JP2017152096A - Fuel battery cell stack and solid oxide fuel battery cell device - Google Patents

Fuel battery cell stack and solid oxide fuel battery cell device Download PDF

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保夫 柿沼
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Yuya Takahashi
悠也 高橋
暢夫 井坂
Nobuo Isaka
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow for maintaining output of excellent power from a fuel battery cell even when the fuel battery cell is exposed to abrupt thermal fluctuation due to power generation reaction.SOLUTION: A fuel battery cell stack comprises: a cylindrical fuel battery cell 84 including an inner electrode layer (fuel electrode layer) 90, an outer electrode layer (air layer) 92, and an electrolyte layer 94; and an inner electrode terminal 86 provided so as to surround both end parts of the fuel battery cell 84 and for extracting power from the fuel battery cell 84. The fuel battery cell 84 is electrically connected to the inner electrode terminal 86 via a flexible silver foil 91. The silver foil 91 is connected to the fuel battery cell 84 and the inner electrode terminal 86 by silver pastes 93A and 93B. The silver foil 91 connects between the fuel battery cell 84 and the inner electrode terminal 86 in a bent state. The silver foil 91 also connects the fuel battery cell 84 to the inner electrode terminal 86 so that a lower surface of the fuel battery cell 84 becomes displaceable to a bottom surface of the inner electrode terminal 86 facing the lower surface.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、燃料電池セルスタック、及び、この燃料電池セルスタックを備える固体酸化物形燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell stack and a solid oxide fuel cell device including the fuel cell stack.

固体酸化物形燃料電池装置(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池である。   A solid oxide fuel cell device (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, and supplies fuel gas to one side. In this fuel cell, an oxidant gas (air, oxygen, etc.) is supplied to the other side, and electricity is generated by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas.

燃料電池セルから発電した電力は、燃料電池セルを構成する燃料極層及び空気極層に集電部材を接続し、この集電部材を介して取り出される。このような燃料電池セルから発電された電力を取り出す構成として、例えば、特許文献1には、円筒形の燃料電池セルにおいて、内側電極層(燃料極層)と内側電極端子との間を、銀ロウを焼結させてなる銀シール材により電気的に接続する構成が開示されている。   The electric power generated from the fuel cell is connected to a fuel electrode layer and an air electrode layer that constitute the fuel cell and a current collecting member is taken out through the current collecting member. As a configuration for taking out the electric power generated from such a fuel battery cell, for example, in Patent Document 1, a cylindrical fuel battery cell has a silver space between an inner electrode layer (fuel electrode layer) and an inner electrode terminal. A configuration is disclosed in which a silver sealing material formed by sintering brazing is electrically connected.

また、特許文献2には、平板状の燃料電池セルにおいて、円形の電解質層の外縁部に円環状に絶縁性バリア層を形成し、絶縁性バリア層の上方に貫通孔を有する箔状の金属箔を積層し、電解質層及び金属箔の内縁部を覆うように空気極層を成膜した構成が開示されている。   Further, in Patent Document 2, in a flat fuel cell, a foil-shaped metal having an annular insulating barrier layer formed on the outer edge of a circular electrolyte layer and having a through hole above the insulating barrier layer. The structure which laminated | stacked foil and formed the air electrode layer into a film so that the inner edge part of an electrolyte layer and metal foil was covered is disclosed.

また、特許文献3には、平板状の燃料電池セルにおいて、コネクタプレートと電極層(空気極層)との間に金属箔を備えた金属集電体を配置し、供給された発電用ガスの圧力によって金属箔が電極層に向かって膨張することにより電極層と金属箔とが接触し、発電された電力を取り出す構成が開示されている。   Further, in Patent Document 3, in a flat fuel cell, a metal current collector provided with a metal foil is disposed between a connector plate and an electrode layer (air electrode layer), and the generated power generation gas is supplied. A configuration is disclosed in which a metal foil expands toward the electrode layer due to pressure so that the electrode layer and the metal foil come into contact with each other and the generated electric power is taken out.

国際公開第2013/047667号International Publication No. 2013/047667 特開2005−190862号公報JP 2005-190862 A 特開2013−157234号公報JP 2013-157234 A

ここで、固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルは、発電の際に700℃以上の高温まで発熱する。このため、固体酸化物形燃料電池セルスタックには、外気温又は室温と、700℃以上の高温との間の繰り返しの急激な熱変動に耐えうる性能が求められる。そこで、これまでは固体酸化物形燃料電池装置に用いられる構成部品を、熱膨張率が近い材料により構成することにより熱応力を抑えていた。   Here, the fuel cell of the solid oxide fuel cell device generates heat up to a high temperature of 700 ° C. or higher during power generation. For this reason, the solid oxide fuel cell stack is required to have a performance capable of withstanding repeated rapid thermal fluctuations between an outside air temperature or room temperature and a high temperature of 700 ° C. or higher. So far, thermal stress has been suppressed by configuring the components used in the solid oxide fuel cell device with materials having a similar coefficient of thermal expansion.

しかしながら、上述したような燃料電池セルと、この燃料電池セルから発電された電力を取り出すための集電部材とを電気的に接続する導電構造に関しては、これらの機能を保ちながら熱膨張率が近くなるような材料を選択することは極めて困難であった。このため、集電部材と燃料電池セルとの間で熱応力が生じ、クラックの発生などにより燃料電池セルが破損したり、燃料電池セルと集電部材との電通状態が損なわれたりするという問題があった。   However, regarding the conductive structure that electrically connects the fuel cell as described above and a current collecting member for taking out the electric power generated from the fuel cell, the thermal expansion coefficient is close while maintaining these functions. It was extremely difficult to select such a material. For this reason, a thermal stress is generated between the current collecting member and the fuel battery cell, and the fuel battery cell is damaged due to the occurrence of a crack, or the electrical connection state between the fuel battery cell and the current collecting member is impaired. was there.

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、発電反応による急激な熱変動に曝されても燃料電池セルからの良好な電力の出力を維持できるようにすることである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to maintain a good power output from the fuel cell even when exposed to a rapid thermal fluctuation due to a power generation reaction. .

本発明の燃料電池セルスタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルスタックであって、燃料ガスが供給される燃料通路を有する燃料極層、酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、燃料極層と空気極層の間に設けられた固体電解質層を有する円筒状の燃料電池セルと、燃料電池セルの少なくとも一方の端部を包囲するように設けられ、燃料電池セルにより発電された電力を燃料電池セルから取り出す集電部材と、を備え、燃料電池セルは、可撓性の箔状の金属部材を介して集電部材に電気的に接続され、箔状の金属部材は燃料電池セル及び集電部材に導電性のペーストにより接続され、箔状の金属部材は撓んだ状態で燃料電池セルと集電部材との間を接続し、これにより燃料電池セルに加わる応力に対して追従するように変形可能であり、箔状の金属部材は、燃料電池セルの上面又は下面が上面又は下面に対向する集電部材の天面又は底面に対して変位可能なように、燃料電池セルを集電部材に接続する、ことを特徴とする。   The fuel cell stack according to the present invention is a fuel cell stack that generates power using fuel gas and oxidant gas, and includes a fuel electrode layer having a fuel passage to which fuel gas is supplied, and air to which oxidant gas is supplied. A cylindrical fuel cell having a polar layer and a solid electrolyte layer provided between the fuel electrode layer and the air electrode layer, and a fuel cell provided so as to surround at least one end of the fuel cell. A power collecting member for taking out the electric power generated by the cell from the fuel cell, and the fuel cell is electrically connected to the current collecting member through a flexible foil-like metal member, The metal member is connected to the fuel cell and the current collecting member by a conductive paste, and the foil-like metal member is connected between the fuel cell and the current collecting member in a bent state. Follow the applied stress The foil-shaped metal member can collect the fuel cell so that the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collector facing the upper surface or the lower surface. It connects to a member, It is characterized by the above-mentioned.

上述の通り、燃料電池セルは発電の際に700℃以上の高温まで発熱するため、熱膨張率の異なる集電部材と燃料電池セルとの間には熱応力が生じる。特に、箔状の金属部材を燃料電池セル及び集電部材に取り付けるための導電性のろう付けやペーストは、熱膨張係数が他の部材と異なるため、高温に曝されると熱変形が生じやすい。   As described above, since the fuel cell generates heat up to a high temperature of 700 ° C. or higher during power generation, thermal stress is generated between the current collecting member and the fuel cell having different thermal expansion coefficients. In particular, conductive brazing and paste for attaching a foil-like metal member to a fuel cell and a current collecting member have a different thermal expansion coefficient from other members, so that thermal deformation is likely to occur when exposed to high temperatures. .

これに対して、上記構成の本発明によれば、金属部材が撓んだ状態で燃料電池セルと集電部材との間を接続しているため、高温下において熱膨張率の違いにより燃料電池セルと集電部材との間に変位が生じたとしてもこれを吸収することができる。さらに、箔状の金属部材を燃料電池セル及び集電部材に取り付ける導電性のろう付け又はペーストに熱変形が生じたとしても、箔状の金属部材はこの熱変形に追従して変形することができる。このため、燃料電池セルに熱応力が作用するのを防止とともに、金属部材の剥離を防止することができる。   On the other hand, according to the present invention having the above configuration, since the fuel cell and the current collecting member are connected in a state where the metal member is bent, the fuel cell is different due to a difference in thermal expansion coefficient at a high temperature. Even if a displacement occurs between the cell and the current collecting member, it can be absorbed. Furthermore, even if the conductive brazing or paste for attaching the foil-shaped metal member to the fuel cell and the current collecting member is thermally deformed, the foil-shaped metal member may be deformed following the thermal deformation. it can. For this reason, it is possible to prevent thermal stress from acting on the fuel cell and to prevent the metal member from peeling off.

ここで、燃料電池セルと集電部材とが変位することができなければ、金属部材により十分に熱応力を吸収することができない。しかしながら、燃料電池セルと集電部材との間に間隔を設けようとすると、複数の燃料電池セルの間でこの燃料電池セルと集電部材との間の間隔にばらつきが生じてしまい、燃料電池ごとに寸法のばらつきが生じてしまう。   Here, unless the fuel cell and the current collecting member can be displaced, the metal member cannot sufficiently absorb the thermal stress. However, if an interval is provided between the fuel battery cell and the current collecting member, the distance between the fuel battery cell and the current collecting member varies among the plurality of fuel battery cells. Variations in dimensions occur every time.

これに対して、本発明によれば、箔状の金属部材は、燃料電池セルの上面又は下面が集電部材の天面又は底面に対して変位可能なように、燃料電池セルを集電部材に接続しているため、金属部材により十分に熱応力を吸収することができる。さらに、このように燃料電池セルの上面又は下面が集電部材の天面又は底面に対して変位可能であるため、燃料電池セルと集電部材との間の間隔のばらつきを吸収することができる。特に、燃料電池の製造工程において、燃料電池セルの上面又は下面を、集電部材の天面又は底面に接触させることにより、燃料電池の寸法のばらつきを減少させることができる。   On the other hand, according to the present invention, the foil-shaped metal member can be connected to the current collecting member so that the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collecting member. Therefore, thermal stress can be sufficiently absorbed by the metal member. Furthermore, since the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collecting member in this way, it is possible to absorb the variation in the distance between the fuel cell and the current collecting member. . In particular, in the manufacturing process of the fuel cell, the variation in the size of the fuel cell can be reduced by bringing the upper surface or the lower surface of the fuel cell into contact with the top surface or the bottom surface of the current collecting member.

本発明において、好ましくは、箔状の金属部材は、燃料電池セルの上面又は下面に面接触した状態で接続され、箔状の金属部材は、集電部材の内壁側面に面接触した状態で接続されており、燃料電池セルの上面又は下面は、上面又は下面に対向する集電部材の天面又は底面に対して固定接続されていない。
箔状の金属部材は平面状であるため、他の形状に比べて断面積が小さく、電気抵抗が高い。このため、燃料電池セル及び集電部材に金属部材の端部を接続すると、端部において電気抵抗が大きくなる。これに対して、上記構成の本発明によれば、箔状の金属部材を燃料電池セル及び集電部材の双方に面接触させることにより、端部における電気抵抗を低減することができるとともに、接着強度を向上することができる。また、導電性ペーストは焼成時に揮発成分が抜けるため収縮するが、上記構成の本発明によれば、箔状の金属部材が燃料電池セル及び集電部材に面接触しているため、導電性ペーストの収縮に追従して変形することができ、面接触による高い導電接続を維持することができる。
In the present invention, preferably, the foil-shaped metal member is connected in contact with the upper surface or the lower surface of the fuel cell, and the foil-shaped metal member is connected in contact with the inner wall side surface of the current collecting member. The upper or lower surface of the fuel cell is not fixedly connected to the top or bottom surface of the current collecting member facing the upper or lower surface.
Since the foil-like metal member is planar, it has a smaller cross-sectional area and higher electrical resistance than other shapes. For this reason, when the end portion of the metal member is connected to the fuel cell and the current collecting member, the electrical resistance increases at the end portion. On the other hand, according to the present invention having the above-described configuration, the foil-like metal member can be brought into surface contact with both the fuel battery cell and the current collecting member, whereby the electrical resistance at the end can be reduced and bonded. Strength can be improved. In addition, the conductive paste shrinks due to elimination of volatile components during firing, but according to the present invention having the above configuration, the foil-like metal member is in surface contact with the fuel cell and the current collecting member. Can be deformed following the contraction of the film, and a high conductive connection by surface contact can be maintained.

また、上記構成の本発明によれば、箔状の金属部材は、燃料電池セルの上面又は下面と、燃料電池セルを取り囲む集電部材の内壁側面とに面接触しているため、L字状に折り曲げられた状態となる。このように箔状の金属部材がL字状になることにより、箔状の金属部材に撓みが生じるため、この撓みにより燃料電池セルと集電部材との間の熱膨張係数の差による変位を吸収することができる。また、燃料電池セルと集電部材を接続する際には、集電部材に予め箔状の金属部材を取り付けておき、燃料電池セルを集電部材に向けて差し込むことにより箔状の金属部材を燃料電池セルに接続することができ、組立作業が容易になる。   Moreover, according to this invention of the said structure, since the foil-shaped metal member is in surface contact with the upper surface or lower surface of a fuel cell, and the inner wall side surface of the current collection member surrounding a fuel cell, it is L-shaped. It will be in the state bent by. Since the foil-like metal member becomes L-shaped in this way, the foil-like metal member bends. Therefore, the deflection causes the displacement due to the difference in the thermal expansion coefficient between the fuel cell and the current collecting member. Can be absorbed. In addition, when connecting the fuel cell and the current collecting member, a foil-like metal member is attached to the current collecting member in advance, and the foil-like metal member is inserted by inserting the fuel cell toward the current collecting member. It can be connected to a fuel cell, and assembly work is facilitated.

