in the deformation amount ΔL due to the thermal expansion of each bolt 22 is the same material, and the linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22 is equal to each other. It can be said that this is a technical idea that is smaller than the difference D 0 of the deformation amount ΔL of each bolt 22 in the comparative example.
D <D 0 (14)

酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1と酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが等しい比較例において、変形量差Dは以下の式(15)で表される。
=αc2・T(B)・L−αc2・T(A)・L・・・(15)
In the comparative example in which the linear thermal expansion coefficient α c1 of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 and the linear thermal expansion coefficient α c2 of the bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162 are equal, the deformation amount difference D 0 is It is represented by the following formula (15).
D 0 = α c2 · T (B) · L 0 −α c2 · T (A) · L 0 (15)

また、実施形態における変形量差Dは、以下の式(16)で表される。
D=|αc2・T(B)・L−αc1・T(A)・L| ・・・(16)
Further, the deformation amount difference D in the embodiment is expressed by the following equation (16).
D = | α c2 · T (B) · L 0 −α c1 · T (A) · L 0 | (16)

式(14)から式(16)を解くと、以下の通り、式(19)が導かれる。
(αc2・T(B)・L≧αc1・T(A)・Lの場合)
D=αc2・T(B)・L−αc1・T(A)・L
式(14)より
αc2・T(B)・L−αc1・T(A)・L<αc2・T(B)・L−αc2・T(A)・L
αc2<αc1 ・・・(17)
(αc2・T(B)・L<αc1・T(A)・Lの場合)
D=−αc2・T(B)・L+αc1・T(A)・L
式(14)より
−αc2・T(B)・L+αc1・T(A)・L<αc2・T(B)・L−αc2・T(A)・L
αc1<αc2・(2・T(B)−T(A))/T(A) ・・・(18)
式(17)および式(18)より
αc2<αc1<αc2・(2・T(B)−T(A))/T(A) ・・・(19)
When equation (16) is solved from equation (14), equation (19) is derived as follows.
(If α c2 · T (B) · L 0 ≥ α c1 · T (A) · L 0 )
D = α c2 · T (B) · L 0 −α c1 · T (A) · L 0
From equation (14), α c2 · T (B) · L 0 −α c1 · T (A) · L 0c2 · T (B) · L 0 −α c2 · T (A) · L 0
α c2c1 (17)
(When α c2 · T (B) · L 0c1 · T (A) · L 0 )
D = −α c2 · T (B) · L 0 + α c1 · T (A) · L 0
From equation (14) -α c2 · T (B) · L 0 + α c1 · T (A) · L 0c2 · T (B) · L 0c2 · T (A) · L 0
α c1c2 · (2 · T (B) −T (A)) / T (A) (18)
From expression (17) and expression (18), α c2c1c2 · (2 · T (B) −T (A)) / T (A) (19)

従って、ボルト22Aの線熱膨張係数αc1とボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが式(19)の関係を満たせば、実施形態における各ボルト22の熱膨張による変形量ΔLの差Dが比較例における変形量差Dより小さくなる。なお、他のマニホールドを形成するボルト22についても同様のことが言える。 Thus, satisfies the relationship of the bolt 22A of the linear thermal expansion coefficient alpha c1 and bolt 22B linear thermal expansion coefficient alpha c2 Togashiki (19), the difference D of deformation amount ΔL due to thermal expansion of the bolt 22 in the embodiment It becomes smaller than the deformation amount difference D 0 in the comparative example. The same applies to the bolts 22 forming other manifolds.

B.第2実施形態:
B−1.構成:
(燃料電池ホットモジュール10の構成)
図13は、第2実施形態における燃料電池ホットモジュール(以下、「ホットモジュール」という)10の構成を概略的に示す説明図である。図13では、ホットモジュール10の構成をわかりやすくするために、一部の構成が透過して示されたり、一部の構成の図示が省略されたりしている。ホットモジュール10は、発電モジュール20と、発電モジュール20を収容する断熱容器30と、発電モジュール20に接続された各種配管234,236とを備える。ホットモジュール10は、起動時等に発電モジュール20を加熱する加熱器(例えばガスバーナー)を備えていてもよい。
B. Second embodiment:
B-1. Constitution:
(Configuration of the fuel cell hot module 10)
FIG. 13 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of a fuel cell hot module (hereinafter referred to as “hot module”) 10 in the second embodiment. In FIG. 13, in order to make the configuration of the hot module 10 easy to understand, a part of the configuration is shown transparently, or a part of the configuration is not shown. The hot module 10 includes a power generation module 20, a heat insulating container 30 that houses the power generation module 20, and various pipes 234 and 236 connected to the power generation module 20. The hot module 10 may include a heater (for example, a gas burner) that heats the power generation module 20 at the time of startup or the like.

(断熱容器30の構成)
断熱容器30は、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が配置された構成を有する。発電モジュール20が断熱容器30内に収容されることにより、発電を行う際に発電モジュール20が高温に維持される。
(Configuration of heat insulation container 30)
The heat insulation container 30 has the structure by which the heat insulating material is arrange | positioned at the inner surface of the housing | casing formed, for example with stainless steel. By storing the power generation module 20 in the heat insulating container 30, the power generation module 20 is maintained at a high temperature when generating power.

