JP2017033653A - Solid oxide type fuel battery stack, solid oxide type fuel battery module and solid oxide type fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルが電気的に接続された固体酸化物形燃料電池スタック、固体酸化物形燃料電池モジュールおよび固体酸化物形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack, a solid oxide fuel cell module, and a solid oxide fuel cell system in which a plurality of solid oxide fuel cell cylindrical cells are electrically connected.
上記固体酸化物形燃料電池スタックに係る発明の一例として、特許文献1および特許文献2に記載の発明が挙げられる。特許文献1に記載の燃料電池セルスタックでは、その上方に燃焼部が設けられている。燃焼部は、発電に使用されなかった燃料ガス(以下、「燃料オフガス」という。)と空気とを燃焼させる。また、各燃料電池セルの燃焼部側の端部には、キャップ状の部材が設けられている。キャップ状の部材は、管状部分を備えており、燃焼部と接続する接続流路が形成されている。これらにより、特許文献1に記載の燃料電池セルスタックは、燃料オフガスを燃焼部に導出して、燃料電池セルスタックの上方の燃焼部で、燃料オフガスを燃焼させようとしている。
Examples of the invention relating to the solid oxide fuel cell stack include the inventions described in Patent Document 1 and
一方、特許文献2に記載の燃料電池セルスタックは、多孔質支持体の端部で、発電に使用されなかった第1の反応ガスと、第2の反応ガスとを燃焼させる。また、多孔質支持体の燃料ガス排出側の端部には、スリット状等に加工された金属製の筒状部材が接合されている。これらにより、特許文献2に記載の燃料電池セルスタックは、燃料オフガスの着火性を向上させようとしている。
On the other hand, the fuel cell stack described in
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池セルスタックは、燃料電池セルの燃焼部側の端部にキャップ状の部材を設けて、その管状部分の先端部で燃料オフガスを燃焼させる。そのため、隣接する燃料電池セル間のピッチ(セルピッチ)が大きくなると、オフガス燃焼の火炎は、隣接する燃料電池セルに伝播できなくなる可能性がある。その結果、一部の燃料電池セルで失火が生じた場合に再着火ができなくなり、未燃焼ガスが排出される可能性がある。つまり、燃料電池セルスタックの排熱回収量が低下する可能性がある。そこで、燃料電池セルの失火を回避するために、隣接する燃料電池セル間のセルピッチを狭めようとすると、燃料電池セルを小型化する必要があり、燃料電池セルの1本当たりの発電出力が低下する。そのため、同等の発電出力を得ようとすると、燃料電池セルの本数を増加する必要があり、製造コストが増大する可能性がある。 However, in the fuel cell stack described in Patent Document 1, a cap-like member is provided at the end of the fuel cell on the combustion portion side, and the fuel off gas is burned at the tip of the tubular portion. Therefore, when the pitch between adjacent fuel cells (cell pitch) becomes large, the flame of off-gas combustion may not be able to propagate to the adjacent fuel cells. As a result, when misfire occurs in some of the fuel cells, reignition cannot be performed, and unburned gas may be discharged. That is, there is a possibility that the amount of exhaust heat recovered from the fuel cell stack will decrease. Therefore, in order to avoid misfiring of the fuel cells, if it is attempted to narrow the cell pitch between adjacent fuel cells, the fuel cells need to be miniaturized, and the power generation output per fuel cell decreases. To do. For this reason, if an equivalent power generation output is to be obtained, it is necessary to increase the number of fuel cells, which may increase the manufacturing cost.
一方、特許文献2に記載の燃料電池セルスタックでは、多孔質支持体に設けられる筒状部材は、スリット状等に加工されている。そのため、筒状部材の形状が複雑であり、製造コストの上昇を招く可能性がある。
On the other hand, in the fuel cell stack described in
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、簡易な構成で燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼する際の失火の抑制を可能にして、燃料オフガスと酸化剤ガスとが均一燃焼可能な固体酸化物形燃料電池スタック、固体酸化物形燃料電池モジュールおよび固体酸化物形燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and enables the suppression of misfire when the fuel off-gas and the oxidant gas are burned with a simple configuration, so that the fuel off-gas and the oxidant gas can be reduced. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell stack, a solid oxide fuel cell module, and a solid oxide fuel cell system capable of uniform combustion.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、筒状に形成され燃料が一端側から他端側に向けて流通する燃料極層と、前記燃料極層の外側に積層され酸化剤ガス雰囲気中に設けられる酸化剤ガス極層と、前記燃料極層と前記酸化剤ガス極層との間に形成された電解質層とを備える一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、有底筒状に形成され前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの一方の端部側を覆うように収容して当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの各前記燃料極層と電気的に接続された第一本体部と、前記第一本体部に設けられ当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの各燃料流路の前記一方の端部側に連通する一つまたは複数の第一連通口部とを備える第一ホルダと、有底筒状に形成され前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの他方の端部側を覆うように収容して当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの各前記酸化剤ガス極層と電気的に接続された第二本体部と、前記第二本体部に設けられ当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの各燃料流路の前記他方の端部側に連通する一つまたは複数の第二連通口部とを備える第二ホルダと、を備える複数のセルバンドルが隣接する前記セルバンドルの長手方向の取り付け向きが同じ方向または逆方向になるように直線状に並設されたセルバンドル群と、前記セルバンドル群の前記燃料が排出される側に設けられ、前記第一連通口部および前記第二連通口部のうちの少なくとも一方であって前記燃料が排出される側の各連通口部である排出側連通口部から排出された燃料オフガスが流通する網目状に形成された燃焼面を備え、前記燃焼面を通過した前記燃料オフガスと前記酸化剤ガス雰囲気中の酸化剤ガスとを燃焼させる表面燃焼バーナと、を備えている。 A solid oxide fuel cell stack according to the present invention includes a fuel electrode layer that is formed in a cylindrical shape and in which fuel flows from one end side to the other end side, and is laminated outside the fuel electrode layer in an oxidant gas atmosphere. One or a plurality of solid oxide fuel cell cylindrical cells, and an electrolyte layer formed between the fuel electrode layer and the oxidant gas electrode layer. Each fuel electrode layer of the solid oxide fuel cell cylindrical cell that is formed in a bottom cylindrical shape and is received so as to cover one end side of the one or more solid oxide fuel cell cylindrical cells A first main body electrically connected to the first main body, and one or a plurality of the first main body connected to the one end of each fuel flow channel of the solid oxide fuel cell tubular cell A first holder provided with a first series of openings, and the one or more formed in a bottomed cylindrical shape A second main body that is accommodated so as to cover the other end side of the solid oxide fuel cell cylindrical cell and is electrically connected to each of the oxidant gas electrode layers of the solid oxide fuel cell cylindrical cell And a second communication port portion provided in the second main body portion and communicating with the other end portion side of each fuel flow path of the solid oxide fuel cell tubular cell. A plurality of cell bundles including two cell bundles, and adjacent cell bundle groups arranged in a straight line so that the mounting directions in the longitudinal direction of the cell bundles are in the same direction or in the opposite direction, and the cell bundle group A discharge side communication port that is provided on the fuel discharge side, and is at least one of the first communication port portion and the second communication port portion and is a communication port portion on the fuel discharge side. In the form of a network through which the fuel off-gas discharged from the section circulates Comprising a made combustion surface, and a, a surface combustion burner for burning and oxidizing agent gas in the fuel off-gas and the oxidant gas atmosphere that has passed through the combustion surface.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックによれば、燃焼面を通過した燃料オフガスと酸化剤ガス雰囲気中の酸化剤ガスとを燃焼させる表面燃焼バーナを備えている。表面燃焼バーナは、燃焼面において燃料オフガスと酸化剤ガスとを面状に燃焼することができ、燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼する際の失火を抑制して、燃料オフガスと酸化剤ガスとを安定して燃焼させることができる。また、表面燃焼バーナの燃焼面は、網目状に形成されており、排出側連通口部から排出された燃料オフガスが流通する。そのため、表面燃焼バーナは、排出側連通口部から排出された燃料オフガスの流量のばらつきを低減し、燃料オフガスの流量を均一にすることができる。よって、本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼する際の失火を抑制し、燃料オフガスと酸化剤ガスとを均一燃焼することができる。 The solid oxide fuel cell stack according to the present invention includes the surface combustion burner that burns the fuel off-gas that has passed through the combustion surface and the oxidant gas in the oxidant gas atmosphere. The surface combustion burner can burn the fuel off-gas and the oxidant gas in a plane on the combustion surface, suppresses misfiring when the fuel off-gas and the oxidant gas burn, Can be stably burned. Moreover, the combustion surface of the surface combustion burner is formed in a mesh shape, and the fuel off-gas discharged from the discharge side communication port flows. Therefore, the surface combustion burner can reduce the variation in the flow rate of the fuel off gas discharged from the discharge side communication port, and can make the flow rate of the fuel off gas uniform. Therefore, the solid oxide fuel cell stack according to the present invention can suppress misfire when the fuel off-gas and the oxidant gas burn, and can uniformly burn the fuel off-gas and the oxidant gas.