本発明において、好ましくは、箔状の金属部材の一面が燃料電池セルの上面又は下面に接続され、箔状の金属部材の、燃料電池セルが接続された部分に対応する他面の部分には、焼成前に箔状の金属と集電部材の天面又は底面とを仮固定し、かつ、焼成後には仮固定が解除される仮固定部材が設けられている。   In the present invention, preferably, one surface of the foil-shaped metal member is connected to the upper surface or the lower surface of the fuel cell, and the other surface portion of the foil-shaped metal member corresponding to the portion to which the fuel cell is connected A temporary fixing member that temporarily fixes the foil-shaped metal and the top surface or bottom surface of the current collecting member before firing and releases the temporary fixing after firing is provided.

燃料電池の寸法のばらつきを減少させるためには、燃料電池の製造工程において、燃料電池セルの上面又は下面を、集電部材の天面又は底面に接触させることが好ましい。しかしながら、燃料電池の製造後は、熱応力を吸収できるように、燃料電池セルの上面又は下面が集電部材の天面又は底面に対して変位可能にする必要がある。   In order to reduce the variation in the dimensions of the fuel cell, it is preferable that the upper surface or the lower surface of the fuel cell is brought into contact with the top surface or the bottom surface of the current collecting member in the fuel cell manufacturing process. However, after manufacturing the fuel cell, it is necessary that the upper surface or the lower surface of the fuel cell be displaceable with respect to the top surface or the bottom surface of the current collecting member so that the thermal stress can be absorbed.

これに対して、上記構成の本発明によれば、焼成前に箔状の金属と集電部材の天面又は底面とを仮固定し、かつ、焼成後には仮固定が解除される仮固定部材を設けることにより、製造時には、燃料電池セルの上面又は下面を、集電部材の天面又は底面に接触させ、燃料電池の製造後は、燃料電池セルの上面又は下面が集電部材の天面又は底面に対して変位可能にすることができる。   On the other hand, according to the present invention having the above-described configuration, the temporary fixing member that temporarily fixes the foil-shaped metal and the top surface or the bottom surface of the current collecting member before firing, and is temporarily released after firing. When the fuel cell is manufactured, the upper surface or the lower surface of the current collecting member is brought into contact with the top surface or the bottom surface of the current collecting member. Alternatively, it can be displaced with respect to the bottom surface.

本発明において、好ましくは、箔状の金属部材の一面は、導電性ペーストにより、燃料電池セルの上面又は下面に接続されている。
集電部材と燃料電池セルとの間の空間は非常に狭い。このため、箔状の金属部材と燃料電池セルとを導電性のろう付けにより接続しようとしても外部からろうを流し込むことは非常に難しい。さらに、ろうは膨張係数が周囲の部材に比べて大きく、燃料電池セルの破損や箔状の金属部材の剥離が生じやすい。これに対して、上記構成の本発明によれば、予め導電性ペーストを燃料電池セルに取り付けておけば燃料電池セルを集電部材内に挿入した後、容易に箔状の金属部材を燃料電池セルに接続することができる。さらに、導電性のペーストは多孔質でありそれ自身が変形可能であるため、燃料電池セルの破損や箔状の金属部材の剥離を防止できる。
In the present invention, preferably, one surface of the foil-shaped metal member is connected to the upper surface or the lower surface of the fuel cell by a conductive paste.
The space between the current collecting member and the fuel cell is very narrow. For this reason, even if it is going to connect a foil-shaped metal member and a fuel battery cell by electroconductive brazing, it is very difficult to pour wax from the outside. Furthermore, the expansion coefficient of the wax is larger than that of the surrounding members, and the fuel cell is easily damaged or the foil-like metal member is easily peeled off. On the other hand, according to the present invention having the above configuration, if the conductive paste is attached to the fuel cell in advance, the fuel cell is inserted into the current collecting member, and then the foil-like metal member is easily attached to the fuel cell. Can be connected to a cell. Furthermore, since the conductive paste is porous and itself can be deformed, it is possible to prevent the fuel cell from being damaged and the foil-like metal member from being peeled off.

本発明において、好ましくは、仮固定部材は、箔状の金属部材を燃料電池セルに接続する導電性ペーストと同一の材料からなり、導電性ペーストは、集電部材よりも燃料電池セルとの密着性が高い。
上記構成の本発明によれば、仮固定部材に集電部材よりも燃料電池セルとの密着性が高い導電性ペーストを用いることにより、導電性ペーストの焼結時の収縮により発生する熱応力により仮固定部材と集電部材とが剥離する。これにより、燃料電池セルの上面又は下面を集電部材の天面又は底面に対して変位可能にすることができる。
In the present invention, preferably, the temporary fixing member is made of the same material as the conductive paste for connecting the foil-shaped metal member to the fuel cell, and the conductive paste is more closely attached to the fuel cell than the current collecting member. High nature.
According to the present invention having the above configuration, by using a conductive paste having higher adhesion to the fuel cell than the current collecting member as the temporary fixing member, the thermal stress generated by the shrinkage during sintering of the conductive paste The temporarily fixing member and the current collecting member are peeled off. Thereby, the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collecting member.

本発明において、好ましくは、集電部材は内壁面にクロム酸化物層を有する。
上記構成の本発明によれば、集電部材は内壁面にクロム酸化物層を有するため、仮固定部材と集電部材との密着性が弱くなり、より焼結時に熱応力により剥離しやすくなる。
In the present invention, the current collecting member preferably has a chromium oxide layer on the inner wall surface.
According to the present invention having the above configuration, since the current collecting member has a chromium oxide layer on the inner wall surface, the adhesion between the temporary fixing member and the current collecting member is weakened, and more easily peels off due to thermal stress during sintering. .

本発明の固体酸化物形燃料電池装置は、上記の燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックを収容するモジュールケースと、モジュールケース内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池セルスタックに供給する改質器と、を備える。   A solid oxide fuel cell device of the present invention includes the above fuel cell stack, a module case that accommodates the fuel cell stack, and a fuel gas that is disposed in the module case and reforms the raw fuel gas with water vapor. And a reformer for supplying the fuel gas to the fuel cell stack.

本発明によれば、発電反応による熱変動に曝されても燃料電池セルからの良好な電力の出力を維持できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the output of the favorable electric power from a fuel cell can be maintained even if exposed to the heat fluctuation by electric power generation reaction.

本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the fuel cell module of the solid oxide fuel cell apparatus by 1st Embodiment of this invention. 図2のIII−III線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the III-III line of FIG. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置のモジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a module case and an air passage cover of a solid oxide fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 図5のVI部の拡大断面図であり、(a)は燃料電池セルが支持体として導電支持体を有する場合、(b)は絶縁支持体を有する場合を示す。It is an expanded sectional view of the VI section of Drawing 5, (a) shows the case where a fuel cell has a conductive support as a support, and (b) shows the case where it has an insulating support. 図6(a)におけるVII−VII断面図である。It is VII-VII sectional drawing in Fig.6 (a). 第1実施形態で用いられている銀箔を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the silver foil used by 1st Embodiment. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows a fuel cell module for demonstrating the flow of the gas in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、図2のIII-III線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module taken along the line III-III of FIG. 2 for explaining a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットの組立方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the assembly method of the fuel cell unit of the solid oxide fuel cell by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルの下端を内側電極端子に挿入する様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that the lower end of the fuel cell of the solid oxide fuel cell by 1st Embodiment of this invention is inserted in an inner side electrode terminal. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池における銀ペーストを焼成する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the silver paste in the solid oxide fuel cell by 1st Embodiment of this invention is baked. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置において、長時間運転した際の挙動を示す燃料電池セル下端近傍の断面図である。In the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention, it is a cross-sectional view of the vicinity of the lower end of the fuel cell showing the behavior when operated for a long time. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置において、燃料電池セルに部位により異なる熱膨張が生じた状態を示す燃料電池セル下端近傍の斜視図である。In the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention, it is a perspective view of the vicinity of the lower end of the fuel cell showing a state where different thermal expansion occurs in the fuel cell depending on the part. 本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池における発電中における燃料電池セルの上部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the upper part of the fuel cell during electric power generation in the solid oxide fuel cell by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態の固体電解質形燃料電池セルにおける燃料電池セルと、内側電極端子との接続構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the connection structure of the fuel cell in the solid oxide form fuel cell of 2nd Embodiment of this invention, and an inner side electrode terminal.

つぎに、添付図面を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。
図1に示すように、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 according to a first embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュールケース8が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、8個の燃料電池セルスタック14(詳細は図6で後述する)を備え、この燃料電池セルスタック14は、各々が燃料電池セルを含む、16本の燃料電池セルユニット16(詳細は図5で後述する)から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体12は、128本の燃料電池セルユニット16を有する。燃料電池セル集合体12は、複数の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a metal module case 8 is built in the housing 6 via a heat insulating material 7. In the power generation chamber 10, which is the lower part of the module case 8, which is a sealed space, a fuel cell that performs a power generation reaction with fuel gas and oxidant gas (hereinafter referred to as “power generation air” or “air” as appropriate). A cell assembly 12 is arranged. The fuel cell assembly 12 includes eight fuel cell stacks 14 (details will be described later with reference to FIG. 6). The fuel cell stack 14 includes 16 fuel cells each including a fuel cell. It is composed of a cell unit 16 (details will be described later with reference to FIG. 5). In this example, the fuel cell assembly 12 has 128 fuel cell units 16. In the fuel cell assembly 12, all of the plurality of fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2のモジュールケース8の発電室10の上方には、燃焼部としての燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス(言い換えると燃焼ガス)を生成するようになっている。さらに、モジュールケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器120が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器120を改質反応が可能な温度となるように加熱している。   A combustion chamber 18 as a combustion section is formed above the power generation chamber 10 of the module case 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, residual fuel gas and residual air that have not been used for the power generation reaction are formed. Burns and generates exhaust gas (in other words, combustion gas). Further, the module case 8 is covered with the heat insulating material 7 to suppress the heat inside the fuel cell module 2 from being diffused to the outside air. Further, a reformer 120 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 120 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. Yes.

さらに、ハウジング6内においてモジュールケース8の上方には、蒸発器140が断熱材7内に設けられている。蒸発器140は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス(以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。)をモジュールケース8内の改質器120に供給する。   Further, an evaporator 140 is provided in the heat insulating material 7 above the module case 8 in the housing 6. The evaporator 140 performs heat exchange between the supplied water and the exhaust gas, thereby evaporating the water to generate water vapor, and a mixed gas (hereinafter referred to as “fuel gas”) of the water vapor and the raw fuel gas. Is supplied to the reformer 120 in the module case 8.

つぎに、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器120に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器120内において、部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよいし、POX工程及びATR工程を省略してSR工程のみが行われるように構成してもよい。なお、SR工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット44は不要である。
Next, the auxiliary unit 4 stores pure water tank 26 that stores water condensed from moisture contained in the exhaust gas from the fuel cell module 2 and makes it pure water with a filter, and water supplied from the water storage tank. Is provided with a water flow rate adjusting unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor). In addition, the auxiliary unit 4 adjusts the flow rate of the fuel gas, the gas shutoff valve 32 for shutting off the fuel supplied from the fuel supply source 30 such as city gas, the desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, A fuel flow adjustment unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) and a valve 39 that shuts off fuel gas flowing out from the fuel flow adjustment unit 38 when power is lost. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off the air supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the air flow rate, and a power generation air flow rate adjusting unit 45 (with a motor). Driven "air blower", etc., a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 120, and a second heater 48 for heating the power generating air supplied to the power generation chamber. I have. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.
In this embodiment, the partial oxidation reforming reaction (POX) and the steam reforming reaction (SR) are performed from the POX process in which only the partial oxidation reforming reaction (POX) occurs in the reformer 120 when the apparatus is started. The SR process in which only the steam reforming reaction is performed may be performed through the ATR process in which the mixed autothermal reforming reaction (ATR) occurs, or the POX process may be omitted and the ATR process may be changed to the SR process. You may comprise so that it may transfer, and it may comprise so that a POX process and an ATR process may be abbreviate | omitted and only an SR process may be performed. In the configuration in which only the SR step is performed, the reforming air flow rate adjustment unit 44 is unnecessary.

つぎに、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。   Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown). The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like. Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

つぎに、図2〜図4を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。
図2は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図であり、図4は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。
Next, the structure of the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a side sectional view showing the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view of the module case and the air passage cover.

図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2は、断熱材7で覆われたモジュールケース8の内部に設けられた燃料電池セル集合体12及び改質器120を有すると共に、モジュールケース8の外部で且つ断熱材7内に設けられた蒸発器140を有する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell module 2 includes a fuel cell assembly 12 and a reformer 120 provided inside a module case 8 covered with a heat insulating material 7, and the module case 8. And an evaporator 140 provided in the heat insulating material 7.

まず、モジュールケース8は、図4に示すように、略矩形の天板8a,底板8c,これらの長手方向(図2の左右方向)に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板8bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板8a及び底板8cの幅方向(図3の左右方向)に延びる辺同士を連結する閉鎖側板8d,8eからなる。   First, as shown in FIG. 4, the module case 8 includes a substantially rectangular top plate 8a, bottom plate 8c, and a pair of opposing side plates 8b that connect the sides extending in the longitudinal direction (left-right direction in FIG. 2). A cylindrical body and a closed side plate that closes two opposing openings at both ends in the longitudinal direction of the cylindrical body and connects the sides extending in the width direction of the top plate 8a and the bottom plate 8c (left and right direction in FIG. 3) 8d and 8e.

モジュールケース8は、空気通路カバー160によって天板8a及び側板8bが覆われている。空気通路カバー160は、天板160aと、対向する一対の側板160bとを有する。天板160aの略中央部分には、排気管171を貫通させるための開口部167が設けられている。天板160aと天板8aとの間、及び、側板160bと側板8bとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース8の外側と断熱材7との間、具体的にはモジュールケース8の天板8a及び側板8bと、空気通路カバー160の天板160a及び側板160bとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路161a,161bが形成されている(図3参照)。   The module case 8 has a top plate 8 a and side plates 8 b covered with an air passage cover 160. The air passage cover 160 includes a top plate 160a and a pair of opposing side plates 160b. An opening 167 for allowing the exhaust pipe 171 to pass therethrough is provided at a substantially central portion of the top plate 160a. The top plate 160a and the top plate 8a and the side plate 160b and the side plate 8b are separated by a predetermined distance. As a result, there is oxidation between the outside of the module case 8 and the heat insulating material 7, specifically between the top plate 8a and the side plate 8b of the module case 8, and between the top plate 160a and the side plate 160b of the air passage cover 160. Air passages 161a and 161b are formed as agent gas supply passages (see FIG. 3).