(発電モジュール20の構成)
図14から図16は、発電モジュール20の構成を概略的に示す説明図である。図14には、第1実施形態の図4に示す断面の位置に対応する位置における発電モジュール20の断面構成が示されており、図15には、第1実施形態の図5に示す断面の位置に対応する位置(図13のXV−XVの位置)における発電モジュール20の断面構成が示されており、図16には、第1実施形態の図6に示す断面の位置に対応する位置(図13のXVI−XVIの位置)における発電モジュール20の断面構成が示されている。図13から図16に示すように、発電モジュール20は、燃料電池スタック100aと、燃料電池スタック100aの下側に配置された補助器200とを備える。燃料電池スタック100aの構成は、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
(Configuration of power generation module 20)
14 to 16 are explanatory views schematically showing the configuration of the power generation module 20. FIG. 14 shows a cross-sectional configuration of the power generation module 20 at a position corresponding to the position of the cross section shown in FIG. 4 of the first embodiment, and FIG. 15 shows the cross section shown in FIG. 5 of the first embodiment. FIG. 16 shows a cross-sectional configuration of the power generation module 20 at a position corresponding to the position (position XV-XV in FIG. 13). FIG. 16 shows a position corresponding to the position of the cross section shown in FIG. The cross-sectional configuration of the power generation module 20 at the position XVI-XVI in FIG. 13 is shown. As shown in FIGS. 13 to 16, the power generation module 20 includes a fuel cell stack 100a and an auxiliary device 200 disposed below the fuel cell stack 100a. Since the configuration of the fuel cell stack 100a is the same as the configuration of the fuel cell stack 100 of the first embodiment described above, the description thereof is omitted by attaching the same reference numerals.

(補助器200の構成)
補助器200は、略箱形状の補助器本体部210と、補助器本体部210の側面に形成された4つの固定部220とを備えている。補助器200は、例えばステンレスにより形成されている。
(Configuration of auxiliary device 200)
The auxiliary device 200 includes a substantially box-shaped auxiliary device main body 210 and four fixing portions 220 formed on the side surface of the auxiliary device main body 210. The auxiliary device 200 is made of, for example, stainless steel.

各固定部220には、上下方向に貫通する貫通孔208が形成されている。4つの固定部220に形成された貫通孔208は、それぞれ、燃料電池スタック100aのZ方向回りの外周を構成する4辺の中点付近に位置する連通孔108と連通している。これらの4つの連通孔108に挿入された4つのボルト22は、対応する位置の固定部220の貫通孔208まで達しており、これらのボルト22にナット24が嵌められることによって補助器200と燃料電池スタック100とが固定されている。   Each fixing portion 220 is formed with a through-hole 208 penetrating in the vertical direction. The through holes 208 formed in the four fixing portions 220 are in communication with the communication holes 108 located near the midpoints of the four sides that form the outer periphery around the Z direction of the fuel cell stack 100a. The four bolts 22 inserted into these four communication holes 108 reach the through holes 208 of the fixing portions 220 at the corresponding positions, and the nuts 24 are fitted into these bolts 22, thereby the auxiliary device 200 and the fuel. The battery stack 100 is fixed.

補助器本体部210の内部は、2つの隔壁222によって、一次燃焼室212と、一次燃焼室212の下に配置された改質室214と、改質室214の下に配置された二次燃焼室216とに区切られている。一次燃焼室212は、燃料電池スタック100aから排出される酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとを混合して燃焼させるための室であり、固定部220の貫通孔208を介して、酸化剤ガス排出マニホールド162および燃料ガス排出マニホールド172と連通している。また、二次燃焼室216は、一次燃焼室212で混合・燃焼させた酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとをさらに燃焼させるための室であり、改質室214を上下に貫通する流路218を介して、一次燃焼室212と連通している。一次燃焼室212および二次燃焼室216の一方または両方には、酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとの燃焼を促進させる触媒が配置されている。   The interior of the auxiliary device main body 210 is divided into two primary partitioning chambers 212, a reforming chamber 214 disposed below the primary combustion chamber 212, and a secondary combustion disposed below the reforming chamber 214 by two partition walls 222. It is divided into chambers 216. The primary combustion chamber 212 is a chamber for mixing and burning the oxidant off-gas OOG and the fuel off-gas FOG discharged from the fuel cell stack 100a, and oxidant gas discharge through the through-hole 208 of the fixed portion 220. The manifold 162 and the fuel gas discharge manifold 172 communicate with each other. The secondary combustion chamber 216 is a chamber for further burning the oxidant off-gas OOG and the fuel off-gas FOG mixed and burned in the primary combustion chamber 212, and a flow path 218 that vertically penetrates the reforming chamber 214. And communicates with the primary combustion chamber 212. In one or both of the primary combustion chamber 212 and the secondary combustion chamber 216, a catalyst that promotes combustion of the oxidant off-gas OOG and the fuel off-gas FOG is disposed.