<固体酸化物形燃料電池システム1>
図1に示すように、固体酸化物形燃料電池システム1は、発電ユニット10および貯湯槽21を備えている。また、発電ユニット10は、固体酸化物形燃料電池モジュール11、熱交換器12、電力変換装置13、水タンク14および制御装置15を備えている。
<Solid oxide fuel cell system 1>
As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell system 1 includes a
固体酸化物形燃料電池モジュール11は、後述するように固体酸化物形燃料電池スタック30を少なくとも含んで構成される。固体酸化物形燃料電池モジュール11には、改質用原料、改質水およびカソードガス(空気)が供給される。具体的には、固体酸化物形燃料電池モジュール11は、一端が供給源Gsに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管11aの他端が接続されている。改質用原料供給管11aには、原料ポンプ11a1が設けられている。さらに、固体酸化物形燃料電池モジュール11は、一端が水タンク14に接続されて改質水が供給される水供給管11bの他端が接続されている。水供給管11bには、改質水ポンプ11b1が設けられている。さらに、固体酸化物形燃料電池モジュール11は、一端がカソードエアブロワ11c1に接続されてカソードガス(空気)が供給されるカソードエア供給管11cの他端が接続されている。
The solid oxide
熱交換器12は、固体酸化物形燃料電池モジュール11から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽21からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽21は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する(図1にて矢印の方向に循環する)貯湯水循環ライン22が接続されている。貯湯水循環ライン22上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ22aおよび熱交換器12が配設されている。熱交換器12は、固体酸化物形燃料電池モジュール11からの排気管11dが接続(貫設)されている。熱交換器12は、水タンク14に接続されている凝縮水供給管12aが接続されている。
The
熱交換器12において、固体酸化物形燃料電池モジュール11からの燃焼排ガスは、排気管11dを通って熱交換器12内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ冷却されるとともに燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮される。冷却後の燃焼排ガスは、排気管11dを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管12aを通って水タンク14に供給される。なお、水タンク14は、例えば、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化することができる。
In the
上述した熱交換器12、貯湯槽21および貯湯水循環ライン22から、排熱回収システム20が構成されている。排熱回収システム20は、固体酸化物形燃料電池モジュール11の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
The
電力変換装置13は、固体酸化物形燃料電池スタック30から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源16aおよび外部電力負荷16c(例えば電化製品)に接続されている電源ライン16bに出力する。また、電力変換装置13は、系統電源16aからの交流電圧を電源ライン16bを介して入力し、あるいは固体酸化物形燃料電池スタック30の直流電圧を入力し、所定の直流電圧に変換して補機(各ポンプ、ブロワなど)や制御装置15に出力する。なお、制御装置15は、補機を駆動して固体酸化物形燃料電池システム1の運転を制御する。
The
<固体酸化物形燃料電池モジュール11>
図2に示すように、固体酸化物形燃料電池モジュール11は、固体酸化物形燃料電池スタック30、蒸発部40、改質部50および発電室39を備えている。
<Solid Oxide
As shown in FIG. 2, the solid oxide
(固体酸化物形燃料電池スタック30)
図2に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック30は、セルバンドル群36、マニホールド37および表面燃焼バーナ38を備えている。セルバンドル群36は、複数(本実施形態では、5つ)のセルバンドル35が直線状に並設されている。また、複数(5つ)のセルバンドル35の各々は、セル集合体32、第一ホルダ33および第二ホルダ34を備えている。さらに、図3および図4に示すように、セル集合体32は、複数(本実施形態では、3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31が直線状に並設されている。以下、固体酸化物形燃料電池筒状セル31の構成から順に説明する。
(Solid oxide fuel cell stack 30)
As shown in FIG. 2, the solid oxide
図4に示すように、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各々は、燃料極層31a、電解質層31bおよび酸化剤ガス極層31cを備えており、これらは、層状に積層されて形成されている。燃料極層31aは、筒状に形成されており、燃料が一端側(矢印Z1方向側)から他端側(矢印Z2方向側)に向けて流通する。本実施形態では、燃料は、後述する天然ガスなどの炭化水素系原料を改質した改質ガスであり、アノードガスともいう。
As shown in FIG. 4, each of the plurality (three) of solid oxide fuel cell
酸化剤ガス極層31cは、燃料極層31aの外側に積層されており、酸化剤ガス雰囲気中に設けられる。本実施形態では、酸化剤ガスは、空気であり、カソードガスともいう。電解質層31bは、燃料極層31aと酸化剤ガス極層31cとの間に形成されている。つまり、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各々は、径方向の内側から燃料極層31a、電解質層31b、酸化剤ガス極層31cの順に形成されている。
The oxidant
なお、電解質層31bと酸化剤ガス極層31cとの間には、例えば、GDC(ガドリニウムドープセリア)、YDC(イットリアドープセリア)、SDC(サマリウムドープセリア)等の希土類をドープしたセリア混合体を用いた反応防止層を設けることもできる。また、本実施形態では、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各々は、円筒状に形成されているが、各固体酸化物形燃料電池筒状セル31は、筒状であれば良く、例えば、断面方形に形成することもできる。
In addition, a ceria mixture doped with rare earth such as GDC (gadolinium doped ceria), YDC (yttria doped ceria), SDC (samarium doped ceria) is provided between the
燃料極層31aは、例えば、NiやFeなどの触媒金属とY、Sc、Ceなどの希土類元素から選ばれる少なくとも1種をドープした安定化ジルコニアとの混合体、NiやFeなどの触媒金属とGd、Y、Smなどの希土類元素から少なくとも1種をドープしたセリアとの混合体、NiやFeなどの触媒金属とSr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも1種をドープしたランタンガレートとの混合体の少なくとも1種から形成される。
The
電解質層31bは、例えば、Y、Sc、Ceなどの希土類元素から選ばれる少なくとも1種をドープした安定化ジルコニア、Gd、Y、Smなどの希土類元素から少なくとも1種をドープしたセリア、NiとSr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも1種をドープしたランタンガレートの少なくとも1種から形成される。
The
酸化剤ガス極層31cは、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも1種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも1種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも1種をドープしたランタンコバルタイト、Sr、Feから選ばれた少なくとも1種をドープしたバリウムコバルタイト、銀、銀−パラジウム合金、白金などの少なくとも1種から形成される。
The oxidant
図4および図5に示すように、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各々は、燃料極層31aの一方の端部31e側が露出するとともに、燃料極層31aの他方の端部31f側が酸化剤ガス極層31cにより覆われている。また、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各々には、燃料極層被接続部31a1と酸化剤ガス極層被接続部31c1とが形成されている。燃料極層被接続部31a1は、燃料極層31aの一方の端部31e側の露出部に形成されている。酸化剤ガス極層被接続部31c1は、酸化剤ガス極層31cの他方の端部31h側に形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, each of the plurality (three) of the solid oxide fuel cell
燃料極層被接続部31a1には、電解質層31bおよび酸化剤ガス極層31cが形成されておらず、燃料極層31aのみが形成されている。また、電解質層31bの一部は、露出している。複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の形成方法は、限定されないが、例えば、公知の押し出し、プレス、鋳込み等の方法で燃料極層31aを形成し、逐次、電解質層31bおよび酸化剤ガス極層31cを印刷、ディッピング、スラリーコート等の方法で製膜することによって形成することができる。
In the fuel electrode layer connected portion 31a1, the
これらの方法により、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各々は、径方向の内側から燃料極層31a、電解質層31b、酸化剤ガス極層31cの順に、既述の電極材料が層状に積層される。また、製膜の段階で部位に応じてマスキングを行うことで、上述の燃料極層31aが露出する部位や電解質層31bが露出する部位が形成される。なお、局所的に製膜を行うことで、任意の部位の外径を変更した複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31を作製することも可能である。
By these methods, each of the plurality (three) of the solid oxide fuel cell
また、図5に示すように、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各々は、燃料極層31aの他方の端部31fおよび燃料極層31aの他方の内壁面31gが電解質層31bと同じ材質で製膜されている。これにより、燃料極層31aの他方の端部31f側において、燃料極層31aと酸化剤ガス極層31cとの間の電気的な短絡が抑制されている。電解質層31bは、燃料極層31aおよび酸化剤ガス極層31cと比べて緻密に形成されている。
Further, as shown in FIG. 5, each of the plurality (three) of solid oxide fuel cell
なお、図4および図5では、一方の端部側は、燃料が供給される側(矢印Z1方向側)として図示されている。また、他方の端部側は、燃料が排出される側(矢印Z2方向側)として図示されている。後述するように、本実施形態では、複数(例えば、15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31は、直列接続および並列接続の両方により電気的に接続される。そのため、固体酸化物形燃料電池筒状セル31の長手方向(矢印Z方向)の取り付け向きが、図4および図5に示す取り付け向きと逆方向になる場合がある。この場合、一方の端部側は、燃料が排出される側(矢印Z2方向側)であり、他方の端部側は、燃料が供給される側(矢印Z1方向側)である。以下、一方の端部側および他方の端部側は、同様の方向とする。
4 and 5, one end side is illustrated as a side to which fuel is supplied (arrow Z1 direction side). The other end side is illustrated as a side from which fuel is discharged (arrow Z2 direction side). As will be described later, in the present embodiment, a plurality of (for example, 15) solid oxide fuel cell