モジュールケース8の側板8bの下部には、複数の貫通孔である吹出口8fが設けられている(図4参照)。発電用空気は、空気通路カバー160の天板160aのうち、モジュールケース8の閉鎖側板8e側の略中央部に設けられた発電用空気導入管74から流路方向調整部164を介して空気通路161a内に供給される(図2、図4参照)。そして、発電用空気は、空気通路161a,161bを通って、吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される(図3、図4参照)。   At the lower part of the side plate 8b of the module case 8, a plurality of through holes 8f are provided (see FIG. 4). The power generation air passes through the flow direction adjustment unit 164 from the power generation air introduction pipe 74 provided in the substantially central portion of the top plate 160a of the air passage cover 160 on the closed side plate 8e side of the module case 8. 161a (see FIGS. 2 and 4). Then, the power generation air is injected into the power generation chamber 10 through the air passages 161a and 161b from the outlet 8f toward the fuel cell assembly 12 (see FIGS. 3 and 4).

また、空気通路161a,161bの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン162,163が設けられている(図3参照)。プレートフィン162は、モジュールケース8の天板8aと空気通路カバー160の天板160aの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン163は、モジュールケース8の側板8bと空気通路カバー160の側板160bとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット16よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。   Further, plate fins 162 and 163 as heat exchange promoting members are provided inside the air passages 161a and 161b (see FIG. 3). The plate fins 162 are provided in the horizontal direction so as to extend in the longitudinal direction and the width direction between the top plate 8a of the module case 8 and the top plate 160a of the air passage cover 160, and the plate fins 163 are the side plates 8b of the module case 8. And the side plate 160b of the air passage cover 160 and at a position above the fuel cell unit 16 so as to extend in the longitudinal direction and the vertical direction.

空気通路161a,161bを流れる発電用空気は、特にプレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の内側のモジュールケース8内(具体的には天板8a,側板8bに沿って設けられた排気通路)を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路161a,161bにおいてプレートフィン162,163が設けられた部分は、熱交換器(熱交換部)として機能する。なお、プレートフィン162が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン163が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。   The power generation air flowing through the air passages 161a and 161b is inside the module case 8 inside the plate fins 162 and 163 (specifically along the top plate 8a and the side plate 8b), particularly when passing through the plate fins 162 and 163. Heat exchange is performed with the exhaust gas passing through the exhaust passage). For this reason, the portions where the plate fins 162 and 163 are provided in the air passages 161a and 161b function as a heat exchanger (heat exchange section). The portion provided with the plate fins 162 constitutes a main heat exchanger portion, and the portion provided with the plate fins 163 constitutes a subordinate heat exchanger portion.

つぎに、蒸発器140は、モジュールケース8の天板8a上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器140とモジュールケース8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分7aが配置されている(図2及び図3参照)。   Next, the evaporator 140 is fixed on the top plate 8a of the module case 8 so as to extend in the horizontal direction. Further, a portion 7a of the heat insulating material 7 is disposed between the evaporator 140 and the module case 8 so as to fill these gaps (see FIGS. 2 and 3).

具体的には、蒸発器140は、長手方向(図2の左右方向)の一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する燃料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82(図3参照)とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管171の上端部が連結されている。排気管171は、空気通路カバー160の天板160aに形成された開口部167を貫通して下方へ延び、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口111に連結されている。排気口111は、モジュールケース8内の燃焼室18で生成された排気ガスをモジュールケース8の外へ排出する開口部であり、モジュールケース8の上面視略矩形の天板8aのほぼ中央部に形成されている。   Specifically, the evaporator 140 includes a fuel supply pipe 63 that supplies water and raw fuel gas (which may include reforming air) to one side end side in the longitudinal direction (left-right direction in FIG. 2). The exhaust gas exhaust pipe 82 (see FIG. 3) for exhaust gas exhaust is connected, and the upper end of the exhaust pipe 171 is connected to the other side end in the longitudinal direction. The exhaust pipe 171 extends downward through an opening 167 formed in the top plate 160 a of the air passage cover 160, and is connected to an exhaust port 111 formed on the top plate 8 a of the module case 8. The exhaust port 111 is an opening through which the exhaust gas generated in the combustion chamber 18 in the module case 8 is discharged to the outside of the module case 8, and is substantially at the center of the top plate 8 a that is substantially rectangular in top view. Is formed.

また、蒸発器140は、図2及び図3に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース141を有している。この蒸発器ケース141は、2つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース142と下側ケース143とを、これらの間に中間板144を挟んだ状態で接合して形成されている。   In addition, as shown in FIGS. 2 and 3, the evaporator 140 has an evaporator case 141 that is substantially rectangular in top view. The evaporator case 141 is formed by joining two low-profile bottomed rectangular cylindrical upper case 142 and lower case 143 with an intermediate plate 144 sandwiched therebetween.

したがって、蒸発器ケース141は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管171から供給された排気ガスが通過する排気通路部140Aが形成され、上層部分には、燃料供給配管63から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部140Bと、蒸発部140Bで生成された水蒸気と燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部140Cが設けられている。   Accordingly, the evaporator case 141 has a two-layer structure in the vertical direction, and an exhaust passage portion 140A through which the exhaust gas supplied from the exhaust pipe 171 passes is formed in the lower layer portion, and a fuel layer is formed in the upper layer portion. An evaporation unit 140B that evaporates water supplied from the supply pipe 63 to generate water vapor, and a mixing unit 140C that mixes the water vapor generated in the evaporation unit 140B and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 63 are provided. It has been.

図2及び図3に示すように、蒸発部140B及び混合部140Cは、複数の連通孔(スリット)145aが形成された仕切り板145により蒸発器140を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部140B内には、アルミナボール(図示せず)が充填されている。
また、排気通路部140Aは、同様に複数の連通孔を有する2つの仕切り板146,147により排気ガスの上流側から下流側にかけて3つの空間に仕切られている。そして、2番目の空間に燃焼触媒(図示せず)が充填されている。すなわち、本実施形態の蒸発器140は、上下方向の二層構造のうちの下層構造に燃焼触媒器を含んでいる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the evaporator 140B and the mixer 140C are formed in a space in which the evaporator 140 is partitioned by a partition plate 145 having a plurality of communication holes (slits) 145a. The evaporation unit 140B is filled with alumina balls (not shown).
Similarly, the exhaust passage portion 140A is partitioned into three spaces from the upstream side to the downstream side of the exhaust gas by two partition plates 146 and 147 having a plurality of communication holes. The second space is filled with a combustion catalyst (not shown). That is, the evaporator 140 of this embodiment includes a combustion catalyst in the lower layer structure of the two-layer structure in the vertical direction.

このような蒸発器140では、蒸発部140B内の水と排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部140B内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部140C内の混合ガスと排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。   In such an evaporator 140, heat exchange is performed between the water in the evaporation section 140B and the exhaust gas passing through the exhaust passage section 140A, and the water in the evaporation section 140B is evaporated by the heat of the exhaust gas, Water vapor will be generated. Further, heat exchange is performed between the mixed gas in the mixing section 140C and the exhaust gas passing through the exhaust passage section 140A, and the temperature of the mixed gas is raised by the heat of the exhaust gas.

さらに、図2に示すように、混合部140Cには、改質器120に混合ガスを供給するための混合ガス供給管112が接続されている。この混合ガス供給管112は、排気管171の内部を通過するように配置されており、一端が中間板144に形成された開口144aに連結され、他端が改質器120の天面に形成された混合ガス供給口120aに連結されている。混合ガス供給管112は、排気通路部140A内,排気管171内を通過してモジュールケース8内まで鉛直下方に延び、そこで略90°屈曲されて天板8aに沿って水平方向に延びた後、下方へ略90°屈曲されて改質器120に連結されている。   Further, as shown in FIG. 2, a mixed gas supply pipe 112 for supplying a mixed gas to the reformer 120 is connected to the mixing unit 140C. The mixed gas supply pipe 112 is disposed so as to pass through the inside of the exhaust pipe 171, one end is connected to an opening 144 a formed in the intermediate plate 144, and the other end is formed on the top surface of the reformer 120. Connected to the mixed gas supply port 120a. The mixed gas supply pipe 112 passes through the exhaust passage portion 140A and the exhaust pipe 171 and extends vertically downward into the module case 8, where it is bent approximately 90 ° and extends horizontally along the top plate 8a. , Bent downward by approximately 90 ° and connected to the reformer 120.

つぎに、改質器120は、燃焼室18の上方でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュールケース8の天板8aとの間に排気ガス誘導部材130を介して所定距離隔てられて状態で、天板8aに対して固定されている。改質器120は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔120bが形成された環状構造体であり、上側ケース121と下側ケース122とが接合された筐体を有している。この貫通孔120bは、天板8aに形成された排気口111と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔120bの中央位置に排気口111が形成される。   Next, the reformer 120 is disposed above the combustion chamber 18 so as to extend horizontally along the longitudinal direction of the module case 8, and the exhaust gas guiding member 130 is disposed between the top plate 8 a of the module case 8. And fixed to the top plate 8a with a predetermined distance therebetween. The reformer 120 has a substantially rectangular outer shape in a top view, but is an annular structure in which a through hole 120b is formed in the center, and has a casing in which an upper case 121 and a lower case 122 are joined. ing. The through hole 120b is positioned so as to overlap the exhaust port 111 formed in the top plate 8a in a top view, and preferably, the exhaust port 111 is formed at the center position of the through hole 120b.

改質器120の長手方向の一端側(モジュールケース8の閉鎖側板8e側)では、上側ケース121に設けられた混合ガス供給口120aに混合ガス供給管112が連結されており、他端側(閉鎖側板8d側)では、燃料ガス供給管64が下側ケース122に、脱硫器36まで延びる水添脱硫器用水素取出管65が上側ケース121にそれぞれ連結されている。したがって、改質器120は、混合ガス供給管112から混合ガス(つまり水蒸気が混合された原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい))を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管64及び水添脱硫器用水素取出管65から改質後のガス(即ち、燃料ガス)を排出するように構成されている。   On one end side in the longitudinal direction of the reformer 120 (closed side plate 8e side of the module case 8), the mixed gas supply pipe 112 is connected to the mixed gas supply port 120a provided in the upper case 121, and the other end side ( On the closed side plate 8 d side), the fuel gas supply pipe 64 is connected to the lower case 122, and the hydrogen desulfurizer hydrogen extraction pipe 65 extending to the desulfurizer 36 is connected to the upper case 121. Therefore, the reformer 120 receives the mixed gas (that is, raw fuel gas mixed with water vapor (may include reforming air)) from the mixed gas supply pipe 112, reforms the mixed gas therein, The reformed gas (that is, fuel gas) is discharged from the fuel gas supply pipe 64 and the hydrogen extraction pipe 65 for hydrodesulfurizer.

改質器120は、その内部空間が2つの仕切り板123a,123bによって3つの空間に仕切られることにより、改質器120内に、混合ガス供給管112からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部120Aと、混合ガスを改質するための改質触媒(図示せず)が充填された改質部120Bと、改質部120Bを通過したガスを排出するガス排出部120Cと、が形成されている(図2参照)。改質部120Bは、仕切り板123a,123bに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板123a,123bに設けられた複数の連通孔(スリット)を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。   The reformer 120 is divided into three spaces by the two partition plates 123a and 123b, so that the reformer 120 receives a mixed gas from the mixed gas supply pipe 112 in the reformer 120. And a reforming section 120B filled with a reforming catalyst (not shown) for reforming the mixed gas, and a gas discharge section 120C for discharging the gas that has passed through the reforming section 120B are formed. (See FIG. 2). The reforming unit 120B is a space sandwiched between the partition plates 123a and 123b, and the reforming catalyst is held in this space. The mixed gas and the reformed fuel gas are movable through a plurality of communication holes (slits) provided in the partition plates 123a and 123b. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

混合ガス受入部120Aには、蒸発器140から混合ガス供給管112を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口120aを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部120A内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板123aを通過して改質部120Bに供給される。
改質部120Bでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板123bを通過してガス排出部120Cに供給される。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
The mixed gas supplied from the evaporator 140 through the mixed gas supply pipe 112 is ejected to the mixed gas receiving unit 120A through the mixed gas supply port 120a. The mixed gas is expanded in the mixed gas receiving unit 120A, the jetting speed is reduced, and is supplied to the reforming unit 120B through the partition plate 123a.
In the reforming unit 120B, the mixed gas moving at a low speed is reformed into a fuel gas by the reforming catalyst, and the fuel gas passes through the partition plate 123b and is supplied to the gas discharge unit 120C.
In the gas discharge unit 120C, the fuel gas is discharged to the fuel gas supply pipe 64 and the hydrogen extraction pipe 65 for the hydrodesulfurizer.

燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64は、モジュールケース8内を閉鎖側板8dに沿って下方へ延び、底板8c付近で略90°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内へ入り、更にマニホールド66内で逆側の閉鎖側板8e付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。   A fuel gas supply pipe 64 as a fuel gas supply passage extends downward in the module case 8 along the closed side plate 8d, is bent approximately 90 ° in the vicinity of the bottom plate 8c, and extends in the horizontal direction. It extends into the manifold 66 formed below the inner side, and further extends horizontally in the manifold 66 to the vicinity of the closed side plate 8e on the opposite side. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b. A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 is supplied into the fuel cell unit 16. The An ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

排気ガス誘導部材130は、改質器120と天板8aとの間でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排気ガス誘導部材130は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板131及び上部誘導板132と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板133,134とを備えている(図2,図3参照)。上部誘導板132は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板131に連結されている。連結板133,134は、上端部が天板8aに連結され、下端部が改質器120に連結されており、これにより、排気ガス誘導部材130及び改質器120を天板8aに固定している。   The exhaust gas guiding member 130 is disposed between the reformer 120 and the top plate 8 a so as to extend in the horizontal direction along the longitudinal direction of the module case 8. The exhaust gas guiding member 130 includes a lower guiding plate 131 and an upper guiding plate 132 that are separated by a predetermined distance in the vertical direction, and connecting plates 133 and 134 to which both ends of the longitudinal direction are attached (FIG. 2). FIG. 3). The upper guide plate 132 is bent at both ends in the width direction downward and is connected to the lower guide plate 131. The connecting plates 133 and 134 have upper ends connected to the top plate 8a and lower ends connected to the reformer 120, thereby fixing the exhaust gas guiding member 130 and the reformer 120 to the top plate 8a. ing.

下部誘導板131は、幅方向(図3の左右方向)の中央部が下方に向けて突出する凸状段部131aが形成されている。一方、上部誘導板132は、下部誘導板131と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部132aが形成されている。凸状段部131aと凹部132aは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管112は、モジュールケース8内でこの凹部132a内を水平方向に延びた後、閉鎖側板8e付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板132及び下部誘導板131を貫通して、改質器120に連結されている。   The lower guide plate 131 is formed with a convex step portion 131a in which the central portion in the width direction (left-right direction in FIG. 3) protrudes downward. On the other hand, as with the lower guide plate 131, the upper guide plate 132 is formed with a recess 132a so that the central portion in the width direction becomes concave downward. The convex step portion 131a and the concave portion 132a extend in the longitudinal direction in parallel in the vertical direction. The mixed gas supply pipe 112 extends horizontally in the recess 132a in the module case 8 and then bends downward in the vicinity of the closed side plate 8e, penetrates the upper guide plate 132 and the lower guide plate 131, It is connected to the reformer 120.