改質室214は、原燃料ガス(例えば都市ガス)と水蒸気とが混合された混合ガスMGを改質して水素リッチな燃料ガスFGを生成するための室であり、1つの固定部220の貫通孔208を介して、燃料ガス導入マニホールド171と連通している。改質室214には、改質反応を促進させる触媒が配置されている。   The reforming chamber 214 is a chamber for reforming the mixed gas MG in which raw fuel gas (for example, city gas) and water vapor are mixed to generate a hydrogen-rich fuel gas FG. The fuel gas introduction manifold 171 communicates with the through hole 208. In the reforming chamber 214, a catalyst for promoting the reforming reaction is disposed.

(各種配管234,236の構成)
発電モジュール20の補助器200には、原燃料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスMGが導入される混合ガス導入配管234と、排ガスEGが排出される排ガス排出配管236とが接続されている。より詳細には、図16に示すように、混合ガス導入配管234は、補助器本体部210の改質室214に連通しており、排ガス排出配管236は、補助器本体部210の二次燃焼室216に連通している。
(Configuration of various pipes 234, 236)
The auxiliary device 200 of the power generation module 20 is connected to a mixed gas introduction pipe 234 through which a mixed gas MG in which raw fuel gas and water vapor are mixed and an exhaust gas discharge pipe 236 through which exhaust gas EG is discharged. . More specifically, as shown in FIG. 16, the mixed gas introduction pipe 234 communicates with the reforming chamber 214 of the auxiliary device main body 210, and the exhaust gas discharge pipe 236 is connected to the secondary combustion of the auxiliary device main body 210. It communicates with the chamber 216.

B−2.発電モジュール20の動作:
図14に示すように、酸化剤ガスOGは、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、図14および図15に示すように、熱交換部103内に形成された熱交換流路188内に流入し、熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出され、酸化剤ガス供給マニホールド163から各発電単位102の空気室166に供給される。
B-2. Operation of the power generation module 20:
As shown in FIG. 14, the oxidant gas OG is passed through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161 as in the first embodiment. The oxidant gas introduction manifold 161 is supplied. As shown in FIGS. 14 and 15, the oxidant gas OG supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 flows into the heat exchange channel 188 formed in the heat exchange unit 103, and the heat exchange channel 188. Then, the gas is discharged to the oxidant gas supply manifold 163 and supplied from the oxidant gas supply manifold 163 to the air chamber 166 of each power generation unit 102.

また、図16に示すように、原燃料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスMGは、混合ガス導入配管234から補助器本体部210の改質室214に流入し、改質反応に供される。改質室214における改質反応に伴い生成された燃料ガスFGは、補助器200の1つの固定部220の貫通孔208を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料室176に供給される。   As shown in FIG. 16, the mixed gas MG in which the raw fuel gas and the water vapor are mixed flows from the mixed gas introduction pipe 234 into the reforming chamber 214 of the auxiliary device main body 210 and is used for the reforming reaction. The The fuel gas FG generated in accordance with the reforming reaction in the reforming chamber 214 is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the through hole 208 of the one fixed portion 220 of the auxiliary device 200, and each fuel gas FG is supplied from the fuel gas introduction manifold 171. It is supplied to the fuel chamber 176 of the power generation unit 102.

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、第1実施形態と同様に、各発電単位102において発電が行われる。各発電単位102において発電反応に利用されなかった酸化剤ガスOGである酸化剤オフガスOOGは、図15に示すように、空気室166から酸化剤ガス排出マニホールド162を経て、補助器本体部210の一次燃焼室212に排出される。また、各発電単位102において発電反応に利用されなかった燃料ガスFGである燃料オフガスFOGは、図16に示すように、燃料室176から燃料ガス排出マニホールド172を経て、補助器本体部210の一次燃焼室212に排出される。一次燃焼室212に排出された酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGは、一次燃焼室212において混合されて燃焼し、流路218を介して二次燃焼室216に導かれてさらに燃焼し、排ガス排出配管236を介してホットモジュール10の外部に排出される。なお、一次燃焼室212および二次燃焼室216において発生する熱により、改質室214における改質反応が促進されると共に、発電モジュール20が高温に維持される。   When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power generation is performed in each power generation unit 102 as in the first embodiment. As shown in FIG. 15, the oxidant off-gas OOG, which is the oxidant gas OG that has not been used for the power generation reaction in each power generation unit 102, passes through the oxidant gas discharge manifold 162 from the air chamber 166, and It is discharged into the primary combustion chamber 212. Further, the fuel off-gas FOG, which is the fuel gas FG that has not been used for the power generation reaction in each power generation unit 102, passes through the fuel gas discharge manifold 172 from the fuel chamber 176, as shown in FIG. It is discharged into the combustion chamber 212. The oxidant off-gas OOG and the fuel off-gas FOG discharged to the primary combustion chamber 212 are mixed and burned in the primary combustion chamber 212, and are guided to the secondary combustion chamber 216 via the flow path 218 for further combustion to emit exhaust gas. It is discharged outside the hot module 10 through the pipe 236. The reforming reaction in the reforming chamber 214 is promoted by the heat generated in the primary combustion chamber 212 and the secondary combustion chamber 216, and the power generation module 20 is maintained at a high temperature.