図4に示すように、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31は、直線状に並設されて電気的に並列接続されており、セル集合体32が構成されている。セル集合体32を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31は、隣接する燃料極層31a,31a同士が導電性を備える第一導電性ペースト32aによって固定されるとともに電気的に接続されている。また、セル集合体32を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31は、隣接する酸化剤ガス極層31c,31c同士が第二導電性ペースト32bによって固定されるとともに電気的に接続されている。
As shown in FIG. 4, a plurality (three) of solid oxide fuel cell
第一導電性ペースト32aは、例えば、白金、銀、銅または銀−パラジウム合金などの導電性ペーストや導電性セラミックスを用いることができる。導電性セラミックスは、例えば、ABO3型のペロブスカイト型酸化物などを用いることができ、比較的電気伝導性が高いランタンコバルタイト系酸化物や酸化還元雰囲気で安定なランタンクロマイト系酸化物を用いると良い。
As the first
第二導電性ペースト32bは、第一導電性ペースト32aと比べて多孔質な導電性ペーストを用いることができる。多孔質な導電性ペーストを形成する方法は、限定されない。例えば、第一導電性ペースト32aと同様の導電性ペースト材料に、バインダを配合して形成することができる。この場合、加熱によってバインダが除去されて多孔質化され、導電性粒子が焼成されて、多孔質な導電性ペーストが形成される。
The second
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、セル集合体32の隣接する燃料極層31a,31a同士が導電性を備える第一導電性ペースト32aによって固定されるとともに電気的に接続されている。また、セル集合体32の隣接する酸化剤ガス極層31c,31c同士が第一導電性ペースト32aと比べて多孔質な第二導電性ペースト32bによって固定されるとともに電気的に接続されている。そのため、セル集合体32の隣接する燃料極層31a,31a同士および隣接する酸化剤ガス極層31c,31c同士の両方を第一導電性ペースト32aによってそれぞれ固定する場合と比べて、セル集合体32を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31に生じる応力(ねじれ応力)が低減され、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の破損が抑制される。
According to the solid oxide
複数(本実施形態では、5つ)のセルバンドル35の各々は、複数(本実施形態では、3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31、第一ホルダ33および第二ホルダ34を備えている。既述のとおり、本実施形態では、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31は、セル集合体32を構成している。図6に示すように、セル集合体32の一方の端部側(矢印Z1方向側)には、第一ホルダ33が設けられており、セル集合体32の他方の端部側(矢印Z2方向側)には、第二ホルダ34が設けられている。第一ホルダ33および第二ホルダ34は、例えば、フェライト系ステンレス、ランタンクロマイトなどを用いて形成することができる。
Each of the plurality (in this embodiment, five) of cell bundles 35 includes a plurality (in this embodiment, three) of solid oxide fuel cell
第一ホルダ33は、第一本体部33aと第一連通口部33bとを備えている。第一本体部33aは、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の一方の端部32c側を覆うように収容しており、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各燃料極層31aと電気的に接続されている。具体的には、図6に示すように、第一本体部33aは、有底筒状に形成されている。第一本体部33aは、第一本体部33aの内壁面が複数(3つ)の燃料極層被接続部31a1,31a1,31a1を覆うように配設されている。また、第一導電性部材33eは、第一本体部33a内に設けられ、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル31の各燃料極層31a(詳細には、各燃料極層被接続部31a1)と第一本体部33aの内壁面とを電気的に接続する。第一導電性部材33eは、例えば、第一導電性ペースト32aと同様の導電性ペーストを用いることができる。
The
第一連通口部33bは、第一本体部33aに設けられており、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の各燃料流路31dの一方の端部側(矢印Z1方向側)に連通している。燃料流路31dは、固体酸化物形燃料電池筒状セル31の燃料極層31a内に形成される。第一連通口部33bは、筒状に形成されており、第一本体部33aの底部33a1に設けられた貫通穴33a2から燃料極層31aと反対側に向けて立設されている。なお、第一本体部33aには、複数の第一連通口部33bを設けることもできる。
The first
第二ホルダ34は、第二本体部34aと第二連通口部34bとを備えている。第二本体部34aは、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の他方の端部32d側を覆うように収容しており、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の各酸化剤ガス極層31cと電気的に接続されている。具体的には、図6に示すように、第二本体部34aは、有底筒状に形成されている。第二本体部34aは、第二本体部34aの内壁面が複数(3つ)の酸化剤ガス極層被接続部31c1,31c1,31c1を覆うように配設されている。また、第二導電性部材34eは、第二本体部34a内に設けられ、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル31の各酸化剤ガス極層31c(詳細には、各酸化剤ガス極層被接続部31c1)と第二本体部34aの内壁面とを電気的に接続する。第二導電性部材34eは、例えば、第一導電性ペースト32aと同様の導電性ペーストを用いることができる。
The
第二連通口部34bは、第二本体部34aに設けられており、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の各燃料流路31dの他方の端部側(矢印Z2方向側)に連通している。第二連通口部34bは、筒状に形成されており、第二本体部34aの底部34a1に設けられた貫通穴34a2から燃料極層31aと反対側に向けて立設されている。なお、第二本体部34aには、複数の第二連通口部34bを設けることもできる。
The second
第一ホルダ33の第一本体部33aおよび第二ホルダ34の第二本体部34aは、同一寸法で形成しても良い。また、第一本体部33aの内形寸法は、セル集合体32の複数(3つ)の燃料極層被接続部31a1,31a1,31a1を直線状に並べたときの外形寸法より若干大きくするとともに、第二本体部34aの内形寸法は、セル集合体32の複数(3つ)の酸化剤ガス極層被接続部31c1,31c1,31c1を直線状に並べたときの外形寸法より若干大きくするように形成してもよい。
The
また、各第一ホルダ33は、第一緩衝部材33cを備え、各第二ホルダ34は、第二緩衝部材34cを備えていると好適である。図6に示すように、第一緩衝部材33cは、第一本体部33a内に設けられている。第一緩衝部材33cは、平板状に形成されており、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の一方の端部32cと、第一本体部33aの底部33a1との間に配設されている。
Further, each
第一緩衝部材33cは、例えば、ニッケル系合金、ステンレス系合金、銅系合金などの多孔質金属やメッシュ状に形成されたメッシュ金属を用いることができる。多孔質金属やメッシュ金属は、一般の金属材料と比べて空孔率が高い。そのため、高温雰囲気中において、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31に熱応力が発生した際に、第一緩衝部材33cは、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31の一方の端部32c側に生じる熱応力による影響(例えば、変形など)を緩和することができる。
For example, a porous metal such as a nickel-based alloy, a stainless-based alloy, or a copper-based alloy or a mesh metal formed in a mesh shape can be used for the
また、第一緩衝部材33cの孔径を小さくすると、各燃料流路31dにおける圧力損失が増加し、第一緩衝部材33cの孔径を大きくすると、各燃料流路31dにおける圧力損失が減少する。そのため、第一緩衝部材33cの孔径は、許容される圧力損失に基づいて、各セルバンドル35に対して燃料を均等に配流することが可能に設定されていると好適である。これにより、固体酸化物形燃料電池スタック30は、燃料供給の不均一に起因する発電のばらつきを抑制することができる。
Further, when the hole diameter of the
同様に、第二緩衝部材34cは、第二本体部34a内に設けられている。第二緩衝部材34cは、平板状に形成されており、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の他方の端部32dと、第二本体部34aの底部34a1との間に配設されている。第二緩衝部材34cは、第一緩衝部材33cと同様の多孔質金属やメッシュ金属を用いることができ、第一緩衝部材33cで既述の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
Similarly, the
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、各第一ホルダ33は、第一緩衝部材33cを備え、各第二ホルダ34は、第二緩衝部材34cを備えている。よって、第一緩衝部材33cは、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の一方の端部32c側に生じる熱応力を緩和することができる。また、第二緩衝部材34cは、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の他方の端部32d側に生じる熱応力を緩和することができる。そのため、第一緩衝部材33cおよび第二緩衝部材34cは、固体酸化物形燃料電池筒状セル31の熱応力による破損を抑制することができる。
According to the solid oxide
また、各第一ホルダ33は、第一シール部材33dを備え、各第二ホルダ34は、第二シール部材34dを備えていると好適である。図6に示すように、第一シール部材33dは、第一本体部33a内に設けられており、第二シール部材34dは、第二本体部34a内に設けられている。第一シール部材33dおよび第二シール部材34dは、例えば、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)、酸化ホウ素(B2O3)等を主成分とする非晶質性のガラスシール材を用いることができる。非晶質性のガラスシール材は、最初の昇温時に軟化し、軟化した後にさらに昇温すると、固体酸化物形燃料電池スタック30の作動温度までに固相になる。非晶質性のガラスシール材は、固相後の昇温に対して、結晶性のガラスシール材と比べて、再び軟化し易い性質を備えている。このように、非晶質性のガラスシール材は、結晶性のガラスシール材と比べて、柔軟なシール部材であり、緻密なガスシールが可能である。
Each
第一シール部材33dは、第一導電性部材33eに対して、第一本体部33aの開口部側に配設されていると良い。セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の一方の端部32c側は、燃料極層31aが露出しており、燃料極層被接続部31a1が形成されている。そのため、第一導電性部材33eは、第一本体部33aの底部側に設けられる。よって、第一シール部材33dは、第一導電性部材33eに対して、第一本体部33aの開口部側に配設されていると良い。本実施形態では、第一シール部材33dは、第一導電性部材33eに対して、第一本体部33aの開口部側の電解質層31bが露出する部位に設けられている。
The
一方、第二シール部材34dは、第二導電性部材34eに対して、第二本体部34aの底部側に配設されていると良い。図5に示すように、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の各々は、燃料極層31aの他方の端部31fおよび燃料極層31aの他方の内壁面31gが電解質層31bと同じ材質で製膜されている。つまり、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の他方の端部32d側は、電解質層31bが若干、露出している。電解質層31bの当該露出部は、第二本体部34aの底部側に設けられており、第二本体部34aの開口部側は、酸化剤ガス極層31cが露出している。そのため、電解質層31bの当該露出部において、燃料の流出を抑制する必要がある。本実施形態では、第二シール部材34dは、第二導電性部材34eに対して、第二本体部34aの底部側の電解質層31bが露出する部位に設けられている。
On the other hand, the