排気ガス誘導部材130は、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜135が形成されている。このガス溜135は、燃焼室18と流体連通している。すなわち、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜135には、運転中に燃焼室18から排気ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜135の内外間のガスの移動は緩やかである。   In the exhaust gas guiding member 130, a gas reservoir 135, which is an internal space that functions as a heat insulating layer, is formed by the upper guiding plate 132, the lower guiding plate 131, and the connecting plates 133 and 134. The gas reservoir 135 is in fluid communication with the combustion chamber 18. That is, the upper guide plate 132, the lower guide plate 131, and the connecting plates 133 and 134 are connected so as to form a predetermined gap, and are not airtightly connected. While it is possible for exhaust gas to flow into the gas reservoir 135 from the combustion chamber 18 during operation, or to allow air to flow in from the outside when stopped, the movement of gas between the inside and outside of the gas reservoir 135 is generally performed. Is moderate.

上部誘導板132は、天板8aと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板132と天板8aとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる排気通路172が形成されている。この排気通路172は、モジュールケース8の天板8aを挟んで空気通路161aと並設されており、排気通路172内には、空気通路161a,161b内のプレートフィン162,163と同様なプレートフィン175が配置されている。このプレートフィン175は、プレートフィン162と上面視で略同一箇所に設けられており、天板8aを挟んで上下方向に対向している。空気通路161a及び排気通路172のうち、プレートフィン162,175が設けられた部分において、空気通路161aを流れる発電用空気と排気通路172を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。   The upper guide plate 132 is disposed at a predetermined vertical distance from the top plate 8a, and the exhaust extending in the horizontal direction along the longitudinal direction and the width direction is provided between the upper guide plate 132 and the top plate 8a. A passage 172 is formed. The exhaust passage 172 is arranged in parallel with the air passage 161a with the top plate 8a of the module case 8 interposed therebetween. Inside the exhaust passage 172, plate fins similar to the plate fins 162 and 163 in the air passages 161a and 161b are provided. 175 is arranged. The plate fins 175 are provided at substantially the same location as the plate fins 162 when viewed from above, and face each other in the vertical direction across the top plate 8a. Of the air passage 161a and the exhaust passage 172, in the portion where the plate fins 162 and 175 are provided, efficient heat exchange is performed between the power generation air flowing through the air passage 161a and the exhaust gas flowing through the exhaust passage 172. Thus, the temperature of the power generation air is raised by the heat of the exhaust gas.

また、改質器120は、モジュールケース8の側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器120と側板8bとの間には、排気ガスを下方から上方へ通過させる排気通路173が形成されている。また、排気ガス誘導部材130も側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路173は、排気ガス誘導部材130と側板8bとの間の通路を含んで天板8aまで延びている。排気通路173は、天板8aと側板8bとの角部に位置する排気ガス導入口172aで排気通路172と連通している。この排気ガス導入口172aは、モジュールケース8内で長手方向に延びている。   The reformer 120 is disposed at a predetermined horizontal distance from the side plate 8b of the module case 8, and the exhaust gas passes between the reformer 120 and the side plate 8b from below to above. An exhaust passage 173 is formed. Further, the exhaust gas guiding member 130 is also disposed at a predetermined horizontal distance from the side plate 8b, and the exhaust passage 173 includes the passage between the exhaust gas guiding member 130 and the side plate 8b and extends to the top plate 8a. ing. The exhaust passage 173 communicates with the exhaust passage 172 through an exhaust gas introduction port 172a located at the corner between the top plate 8a and the side plate 8b. The exhaust gas introduction port 172a extends in the longitudinal direction in the module case 8.

さらに、下部誘導板131は、改質器120の上側ケース121の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板131と上側ケース121との間、及び、改質器120の貫通孔120bは、貫通孔120bを下方から上方へ向けて通過した排気ガスを通過させる排気通路174を形成している。この排気通路174は、改質器120の上方で排気通路173と合流する。   Further, the lower guide plate 131 is disposed at a predetermined vertical distance from the top surface of the upper case 121 of the reformer 120, and between the lower guide plate 131 and the upper case 121 and the reformer. The through hole 120b of 120 forms an exhaust passage 174 through which the exhaust gas that has passed through the through hole 120b from the lower side to the upper side is passed. The exhaust passage 174 joins the exhaust passage 173 above the reformer 120.

つぎに、図5〜図7を参照して、燃料電池セルユニット16について説明する。
図5は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図6は、図5のVI部の拡大断面図であり、(a)は燃料電池セルが支持体として導電支持体を有する場合、(b)は絶縁支持体を有する場合を示す。図7は、図6(a)におけるVII−VII断面図である。
図5に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the fuel cell unit of the solid oxide fuel cell according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a VI part in FIG. 5, (a) shows a case where the fuel cell has a conductive support as a support, and (b) shows a case where an insulating support is provided. FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII in FIG.
As shown in FIG. 5, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 that are caps respectively connected to both ends of the fuel cell 84.

図5及び図6(a)に示すように、支持体として導電支持体を有する場合の燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の導電支持体189と、導電支持体189の外周に設けられた略円筒形の内側電極層90と、内側電極層90の外周に設けられた円筒形の電解質層94と、電解質層94の外周に設けられた円筒形の外側電極層92と、を備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。   As shown in FIGS. 5 and 6A, the fuel cell 84 having a conductive support as a support is a tubular structure extending in the vertical direction, and a cylinder that forms a fuel gas flow path 88 therein. Conductive support 189, a substantially cylindrical inner electrode layer 90 provided on the outer periphery of conductive support 189, a cylindrical electrolyte layer 94 provided on the outer periphery of inner electrode layer 90, and electrolyte layer 94 A cylindrical outer electrode layer 92 provided on the outer periphery. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

導電支持体189は、例えば、Ni/YSGなどの多孔質導電体からなり、燃料ガス流路88を通る燃料ガスは導電支持体189を通して内側電極層90に接触する。
図6(a)に示すように、内側電極層90は導電支持体189の外周面に沿って全周にわたって形成されている。支持体として導電支持体189を有する場合には、内側電極層90はたとえばGDC等を用いることができる。
The conductive support 189 is made of a porous conductor such as Ni / YSG, for example, and the fuel gas passing through the fuel gas flow path 88 contacts the inner electrode layer 90 through the conductive support 189.
As shown in FIG. 6A, the inner electrode layer 90 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the conductive support 189. When the conductive support 189 is provided as the support, the inner electrode layer 90 can be made of GDC, for example.

また、図6(b)に示すように、支持体として絶縁支持体を有する場合の燃料電池セル84は、導電支持体189を備えておらず、代わりに絶縁支持体89を有している。絶縁支持体89は円筒形であり、内部に燃料ガス流路88が形成されている。絶縁支持体89は、多孔質絶縁体からなり、燃料ガス流路88を通る燃料ガスは絶縁支持体89を通して内側電極層90に接触する。   Further, as shown in FIG. 6B, the fuel cell 84 in the case of having an insulating support as a support does not include the conductive support 189, but instead has an insulating support 89. The insulating support 89 is cylindrical and has a fuel gas flow path 88 formed therein. The insulating support 89 is made of a porous insulator, and the fuel gas passing through the fuel gas flow path 88 contacts the inner electrode layer 90 through the insulating support 89.

図6(b)に示すように、支持体として絶縁支持体89を有する場合には、内側電極層90は絶縁支持体89の外周面に沿って全周にわたって形成されており、さらに、絶縁支持体89の上下面を覆っている。内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極層90は、Ni/YSZからなる。
なお、支持体として導電支持体189を用いた場合であっても、絶縁支持体89を用いた場合であっても、その他の構成は同一である。
As shown in FIG. 6B, when the insulating support 89 is provided as the support, the inner electrode layer 90 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the insulating support 89, and further, the insulating support is provided. The upper and lower surfaces of the body 89 are covered. The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu. In the present embodiment, the inner electrode layer 90 is made of Ni / YSZ.
Note that the other configurations are the same whether the conductive support 189 is used as the support or the insulating support 89 is used.

電解質層94は、内側電極層90の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極層90の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極層90の上端よりも下方で終端している。電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the inner electrode layer 90, the lower end is terminated above the lower end of the inner electrode layer 90, and the upper end is below the upper end of the inner electrode layer 90. It is terminated. The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、電解質層94の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層94の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層94の上端よりも下方で終端している。外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the electrolyte layer 94, and the lower end terminates above the lower end of the electrolyte layer 94, and the upper end terminates below the upper end of the electrolyte layer 94. ing. The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に、内側電極端子86について説明するが、燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、燃料電池セル84の下端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。   Next, the inner electrode terminal 86 will be described. Since the inner electrode terminals 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 84 have the same structure, they are attached to the lower end side of the fuel cell 84 here. The inner electrode terminal 86 formed will be specifically described.

内側電極端子86は、燃料電池セル84の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル84により発電された電力を燃料電池セル84から取り出すための集電部材として機能する。図6に示すように、燃料電池セル84の下端に設けられた内側電極端子86は、円筒状の第1円筒部86aと、第1円筒部86aの上端かから外方に向かって延びる円環状の円環部86bと、円環部86bの外周から上方に向かって延びる第2円筒部86cとを有する。内側電極端子86の第1円筒部86aの中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   The inner electrode terminal 86 is provided so as to surround the upper and lower ends of the fuel battery cell 84, and functions as a current collecting member for taking out the electric power generated by the fuel battery cell 84 from the fuel battery cell 84. As shown in FIG. 6, the inner electrode terminal 86 provided at the lower end of the fuel cell 84 has a cylindrical first cylindrical portion 86a and an annular shape extending outward from the upper end of the first cylindrical portion 86a. And the second cylindrical portion 86c extending upward from the outer periphery of the annular portion 86b. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the first cylindrical portion 86 a of the inner electrode terminal 86.

内側電極端子86は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる電極層本体86Aを備える。電極層本体86Aの内周面及び外周面には、クロム酸化物(本実施形態では、Cr23)がコーティングされてなるCr23層86B、86Cが被覆されている。また、外側のCr23層86Cの外周面には、MnCo24がコーティングされてなるMnCo24層86Dが積層されている。さらに、MnCo24層86Dの外周面にはAg集電膜86Eが設けられている。なお、本実施形態では、Ag集電膜86Eは第1円筒部86a、円環部86b、及び第2円筒部86cが外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。 The inner electrode terminal 86 includes an electrode layer body 86A made of ferritic stainless steel or austenitic stainless steel. The inner and outer peripheral surfaces of the electrode layer main body 86A are coated with Cr 2 O 3 layers 86B and 86C coated with chromium oxide (Cr 2 O 3 in this embodiment). Further, on the outer peripheral surface of the outer Cr 2 O 3 layer 86C, MnCo 2 O 4 is formed by coating MnCo 2 O 4 layer 86D are laminated. Further, an Ag current collecting film 86E is provided on the outer peripheral surface of the MnCo 2 O 4 layer 86D. In the present embodiment, the Ag current collector film 86E includes the first cylindrical portion 86a, the annular portion 86b, and the second cylindrical portion 86c over the entire outer peripheral surface, but may be provided only in part.

燃料ガス流路98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。このため、マニホールド66(図2参照)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路98を通って燃焼室18(図2参照)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。   The fuel gas flow path 98 is an elongated pipe line provided to extend in the axial direction of the fuel cell 84 from the center of the inner electrode terminal 86. Therefore, a predetermined pressure loss occurs in the flow of the fuel gas flowing from the manifold 66 (see FIG. 2) through the fuel gas passage 98 of the lower inner electrode terminal 86 into the fuel gas passage 88. . Therefore, the fuel gas flow path 98 of the lower inner electrode terminal 86 acts as an inflow side flow path resistance portion, and the flow path resistance is set to a predetermined value. Further, a predetermined pressure loss also occurs in the flow of the fuel gas flowing out from the fuel gas flow path 88 to the combustion chamber 18 (see FIG. 2) through the fuel gas flow path 98 of the upper inner electrode terminal 86. Therefore, the fuel gas flow path 98 of the upper inner electrode terminal 86 functions as an outflow-side flow path resistance portion, and the flow path resistance is set to a predetermined value.

内側電極端子86の円環部86bの上面(底面)と燃料電池セル84の内側電極層90の下面とは離間しており、これら面の間には空間が設けられている。また、内側電極端子86の第2円筒部86cと、内側電極層90の下端部の外周面との間には環状の空間が設けられている。これら空間内に後に詳述する銀箔91が変形可能に配置されている。図6に示すように、内側電極層90の電解質層94の下端部外周面と、内側電極端子86の第2円筒部86cの内周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール96が設けられている。このガラスシール96により、内側電極端子86と内側電極層90との間の空間は、燃料電池セルユニット16の外部の空間に対して気密密封されている。なお、このように、内側電極端子86の円環部86bの上面と、円環部86bの上面に対向する内側電極層90の下面とは離間しており、内側電極端子86と内側電極層90とは固定接続されていない。   The upper surface (bottom surface) of the annular portion 86b of the inner electrode terminal 86 is separated from the lower surface of the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84, and a space is provided between these surfaces. An annular space is provided between the second cylindrical portion 86 c of the inner electrode terminal 86 and the outer peripheral surface of the lower end portion of the inner electrode layer 90. A silver foil 91, which will be described in detail later, is disposed in these spaces so as to be deformable. As shown in FIG. 6, a glass seal 96 made of a glass material is provided between the outer peripheral surface of the lower end portion of the electrolyte layer 94 of the inner electrode layer 90 and the inner peripheral surface of the second cylindrical portion 86 c of the inner electrode terminal 86. Is provided. With this glass seal 96, the space between the inner electrode terminal 86 and the inner electrode layer 90 is hermetically sealed with respect to the space outside the fuel cell unit 16. In this way, the upper surface of the annular portion 86b of the inner electrode terminal 86 and the lower surface of the inner electrode layer 90 facing the upper surface of the annular portion 86b are separated from each other, and the inner electrode terminal 86 and the inner electrode layer 90 are separated. Is not fixedly connected.