B−3.各マニホールドを流れるガスの温度および各ボルト22の線熱膨張係数α:
第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス供給マニホールド163、酸化剤ガス排出マニホールド162のそれぞれを流れるガスの温度T(A)、T(C)、T(B)の高低関係は、上記式(1)の関係(T(A)<T(C)<T(B))となり、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172のそれぞれを流れるガスの温度T(D)、T(E)の高低関係は、上記式(2)の関係(T(D)<T(E))となる。
B-3. Temperature of gas flowing through each manifold and linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22:
Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the temperatures T (A) and T (C) of the gas flowing through the oxidant gas introduction manifold 161, the oxidant gas supply manifold 163, and the oxidant gas discharge manifold 162, respectively. ) And T (B) are in the relationship of the above formula (1) (T (A) <T (C) <T (B)), and the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas discharge manifold 172 are The level relationship between the temperatures T (D) and T (E) of the flowing gas is the relationship (T (D) <T (E)) of the above equation (2).

そのため、第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス側に関しては、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1と、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cの線熱膨張係数αc3と、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが、上記式(4)の関係(αc2<αc3<αc1)を満たすようにしている。また、燃料ガス側に関しては、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの線熱膨張係数αa1と、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの線熱膨張係数αa2とが、上記式(9)の関係(αa2<αa1)を満たすようにしている。このようにすれば、各マニホールドを流れるガスの温度差を原因とする各ボルト22の変形量ΔLの差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 Therefore, also in the second embodiment, as in the first embodiment, the linear thermal expansion coefficient α c1 of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas supply manifold 163 are formed on the oxidant gas side. the linear thermal expansion coefficient alpha c3 bolts 22C to form a, a linear thermal expansion coefficient alpha c2 bolt 22B forming the oxidizing gas discharging manifold 162, the relationship of the above formula (4) (α c2 <α c3 <α c1 ) is satisfied. Regarding the fuel gas side, the linear thermal expansion coefficient α a1 of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 and the linear thermal expansion coefficient α a2 of the bolt 22E forming the fuel gas discharge manifold 172 are expressed by the above formula ( 9) (α a2a1 ) is satisfied. In this way, the difference in deformation amount ΔL of each bolt 22 caused by the temperature difference of the gas flowing through each manifold can be reduced, and gas leakage caused by variations in contact pressure in the surface direction is suppressed. can do.

B−4.ナット24の線熱膨張係数α:
第2実施形態では、燃料電池スタック100aは断熱容器30内に収容されており、燃料電池スタック100aが発電運転を行う際には断熱容器30内は高温(例えば650℃から750℃程度)に保たれる。そのため、燃料電池スタック100aの外面に露出したナット24は、高温のガスに晒される。一方、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aは、比較的低温(例えば350℃から450℃程度)のガスに晒される。そのため、ボルト22Aとそれに嵌められたナット24の線熱膨張係数が等しいと、ナット24の内径dN(図14参照)の熱膨張による変形量がボルト22の外径dB(図14参照)の熱膨張による変形量に対して過大となり、塑性変形やクリープが発生するおそれがある。
B-4. Coefficient of linear thermal expansion α of the nut 24:
In the second embodiment, the fuel cell stack 100a is housed in the heat insulation container 30, and when the fuel cell stack 100a performs a power generation operation, the heat insulation container 30 is kept at a high temperature (for example, about 650 ° C. to 750 ° C.). Be drunk. Therefore, the nut 24 exposed on the outer surface of the fuel cell stack 100a is exposed to high temperature gas. On the other hand, the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 is exposed to a gas at a relatively low temperature (for example, about 350 ° C. to 450 ° C.). Therefore, if the linear thermal expansion coefficients of the bolt 22A and the nut 24 fitted to the bolt 22A are equal, the deformation due to the thermal expansion of the inner diameter dN (see FIG. 14) of the nut 24 is the heat of the outer diameter dB (see FIG. 14) of the bolt 22. The amount of deformation due to expansion becomes excessive, and plastic deformation and creep may occur.

そこで、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1とそれに嵌められるナット24の線熱膨張係数αc4とが、以下の式(20)の関係を満たすようにしている。ボルト22Aをオーステナイト系ステンレスであるSUS304で形成し、ナット24をフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、線熱膨張係数の大小関係は式(20)のようになる。このようにすれば、ナット24の熱膨張による変形量がボルト22の熱膨張による変形量に対して過大になることを抑制することができ、塑性変形やクリープが発生することを抑制することができる。
αc4<αc1 ・・・(20)
Therefore, in the present embodiment, the linear thermal expansion coefficient α c1 of the bolt 22A that forms the oxidant gas introduction manifold 161 and the linear thermal expansion coefficient α c4 of the nut 24 fitted to the bolt 22A satisfy the relationship of the following equation (20). To meet. If the bolt 22A is made of SUS304, which is an austenitic stainless steel, and the nut 24 is made of SUS444, which is a ferritic stainless steel, the magnitude relationship between the linear thermal expansion coefficients is as shown in Expression (20). In this way, it is possible to suppress the deformation amount due to the thermal expansion of the nut 24 from being excessive with respect to the deformation amount due to the thermal expansion of the bolt 22, and to suppress the occurrence of plastic deformation and creep. it can.
α c4c1 (20)