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、各第一ホルダ33は、第一シール部材33dを備え、各第二ホルダ34は、第二シール部材34dを備えている。よって、第一シール部材33dは、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32)の一方の端部32c側から第一本体部33a内を通って燃料が酸化剤ガス雰囲気中に漏れ出すことを抑制することができる。また、第二シール部材34dは、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32)の他方の端部32d側から第二本体部34a内を通って燃料が酸化剤ガス雰囲気中に漏れ出すことを抑制することができる。
According to the solid oxide
さらに、各第一ホルダ33は、第一導電性部材33e、第一シール部材33dおよび第一規制部材33fを備え、各第二ホルダ34は、第二導電性部材34e、第二シール部材34dおよび第二規制部材34f,34fを備えていると好適である。この場合、図6に示すように、第一シール部材33dは、第一導電性部材33eに対して、第一本体部33aの開口部側に配設されると良い。また、第一規制部材33fは、第一導電性部材33eと第一シール部材33dとの間に設けられると良い。つまり、これらの部材は、第一本体部33aの開口部側から第一シール部材33d、第一規制部材33f、第一導電性部材33eの順に配設されていると良い。
Further, each
第一規制部材33fは、例えば、マイカ、アルミナなどの化学的に安定で電気的な絶縁性を備える絶縁材料で形成することができる。図7に示すように、第一規制部材33fは、平板状に形成されており、第一貫通穴33f1を備えている。第一貫通穴33f1は、長穴状に形成されており、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の一方の端部32c側がまとめて貫通可能になっている。これにより、第一規制部材33fは、第一本体部33a内において、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の一方の端部32c側を位置決めすることができる。
The
また、第一ホルダ33に第一規制部材33fが設けられていないと、第一導電性部材33eと第一シール部材33dとの間で化学反応が生じ、第一導電性部材33eに含まれる金属成分(例えば、銀など)が気相になり、第一本体部33a外へ飛散し拡散する可能性がある。本実施形態では、第一規制部材33fは、第一本体部33a内において、第一導電性部材33eと第一シール部材33dとの間に設けられている。そのため、第一規制部材33fは、第一導電性部材33eと第一シール部材33dとの間の化学反応を規制し、第一導電性部材33eに含まれる金属成分(例えば、銀など)が第一本体部33a外へ飛散することを抑制することができる。
If the
一方、第二シール部材34dは、第二導電性部材34eに対して、第二本体部34aの底部側に配設されると良い。また、第二規制部材34f,34fは、第二本体部34aの深さ方向の両側から第二導電性部材34eを挟むように二層に設けられていると良い。つまり、これらの部材は、第二本体部34aの開口部側から第二規制部材34f、第二導電性部材34e、第二規制部材34f、第二シール部材34dの順に配設されていると良い。
On the other hand, the
第二規制部材34f,34fは、第一規制部材33fと同様の材料で、それぞれ、平板状に形成されている。第二規制部材34f,34fは、それぞれ、第二貫通穴34f1を備えている。第二貫通穴34f1,34f1は、それぞれ長穴状に形成されており、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の他方の端部32d側がまとめて貫通可能になっている。これにより、第二規制部材34f,34fは、第二本体部34a内において、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の他方の端部32d側を位置決めすることができる。
The second restricting
また、第二ホルダ34に第二規制部材34f,34fが設けられていないと、第二導電性部材34eと第二シール部材34dとの間で化学反応が生じ、第二導電性部材34eに含まれる金属成分(例えば、銀など)が気相になり、第二本体部34a外へ飛散し拡散する可能性がある。また、第二シール部材34dは、第二導電性部材34eに対して、第二本体部34aの底部側に設けられるので、第二本体部34aの開口部側にも第二導電性部材34eに含まれる金属成分の飛散を抑制する規制部材が必要になる。本実施形態では、第二規制部材34f,34fは、第二本体部34aの深さ方向の両側から第二導電性部材34eを挟むように二層に設けられている。そのため、第二規制部材34f,34fは、第二導電性部材34eと第二シール部材34dとの間の化学反応を規制し、第二導電性部材34eに含まれる金属成分(例えば、銀など)が第二本体部34a外へ飛散することを抑制することができる。
If the
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、第一ホルダ33は、第一規制部材33fを備え、第二ホルダ34は、第二規制部材34f,34fを備えている。よって、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30は、第一ホルダ33内において、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の一方の端部32c側の位置決めが容易であり、第二本体部34a内において、セルバンドル35を構成する複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の他方の端部32d側の位置決めが容易である。そのため、第一本体部33aの内壁面と各燃料極層被接続部31a1との間に、第一導電性部材33eを確実に充填することができ、第一本体部33aと各燃料極層被接続部31a1との間の電気抵抗を低減することができる。同様に、第二本体部34aの内壁面と各酸化剤ガス極層被接続部31c1との間に、第二導電性部材34eを確実に充填することができ、第二本体部34aと各酸化剤ガス極層被接続部31c1との間の電気抵抗を低減することができる。さらに、セル集合体32、第一ホルダ33および第二ホルダ34を組み付ける際に、セル集合体32の位置決め治具が不要なので、組み付け作業の作業性が向上する。
According to the solid oxide
また、第一ホルダ33は、第一規制部材33fを備えているので、第一導電性部材33eと第一シール部材33dとの間の化学反応を規制し、第一導電性部材33eに含まれる金属成分(例えば、銀など)が第一本体部33a外へ飛散することを抑制することができる。また、第二ホルダ34は、第二規制部材34f,34fを備えているので、第二導電性部材34eと第二シール部材34dとの間の化学反応を規制し、第二導電性部材34eに含まれる金属成分(例えば、銀など)が第二本体部34a外へ飛散することを抑制することができる。
Moreover, since the
なお、第一規制部材33fおよび第二規制部材34f,34fは、同様の形状を呈しているので、図7では、これらは、符号番号を併記して図示されている。また、第一規制部材33fの形状は、例えば、第一本体部33aの内壁面に合わせて形成することができ、その形状は限定されない。また、例えば、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31(セル集合体32を構成)の外形形状に合わせて第一規制部材33fの形状を変形することもできる。以上のことは、第二規制部材34f,34fについても同様である。同図では、変形例として、第一規制部材33fの外形形状が破線の曲線33f2で示され、第二規制部材34f,34fの外形形状が破線の曲線34f2で示されている。曲線33f2は、燃料極層被接続部31a1(燃料極層31a)の外形形状に合わせて第一規制部材33fの外形形状が形成された場合を示している。曲線34f2は、酸化剤ガス極層被接続部31c1(酸化剤ガス極層31c)の外形形状に合わせて第二規制部材34f,34fの外形形状が形成された場合を示している。
Since the first restricting
図2および図8に示すように、複数(5つ)のセルバンドル35は、隣接するセルバンドル35,35の長手方向(矢印Z方向)の取り付け向きが逆方向になるように直線状に並設されており、セルバンドル群36が構成されている。セルバンドル群36は、隣接するセルバンドル35,35の各第一ホルダ33および各第二ホルダ34が導電性接着剤36aまたは絶縁性接着剤36bで固定されて電気的に接続されている。
As shown in FIGS. 2 and 8, the plurality (five) of cell bundles 35 are arranged in a straight line so that the attachment directions in the longitudinal direction (arrow Z direction) of the adjacent cell bundles 35 and 35 are opposite to each other. The
具体的には、一のセルバンドル35の第一本体部33aと、隣接する他のセルバンドル35の一方の第二本体部34aとの間には、導電性接着剤36aが塗布されており、一のセルバンドル35の第一本体部33aと、隣接する他のセルバンドル35の他方の第二本体部34aとの間には、絶縁性接着剤36bが塗布されている。また、一のセルバンドル35の第二本体部34aと、隣接する他のセルバンドル35の一方の第一本体部33aとの間には、絶縁性接着剤36bが塗布されており、一のセルバンドル35の第二本体部34aと、隣接する他のセルバンドル35の他方の第一本体部33aとの間には、導電性接着剤36aが塗布されている。このようにして、複数(5つ)のセルバンドル35が電気的に直列接続され、セルバンドル群36を構成する複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31は、直列接続および並列接続の両方により電気的に接続されている。なお、セルバンドル群36の両端部は、バスバー接続部材36cを介して、バスバー36dにそれぞれ接続されている。
Specifically, a
導電性接着剤36aは、隣接する第一本体部33aと第二本体部34aとを固定することができ、これらを電気的に接続することができれば限定されない。導電性接着剤36aは、例えば、第一導電性ペースト32aと同様の導電性材料を用いることができる。また、絶縁性接着剤36bは、隣接する第一本体部33aと第二本体部34aとを固定することができ、これらを電気的に絶縁することができれば限定されない。絶縁性接着剤36bは、例えば、アルミナなどの絶縁性シムやセラマボンドなどのセラミック系の接着剤を用いることができる。
The
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31を一単位としてセルバンドル35が構成され、複数(5つ)のセルバンドル35が直線状に並設されてセルバンドル群36が構成されている。そのため、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30は、複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31の各々を接続部材で接続する場合と比べて、複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31の電気的な接続を簡素化することができる。
According to the solid oxide
また、セル集合体32の隣接する燃料極層31a,31a同士は、第一導電性ペースト32aによって固定され、セル集合体32の隣接する酸化剤ガス極層31c,31c同士は、第二導電性ペースト32bによって固定されている。さらに、第一ホルダ33および第二ホルダ34で挟まれたセル集合体32は、第一ホルダ33および第二ホルダ34を介して固定されている。よって、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30は、複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31に生じる応力(ねじれ応力)を低減することができ、複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31の破損を抑制することができる。
Further, the adjacent
また、各第一本体部33aは、一対の第一接触面33a3,33a3を備え、各第二本体部34aは、一対の第二接触面34a3,34a3を備えていると好適である。図8に示すように、一対の第一接触面33a3,33a3は、第一本体部33aの外壁面に形成されており、隣接する他のセルバンドル35の第二本体部34aと面接触可能で、かつ、互いに平行に形成されている。同様に、一対の第二接触面34a3,34a3は、第二本体部34aの外壁面に形成されており、隣接する他のセルバンドル35の第一本体部33aと面接触可能で、かつ、互いに平行に形成されている。
In addition, each first
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、各第一本体部33aは、一対の第一接触面33a3,33a3を備え、各第二本体部34aは、一対の第二接触面34a3,34a3を備えている。よって、複数(5つ)のセルバンドル35を積み重ねることが容易であり、セルバンドル群36を容易に構成することができる。また、セルバンドル群36をコンパクトにすることができ、複数(5つ)のセルバンドル35を組み付ける際の作業性も向上する。さらに、第一ホルダ33および第二ホルダ34を介して、隣接する燃料極層被接続部31a1と酸化剤ガス極層被接続部31c1とを最短距離で接続することができるので、固体酸化物形燃料電池スタック30の内部抵抗を低減することができる。