燃料電池セル84は、内側電極端子86に可撓性を有する箔状の銀箔91により電気的に接続されている。銀箔91としては、例えば50μm程度のものが用いられている。図8は、第1実施形態で用いられている銀箔を示す斜視図である。同図に示すように、銀箔91は、円環状の円環部91Aと、円環部91Aの外周から折り曲げられて斜め上方に延びる複数の帯状部91Bとを有する。複数の帯状部91Bの間には放射状に斜め上方に延びる複数の切り込み91Dが形成されており、複数の帯状部91Bは切り込み91Dにより周方向に離間している。各切り込み91Dは、銀箔91の上方の端部まで到達している。銀箔91は、円環状の円環部91Aが燃料電池セル84の下面と、内側電極端子86の上面との間の円柱状の空間内に位置しており、複数の帯状部91Bは、燃料電池セル84の外周面と内側電極端子86の内周面との間の環状の空間に全周にわたって位置している。なお、後述するように、銀箔91に複数の切り込み91Dが形成されていることにより、燃料電池セル84又は内側電極端子86に部位により異なる応力が生じたとしても、各帯状部91Bがそれぞれ応力に応じて追従することができる。すなわち、切り込み91Dは、燃料電池セル84及び内側電極端子86の少なくとも一方に部位により異なる応力が生じた場合に、各部位に生じた応力に応じて追従する局所応力追従手段として機能する。本実施形態では、銀箔91の内側電極端子86に接続される側の端部のみに切り込み91Dを形成しているが、これに限らず、燃料電池セル84に接続される側の端部にも切り込みを形成してもよく、両端部に切り込みを形成してもよい。   The fuel cell 84 is electrically connected to the inner electrode terminal 86 by a flexible foil-shaped silver foil 91. As the silver foil 91, for example, a silver foil having a thickness of about 50 μm is used. FIG. 8 is a perspective view showing a silver foil used in the first embodiment. As shown in the figure, the silver foil 91 has an annular ring part 91A and a plurality of band-like parts 91B that are bent from the outer periphery of the annular part 91A and extend obliquely upward. A plurality of cuts 91D extending radially upward are formed between the plurality of strips 91B, and the plurality of strips 91B are separated in the circumferential direction by the cuts 91D. Each notch 91 </ b> D reaches the upper end of the silver foil 91. In the silver foil 91, an annular ring portion 91A is located in a cylindrical space between the lower surface of the fuel cell 84 and the upper surface of the inner electrode terminal 86, and the plurality of strip portions 91B are formed of the fuel cell. It is located over the entire circumference in an annular space between the outer peripheral surface of the cell 84 and the inner peripheral surface of the inner electrode terminal 86. As will be described later, since the plurality of cuts 91D are formed in the silver foil 91, even if different stresses are generated in the fuel cell 84 or the inner electrode terminal 86 depending on the part, each of the strips 91B is subjected to stress. You can follow them accordingly. That is, the notch 91D functions as a local stress follower that follows in accordance with the stress generated in each portion when a different stress is generated in at least one of the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 depending on the portion. In the present embodiment, the cuts 91D are formed only at the end of the silver foil 91 that is connected to the inner electrode terminal 86, but the present invention is not limited to this, and the end of the silver foil 91 that is connected to the fuel cell 84 is also formed. A cut may be formed, and a cut may be formed at both ends.

図6に示すように、銀箔91の円環部91Aは、第1の銀ペースト93Aにより燃料電池セル84の内側電極層90の下面の燃料ガス流路88以外の部分に面接触した状態で取り付けられている。第1の銀ペースト93Aは、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、及びニッケル(Ni)を含む導電性のペーストが焼成されることにより、銀箔91を内側電極層90に接着している。   As shown in FIG. 6, the annular portion 91 </ b> A of the silver foil 91 is attached in surface contact with a portion other than the fuel gas channel 88 on the lower surface of the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84 by the first silver paste 93 </ b> A. It has been. The first silver paste 93 </ b> A adheres the silver foil 91 to the inner electrode layer 90 by baking a conductive paste containing silver (Ag), palladium (Pd), and nickel (Ni).

また、銀箔91の帯状部91Bが第2の銀ペースト93Bにより内側電極端子86の第2円筒部86cの内周面に面接触した状態で取り付けられている。図7に示すように、第2の銀ペースト93Bは、銀箔91の帯状部91Bの切り込み91Dに隣接する縁に沿って、帯状部91Bの上下方向全長にわたって設けられている。そして、帯状部91Bはその他の部位、すなわち、帯状部91Bの切り込み91Dに隣接する縁の間の領域、すなわち、水平方向中央領域等には設けられていない。第2の銀ペースト93Bは、銀(Ag)、及び、パラジウム(Pd)を含む導電性のペーストが焼成されることにより、銀箔91を内側電極端子86に接着している。図6に示すように、銀箔91の燃料電池セル84に接続される領域と、内側電極端子86に接続される領域とは離間している。   Further, the belt-like portion 91B of the silver foil 91 is attached in a state of surface contact with the inner peripheral surface of the second cylindrical portion 86c of the inner electrode terminal 86 by the second silver paste 93B. As shown in FIG. 7, the second silver paste 93 </ b> B is provided over the entire length in the vertical direction of the strip portion 91 </ b> B along the edge adjacent to the notch 91 </ b> D of the strip portion 91 </ b> B of the silver foil 91. And the strip-shaped part 91B is not provided in the other site | part, ie, the area | region between the edges adjacent to the notch | incision 91D of the strip-shaped part 91B, ie, a horizontal direction center area | region. The second silver paste 93B bonds the silver foil 91 to the inner electrode terminal 86 by firing a conductive paste containing silver (Ag) and palladium (Pd). As shown in FIG. 6, the region of the silver foil 91 connected to the fuel cell 84 and the region connected to the inner electrode terminal 86 are separated.

銀箔91は折り曲げ部91Cを有し、内側電極端子86と燃料電池セル84との間の空間に折り曲げ部において折り曲げられた状態で収容されている。具体的には、銀箔91は、鉛直断面視において、第2の銀ペースト93Bを介して内側電極端子86に接続された箇所から下方に延び、折り曲げ部91Cにおいて内側に向かって略直角に曲げられて内側に向かって延び、この内側に向かって延びる部分が第1の銀ペースト93Aを介して燃料電池セル84の下面に接続されている。折り曲げ部91Cは曲率を有し、銀箔91は湾曲した状態となっている。このように、銀箔91は折り曲げ部91Cを有することにより、内側電極端子86と燃料電池セル84との間で撓んだ状態で保持されている。これにより、後述するように、銀箔91は燃料電池セル84に加わる応力に対して追従して変形することができる。   The silver foil 91 has a bent portion 91 </ b> C and is accommodated in the space between the inner electrode terminal 86 and the fuel cell 84 in a state bent at the bent portion. Specifically, the silver foil 91 extends downward from a portion connected to the inner electrode terminal 86 via the second silver paste 93B in a vertical sectional view, and is bent at a substantially right angle toward the inner side at the bent portion 91C. The portion extending inwardly is connected to the lower surface of the fuel cell 84 via the first silver paste 93A. The bent portion 91C has a curvature, and the silver foil 91 is in a curved state. Thus, the silver foil 91 is held in a bent state between the inner electrode terminal 86 and the fuel cell 84 by having the bent portion 91C. Thereby, as will be described later, the silver foil 91 can be deformed following the stress applied to the fuel cell 84.

つぎに、図9を参照して、燃料電池セルスタック14について説明する。
図9は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図9に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a perspective view showing the fuel cell stack of the solid oxide fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 9, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and these fuel cell units 16 are arranged in two rows of 8 each.
Each fuel cell unit 16 is supported by a rectangular lower support plate 68 made of ceramic (see FIG. 2) on the lower end side, and on the upper end side, two fuel cell unit units 16 at both ends are provided, each having a substantially square shape. Is supported by the upper support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。   Furthermore, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 includes a fuel electrode connection portion 102a that is electrically connected to an inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode, and an outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. It is integrally formed so as to connect the air electrode connecting portion 102b that is electrically connected. In addition, a silver thin film is formed on the entire outer surface of the outer electrode layer 92 (air electrode) of each fuel cell unit 16 as an electrode on the air electrode side. When the air electrode connecting portion 102b contacts the surface of the thin film, the current collector 102 is electrically connected to the entire air electrode.

さらに、燃料電池セルスタック14の端(図9では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の内側電極端子86に接続され、上述したように、128本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Furthermore, two external terminals 104 are connected to the air electrode of the fuel cell unit 16 located at the end of the fuel cell stack 14 (the far left side in FIG. 9). These external terminals 104 are connected to the inner electrode terminal 86 of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, all 128 fuel cell units 16 are connected in series. It has come to be.

つぎに、図10及び図11を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。
図10は、図2と同様の、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図11は、図3と同様の、図2のIII−III線に沿った断面図である。
なお、図10及び図11は、それぞれ、図2及び図3中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図であり、説明の便宜上、断熱材7を取り除いた状態の図を示している。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
Next, a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 10 is a side sectional view showing the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention, similar to FIG. 2, and FIG. 11 is similar to FIG. It is sectional drawing along the III-III line.
10 and 11 are diagrams in which arrows indicating gas flow are newly added in FIGS. 2 and 3, respectively, and for the sake of convenience of explanation, a state in which the heat insulating material 7 is removed is illustrated. . In the figure, solid line arrows indicate the flow of fuel gas, broken line arrows indicate the flow of power generation air, and alternate long and short dashed arrows indicate the flow of exhaust gas.

図10に示すように、水及び原燃料ガス(燃料ガス)は、蒸発器140の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管63から蒸発器140の上層に設けられた蒸発部140B内に供給される。蒸発部140Bに供給された水は、蒸発器140の下層に設けられた排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとが、蒸発部140B内を下流方向に流れて行き、混合部140C内で混合される。混合部140C内の混合ガスは、下層の排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱される。   As shown in FIG. 10, water and raw fuel gas (fuel gas) are fed into an evaporation section 140 </ b> B provided in an upper layer of the evaporator 140 from a fuel supply pipe 63 connected to one end side in the longitudinal direction of the evaporator 140. Supplied. The water supplied to the evaporation section 140B is heated by the exhaust gas flowing through the exhaust passage section 140A provided in the lower layer of the evaporator 140 to become water vapor. The water vapor and the raw fuel gas supplied from the fuel supply pipe 63 flow downstream in the evaporation unit 140B and are mixed in the mixing unit 140C. The mixed gas in the mixing section 140C is heated by the exhaust gas flowing through the lower exhaust passage section 140A.

混合部140C内で形成された混合ガス(燃料ガス)は、混合ガス供給管112を通って、モジュールケース8内の改質器120に供給される。混合ガス供給管112は、排気通路部140A,排気管171,及び排気通路172を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管112内の混合ガスは更に加熱される。   The mixed gas (fuel gas) formed in the mixing unit 140C is supplied to the reformer 120 in the module case 8 through the mixed gas supply pipe 112. Since the mixed gas supply pipe 112 passes through the exhaust passage portion 140A, the exhaust pipe 171, and the exhaust passage 172 in order, the mixed gas in the mixed gas supply pipe 112 is further heated by the exhaust gas flowing through these passages. The

混合ガスは、改質器120内の混合ガス受入部120A内に流入し、ここから仕切り板123aを通過して改質部120Bに流入する。混合ガスは、改質部120Bにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板123bを通過して、ガス排出部120Cに流入する。   The mixed gas flows into the mixed gas receiving part 120A in the reformer 120, and from here passes through the partition plate 123a and flows into the reforming part 120B. The mixed gas is reformed in the reforming unit 120B to become fuel gas. The fuel gas thus generated passes through the partition plate 123b and flows into the gas discharge part 120C.

さらに、燃料ガスは、ガス排出部120Cから燃料ガス供給管64と水添脱硫器用水素取出管65とに分岐する。そして、燃料ガス供給管64に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給され、マニホールド66から各燃料電池セルユニット16内に供給される。   Further, the fuel gas branches from the gas discharge part 120 </ b> C into the fuel gas supply pipe 64 and the hydrodesulfurizer hydrogen extraction pipe 65. The fuel gas that has flowed into the fuel gas supply pipe 64 is supplied into the manifold 66 from the fuel supply hole 64 b provided in the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and from the manifold 66 into each fuel cell unit 16. Supplied.

また、図10及び図11に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管74から空気通路161aに供給される。発電用空気は、空気通路161a,161b内において、プレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の下部のモジュールケース8内に形成された排気通路172,173を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、排気通路172内には、空気通路161aのプレートフィン162に対応してプレートフィン175が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン162とプレートフィン175とを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される。   Further, as shown in FIGS. 10 and 11, the power generation air is supplied from the power generation air introduction pipe 74 to the air passage 161a. When the power generation air passes through the plate fins 162 and 163 in the air passages 161a and 161b, the exhaust air passes through the exhaust passages 172 and 173 formed in the module case 8 below the plate fins 162 and 163. An efficient heat exchange with the gas is performed and the gas is heated. In particular, since the plate fins 175 are provided in the exhaust passage 172 corresponding to the plate fins 162 of the air passage 161a, the power generation air is discharged from the exhaust gas via the plate fins 162 and the plate fins 175. Perform more efficient heat exchange. Thereafter, the power generation air is injected into the power generation chamber 10 from the plurality of air outlets 8 f provided at the lower portion of the side plate 8 b of the module case 8 toward the fuel cell assembly 12.

なお、本実施形態では、燃料電池セル集合体12の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において発電用空気と排気ガスとの間の熱交換は抑制される。したがって、燃料電池セル集合体12の側方部位において、空気通路161b内の発電用空気に上下方向の温度勾配が生じ難くなっている。   In the present embodiment, since the exhaust passage is not formed in the side portion of the fuel cell assembly 12, heat exchange between the power generation air and the exhaust gas is suppressed in this portion. Therefore, in the side portion of the fuel cell assembly 12, it is difficult for the temperature gradient in the vertical direction to occur in the power generation air in the air passage 161b.

また、発電室10内で発電に利用されなかった燃料ガスは、図11に示すように、燃焼室18で燃焼されて排気ガス(燃焼ガス)となり、モジュールケース8内を上昇していく。具体的には、排気ガスは、排気通路173と排気通路174とに分岐して、改質器120の外側面とモジュールケース8の側板8bとの間、及び、改質器120の貫通孔120bから改質器120と排気ガス誘導部材130との間をそれぞれ通過する。このとき、排気通路174を通過する排気ガスは、改質器120の貫通孔120bの上方に配置された凸状段部131aによって幅方向に二分され、排気ガス誘導部材130の下部に留まることなく排気通路173に向けて誘導され、排気通路173を流れる排気ガスに素早く合流される。   Further, as shown in FIG. 11, the fuel gas not used for power generation in the power generation chamber 10 is combusted in the combustion chamber 18 to become exhaust gas (combustion gas), and rises in the module case 8. Specifically, the exhaust gas branches into an exhaust passage 173 and an exhaust passage 174, between the outer surface of the reformer 120 and the side plate 8 b of the module case 8, and through holes 120 b of the reformer 120. From between the reformer 120 and the exhaust gas guiding member 130. At this time, the exhaust gas passing through the exhaust passage 174 is bisected in the width direction by the convex step portion 131a disposed above the through-hole 120b of the reformer 120, and does not stay at the lower portion of the exhaust gas guiding member 130. The gas is guided toward the exhaust passage 173 and is quickly joined to the exhaust gas flowing through the exhaust passage 173.