なお、同様の観点から、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cの線熱膨張係数αc3とそれに嵌められるナット24の線熱膨張係数αc5とが、以下の式(21)の関係を満たすのが好ましく、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの線熱膨張係数αa1とそれに嵌められるナット24の線熱膨張係数αa3とが、以下の式(22)の関係を満たすのが好ましい。
αc5<αc3 ・・・(21)
αa3<αa1 ・・・(22)
From the same point of view, the linear thermal expansion coefficient α c3 of the bolt 22C forming the oxidant gas supply manifold 163 and the linear thermal expansion coefficient α c5 of the nut 24 fitted to the bolt 22C satisfy the relationship of the following equation (21). The linear thermal expansion coefficient α a1 of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 and the linear thermal expansion coefficient α a3 of the nut 24 fitted to the bolt 22D satisfy the relationship of the following formula (22). preferable.
α c5c3 (21)
α a3a1 (22)

C.第3実施形態:
C−1.構成:
図17および図18は、第3実施形態における燃料電池スタック100bの構成を概略的に示す説明図である。図17には、燃料電池スタック100bの外観構成が示されており、図18には、第1実施形態の図5に示す断面の位置に対応する位置(図17のXVIII−XVIIIの位置)における燃料電池スタック100bの断面構成が示されている。第3実施形態における燃料電池スタック100bの構成の内、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。
C. Third embodiment:
C-1. Constitution:
FIGS. 17 and 18 are explanatory views schematically showing the configuration of the fuel cell stack 100b in the third embodiment. FIG. 17 shows an external configuration of the fuel cell stack 100b. FIG. 18 shows a position corresponding to the position of the cross section shown in FIG. 5 in the first embodiment (position XVIII-XVIII in FIG. 17). A cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100b is shown. Among the configurations of the fuel cell stack 100b in the third embodiment, the same configurations as those of the fuel cell stack 100 of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

第3実施形態における燃料電池スタック100bは、熱交換部103を備えていない点が、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100と異なる。また、この点に関連し、酸化剤ガスOGの流路構成も異なっている。すなわち、第3実施形態では、燃料電池スタック100bのZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)により形成された空間が、燃料電池スタック100bの外部から酸化剤ガスOGが導入されるガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能する。   The fuel cell stack 100b according to the third embodiment is different from the fuel cell stack 100 according to the first embodiment described above in that the heat exchange unit 103 is not provided. In this regard, the flow path configuration of the oxidant gas OG is also different. That is, in the third embodiment, the bolt located near the midpoint of one side (the X-axis positive direction side of the two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery around the Z-direction of the fuel cell stack 100b. A space formed by 22 (bolt 22A) functions as an oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path into which the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100b.

C−2.燃料電池スタック100bの動作:
酸化剤ガスOGは、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、各発電単位102の空気室166に供給される。その後の酸化剤ガスOGの流れは、第1実施形態と同様である。また、燃料ガスFGの流れは、第1実施形態と同様である。第3実施形態の燃料電池スタック100bにおいても、第1実施形態と同様に、各発電単位102において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGを利用した発電が行われ、酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGが燃料電池スタック100bの外部に排出される。
C-2. Operation of the fuel cell stack 100b:
As in the first embodiment, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 via the branch part 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161 and the hole of the main body part 28. Supplied. The oxidant gas OG supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102. The subsequent flow of the oxidant gas OG is the same as in the first embodiment. Further, the flow of the fuel gas FG is the same as in the first embodiment. Also in the fuel cell stack 100b of the third embodiment, similarly to the first embodiment, power generation using the oxidant gas OG and the fuel gas FG is performed in each power generation unit 102, and the oxidant offgas OOG and the fuel offgas FOG are generated. It is discharged outside the fuel cell stack 100b.

C−3.各マニホールドを流れるガスの温度および各ボルト22の線熱膨張係数α:
第3実施形態では、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162のそれぞれを流れるガスの温度T(A)、T(B)の高低関係は、以下の式(23)のようになる。
T(A)<T(B) ・・・(23)
C-3. Temperature of gas flowing through each manifold and linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22:
In the third embodiment, as in the first embodiment, the level relationship between the temperatures T (A) and T (B) of the gas flowing through the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas discharge manifold 162 is as follows. Equation (23) is obtained.
T (A) <T (B) (23)