According to the solid oxide
なお、複数(5つ)のセルバンドル35を並列接続する場合は、一対の第一接触面33a3,33a3は、隣接する他のセルバンドル35の第一本体部33aと面接触可能に形成することができる。また、一対の第二接触面34a3,34a3は、隣接する他のセルバンドル35の第二本体部34aと面接触可能に形成することができる。これらの場合も上述した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
When a plurality (five) of cell bundles 35 are connected in parallel, the pair of first contact surfaces 33a3 and 33a3 are formed so as to be in surface contact with the first
図2に示すように、マニホールド37は、金属材(例えば、ステンレス鋼など)で箱状に形成されており、セルバンドル群36の一端側(矢印Z1方向側)に設けられている。マニホールド37は、隔壁37aによって、マニホールド37の内部と外部とが区画されている。隔壁37aには、燃料をマニホールド37の内部に導入する燃料吸入口37bが設けられており、燃料供給管37b1の一端側が接続されている。燃料供給管37b1の他端側は、改質部50に接続されており、後述する改質部50によって改質された燃料が、燃料供給管37b1、燃料吸入口37bの順に流通して、マニホールド37の内部に供給される。
As shown in FIG. 2, the manifold 37 is formed in a box shape with a metal material (for example, stainless steel) and is provided on one end side (arrow Z1 direction side) of the
ここで、図8に示すように、第一連通口部33bおよび第二連通口部34bのうちの少なくとも一方であって、燃料が供給される側の各連通口部を供給側連通口部35aとする。また、第一本体部33aおよび第二本体部34aのうちの少なくとも一方であって、燃料が供給される側の各本体部を供給側本体部35bとする。供給側連通口部35aは、隔壁37aの天板に形成された貫通穴を貫通して、各先端部がマニホールド37の内部に突出している。供給側本体部35bの底部の外壁面と、隔壁37aの天板との間には、絶縁シール部材37cが設けられている。
Here, as shown in FIG. 8, at least one of the
絶縁シール部材37cは、電気的な絶縁性を備え、ガスシールが可能な部材を用いることができる。絶縁シール部材37cは、例えば、アルミナ、シリカ等を主成分とする結晶化ガラスを用いることができる。また、絶縁シール部材37cは、シート状に形成されていると良い。結晶化ガラスは、最初の昇温時に軟化して、隔壁37aの天板に形成された貫通穴と供給側連通口部35aとの間の隙間を塞ぐように流動する。軟化した後にさらに昇温すると、結晶化ガラスは、結晶化して、固体酸化物形燃料電池スタック30の作動温度までに固相になり、固相が維持される。結晶化ガラスは、非結晶化ガラスと比べて、高温雰囲気中において軟化し難い。そのため、絶縁シール部材37cは、結晶化ガラスを用いることにより、電気的な絶縁およびガスシールが図られることに加えて、高温雰囲気中においても固体酸化物形燃料電池スタック30の構造を維持することが容易である。
As the insulating
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、供給側連通口部35aは、隔壁37aの天板に形成された貫通穴を貫通して、各先端部がマニホールド37の内部に突出している。また、供給側本体部35bの底部の外壁面と、隔壁37aの天板との間には、絶縁シール部材37cが設けられている。さらに、絶縁シール部材37cは、結晶化ガラスが用いられており、隔壁37aの天板に形成された貫通穴と供給側連通口部35aとの間の隙間を塞いでいる。これらにより、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30は、セルバンドル群36とマニホールド37との間を電気的に絶縁するとともに、燃料が当該隙間を通って、マニホールド37から酸化剤ガス雰囲気中に流出するガスリークを抑制することができる。
According to the solid oxide
表面燃焼バーナ38は、セルバンドル群36の燃料が排出される側(矢印Z2方向側)に設けられている。図2および図8に示すように、表面燃焼バーナ38は、燃焼面38aを備えている。燃焼面38aは、網目状に形成されており、燃焼面38aには、燃料オフガスと酸化剤ガス雰囲気中の酸化剤ガスとが供給される。表面燃焼バーナ38は、燃焼面38aにおいて燃料オフガスと酸化剤ガスとが面状に燃焼し、局所的な燃焼を抑制することができる。燃焼面38aは、例えば、耐熱性のセラミック繊維や耐熱性の金属繊維を織りあげて形成することができる。また、セラミック繊維を用いて燃焼面38aを形成する場合は、耐熱性および耐久性に優れる材料(例えば、炭化ケイ素など)をセラミック繊維にコーティングすることもできる。これにより、燃焼面38aの耐久性が向上し、赤熱した燃焼面38aから安定した輻射熱を得ることができる。また、表面燃焼バーナ38は、白金などの燃焼触媒を備えることもできる。これにより、表面燃焼バーナ38は、燃焼面38aでの上記燃焼を促進することができる。
The
ここで、図8に示すように、第一連通口部33bおよび第二連通口部34bのうちの少なくとも一方であって、燃料が排出される側の各連通口部を排出側連通口部35cとする。また、第一本体部33aおよび第二本体部34aのうちの少なくとも一方であって、燃料が排出される側の各本体部を排出側本体部35dとする。表面燃焼バーナ38の燃焼面38aは、排出側連通口部35cから排出された燃料オフガスが流通する。そのため、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30は、表面燃焼バーナ38の燃焼用の燃料として、発電に使用されなかった燃料オフガスを活用することができ、表面燃焼バーナ38の燃焼用に別途、燃料供給源を用意する必要がない。
Here, as shown in FIG. 8, each communication port portion on the side from which fuel is discharged is at least one of the first
表面燃焼バーナ38は、燃焼面38aにおいて燃料オフガスと酸化剤ガスとが面状に燃焼するので、排出側連通口部35cの先端部のみで燃料オフガスと酸化剤ガスとを燃焼させる場合と比べて、失火(吹き消え)する可能性が低い。仮に、燃焼面38aのうちの一部の領域で失火しても、燃焼している他の領域からの火移りによって、再着火および再燃焼が可能である。このように、表面燃焼バーナ38は、燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼する際の失火を抑制し、燃料オフガスと酸化剤ガスとを安定して燃焼させることができる。
In the
また、燃焼面38aの網目(メッシュサイズ)を小さくすると、燃焼面38aにおける圧力損失が増加し、燃焼面38aの網目(メッシュサイズ)を大きくすると、燃焼面38aにおける圧力損失が減少する。そのため、燃焼面38aは、網目(メッシュサイズ)の大小によって、排出側連通口部35cから排出された燃料オフガスの流量を調整することができ、排出側連通口部35cから排出された燃料オフガスの流量のばらつきを低減し、燃料オフガスの流量を均一にすることができる。
Further, when the mesh (mesh size) of the
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、燃焼面38aを通過した燃料オフガスと酸化剤ガス雰囲気中の酸化剤ガスとを燃焼させる表面燃焼バーナ38を備えている。表面燃焼バーナ38は、燃焼面38aにおいて燃料オフガスと酸化剤ガスとを面状に燃焼することができ、燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼する際の失火を抑制して、燃料オフガスと酸化剤ガスとを安定して燃焼させることができる。また、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aは、網目状に形成されており、排出側連通口部35cから排出された燃料オフガスが流通する。そのため、表面燃焼バーナ38は、排出側連通口部35cから排出された燃料オフガスの流量のばらつきを低減し、燃料オフガスの流量を均一にすることができる。よって、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30は、燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼する際の失火を抑制し、燃料オフガスと酸化剤ガスとを均一燃焼することができる。
According to the solid oxide
表面燃焼バーナ38の燃焼面38aの形状は限定されないが、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aは、シート状に形成されていると好適である。また、表面燃焼バーナ38は、排出側本体部35dの底部の外壁面、並びに、排出側連通口部35cの外形に沿って、燃焼面38aが矩形波状に形成されていると好適である。図8に示すように、本実施形態では、シート状の燃焼面38aが矩形波状に形成されており、燃焼面38aは、排出側本体部35dの底部の外壁面、並びに、排出側連通口部35cの外形に沿って、配設されている。燃焼面38aは、例えば、セラミック繊維や金属繊維を織りあげてシート状に形成し、シート状に形成された部材を押し出し、絞り加工することによって矩形波状に形成することができる。この場合、排出側本体部35dの底部の外壁面に配設される部位(矩形波の凹部)を加圧形成すると良い。これにより、燃焼面38aのうち、排出側連通口部35cと接する部位(矩形波の凸部)の網目形状が保持される。
Although the shape of the
また、燃焼面38aと排出側本体部35dの底部の外壁面との間には、絶縁性接着剤38bが塗布されており、燃焼面38aと排出側本体部35dの底部の外壁面とが電気的に絶縁されて固定されている。絶縁性接着剤38bは、燃焼面38aと排出側本体部35dの底部の外壁面とを固定することができ、これらを電気的に絶縁することができれば限定されない。絶縁性接着剤38bは、例えば、絶縁性接着剤36bと同様の接着剤を用いることができる。なお、燃焼面38aが金属繊維などの導電性部材で形成されている場合は、排出側連通口部35cの外壁面も絶縁処理する必要がある。
Insulating adhesive 38b is applied between the
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック30によれば、表面燃焼バーナ38は、燃焼面38aがシート状に形成されている。また、表面燃焼バーナ38は、排出側本体部35dの底部の外壁面、並びに、排出側連通口部35cの外形に沿って、燃焼面38aが矩形波状に形成されている。そのため、表面燃焼バーナ38は、燃焼面38aの配設が容易である。具体的には、排出側ホルダ(第一ホルダ33および第二ホルダ34のうちの少なくとも一方であって燃料が排出される側の各ホルダをいう。以下、同じ。)に燃焼面38aを被せるように装着することにより、排出側連通口部35cの突出方向(矢印Z方向)における燃焼面38aの位置決めが容易である。
According to the solid oxide
図2に示すように、表面燃焼バーナ38は、酸化剤ガスの送出側に着火装置38cを備えている。着火装置38cは、燃焼面38aから延設された一対のロッド(図示略)間で点火することができる。これにより、表面燃焼バーナ38は、燃焼面38aにおける点火を規制して、燃焼面38aの損傷および逆火を抑制することができる。着火装置38cは、例えば、イグナイタを用いることができる。着火装置38cによって点火されると、火炎は、図2の紙面左側から紙面右側に向かって火移りする。
As shown in FIG. 2, the
セルバンドル群36、マニホールド37および表面燃焼バーナ38を組み付ける方法は限定されないが、例えば、以下の第一工程〜第五工程を備える組み付け方法を用いることができる。第一工程は、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31を直線状に並設して、隣接する燃料極層31a,31aおよびその間に第一導電性ペースト32aを塗布し、隣接する酸化剤ガス極層31c,31cおよびその間に第二導電性ペースト32bを塗布して乾燥する工程である。これにより、複数(3つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31,31,31が固定されるとともに電気的に並列接続されてセル集合体32が得られる。
Although the method of assembling the
第二工程は、第一ホルダ33の第一本体部33a内に、第一緩衝部材33c、第一導電性部材33e、第一規制部材33fおよび第一シール部材33dをこの順に積層し、第一工程で得られたセル集合体32の一方の端部側を第一ホルダ33に収容し焼成して、セル集合体32と第一ホルダ33とを固定する工程である。第三工程は、第二ホルダ34の第二本体部34a内に、第二緩衝部材34c、第二シール部材34d、第二規制部材34f、第二導電性部材34eおよび第二規制部材34fをこの順に積層し、第二工程で得られた第一ホルダ33が固定されたセル集合体32の他方の端部側を第二ホルダ34に収容し焼成して、セル集合体32と第二ホルダ34とを固定する工程である。これにより、セル集合体32、第一ホルダ33および第二ホルダ34が固定されてセルバンドル35が得られる。なお、第二工程および第三工程の順序は問わない。また、第一工程〜第三工程を繰り返すことにより、複数(5つ)のセルバンドル35が得られる。