その後、排気ガスは、排気ガス導入口172aから排気通路172に流入する。排気通路172内では、排気ガスは、排気通路172を水平方向に流れていき、モジュールケース8の天板8aの中央に形成された排気口111から流出する。
なお、排気ガスが排気通路173を上方へ流れていく際に、空気通路161b内に設けられたプレートフィン163を介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。また、排気ガスが排気通路172を水平方向に流れていく際に、排気通路172内に設けられたプレートフィン175と、このプレートフィン175に対応して空気通路161a内に設けられたプレートフィン162とを介して、発電用空気と排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。
Thereafter, the exhaust gas flows into the exhaust passage 172 from the exhaust gas inlet 172a. In the exhaust passage 172, the exhaust gas flows in the horizontal direction in the exhaust passage 172 and flows out from the exhaust port 111 formed in the center of the top plate 8 a of the module case 8.
When the exhaust gas flows upward in the exhaust passage 173, heat exchange is performed between the power generation air and the exhaust gas via the plate fins 163 provided in the air passage 161b. Further, when the exhaust gas flows in the horizontal direction through the exhaust passage 172, a plate fin 175 provided in the exhaust passage 172 and a plate fin 162 provided in the air passage 161a corresponding to the plate fin 175. Thus, efficient heat exchange is performed between the power generation air and the exhaust gas. In this way, the temperature of the power generation air is raised by the heat of the exhaust gas.

そして、排気口111から流出した排気ガスは、モジュールケース8の外部に設けられた排気管171を通過して蒸発器140の排気通路部140Aに流入し、排気通路部140Aを通過した後、蒸発器140から排気ガス排出管82へ排出される。排気ガスは、蒸発器140の排気通路部140Aを流れる際に、上述したように、蒸発器140の混合部140C内の混合ガス及び蒸発部140B内の水と熱交換を行う。   The exhaust gas flowing out from the exhaust port 111 passes through the exhaust pipe 171 provided outside the module case 8, flows into the exhaust passage part 140A of the evaporator 140, passes through the exhaust passage part 140A, and then evaporates. From the vessel 140 to the exhaust gas discharge pipe 82. As described above, the exhaust gas exchanges heat with the mixed gas in the mixing section 140C of the evaporator 140 and the water in the evaporation section 140B when flowing through the exhaust passage section 140A of the evaporator 140.

ここで、燃料電池セルユニット16の組立方法を説明する。図12は、燃料電池セルユニット16の組立方法を説明するための模式図である。なお、以下の説明では、燃料電池セル84の下端に内側電極端子86を取り付ける場合について説明するが、燃料電池セルの上端に内側電極端子86を取り付ける場合も同様に行うことができる。   Here, a method for assembling the fuel cell unit 16 will be described. FIG. 12 is a schematic view for explaining an assembly method of the fuel cell unit 16. In the following description, the case where the inner electrode terminal 86 is attached to the lower end of the fuel cell 84 will be described, but the same can be done when the inner electrode terminal 86 is attached to the upper end of the fuel cell.

まず、図12(A1)に示すように、燃料電池セル84を用意し、(A2)に示すように、燃料電池セル84の内側電極層90の下面及び上面に第1の銀ペースト93Aを円環状に付着させる。   First, as shown in FIG. 12 (A1), a fuel cell 84 is prepared. As shown in (A2), the first silver paste 93A is applied to the lower surface and the upper surface of the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84. Adhere in a ring.

また、図12(B1)に示すように、内側電極端子86を用意し、(B2)に示すように、内側電極端子86の第2円筒部86cの内面及び円環部86bの内面にそれぞれ、第2の銀ペースト93B及び第3の銀ペースト93Cを付着させる。第3の銀ペースト93Cは、燃料電池セル84に銀箔91を付着させるための第1の銀ペースト93Aと同一の材料からなる。第1及び第3の銀ペースト93A、93Cはニッケルを混合しているため、ニッケルを含む材料からなる燃料電池セル84の内側電極層90に対する付着力が、ニッケルを含まない内側電極端子86のCr23層86Bに対する付着力よりも大きい。なお、第2の銀ペースト93Bは、銀箔91を嵌め込んだ際に、銀箔91の切り込み91Dが位置するような箇所に上下方向に延びるように付着させる。 Further, as shown in FIG. 12 (B1), the inner electrode terminal 86 is prepared, and as shown in (B2), the inner surface of the second cylindrical portion 86c and the inner surface of the annular portion 86b of the inner electrode terminal 86 are respectively provided. A second silver paste 93B and a third silver paste 93C are attached. The third silver paste 93 </ b> C is made of the same material as the first silver paste 93 </ b> A for attaching the silver foil 91 to the fuel cell 84. Since the first and third silver pastes 93A and 93C are mixed with nickel, the adhesion of the fuel cell 84 made of a material containing nickel to the inner electrode layer 90 has a Cr of the inner electrode terminal 86 that does not contain nickel. It is larger than the adhesion force to the 2 O 3 layer 86B. When the silver foil 91 is fitted, the second silver paste 93B is attached so as to extend in the vertical direction at a location where the cut 91D of the silver foil 91 is located.

また、図12(C1)に示すように、平板状の銀箔91を用意する。平板状の銀箔91は、円環状の円環部91Aの外周部から、複数の帯状部91Bが放射状に延びた形状となっている。そして、同図(C2)に示すように、帯状部91Bの付け根を折り曲げる。この際、帯状部91Bの付け根が曲率を持って湾曲するように折り曲げる。   Further, as shown in FIG. 12 (C1), a flat silver foil 91 is prepared. The flat silver foil 91 has a shape in which a plurality of strip-shaped portions 91B extend radially from the outer peripheral portion of an annular ring portion 91A. And as shown in the figure (C2), the base of the strip | belt-shaped part 91B is bend | folded. At this time, the base of the belt-like portion 91B is bent so as to be bent with a curvature.

次に、図12(D)に示すように、銀箔91を内側電極端子86の内側に配置する。そして、銀箔91の円環部91Aの下面を第3の銀ペースト93Cに付着させ、また、銀箔91の帯状部91Bを第2の銀ペースト93Bに付着させる。これにより、内側電極端子86に対して銀箔91が固定される。この際、銀箔91の帯状部91Bの切り込み91Dに面する縁の近傍が第2の銀ペースト93Bに付着するように銀箔91を配置する。この際、第2の銀ペースト93Bが、銀箔91の切り込み91Dから帯状部91Bの内側に漏れ出ることがあるが、内側電極端子86の第2円筒部86cの内壁と燃料電池セル84の外面との間に隙間があるため、燃料電池セル84へ付着することはない。なお、後述するように、第3の銀ペースト93Cは焼成の際に、内側電極端子86の上面(天面)から剥離する。このため、第3の銀ペースト93Cは銀箔と内側電極端子86の天面とを仮固定するための仮固定部材として機能する。   Next, as shown in FIG. 12D, the silver foil 91 is disposed inside the inner electrode terminal 86. Then, the lower surface of the annular portion 91A of the silver foil 91 is attached to the third silver paste 93C, and the belt-like portion 91B of the silver foil 91 is attached to the second silver paste 93B. Thereby, the silver foil 91 is fixed to the inner electrode terminal 86. At this time, the silver foil 91 is arranged so that the vicinity of the edge facing the notch 91D of the strip 91B of the silver foil 91 adheres to the second silver paste 93B. At this time, the second silver paste 93B may leak from the notch 91D of the silver foil 91 to the inside of the strip portion 91B, but the inner wall of the second cylindrical portion 86c of the inner electrode terminal 86 and the outer surface of the fuel cell 84 Since there is a gap between them, the fuel cell 84 does not adhere. As will be described later, the third silver paste 93C is peeled off from the upper surface (top surface) of the inner electrode terminal 86 during firing. For this reason, the third silver paste 93 </ b> C functions as a temporary fixing member for temporarily fixing the silver foil and the top surface of the inner electrode terminal 86.

次に、図12(E)に示すように、燃料電池セル84の下端を内側電極端子86に挿入する。図13は、燃料電池セルの下端を内側電極端子に挿入する様子を示す斜視図である。図13に示すように、燃料電池セル84の下端を内側電極端子86に挿入すると、燃料電池セル84の下端が、銀箔91の帯状部91Bに当接する。そして、この状態でさらに、燃料電池セル84を押し込むと、帯状部91Bの弾性力により、燃料電池セル84に対して各帯状部91Bから中心に向かうような力が作用する。このように、燃料電池セル84に全周から中心に向かうような力が作用するため、燃料電池セル84が、その中心軸が内側電極端子86の中心軸と一致するように押される。これにより、燃料電池セル84と内側電極端子86とを、容易に同軸に配置することができる。そして、燃料電池セル84の下端を内側電極端子86に挿入することにより、燃料電池セル84の下面に取り付けられた第1の銀ペースト93Aの下面が、銀箔91の円環部91Aの上面に付着する。   Next, as shown in FIG. 12E, the lower end of the fuel cell 84 is inserted into the inner electrode terminal 86. FIG. 13 is a perspective view showing a state where the lower end of the fuel battery cell is inserted into the inner electrode terminal. As shown in FIG. 13, when the lower end of the fuel battery cell 84 is inserted into the inner electrode terminal 86, the lower end of the fuel battery cell 84 comes into contact with the belt-like portion 91 </ b> B of the silver foil 91. Then, when the fuel cell 84 is further pushed in this state, a force is applied to the fuel cell 84 from the band portions 91B toward the center by the elastic force of the band portions 91B. In this way, a force that goes from the entire circumference toward the center acts on the fuel cell 84, so that the fuel cell 84 is pushed so that its central axis coincides with the central axis of the inner electrode terminal 86. Thereby, the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 can be easily arranged coaxially. Then, by inserting the lower end of the fuel cell 84 into the inner electrode terminal 86, the lower surface of the first silver paste 93 </ b> A attached to the lower surface of the fuel cell 84 adheres to the upper surface of the annular portion 91 </ b> A of the silver foil 91. To do.

次に、第1の銀ペースト93A、第2の銀ペースト93B、及び第3の銀ペースト93Cを焼成する。図14は、銀ペーストを焼成する様子を示す図である。銀ペースト93A、93B、93Cを焼成することにより、銀ペースト93A、93B、93Cは収縮して多孔質体となる。これにより、第1の銀ペースト93Aが、銀箔91を燃料電池セル84に固着し、第2の銀ペースト93Bが、銀箔91を内側電極端子86に固着する。これに対して、第1及び第3の銀ペースト93A、93Cは燃料電池セル84の内側電極層90に対する付着力が、内側電極端子86のCr23層86Bに対する付着力よりも大きい。このため、図14に示すように、銀ペースト93A、93B、93Cは焼成することにより収縮する際、第1の銀ペースト93Aは燃料電池セル84及び銀箔91との接続が維持されるが、第3の銀ペースト93Cは内側電極端子86から剥離する。 Next, the first silver paste 93A, the second silver paste 93B, and the third silver paste 93C are baked. FIG. 14 is a diagram showing how the silver paste is fired. By baking the silver pastes 93A, 93B, and 93C, the silver pastes 93A, 93B, and 93C shrink to become porous bodies. Thereby, the first silver paste 93 </ b> A fixes the silver foil 91 to the fuel cell 84, and the second silver paste 93 </ b> B fixes the silver foil 91 to the inner electrode terminal 86. On the other hand, the first and third silver pastes 93A and 93C have a greater adhesion force to the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84 than the adhesion force of the inner electrode terminal 86 to the Cr 2 O 3 layer 86B. For this reason, as shown in FIG. 14, when the silver pastes 93A, 93B, and 93C shrink by firing, the first silver paste 93A maintains the connection with the fuel cell 84 and the silver foil 91. No. 3 silver paste 93 </ b> C peels from the inner electrode terminal 86.

上述したような固体酸化物形燃料電池装置では、燃料電池セル84や内側電極端子86等は、700℃以上の高温に曝される。このように燃料電池セル84や内側電極端子86等が高温に曝されるとこれら部材に熱応力(熱膨張)が生じる。さらに、第1の銀ペースト93A、及び第2の銀ペースト93Bは、長時間運転されると粒子が焼結、凝集するため、収縮してしまう。   In the solid oxide fuel cell device as described above, the fuel cell 84, the inner electrode terminal 86, and the like are exposed to a high temperature of 700 ° C. or higher. As described above, when the fuel cell 84, the inner electrode terminal 86, and the like are exposed to a high temperature, thermal stress (thermal expansion) is generated in these members. Furthermore, when the first silver paste 93A and the second silver paste 93B are operated for a long time, the particles are sintered and aggregated, and thus contract.

図15は、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池装置において、長時間運転した際の挙動を示す燃料電池セル下端近傍の断面図である。同図に示すように、固体酸化物形燃料電池装置が長時間運転されると、図中矢印で示すように、第1の銀ペースト93A及び第2の銀ペースト93Bは収縮する。この際、第1の銀ペースト93A及び第2の銀ペースト93Bは、銀箔91と、燃料電池セル84及び内側電極端子86のそれぞれに面接触しているため、主に厚みが減少する。また、固体酸化物形燃料電池装置の作動時には燃料電池セル84や内側電極端子86は高温に曝される。この際、各部材は熱膨張率が等しいわけではないため、部材間に熱変形(熱応力)が生じる。特に、銀箔91を燃料電池セル84及び内側電極端子86に取り付けるための導電性の銀ペースト93A,93Bは、熱膨張係数が他の部材と異なるため、高温に曝されると熱変形が生じやすい。   FIG. 15 is a cross-sectional view of the vicinity of the lower end of the fuel cell showing the behavior when operated for a long time in the solid oxide fuel cell device of the first embodiment. As shown in the figure, when the solid oxide fuel cell device is operated for a long time, the first silver paste 93A and the second silver paste 93B contract as shown by arrows in the figure. At this time, since the first silver paste 93A and the second silver paste 93B are in surface contact with the silver foil 91, the fuel cell 84, and the inner electrode terminal 86, the thickness mainly decreases. Further, the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 are exposed to a high temperature during operation of the solid oxide fuel cell device. At this time, since the members do not have the same coefficient of thermal expansion, thermal deformation (thermal stress) occurs between the members. In particular, the conductive silver pastes 93A and 93B for attaching the silver foil 91 to the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 are different in thermal expansion coefficient from other members, so that they are likely to be thermally deformed when exposed to high temperatures. .