このような構成の第3実施形態の燃料電池スタック100bにおいても、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1と、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが、以下の式(24)の関係を満たすようにしている。このようにすれば、酸化剤ガス導入マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162を流れるガスの温度差を原因とする各ボルト22の変形量ΔLの差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。
αc2<αc1 ・・・(24)
Also in the fuel cell stack 100b of the third embodiment having such a configuration, the linear thermal expansion coefficient α c1 of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas discharge manifold are formed as in the first embodiment. The linear thermal expansion coefficient α c2 of the bolt 22B forming 162 satisfies the relationship of the following formula (24). In this way, the difference in deformation amount ΔL of each bolt 22 caused by the temperature difference between the gas flowing through the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas discharge manifold 162 can be reduced, and the contact pressure in the surface direction can be reduced. It is possible to suppress gas leakage caused by the variation of the gas.
α c2c1 (24)

その他、燃料ガス用のマニホールドを形成するボルト22の線熱膨張係数αの大小関係等については、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。   In addition, the magnitude relationship of the linear thermal expansion coefficient α of the bolts 22 forming the fuel gas manifold is the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

D.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

上記実施形態では、酸化剤ガスOGが流れる各マニホールドを形成するボルト22と、燃料ガスFGが流れる各マニホールドを形成するボルト22との両方について、線熱膨張係数αの大小関係を規定しているが、少なくともいずれか一方について上述した線熱膨張係数αの大小関係が満たされていれば、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制する効果を奏する。また、上記実施形態では、酸化剤ガスOGが流れる各マニホールドを形成するボルト22に関し、式(4)(αc2<αc3<αc1)が満たされるとしているが、αc3の値にかかわらず少なくともαc2<αc1の関係が満たされれば、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制する効果を奏する。 In the above embodiment, the magnitude relationship of the linear thermal expansion coefficient α is defined for both the bolt 22 forming each manifold through which the oxidant gas OG flows and the bolt 22 forming each manifold through which the fuel gas FG flows. However, if the magnitude relationship of the linear thermal expansion coefficient α described above is satisfied for at least one of them, the effect of suppressing gas leakage caused by variations in contact pressure in the surface direction is exhibited. Moreover, in the said embodiment, although it is supposed that Formula (4) ((alpha) c2 <(alpha) c3 <(alpha) c1 ) is satisfy | filled regarding the volt | bolt 22 which forms each manifold through which oxidizing gas OG flows, irrespective of the value of (alpha) c3. If the relationship of at least α c2c1 is satisfied, there is an effect of suppressing gas leakage caused by variations in contact pressure in the surface direction.

上記実施形態に記載した各ボルト22の形成材料はあくまで一例であり、各ボルト22を他の材料(例えばセラミックス)で形成してもよい。   The material for forming each bolt 22 described in the above embodiment is merely an example, and each bolt 22 may be formed of another material (for example, ceramics).

上記実施形態では、発電モジュール20が補助器200を備えているとしているが、発電モジュール20が補助器200を備えている必要はない。また、上記実施形態では、発電モジュール20が断熱容器30に収容されているとしているが、発電モジュール20が断熱容器30に収容されている必要はない。また、上記実施形態では、補助器200が、燃料電池スタック100から排出されたガスを燃焼させる一次燃焼室212と、一次燃焼室212で燃焼させたガスをさらに燃焼させるための二次燃焼室216と、原燃料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスMGを改質して燃料電池スタック100に供給する燃料ガスFGを生成する改質室214とを有しているが、補助器200は、一次燃焼室212と改質室214との少なくとも1つを有していればよい。   In the above embodiment, the power generation module 20 includes the auxiliary device 200, but the power generation module 20 does not need to include the auxiliary device 200. Moreover, in the said embodiment, although the electric power generation module 20 is accommodated in the heat insulation container 30, it is not necessary for the power generation module 20 to be accommodated in the heat insulation container 30. FIG. Further, in the above embodiment, the auxiliary device 200 burns the gas discharged from the fuel cell stack 100, and the secondary combustion chamber 216 for further burning the gas burned in the primary combustion chamber 212. And a reforming chamber 214 that reforms the mixed gas MG in which the raw fuel gas and the water vapor are mixed and supplies the fuel cell stack 100 with the reformed gas FG. It suffices to have at least one of the primary combustion chamber 212 and the reforming chamber 214.

また、上記実施形態では、混合ガス導入配管234が補助器本体部210の改質室214に連通しており、排ガス排出配管236が補助器本体部210の二次燃焼室216に連通しているが、これらの各配管の配置や経路は適宜変更可能である。   In the above embodiment, the mixed gas introduction pipe 234 communicates with the reforming chamber 214 of the auxiliary body main body 210, and the exhaust gas discharge pipe 236 communicates with the secondary combustion chamber 216 of the auxiliary body main body 210. However, the arrangement and route of these pipes can be changed as appropriate.

また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。   In the above embodiment, the number of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like.