In the second step, the
第四工程は、隣接するセルバンドル35,35間に、導電性接着剤36aおよび絶縁性接着剤36bを塗布して固定する工程である。具体的には、複数(5つ)のセルバンドル35の隣接するセルバンドル35,35の長手方向(矢印Z方向)の取り付け向きが逆方向になるように直線状に並設する。そして、一のセルバンドル35の第一本体部33aと、隣接する他のセルバンドル35の一方の第二本体部34aとの間に、導電性接着剤36aを塗布し、一のセルバンドル35の第一本体部33aと、隣接する他のセルバンドル35の他方の第二本体部34aとの間に、絶縁性接着剤36bを塗布する。また、一のセルバンドル35の第二本体部34aと、隣接する他のセルバンドル35の一方の第一本体部33aとの間に、絶縁性接着剤36bを塗布し、一のセルバンドル35の第二本体部34aと、隣接する他のセルバンドル35の他方の第一本体部33aとの間に、導電性接着剤36aを塗布する。これを繰り返すことにより、複数(5つ)のセルバンドル35は固定されて、複数(5つ)のセルバンドル35を構成する複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31が直列接続および並列接続の両方により電気的に接続されたセルバンドル群36が得られる。
The fourth step is a step of applying and fixing the conductive adhesive 36 a and the insulating
第五工程は、セルバンドル群36、マニホールド37および表面燃焼バーナ38を固定する工程である。具体的には、セルバンドル群36とマニホールド37との間に絶縁シール部材37cを挟みつつ、セルバンドル群36の供給側連通口部35aをマニホールド37の隔壁37aの天板に形成された貫通穴に挿入する。また、燃焼面38aと排出側本体部35dの底部の外壁面との間に絶縁性接着剤38bを塗布し、排出側ホルダに燃焼面38aを被せるように装着する。そして、セルバンドル群36、マニホールド37および表面燃焼バーナ38を電気炉等で焼成する。これにより、セルバンドル群36、マニホールド37および表面燃焼バーナ38が固定される。
The fifth step is a step of fixing the
発電室39は、金属材(例えば、ステンレス鋼など)で箱状に形成されており、燃料と酸化剤ガス(空気)とが供給される。図2に示すように、発電室39は、隔壁39aによって、発電室39の内部と外部とが区画されている。隔壁39aは、下方に開口する開口部390を有しており、開口部390は、マニホールド37の隔壁37aによって塞がれている。これにより、発電室39の内部は密閉されている。セルバンドル群36および表面燃焼バーナ38、並びに、後述する蒸発部40および改質部50は、発電室39内に設けられている。
The
開口部390の近傍の隔壁39aには、酸化剤ガスを発電室39の内部に導入する酸化剤ガス導入管39bが貫通して設けられており、カソードエア供給管11cの一端が接続されている。酸化剤ガスは、カソードエア供給管11c、酸化剤ガス導入管39bの順に流通して、発電室39の内部に供給される。酸化剤ガス導入管39bは、分岐しており、分岐した一方の酸化剤ガス導入管39bに送出口39cが設けられている。分岐した他方の酸化剤ガス導入管39bには、送出口39dが設けられている。
An oxidant
送出口39cは、発電室39の内部において、酸化剤ガスの送出方向を規定することができる。送出口39cは、セルバンドル群36を構成する複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31の各酸化剤ガス極層31cに向かって、酸化剤ガスを送出する。具体的には、送出口39cから送出された酸化剤ガスは、発電室39の内部において、図2の紙面左側から紙面右側に向かって流通する。これにより、セルバンドル群36を構成する複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31の各酸化剤ガス極層31cに酸化剤ガスが供給される。なお、図2では、送出口39cから送出された酸化剤ガスの流通方向は、矢印Dc1方向を用いて模式的に示されている。
The
送出口39dは、送出口39cと同様に、発電室39の内部において、酸化剤ガスの送出方向を規定することができる。送出口39dは、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに沿って、酸化剤ガスを送出する。具体的には、送出口39dから送出された酸化剤ガスは、発電室39の内部において、図2の紙面左側から紙面右側に向かって流通する。これにより、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに沿って、酸化剤ガスが供給される。また、火炎は、図2の紙面左側から紙面右側に向かって火移りする。なお、図2では、送出口39cから送出された酸化剤ガスの流通方向は、矢印Dc2方向を用いて模式的に示されている。
Similarly to the
固体酸化物形燃料電池システム1は、酸化剤ガス供給量調整部38dを備えていると好適である。酸化剤ガス供給量調整部38dは、燃料オフガスと酸化剤ガスとが不完全燃焼しないように、燃料オフガスの排出量に合わせて、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに供給する酸化剤ガスの供給量を調整する。
It is preferable that the solid oxide fuel cell system 1 includes the oxidant gas supply
酸化剤ガス供給量調整部38dは、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに供給する酸化剤ガスの供給量を演算する演算装置と、当該演算装置の演算結果に基づいて、当該酸化剤ガスの供給量を調整する調整装置とを備えている。本実施形態では、酸化剤ガス供給量調整部38dの演算装置は、制御装置15の演算装置(図示略)に設けられている。酸化剤ガス供給量調整部38dの調整装置は、酸化剤ガス導入管39bに設けられている。図2に示すように、酸化剤ガス供給量調整部38dの調整装置は、例えば、酸化剤ガスの流量を調整可能な流量調整バルブであり、酸化剤ガス導入管39bの分岐管のうち、送出口39dが設けられている側の分岐管の上流側に設けられている。
The oxidant gas supply
制御装置15は、必要な発電量に合わせて、セルバンドル群36に供給する燃料および酸化剤ガスの各供給量を決定する。制御装置15(酸化剤ガス供給量調整部38d)は、燃料および酸化剤ガスの各供給量に基づいて、セルバンドル群36から排出される燃料オフガスの排出量を推定する。制御装置15(酸化剤ガス供給量調整部38d)は、燃料オフガスの排出量の推定値に基づいて、燃料オフガスと酸化剤ガスとが不完全燃焼しないように、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに供給する酸化剤ガスの供給量を決定する。
The
制御装置15(酸化剤ガス供給量調整部38d)は、例えば、燃料オフガスの排出量と酸化剤ガスの供給量との比が、燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼する化学反応の理論比になるように、酸化剤ガスの供給量を設定することができる。燃料および酸化剤ガスの各供給量と、燃料オフガスの排出量との関係は、例えば、シミュレーション、実機による検証等によって、予め、導出しておくことができる。このことは、燃料オフガスと酸化剤ガスとを不完全燃焼させない酸化剤ガスの供給量についても同様である。なお、燃料オフガスの排出量は、実測値を用いることもできる。
For example, the control device 15 (oxidant gas supply
流量調整バルブ(酸化剤ガス供給量調整部38d)は、決定された酸化剤ガスの供給量に基づいて、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに供給する酸化剤ガスの流量を調整(例えば、開度を調整)する。これにより、送出口39dから表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに供給される酸化剤ガスの供給量が既述の適正な供給量に調整される。
The flow rate adjusting valve (oxidant gas supply
本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、酸化剤ガス供給量調整部38dを備えている。酸化剤ガス供給量調整部38dは、燃料オフガスと酸化剤ガスとが不完全燃焼しないように、燃料オフガスの排出量に合わせて、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに供給する酸化剤ガスの供給量を調整する。そのため、酸化剤ガス供給量調整部38dは、燃料オフガスと酸化剤ガスとの混合比を適切にして、燃料オフガスと酸化剤ガスとの不完全燃焼を抑制することができる。また、酸化剤ガス供給量調整部38dは、燃料オフガスと酸化剤ガスとの混合比を適切にすることができるので、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aにおける火炎の異常な延伸を抑制することができ、輻射効率の低下が抑制される。
According to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the oxidant gas supply
発電室39では、マニホールド37から供給された燃料と、送出口39cから送出された酸化剤ガスとによって発電が行われる。燃料は、供給側連通口部35aを介して、セルバンドル群36を構成する複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31の各燃料極層31aに供給される。また、セルバンドル群36から排出された燃料オフガスと、送出口39dから送出された酸化剤ガスとが表面燃焼バーナ38の燃焼面38aに供給され、燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼される。発電室39の天井部には、1つまたは複数(本実施形態では、2つ)の排気口39d,39dが設けられており、燃焼排ガスが複数(2つ)の排気口39d,39dを通って排気される。図2では、各排気口39dにおける燃焼排ガスの流通方向は、矢印De1方向を用いて模式的に示されている。
In the
(蒸発部40)
蒸発部40は、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aの上方に設けられている。蒸発部40は、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aにおける燃焼により加熱される。これにより、蒸発部40は、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに供給された改質用原料を予熱する。蒸発部40は、生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部50に供給する。改質用原料として、天然ガス、LPガスなどの改質用気体原料や、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体原料があり、本実施形態では、改質用原料として、天然ガスを用いる。
(Evaporation part 40)
The
蒸発部40には、一端(下端)が水タンク14に接続された水供給管11bの他端が接続されている。また、蒸発部40には、一端が供給源Gsに接続された改質用原料供給管11aが接続されている。供給源Gsは、例えば、都市ガスのガス供給管、LPガスのガスボンベである。
The other end of the
(改質部50)
改質部50は、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aの上方に設けられている。改質部50は、表面燃焼バーナ38の燃焼面38aにおける燃焼により加熱される。これにより、改質部50は、水蒸気改質反応に必要な熱が供給され、蒸発部40から供給された水蒸気と改質用原料の混合ガスとから燃料である改質ガスを生成する。改質部50内には、触媒(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素と一酸化炭素などを含んだガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。
(Reformer 50)
The reforming
生成されたガス(いわゆる改質ガス)は、既述のアノードガスであり、固体酸化物形燃料電池スタック30のマニホールド37を介して、複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31の各燃料極層31aに導出される。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス(メタンガス)、改質に使用されなかった改質水(水蒸気)を含んでいる。このように、改質部50は、改質用原料と改質水とから改質ガス(燃料)を生成して、固体酸化物形燃料電池スタック30に供給する。なお、水蒸気改質反応は、吸熱反応である。
The generated gas (so-called reformed gas) is the above-described anode gas, and a plurality (15) of solid oxide fuel cell cylindrical cells are passed through the