これに対して、本実施形態によれば、銀箔91が撓んだ状態で燃料電池セル84と内側電極端子86との間を接続しているため、第1の銀ペースト93A及び第2の銀ペースト93Bの収縮による変位や、熱膨張率の差による部材間の変位(例えば、燃料電池セル84と内側電極端子86との間の変位)を銀箔91により吸収することができる。また、本実施形態によれば、燃料電池セル84と内側電極端子86との間に隙間が設けられているため、この隙間が燃料電池セル84と内側電極端子86との熱膨張の差を吸収するため、燃料電池セル84と内側電極端子86とに過度な熱応力が生じるのを防止できる。   On the other hand, according to this embodiment, since the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 are connected in a state where the silver foil 91 is bent, the first silver paste 93A and the second silver paste 93A and the second silver paste 93A are connected. The silver foil 91 can absorb the displacement due to the shrinkage of the paste 93B and the displacement between the members due to the difference in thermal expansion coefficient (for example, the displacement between the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86). Further, according to the present embodiment, since the gap is provided between the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86, this gap absorbs the difference in thermal expansion between the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86. Therefore, it is possible to prevent excessive thermal stress from being generated in the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86.

また、燃料電池セル84は温度の不均一などにより、部位により異なる熱膨張(熱応力)が生じることがある。図16は、燃料電池セルに部位により異なる熱膨張が生じた状態を示す燃料電池セル下端近傍の斜視図である。図16において、部位ごとの熱膨張の大きさを矢印の長さで示す。本実施形態では、銀箔91の燃料電池セル84に取り付けられる側の縁に到達するように切り込み91Dが形成され、複数の帯状部91Bに分割されているため、それぞれの帯状部91Bが、燃料電池セル84の取り付け位置に生じた熱膨張(熱応力)に応じて独立して変形する。これにより、燃料電池セル84に異なる応力が作用した場合であっても、部位ごとに異なる熱膨張(熱応力)を銀箔91が吸収し、燃料電池セルの破損を防止できる。また、内側電極端子86に部位により異なる応力が生じた場合であっても、複数の帯状部91Bが独立して変形するため、同様に部位ごとに異なる熱応力を銀箔91により吸収することができる。さらに、図8を参照して説明したように、第2の銀ペースト93Bは帯状部91Bの切り込み91D側の縁に沿ってのみ設けられている。このため、帯状部91Bの幅方向中央部が燃料電池セル84の径方向に移動可能となり、より効果的に熱応力に対して追従することができる。   In addition, the fuel cell 84 may have different thermal expansion (thermal stress) depending on the part due to uneven temperature. FIG. 16 is a perspective view of the vicinity of the lower end of the fuel battery cell showing a state in which different thermal expansion occurs in the fuel battery cell depending on the part. In FIG. 16, the magnitude of thermal expansion for each part is indicated by the length of the arrow. In the present embodiment, the notch 91D is formed so as to reach the edge of the silver foil 91 on the side attached to the fuel battery cell 84, and is divided into a plurality of belt-like parts 91B. It deforms independently according to the thermal expansion (thermal stress) generated at the attachment position of the cell 84. Thereby, even when different stresses act on the fuel battery cell 84, the silver foil 91 absorbs different thermal expansion (thermal stress) for each part, and damage to the fuel battery cell can be prevented. Further, even when different stresses are generated in the inner electrode terminal 86 depending on the part, the plurality of belt-like portions 91B are independently deformed, and accordingly, different thermal stresses can be absorbed by the silver foil 91 for each part. . Furthermore, as described with reference to FIG. 8, the second silver paste 93 </ b> B is provided only along the edge on the notch 91 </ b> D side of the band-like portion 91 </ b> B. For this reason, the width direction center part of the strip | belt-shaped part 91B can be moved to the radial direction of the fuel cell 84, and can follow a thermal stress more effectively.

図17は、発電中における燃料電池セルの上部を拡大して示す断面図である。同図に示すように、燃料電池セル84で発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスは燃料ガス流路98から上方に放出され、燃料電池セル84の上方の燃焼室18において燃焼される。このため、上方の内側電極端子86は高温に曝される。ここで、例えば、特許文献1に記載されているように燃料電池セルと内側電極端子とを銀ロウを焼結させてなる銀シール材により接続する構成では、上方の内側電極端子の熱が銀シール材を介して直接燃料電池セルに伝達されてしまい、燃料電池セルの劣化の原因となっていた。これに対して、本実施形態では、上方の内側電極端子86と、燃料電池セル84とは銀シール材よりも熱伝導性の低い銀箔91で接続されている。このため、燃焼室18で発生した熱は、図中破線矢印で示すように、内側電極端子86から銀箔91を介して燃料電池セル84に伝達されることになり、上方の内側電極端子86から燃料電池セル84への熱伝導を抑えることができ、燃料電池セル84の破損を防止できる。   FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view showing the upper part of the fuel cell during power generation. As shown in the figure, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction in the fuel cell 84 is discharged upward from the fuel gas flow path 98 and burned in the combustion chamber 18 above the fuel cell 84. For this reason, the upper inner electrode terminal 86 is exposed to a high temperature. Here, for example, as described in Patent Document 1, in the configuration in which the fuel battery cell and the inner electrode terminal are connected by a silver sealing material formed by sintering silver solder, the heat of the upper inner electrode terminal is silver. It is directly transmitted to the fuel cell through the sealing material, which causes deterioration of the fuel cell. On the other hand, in the present embodiment, the upper inner electrode terminal 86 and the fuel cell 84 are connected by a silver foil 91 having a lower thermal conductivity than the silver sealing material. For this reason, the heat generated in the combustion chamber 18 is transmitted from the inner electrode terminal 86 to the fuel cell 84 through the silver foil 91 as indicated by the broken line arrow in the figure, and from the upper inner electrode terminal 86. Heat conduction to the fuel cell 84 can be suppressed, and damage to the fuel cell 84 can be prevented.

本実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、銀箔91が撓んだ状態で燃料電池セル84と内側電極端子86との間を接続しているため、高温下において熱膨張率の違いにより燃料電池セル84と内側電極端子86との間に変位が生じたとしてもこれを吸収することができる。さらに、銀箔91を燃料電池セル84及び内側電極端子86に取り付ける銀ペースト93A、93Bに熱変形が生じたとしても、銀箔91はこの熱変形に追従して変形することができる。このため、燃料電池セル84に熱応力が作用するのを防止とともに、銀箔91の剥離を防止することができる。
According to this embodiment, the following effects are produced.
According to the present embodiment, since the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 are connected in a state where the silver foil 91 is bent, the fuel cell 84 and the inner electrode are caused by a difference in thermal expansion coefficient at a high temperature. Even if a displacement occurs with the terminal 86, it can be absorbed. Furthermore, even if the silver pastes 93A and 93B for attaching the silver foil 91 to the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 are thermally deformed, the silver foil 91 can be deformed following the heat deformation. For this reason, it is possible to prevent the thermal stress from acting on the fuel cell 84 and to prevent the silver foil 91 from peeling off.

ここで、燃料電池セル84と内側電極端子86とが変位することができなければ、金属部材により十分に熱応力を吸収することができない。しかしながら、燃料電池セル84と内側電極端子86との間に間隔を設けようとすると、複数の燃料電池セル84の間でこの燃料電池セル84と内側電極端子86との間の間隔にばらつきが生じてしまい、燃料電池ごとに寸法のばらつきが生じてしまう。   Here, unless the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 can be displaced, the metal member cannot sufficiently absorb the thermal stress. However, if an interval is provided between the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86, the gap between the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 varies among the plurality of fuel cells 84. As a result, variations in dimensions occur between fuel cells.

これに対して、本実施形態によれば、銀箔91は、燃料電池セル84の下面(上面)が内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能なように、燃料電池セル84を内側電極端子86に接続しているため、銀箔91により十分に熱応力を吸収することができる。さらに、このように燃料電池セル84の下面(上面)が内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能であるため、燃料電池セル84と内側電極端子86との間の間隔のばらつきを吸収することができる。特に、燃料電池の製造工程において、燃料電池セル84の下面(上面)を、内側電極端子86の底面(天面)に接触させることにより、燃料電池の寸法のばらつきを減少させることができる。   In contrast, according to the present embodiment, the silver foil 91 allows the fuel cell 84 to be displaced so that the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 can be displaced with respect to the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86. Since it is connected to the inner electrode terminal 86, the thermal stress can be sufficiently absorbed by the silver foil 91. Further, since the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 can be displaced with respect to the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86 in this way, the variation in the distance between the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 is varied. Can be absorbed. In particular, in the manufacturing process of the fuel cell, by bringing the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 into contact with the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86, variation in the size of the fuel cell can be reduced.

本実施形態では、銀箔91は、燃料電池セル84の下面(上面)に面接触した状態で接続されるとともに、内側電極端子86の内壁側面に面接触した状態で接続されており、燃料電池セル84の下面(上面)は、この下面(上面)に対向する内側電極端子86の底面(天面)に対して固定接続されていない。銀箔91は平面状であるため、他の形状に比べて断面積が小さく、電気抵抗が高い。このため、燃料電池セル84及び内側電極端子86に銀箔91の端部を接続すると、端部において電気抵抗が大きくなる。これに対して、本実施形態によれば、銀箔91を燃料電池セル84及び内側電極端子86の双方に面接触させることにより、端部における電気抵抗を低減することができるとともに、接着強度を向上することができる。また、銀ペースト93A、93Bは焼成時に揮発成分が抜けるため収縮するが、本実施形態によれば、銀箔91が燃料電池セル84及び内側電極端子86に面接触しているため、銀ペースト93A、93Bの収縮に追従して変形することができ、面接触による高い導電接続を維持することができる。   In the present embodiment, the silver foil 91 is connected in a state of being in surface contact with the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84, and is connected in a state of being in surface contact with the inner wall side surface of the inner electrode terminal 86. The lower surface (upper surface) of 84 is not fixedly connected to the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86 facing the lower surface (upper surface). Since the silver foil 91 is planar, it has a smaller cross-sectional area and higher electrical resistance than other shapes. For this reason, when the end of the silver foil 91 is connected to the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86, the electrical resistance increases at the end. On the other hand, according to this embodiment, the silver foil 91 can be brought into surface contact with both the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86, whereby the electrical resistance at the end can be reduced and the adhesive strength can be improved. can do. Further, the silver pastes 93A and 93B shrink due to the removal of volatile components during firing. However, according to the present embodiment, the silver foil 91 is in surface contact with the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86. It can be deformed following the contraction of 93B, and a high conductive connection by surface contact can be maintained.

また、本実施形態によれば、銀箔91は、燃料電池セル84の下面(上面)と、燃料電池セル84を取り囲む内側電極端子86の内壁側面とに面接触しているため、L字状に折り曲げられた状態となる。このように銀箔91がL字状になることにより、銀箔91に撓みが生じるため、この撓みにより燃料電池セル84と内側電極端子86との間の熱膨張係数の差による変位を吸収することができる。また、燃料電池セル84と内側電極端子86を接続する際には、内側電極端子86に予め銀箔91を取り付けておき、燃料電池セル84を内側電極端子86に向けて差し込むことにより銀箔91を燃料電池セル84に接続することができ、組立作業が容易になる。   Further, according to the present embodiment, the silver foil 91 is in L-shape because it is in surface contact with the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 and the inner wall side surface of the inner electrode terminal 86 surrounding the fuel cell 84. It will be in the bent state. Since the silver foil 91 is bent like this because the silver foil 91 is L-shaped, the deflection caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 can be absorbed. it can. Further, when the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 are connected, the silver foil 91 is attached to the inner electrode terminal 86 in advance, and the fuel cell 84 is inserted toward the inner electrode terminal 86 so that the silver foil 91 is fueled. The battery cell 84 can be connected to facilitate assembly work.

本実施形態では、銀箔91の一面が燃料電池セル84の下面(上面)に接続され、銀箔91の、燃料電池セル84が接続された部分に対応する他面の部分には、焼成前に銀箔91と内側電極端子86の底面(天面)とを仮固定し、かつ、焼成後には仮固定が解除される仮固定部材としての第3の銀ペースト93Cが設けられている。燃料電池の寸法のばらつきを減少させるためには、燃料電池の製造工程において、燃料電池セル84の下面(上面)を、内側電極端子86の底面(天面)に接触させることが好ましい。しかしながら、燃料電池の製造後は、熱応力を吸収できるように、燃料電池セル84の下面(上面)が内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能にする必要がある。これに対して、本実施形態によれば、焼成前に銀箔91と内側電極端子86の底面(天面)とを仮固定し、かつ、焼成後には仮固定が解除される第3の銀ペースト93Cが設けることにより、製造時には、燃料電池セル84の下面(上面)を、内側電極端子86の底面(天面)に接触させ、燃料電池の製造後は、燃料電池セル84の下面(上面)が内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能にすることができる。   In the present embodiment, one surface of the silver foil 91 is connected to the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84, and the other surface of the silver foil 91 corresponding to the portion to which the fuel cell 84 is connected has a silver foil before firing. A third silver paste 93C is provided as a temporary fixing member that temporarily fixes 91 and the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86 and that is temporarily released after firing. In order to reduce the dimensional variation of the fuel cell, it is preferable that the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 is brought into contact with the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86 in the manufacturing process of the fuel cell. However, after the fuel cell is manufactured, the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 needs to be displaceable with respect to the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86 so that the thermal stress can be absorbed. On the other hand, according to the present embodiment, the third silver paste that temporarily fixes the silver foil 91 and the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86 before firing and releases the temporarily fixed after firing. By providing 93C, the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 is brought into contact with the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86 during manufacturing, and the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 is manufactured after the fuel cell is manufactured. Can be displaced with respect to the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86.

また、本実施形態では、銀箔91の一面は、銀ペースト93Aにより、燃料電池セル84の上面又は下面に接続されている。内側電極端子86と燃料電池セル84との間の空間は非常に狭い。このため、銀箔91と燃料電池セル84とを導電性のろう付けにより接続しようとしても外部からろうを流し込むことは非常に難しい。さらに、ろうは膨張係数が周囲の部材に比べて大きく、燃料電池セルの破損や箔状の金属部材の剥離が生じやすい。これに対して、本実施形態によれば、予め銀ペースト93Aを燃料電池セル84に取り付けておけば燃料電池セル84を内側電極端子86内に挿入した後、容易に銀箔91を燃料電池セル84に接続することができる。さらに、銀ペースト93Aは多孔質でありそれ自身が変形可能であるため、燃料電池セル84の破損や箔状の銀箔91の剥離を防止できる。   In the present embodiment, one surface of the silver foil 91 is connected to the upper surface or the lower surface of the fuel cell 84 by the silver paste 93A. The space between the inner electrode terminal 86 and the fuel cell 84 is very narrow. For this reason, even if it is going to connect the silver foil 91 and the fuel battery cell 84 by electroconductive brazing, it is very difficult to pour wax from the outside. Furthermore, the expansion coefficient of the wax is larger than that of the surrounding members, and the fuel cell is easily damaged or the foil-like metal member is easily peeled off. On the other hand, according to the present embodiment, if the silver paste 93A is attached to the fuel cell 84 in advance, the silver foil 91 is easily attached to the fuel cell 84 after the fuel cell 84 is inserted into the inner electrode terminal 86. Can be connected to. Furthermore, since the silver paste 93A is porous and can be deformed itself, the fuel cell 84 can be prevented from being damaged and the foil-like silver foil 91 can be prevented from peeling off.