また、上記実施形態において、燃料電池スタック100の配列方向における熱交換部103の位置はあくまで一例であり、熱交換部103の位置は任意の位置に変更可能である。ただし、熱交換部103の位置は、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102の内、より高温になる発電単位102に隣接する位置であることが、燃料電池スタック100の配列方向における熱分布の緩和のために好ましい。例えば、燃料電池スタック100の配列方向中央付近の発電単位102がより高温になりやすい場合には、上記実施形態のように、燃料電池スタック100の配列方向中央付近に熱交換部103を設けることが好ましい。また、燃料電池スタック100が2つ以上の熱交換部103を備えていてもよい。   Moreover, in the said embodiment, the position of the heat exchange part 103 in the arrangement direction of the fuel cell stack 100 is an example to the last, and the position of the heat exchange part 103 can be changed to arbitrary positions. However, the position of the heat exchanging unit 103 is a position adjacent to the power generation unit 102 having a higher temperature among the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100, so that the heat in the arrangement direction of the fuel cell stack 100 is determined. It is preferable for the relaxation of the distribution. For example, when the power generation unit 102 near the center in the arrangement direction of the fuel cell stack 100 is likely to be hotter, the heat exchange unit 103 is provided near the center in the arrangement direction of the fuel cell stack 100 as in the above embodiment. preferable. Further, the fuel cell stack 100 may include two or more heat exchange units 103.

また、上記実施形態では、熱交換部103が酸化剤ガスOGの温度を上昇させるように構成されているが、熱交換部103が、酸化剤ガスOGに代えて燃料ガスFGの温度を上昇させるように構成されてもよいし、酸化剤ガスOGと共に燃料ガスFGの温度を上昇させるように構成されてもよい。   In the above embodiment, the heat exchange unit 103 is configured to increase the temperature of the oxidant gas OG. However, the heat exchange unit 103 increases the temperature of the fuel gas FG instead of the oxidant gas OG. Alternatively, the temperature of the fuel gas FG may be increased together with the oxidant gas OG.

また、上記実施形態では、ボルト22の両側にナット24が嵌められているとしているが、ボルト22が頭部を有し、ナット24はボルト22の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。   In the above embodiment, the nuts 24 are fitted on both sides of the bolt 22, but the bolt 22 has a head, and the nut 24 is fitted only on the opposite side of the head of the bolt 22. Also good.

また、上記実施形態では、エンドプレート104,106が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート104,106の代わりに、エンドプレート104,106のそれぞれと接続された別部材(例えば、エンドプレート104,106のそれぞれと発電単位102との間に配置された導電板)が出力端子として機能するとしてもよい。   In the above embodiment, the end plates 104 and 106 function as output terminals. However, instead of the end plates 104 and 106, separate members (for example, the end plate 104) connected to the end plates 104 and 106, respectively. , 106 and the power generation unit 102) may function as output terminals.

また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。いずれの場合であっても、各マニホールドは、各ボルト22により形成されることとなる。   Moreover, in the said embodiment, although the space between the outer peripheral surface of the axial part of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communicating hole 108 is utilized as each manifold, it replaces with this and the axis | shaft of each bolt 22 is used. An axial hole may be formed in the part, and the hole may be used as each manifold. In either case, each manifold is formed by each bolt 22.

また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。   In the above embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. Two power generation units 102 may be provided with respective interconnectors 150. In the above embodiment, the upper interconnector 150 of the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 and the lower interconnector 150 of the lowermost power generation unit 102 are omitted. These interconnectors 150 may be provided without being omitted.

また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。   Further, in the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 may have the same configuration as the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode side current collector 144 and the adjacent interconnector 150 are an integral member. It may be. Further, the fuel electrode side frame 140 instead of the air electrode side frame 130 may be an insulator. The air electrode side frame 130 and the fuel electrode side frame 140 may have a multilayer structure.

また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。   Moreover, the material which forms each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be formed with another material.

また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。   In the above embodiment, the city gas is reformed to obtain the hydrogen-rich fuel gas FG, but the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, gasoline, Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.

また、上記実施形態において、電解質層112と空気極114との間に、例えばセリアにより形成された反応防止層を設け、電解質層112内のジルコニウム等と空気極114内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層112と空気極114との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。   Further, in the above embodiment, a reaction preventing layer formed of, for example, ceria is provided between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 so that zirconium or the like in the electrolyte layer 112 reacts with strontium or the like in the air electrode 114. An increase in electrical resistance between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 may be suppressed.

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池にも適用可能である。なお、本発明は、SOFCやMCFC等のガスの温度が比較的高温となり各ガス流路を流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差が問題となりやすいタイプの燃料電池において、より好適である。  In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention can be applied to a solid polymer fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate type. It can also be applied to other types of fuel cells such as fuel cells (MCFC). Note that the present invention is a fuel cell of a type in which the difference in deformation amount of each bolt is likely to be a problem due to the temperature of the gas such as SOFC and MCFC being relatively high and the temperature difference of the gas flowing through each gas flow path. More preferred.