本実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュール11によれば、上記固体酸化物形燃料電池スタック30、蒸発部40および改質部50を備えている固体酸化物形燃料電池モジュール11において、上述した固体酸化物形燃料電池スタック30に係る作用効果を得ることができる。また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、上記固体酸化物形燃料電池モジュール11、熱交換器12、電力変換装置13、水タンク14および制御装置15を備えている発電ユニット10と、貯湯槽21とを備えている固体酸化物形燃料電池システム1において、上述した固体酸化物形燃料電池スタック30に係る作用効果を得ることができる。
According to the solid oxide
<その他>
本発明は、上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、セルバンドル35を構成する固体酸化物形燃料電池筒状セル31の数は、適宜、変更することができる。同様に、セルバンドル群36を構成するセルバンドル35の数は、適宜、変更することができる。さらに、固体酸化物形燃料電池スタック30は、複数のセルバンドル群36を備えることもできる。また、表面燃焼バーナ38は、排出側連通口部35cから排出された燃料オフガスと、酸化剤ガス雰囲気中の酸化剤ガスとを予め混合して、燃焼面38aを流通させることもできる。
<Others>
The present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within the scope not departing from the gist. For example, the number of solid oxide fuel cell
図2および図8に示すように、実施形態では、セルバンドル群36は、複数(5つ)のセルバンドル35が隣接するセルバンドル35,35の長手方向(矢印Z方向)の取り付け向きが逆方向になるように直線状に並設されている。そのため、セルバンドル群36は、複数(5つ)のセルバンドル35を構成する複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31が直列接続および並列接続の両方により電気的に接続される。セルバンドル群36は、複数(5つ)のセルバンドル35が隣接するセルバンドル35,35の長手方向(矢印Z方向)の取り付け向きが同じ方向になるように直線状に並設することもできる。この場合、セルバンドル群36は、複数(5つ)のセルバンドル35を構成する複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31が並列接続により電気的に接続される。
As shown in FIG. 2 and FIG. 8, in the embodiment, the
この場合、供給側連通口部35aは、第一連通口部33bおよび第二連通口部34bのうちの一方のみ(例えば、第一連通口部33bのみ)であり、供給側本体部35bは、第一本体部33aおよび第二本体部34aのうちの一方のみ(例えば、第一本体部33aのみ)である。また、排出側連通口部35cは、第一連通口部33bおよび第二連通口部34bのうちの他方のみ(上記の場合、第二連通口部34bのみ)であり、排出側本体部35dは、第一本体部33aおよび第二本体部34aのうちの他方のみ(上記の場合、第二本体部34aのみ)である。なお、複数(5つ)のセルバンドル35のうちの一部のセルバンドル35(例えば、2つのセルバンドル35,35)は、直列接続および並列接続のうちの一方の接続とし、複数(5つ)のセルバンドル35のうちの他のセルバンドル35(例えば、残りの3つのセルバンドル35,35,35)は、直列接続および並列接続のうちの他方の接続とすることもできる。
In this case, the supply side
このように、セルバンドル群36は、複数(5つ)のセルバンドル35が隣接するセルバンドル35,35の長手方向(矢印Z方向)の取り付け向きが同じ方向または逆方向になるように直線状に並設される。これにより、複数(5つ)のセルバンドル35を構成する複数(15個)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31は、直列接続および並列接続のうちの少なくとも並列接続により電気的に接続される。また、各セルバンドル35は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル31を備えることもできる。この場合、セル集合体32は構成されず、複数(5つ)のセルバンドル35を構成する複数(5つ)の固体酸化物形燃料電池筒状セル31は、直列接続および並列接続のうちの少なくとも一方により電気的に接続される。
Thus, the
1:固体酸化物形燃料電池システム、
10:発電ユニット、
11:固体酸化物形燃料電池モジュール、12:熱交換器、13:電力変換装置、
14:水タンク、15:制御装置、16a:系統電源、16b:電源ライン、
21:貯湯槽、
30:固体酸化物形燃料電池スタック、
31:固体酸化物形燃料電池筒状セル、
31a:燃料極層、31b:電解質層、31c:酸化剤ガス極層、31d:燃料流路、
32:セル集合体、32a:第一導電性ペースト、32b:第二導電性ペースト、
33:第一ホルダ、33a:第一本体部、33a1:底部、33b:第一連通口部、
33c:第一緩衝部材、33d:第一シール部材、33e:第一導電性部材、
33f:第一規制部材、33f1:第一貫通穴、
34:第二ホルダ、34a:第二本体部、34a1:底部、34b:第二連通口部、
34c:第二緩衝部材、34d:第二シール部材、34e:第二導電性部材、
34f,34f:第二規制部材、34f1,34f1:第二貫通穴、
35:セルバンドル、35c:排出側連通口部、35d:排出側本体部、
36:セルバンドル群、
38:表面燃焼バーナ、38a:燃焼面、38d:酸化剤ガス供給量調整部、
40:蒸発部、50:改質部。
1: Solid oxide fuel cell system,
10: power generation unit,
11: Solid oxide fuel cell module, 12: Heat exchanger, 13: Power conversion device,
14: Water tank, 15: Control device, 16a: System power supply, 16b: Power supply line,
21: Hot water tank
30: Solid oxide fuel cell stack,
31: Solid oxide fuel cell cylindrical cell,
31a: fuel electrode layer, 31b: electrolyte layer, 31c: oxidant gas electrode layer, 31d: fuel flow path,
32: Cell aggregate, 32a: First conductive paste, 32b: Second conductive paste,
33: 1st holder, 33a: 1st main-body part, 33a1: Bottom part, 33b: 1st serial opening part,
33c: first buffer member, 33d: first seal member, 33e: first conductive member,
33f: first regulating member, 33f1: first through hole,
34: 2nd holder, 34a: 2nd main-body part, 34a1: Bottom part, 34b: 2nd communicating port part,
34c: second buffer member, 34d: second seal member, 34e: second conductive member,
34f, 34f: second regulating member, 34f1, 34f1: second through hole,
35: Cell bundle, 35c: Discharge side communication port portion, 35d: Discharge side main body portion,
36: Cell bundle group,
38: surface combustion burner, 38a: combustion surface, 38d: oxidant gas supply amount adjusting unit,
40: evaporation part, 50: reforming part.
Claims (9)
有底筒状に形成され前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの一方の端部側を覆うように収容して当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの各前記燃料極層と電気的に接続された第一本体部と、前記第一本体部に設けられ当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの各燃料流路の前記一方の端部側に連通する一つまたは複数の第一連通口部とを備える第一ホルダと、
有底筒状に形成され前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの他方の端部側を覆うように収容して当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの各前記酸化剤ガス極層と電気的に接続された第二本体部と、前記第二本体部に設けられ当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの各燃料流路の前記他方の端部側に連通する一つまたは複数の第二連通口部とを備える第二ホルダと、
を備える複数のセルバンドルが隣接する前記セルバンドルの長手方向の取り付け向きが同じ方向または逆方向になるように直線状に並設されたセルバンドル群と、
前記セルバンドル群の前記燃料が排出される側に設けられ、前記第一連通口部および前記第二連通口部のうちの少なくとも一方であって前記燃料が排出される側の各連通口部である排出側連通口部から排出された燃料オフガスが流通する網目状に形成された燃焼面を備え、前記燃焼面を通過した前記燃料オフガスと前記酸化剤ガス雰囲気中の酸化剤ガスとを燃焼させる表面燃焼バーナと、
を備えている固体酸化物形燃料電池スタック。 A fuel electrode layer that is formed in a cylindrical shape and in which fuel flows from one end side to the other end side, an oxidant gas electrode layer that is stacked outside the fuel electrode layer and provided in an oxidant gas atmosphere, and the fuel electrode One or more solid oxide fuel cell tubular cells comprising a layer and an electrolyte layer formed between the oxidant gas electrode layer;
Each of the fuel electrodes of the solid oxide fuel cell cylindrical cell is formed in a bottomed cylindrical shape so as to cover one end side of the one or more solid oxide fuel cell cylindrical cells. A first body part electrically connected to the layer, and one communicating with the one end part side of each fuel flow path of the solid oxide fuel cell tubular cell provided in the first body part or A first holder comprising a plurality of first series opening portions;
Each of the oxidizers of the solid oxide fuel cell cylindrical cell that is formed in a bottomed cylindrical shape and is received so as to cover the other end side of the one or more solid oxide fuel cell cylindrical cells A second body portion electrically connected to the gas electrode layer, and a second body portion provided on the second body portion and communicating with the other end of each fuel flow path of the solid oxide fuel cell tubular cell. A second holder comprising one or a plurality of second communication ports;
A group of cell bundles arranged side by side in a straight line such that a plurality of cell bundles adjacent to each other are attached in the same direction or in the opposite direction.
Each of the cell bundle groups is provided on the side from which the fuel is discharged, and is at least one of the first communication port and the second communication port, and each communication port on the side from which the fuel is discharged A combustion surface formed in a mesh shape through which the fuel off-gas discharged from the discharge-side communication port is circulated, and the fuel off-gas passing through the combustion surface and the oxidant gas in the oxidant gas atmosphere are combusted A surface burning burner,
A solid oxide fuel cell stack.
各前記第二ホルダは、前記第二本体部内に設けられ、前記セルバンドルを構成する前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他方の端部と、前記第二本体部の底部との間に配設され、当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他方の端部側に生じる熱応力を緩和する第二緩衝部材を備えている請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 Each said 1st holder is provided in said 1st main-body part, Said one end part of said 1 or several solid oxide fuel cell cylindrical cell which comprises said cell bundle, and said 1st main-body part A first buffer member that relaxes thermal stress generated between the one end portion of the solid oxide fuel cell cylindrical cell,
Each said 2nd holder is provided in said 2nd main-body part, Said other end part of said 1 or several solid oxide fuel cell cylindrical cell which comprises said cell bundle, and said 2nd main-body part 3. A second buffer member that is disposed between the bottom portion of the solid oxide fuel cell and relaxes thermal stress generated on the other end portion side of the solid oxide fuel cell cylindrical cell. Solid oxide fuel cell stack.
各前記第二ホルダは、前記第二本体部内に設けられ、前記セルバンドルを構成する前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他方の端部側から前記第二本体部内を通って前記燃料が前記酸化剤ガス雰囲気中に漏れ出すことを抑制する第二シール部材を備えている請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 Each said 1st holder is provided in said 1st main-body part, and in said 1st main-body part from said one edge part side of said 1 or several solid oxide form fuel cell cylindrical cell which comprises said cell bundle Comprising a first seal member that inhibits the fuel from leaking into the oxidant gas atmosphere through
Each said 2nd holder is provided in said 2nd main-body part, and in said 2nd main-body part from said other edge part side of said 1 or several solid oxide fuel cell cylindrical cell which comprises said cell bundle The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, further comprising a second seal member that prevents the fuel from leaking into the oxidant gas atmosphere.
前記第一導電性部材に対して、前記第一本体部の開口部側に配設される前記第一シール部材と、
前記第一導電性部材と前記第一シール部材との間に設けられ、平板状に形成され前記セルバンドルを構成する前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記一方の端部側が貫通可能な第一貫通穴を備え、前記第一本体部内において当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記一方の端部側を位置決めするとともに、前記第一導電性部材と前記第一シール部材との間の化学反応を規制し前記第一導電性部材に含まれる金属成分が前記第一本体部外へ飛散することを抑制する絶縁性を備える第一規制部材と、
を備え、
各前記第二ホルダは、前記第二本体部内に設けられ、前記セルバンドルを構成する前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの各前記酸化剤ガス極層と前記第二本体部の内壁面とを電気的に接続する第二導電性部材と、
前記第二導電性部材に対して、前記第二本体部の底部側に配設される前記第二シール部材と、
前記第二本体部の深さ方向の両側から前記第二導電性部材を挟むように二層に設けられ、それぞれ平板状に形成され前記セルバンドルを構成する前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他方の端部側が貫通可能な第二貫通穴をそれぞれ備え、前記第二本体部内において当該固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他方の端部側を位置決めするとともに、前記第二導電性部材と前記第二シール部材との間の化学反応を規制し前記第二導電性部材に含まれる金属成分が前記第二本体部外へ飛散することを抑制する絶縁性を備える第二規制部材と、
を備えている請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 Each said 1st holder is provided in said 1st main-body part, and each said fuel electrode layer and said 1st main-body part of said 1 or several solid oxide fuel cell cylindrical cell which comprises said cell bundle A first conductive member that electrically connects the inner wall surface;
With respect to the first conductive member, the first seal member disposed on the opening side of the first main body portion,
The one end of the one or more solid oxide fuel cell tubular cells provided between the first conductive member and the first seal member and formed in a flat plate shape to constitute the cell bundle A first through-hole through which the portion side can penetrate, positioning the one end portion side of the solid oxide fuel cell tubular cell in the first main body portion, and the first conductive member and the first A first regulating member having an insulating property that regulates a chemical reaction between the sealing member and suppresses a metal component contained in the first conductive member from being scattered outside the first body part;
With
Each said 2nd holder is provided in said 2nd main-body part, and each said oxidant gas electrode layer and said 2nd main body of said 1 or several solid oxide fuel cell cylindrical cell which comprises said cell bundle A second conductive member that electrically connects the inner wall surface of the portion;
With respect to the second conductive member, the second seal member disposed on the bottom side of the second main body portion,
The one or more solid oxide forms that are provided in two layers so as to sandwich the second conductive member from both sides in the depth direction of the second main body, and are each formed in a flat plate shape and constitute the cell bundle Each of the other end portions of the fuel cell cylindrical cell is provided with a second through hole through which the other end portion side of the solid oxide fuel cell cylindrical cell is positioned in the second main body portion. Insulating that restricts the chemical reaction between the second conductive member and the second seal member and prevents the metal component contained in the second conductive member from scattering outside the second main body. A second regulating member provided;
The solid oxide fuel cell stack according to claim 4, comprising:
前記セル集合体を構成する前記複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルは、隣接する前記燃料極層同士が導電性を備える第一導電性ペーストによって固定されるとともに電気的に接続され、隣接する前記酸化剤ガス極層同士が前記第一導電性ペーストと比べて多孔質な第二導電性ペーストによって固定されるとともに電気的に接続されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 Each of the plurality of cell bundles includes a plurality of solid oxide fuel cell cylindrical cells, and the plurality of solid oxide fuel cell cylindrical cells are arranged in parallel in a straight line and electrically connected in parallel. Aggregates are composed,
The plurality of solid oxide fuel cell cylindrical cells constituting the cell assembly are electrically connected to each other while the adjacent fuel electrode layers are fixed by a first conductive paste having conductivity. 6. The oxidant gas electrode layers that are fixed to each other and electrically connected to each other by a porous second conductive paste as compared with the first conductive paste. Solid oxide fuel cell stack.
前記表面燃焼バーナの前記燃焼面の上方に設けられ、前記表面燃焼バーナの前記燃焼面における前記燃焼により加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに供給された改質用原料を予熱する蒸発部と、
前記表面燃焼バーナの前記燃焼面の上方に設けられ、前記蒸発部から供給された前記水蒸気と前記改質用原料の混合ガスとから前記燃料である改質ガスを生成する改質部と、
を備えている固体酸化物形燃料電池モジュール。 A solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6;
For reforming provided above the combustion surface of the surface combustion burner, heated by the combustion on the combustion surface of the surface combustion burner, and evaporating the supplied reforming water to generate water vapor and supplied An evaporation section for preheating the raw material;
A reforming unit that is provided above the combustion surface of the surface combustion burner, and that generates a reformed gas as the fuel from the steam supplied from the evaporation unit and a mixed gas of the reforming raw material;
A solid oxide fuel cell module.
貯湯水を貯湯する貯湯槽と、
を備える固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記発電ユニットは、
請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールと、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールから排気された燃焼排ガスと前記貯湯槽から供給された前記貯湯水との間で熱交換を行い、前記燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を排出する熱交換器と、
前記熱交換器から排出された前記凝縮水を純水化する水タンクと、
補機を駆動して前記固体酸化物形燃料電池システムの運転を制御する制御装置と、
少なくとも前記固体酸化物形燃料電池モジュールから出力される直流電力を交流電力に変換して交流の系統電源に接続されている電源ラインに出力する電力変換装置と、
を備えている固体酸化物形燃料電池システム。 A power generation unit;
A hot water storage tank for storing hot water,
A solid oxide fuel cell system comprising:
The power generation unit is
A solid oxide fuel cell module according to claim 7,
Heat exchange is performed between the combustion exhaust gas exhausted from the solid oxide fuel cell module and the hot water supplied from the hot water storage tank, and condensed water is discharged by condensing water vapor contained in the combustion exhaust gas. A heat exchanger to
A water tank for purifying the condensed water discharged from the heat exchanger;
A control device for driving an auxiliary machine to control the operation of the solid oxide fuel cell system;
A power converter that converts at least DC power output from the solid oxide fuel cell module to AC power and outputs the AC power to a power line connected to an AC power supply; and
A solid oxide fuel cell system.
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JP2015149540A JP2017033653A (en) | 2015-07-29 | 2015-07-29 | Solid oxide type fuel battery stack, solid oxide type fuel battery module and solid oxide type fuel battery system |
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---|---|---|---|---|
JP2018195496A (en) * | 2017-05-19 | 2018-12-06 | アイシン精機株式会社 | Power collection structure for fuel battery cell, and manufacturing method thereof |
JP6483908B1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-03-13 | 日本碍子株式会社 | Cell stack device |
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2015
- 2015-07-29 JP JP2015149540A patent/JP2017033653A/en active Pending
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