10:燃料電池ホットモジュール 20:発電モジュール 22:ボルト 24:ナット 25:貫通孔 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 30:断熱容器 100:燃料電池スタック 102:発電単位 103:熱交換部 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 163:酸化剤ガス供給マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 182:孔 184:連通孔 186:連通孔 188:熱交換流路 200:補助器 208:貫通孔 210:補助器本体部 212:一次燃焼室 214:改質室 216:二次燃焼室 218:流路 220:固定部 222:隔壁 234:混合ガス導入配管 236:排ガス排出配管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Fuel cell hot module 20: Electric power generation module 22: Bolt 24: Nut 25: Through-hole 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main-body part 29: Branch part 30: Thermal insulation container 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit DESCRIPTION OF SYMBOLS 103: Heat exchange part 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joining part 130: Air electrode side frame 131 : Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144 : Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: A Counter connector facing portion 147: Connecting portion 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant gas introduction manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 163: Oxidant gas supply manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas Discharge manifold 176: Fuel chamber 182: Hole 184: Communication hole 186: Communication hole 188: Heat exchange flow path 200: Auxiliary device 208: Through hole 210: Auxiliary device main body 212: Primary combustion chamber 214: Reforming chamber 216: Two Next combustion chamber 218: Flow path 220: Fixed part 222: Partition wall 234: Mixed gas introduction pipe 236: Exhaust gas discharge pipe

Claims (7)

電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含み、前記第1の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第1の方向に延びる複数のボルトと、を備え、前記複数のボルトで締結された燃料電池スタックにおいて、
前記複数のボルトは、
前記燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路を形成する第1のボルトと、
前記燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路を形成する第2のボルトとを含み、
前記第1のボルトの線熱膨張係数αと前記第2のボルトの線熱膨張係数αとは、α<αの関係を満たすことを特徴とする、燃料電池スタック。
A plurality of power generation units each including an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer, and arranged in the first direction; A plurality of bolts extending, and a fuel cell stack fastened with the plurality of bolts,
The plurality of bolts are:
A first bolt that forms a gas passage through which gas is introduced from the outside of the fuel cell stack;
A second bolt that forms a gas flow path for discharging gas to the outside of the fuel cell stack,
The first bolt and the linear thermal expansion coefficient alpha 1 and the linear thermal expansion coefficient alpha 2 of second bolt, and satisfies the alpha 2 <alpha 1 relationship, the fuel cell stack.
請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第1のボルトの線熱膨張係数αと前記第2のボルトの線熱膨張係数αとは、α<1.7αの関係を満たすことを特徴とする、燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein
The first bolt and the linear thermal expansion coefficient alpha 1 and linear thermal expansion coefficient of the second bolt alpha 2, and satisfies the α 1 <1.7α 2 relationship, the fuel cell stack.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第1のボルトと前記第2のボルトとのそれぞれは、オーステナイト系ステンレスと、フェライト系ステンレスと、ニッケル基合金と、セラミックスとのいずれか1つの材料により形成されていることを特徴とする、燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
Each of the first bolt and the second bolt is formed of any one material of austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, nickel-based alloy, and ceramics, Fuel cell stack.
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記複数の発電単位の少なくとも1つに対して前記第1の方向に隣接する位置に設けられ、隣接した前記発電単位と前記第1のボルトにより形成された前記ガス流路から排出されたガスとの熱交換を行う熱交換部を備え、
前記複数のボルトは、前記熱交換部から排出されたガスを各前記発電単位に向けて運ぶガス流路を形成する第3のボルトを含み、
前記第3のボルトの線熱膨張係数αは、α<α<αの関係を満たすことを特徴とする、燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
Gas exhausted from the gas flow path formed by the adjacent power generation unit and the first bolt provided at a position adjacent to the first direction with respect to at least one of the plurality of power generation units. A heat exchanging part that performs heat exchange of
The plurality of bolts include a third bolt that forms a gas flow path that carries the gas discharged from the heat exchange unit toward the power generation units,
The third bolt linear thermal expansion coefficient alpha 3 is characterized by satisfying α 2 3 1 relationship, the fuel cell stack.
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記第1のボルトに嵌められたナットを備え、
前記ナットの線熱膨張係数αは、α<αの関係を満たすことを特徴とする、燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A nut fitted on the first bolt;
The fuel cell stack, wherein the nut has a linear thermal expansion coefficient α 4 satisfying a relationship of α 41 .
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、
各前記発電単位は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池の発電単位であることを特徴とする、燃料電池スタック。
In the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5,
Each of the power generation units is a power generation unit of a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell.
請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼させる燃焼室と、原燃料ガスを改質して前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する改質室との少なくとも1つを有する補助器と、を備え、
前記燃料電池スタックと前記補助器とが前記複数のボルトで締結された、発電モジュール。
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6,
An auxiliary device having at least one of a combustion chamber for burning the gas discharged from the fuel cell stack and a reforming chamber for reforming the raw fuel gas to generate fuel gas to be supplied to the fuel cell stack; With
A power generation module in which the fuel cell stack and the auxiliary device are fastened by the plurality of bolts.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018185984A (en) * 2017-04-26 2018-11-22 株式会社村田製作所 Fuel cell unit

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018142699A1 (en) 2017-02-02 2018-08-09 日本特殊陶業株式会社 Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
KR20190097270A (en) 2017-02-02 2019-08-20 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤 Electrochemical Reaction Unit and Electrochemical Reaction Cell Stack
US11316176B2 (en) 2017-02-02 2022-04-26 Morimura Sofc Technology Co., Ltd. Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP2018185984A (en) * 2017-04-26 2018-11-22 株式会社村田製作所 Fuel cell unit

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