また、本実施形態では、仮固定部材として用いられる第3の銀ペースト93Cは、銀箔91を燃料電池セル84に接続する第1の銀ペースト93Aと同一の材料からなり、銀ペースト93A、93Cは、内側電極端子86よりも燃料電池セル84との密着性が高い。このような本実施形態によれば、仮固定部材に内側電極端子86よりも燃料電池セル84との密着性が高い銀ペースト93Cを用いることにより、銀ペースト93Cの焼結時の収縮により発生する熱応力により銀ペースト93Cと内側電極端子86から剥離する。これにより、燃料電池セル84の下面(上面)を内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能にすることができる。   In the present embodiment, the third silver paste 93C used as the temporary fixing member is made of the same material as the first silver paste 93A that connects the silver foil 91 to the fuel cell 84, and the silver pastes 93A and 93C are The adhesion to the fuel cell 84 is higher than that of the inner electrode terminal 86. According to the present embodiment as described above, the silver paste 93C having higher adhesion to the fuel cell 84 than the inner electrode terminal 86 is used as the temporary fixing member, and this occurs due to shrinkage during sintering of the silver paste 93C. The silver paste 93C and the inner electrode terminal 86 are peeled off by thermal stress. Thereby, the lower surface (upper surface) of the fuel cell 84 can be displaced with respect to the bottom surface (top surface) of the inner electrode terminal 86.

本実施形態では、内側電極端子86は内壁面にCr23層86Bを有する。このように内側電極端子86が内壁面にCr23層86Bを有するため、第3の銀ペースト93Cと内側電極端子86との密着性が弱くなり、より焼結時に熱応力により剥離しやすくなる。 In the present embodiment, the inner electrode terminal 86 has a Cr 2 O 3 layer 86B on the inner wall surface. Thus, since the inner electrode terminal 86 has the Cr 2 O 3 layer 86B on the inner wall surface, the adhesion between the third silver paste 93C and the inner electrode terminal 86 is weakened, and is more easily peeled off by thermal stress during sintering. Become.

なお、上記各実施形態では、銀箔91を銀ペースト93A、93Bにより燃料電池セル84及び内側電極端子86に接続されているが、これに限らず、その他の導電性ペーストにより接続してもよく、さらに、銀ロウなどの導電性のろう材を用いて接続してもよい。   In each of the above embodiments, the silver foil 91 is connected to the fuel cell 84 and the inner electrode terminal 86 by the silver paste 93A, 93B, but is not limited thereto, and may be connected by other conductive paste, Further, a conductive brazing material such as silver solder may be used for connection.

また、上記各実施形態では、燃料電池セル84及び内側電極端子86と、を電気的に接続するための部材として、銀箔を用いたがこれに限らず、箔状の金属部材であれば同様の効果が奏される。   Moreover, in each said embodiment, although silver foil was used as a member for electrically connecting the fuel cell 84 and the inner side electrode terminal 86, it is not restricted to this, The same if it is a foil-shaped metal member. An effect is produced.

また、第1実施形態では、燃料電池セル84の下面と、内側電極端子86の第2円筒部86cの内面との間を銀箔91で接続したが、本発明はこれに限られない。図18は、本発明の第2実施形態の固体電解質形燃料電池セルにおける燃料電池セルと、内側電極端子との接続構造を示す断面図である。なお、以下の説明において、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。図18に示すように、第2実施形態においても、燃料電池セルと内側電極端子の構成及び配置は第1実施形態と同様である。   In the first embodiment, the lower surface of the fuel cell 84 and the inner surface of the second cylindrical portion 86c of the inner electrode terminal 86 are connected by the silver foil 91, but the present invention is not limited to this. FIG. 18 is a cross-sectional view showing the connection structure between the fuel cell and the inner electrode terminal in the solid oxide fuel cell according to the second embodiment of the present invention. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. As shown in FIG. 18, also in 2nd Embodiment, the structure and arrangement | positioning of a fuel cell and an inner side electrode terminal are the same as that of 1st Embodiment.

第2実施形態では、銀箔191の一方の端部191Aは第1実施形態と同様に第2の銀ペースト93Bを介して、内側電極端子86の第2円筒部86cの内面に接続されている。銀箔191は一方の端部191Aから下方に延び、折り曲げ部191Cにおいて上方に向かって内側に折り曲げられている。そして、銀箔191の他方の端部191Bが第1の銀ペースト193Aを介して燃料電池セル84に接続されている。また、銀箔191の一方又は/及び他方の端部191A,191Bを、第1実施形態と同様に切り込みを形成し、複数の帯状部に分割することが好ましい。なお、第2実施形態の第1の銀ペースト193Aは、第1実施形態の第1の銀ペースト93Aと同様の材料を用いるとよい。このような構成の第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が奏される。   In the second embodiment, one end portion 191A of the silver foil 191 is connected to the inner surface of the second cylindrical portion 86c of the inner electrode terminal 86 via the second silver paste 93B as in the first embodiment. The silver foil 191 extends downward from one end portion 191A, and is bent inward at the bent portion 191C. The other end 191B of the silver foil 191 is connected to the fuel cell 84 via the first silver paste 193A. Further, it is preferable that one end and / or the other end 191A, 191B of the silver foil 191 is cut into a plurality of strip portions in the same manner as in the first embodiment. Note that the first silver paste 193A of the second embodiment may use the same material as the first silver paste 93A of the first embodiment. Also in the second embodiment having such a configuration, the same effects as in the first embodiment can be obtained.

また、第1及び第2実施形態では、円筒型の燃料電池セルを用いた燃料電池装置に本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、平板型の燃料電池セルを用いた燃料電池装置にも本発明を適用することができる。   In the first and second embodiments, the case where the present invention is applied to a fuel cell device using cylindrical fuel cells has been described. However, the present invention is not limited thereto, and fuel using flat plate fuel cells. The present invention can also be applied to battery devices.

1 固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
7a 一部分
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d 閉鎖側板
8d 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
39 バルブ
40 空気供給源
42 電磁弁
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
46 ヒータ
48 ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
63 燃料供給配管
63a 供給口
64 燃料ガス供給管
64a 水平部
64b 燃料供給孔
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
74 発電用空気導入管
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
86A 電極層本体
86B Cr23
86C Cr23
86D MnCo24
86E 集電膜
88 燃料ガス流路
89 絶縁支持体
90 内側電極層
90a 上部
90b 外周面
90c 上端面
91 銀箔
91A 円環部
91B 帯状部
91C 折り曲げ部
91D 切り込み
92 外側電極層
93A 第1の銀ペースト
93B 第2の銀ペースト
93C 第3の銀ペースト
94 電解質層
96 ガラスシール
98 燃料ガス流路
100 上支持板
102 集電体
102a 燃料極用接続部
102b 空気極用接続部
104 外部端子
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器
120A 混合ガス受入部
120B 改質部
120C ガス排出部
120a 混合ガス供給口
120b 貫通孔
120c 改質部
121 上側ケース
122 下側ケース
123a 仕切り板
123b 仕切り板
130 排気ガス誘導部材
131 下部誘導板
131a 段部
132 上部誘導板
132a 凹部
133 連結板
134 連結板
135 ガス溜
140 蒸発器
140A 排気通路部
140B 蒸発部
140C 混合部
141 蒸発器ケース
142 上側ケース
142a 上側ケースの内壁
142b 上側ケース内の上面
142c 鍔部
143 下側ケース
143a 下側ケース内の底面
143b 鍔部
143c 下側ケースの外側底面(排気通路室の外側底面)
143d 下側ケースの側壁面
144 中間板
144a 開口
144b 中間板の下側面
144c 中間板の上側面
145 仕切り板(第2伝熱プレート)
145a 連通孔(スリット)
146 仕切り板(第1伝熱プレート)
146a 連通孔(スリット)(排気通気口)
147 仕切り板(第1伝熱プレート)
147a 連通孔(スリット)(排気通気口)
148 仕切り板
148a 連通孔(スリット)
160 発電用空気供給ケース
160a 天板
160b 側板
161 発電用空気供給通路
161a 空気通路
161b 空気通路
162 プレートフィン
163 プレートフィン
171 排気管
171a 排気管の出口
172 排気通路
172a 排気ガス導入口
173 排気通路
174 排気通路
175 プレートフィン
189 導電支持体
191 銀箔
191C 折り曲げ部
193A 第1の銀ペースト
1 Solid oxide fuel cell system (SOFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 6 Housing 7 Heat insulating material 7a Part 8 Module case 8a Top plate 8b Side plate 8c Bottom plate 8d Closed side plate 8d Closed side plate 8f Outlet 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel Battery cell unit 18 Combustion chamber 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 32 Gas shutoff valve 36 Desulfurizer 38 Fuel flow rate adjustment unit 39 Valve 40 Air supply source 42 Solenoid valve 44 Reforming air flow rate Adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit 46 Heater 48 Heater 50 Hot water production device 52 Control box 54 Inverter 63 Fuel supply pipe 63a Supply port 64 Fuel gas supply pipe 64a Horizontal portion 64b Fuel supply hole 65 Hydrogen extraction pipe for hydrogenated desulfurizer 66 Maniho De 68 lower support plate 74 generating air inlet tube 82 exhaust gas discharge pipe 83 igniter 84 fuel cell 86 inside electrode terminal 86A electrode layer body 86B Cr 2 O 3 layer 86C Cr 2 O 3 layer 86D MnCo 2 O 4 layer 86E Current collecting film 88 Fuel gas flow path 89 Insulating support 90 Inner electrode layer 90a Upper part 90b Outer peripheral face 90c Upper end face 91 Silver foil 91A Ring part 91B Strip part 91C Bending part 91D Cut 92 Outer electrode layer 93A First silver paste 93B First No. 2 silver paste 93C Third silver paste 94 Electrolyte layer 96 Glass seal 98 Fuel gas flow path 100 Upper support plate 102 Current collector 102a Fuel electrode connection portion 102b Air electrode connection portion 104 External terminal 111 Exhaust port 112 Mixed gas Supply pipe 120 Reformer 120A Mixed gas receiving unit 120B Reforming unit 12 C Gas exhaust part 120a Mixed gas supply port 120b Through hole 120c Reforming part 121 Upper case 122 Lower case 123a Partition plate 123b Partition plate 130 Exhaust gas guide member 131 Lower guide plate 131a Stepped part 132 Upper guide plate 132a Concave 133 Connecting plate 134 Connecting plate 135 Gas reservoir 140 Evaporator 140A Exhaust passage section 140B Evaporating section 140C Mixing section 141 Evaporator case 142 Upper case 142a Upper case inner wall 142b Upper case inner wall 142c Hump 143 Lower case 143a In lower case Bottom surface 143b collar 143c outer bottom surface of lower case (outer bottom surface of exhaust passage chamber)
143d Side wall surface of lower case 144 Intermediate plate 144a Opening 144b Lower side surface of intermediate plate 144c Upper side surface of intermediate plate 145 Partition plate (second heat transfer plate)
145a Communication hole (slit)
146 Partition plate (first heat transfer plate)
146a Communication hole (slit) (exhaust vent)
147 Partition plate (first heat transfer plate)
147a Communication hole (slit) (exhaust vent)
148 Partition plate 148a Communication hole (slit)
160 Power supply air supply case 160a Top plate 160b Side plate 161 Power generation air supply passage 161a Air passage 161b Air passage 162 Plate fin 163 Plate fin 171 Exhaust pipe 171a Exhaust pipe outlet 172 Exhaust passage 172a Exhaust gas inlet 173 Exhaust passage 174 Exhaust Passage 175 Plate fin 189 Conductive support 191 Silver foil 191C Bending part 193A First silver paste

Claims (7)

燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルスタックであって、
前記燃料ガスが供給される燃料通路を有する燃料極層、前記酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、前記燃料極層と前記空気極層の間に設けられた固体電解質層を有する円筒状の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの少なくとも一方の端部を包囲するように設けられ、前記燃料電池セルにより発電された電力を前記燃料電池セルから取り出す集電部材と、を備え、
前記燃料電池セルは、可撓性の箔状の金属部材を介して前記集電部材に電気的に接続され、
前記箔状の金属部材は前記燃料電池セル及び前記集電部材に導電性のペーストにより接続され、
前記箔状の金属部材は撓んだ状態で前記燃料電池セルと前記集電部材との間を接続し、これにより前記燃料電池セルに加わる応力に対して追従するように変形可能であり、
前記箔状の金属部材は、当該燃料電池セルの上面又は下面が当該上面又は下面に対向する前記集電部材の天面又は底面に対して変位可能なように、前記燃料電池セルを前記集電部材に接続する、ことを特徴とする燃料電池セルスタック。
A fuel cell stack that generates power using fuel gas and oxidant gas,
A cylinder having a fuel electrode layer having a fuel passage to which the fuel gas is supplied, an air electrode layer to which the oxidant gas is supplied, and a solid electrolyte layer provided between the fuel electrode layer and the air electrode layer A fuel cell, and
A current collecting member provided so as to surround at least one end of the fuel battery cell, and taking out the electric power generated by the fuel battery cell from the fuel battery cell;
The fuel cell is electrically connected to the current collecting member via a flexible foil-like metal member,
The foil-shaped metal member is connected to the fuel cell and the current collecting member by a conductive paste,
The foil-like metal member is deformed to connect between the fuel cell and the current collecting member in a bent state, thereby following the stress applied to the fuel cell,
The foil-shaped metal member allows the current collection of the fuel cell so that the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collection member facing the upper surface or the lower surface. A fuel cell stack characterized by being connected to a member.
前記箔状の金属部材は、前記燃料電池セルの上面又は下面に面接触した状態で接続され、
前記箔状の金属部材は、前記集電部材の内壁側面に面接触した状態で接続されており、
前記燃料電池セルの上面又は下面は、当該上面又は下面に対向する前記集電部材の天面又は底面に対して固定接続されていない、請求項1記載の燃料電池セルスタック。
The foil-shaped metal member is connected in surface contact with the upper surface or the lower surface of the fuel cell,
The foil-shaped metal member is connected in a state of surface contact with the inner wall side surface of the current collecting member,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein an upper surface or a lower surface of the fuel cell is not fixedly connected to a top surface or a bottom surface of the current collecting member facing the upper surface or the lower surface.
前記箔状の金属部材の一面が前記燃料電池セルの上面又は下面に接続され、
前記箔状の金属部材の、前記燃料電池セルが接続された部分に対応する他面の部分には、焼成前に前記箔状の金属と前記集電部材の天面又は底面とを仮固定し、かつ、焼成後には前記仮固定が解除される仮固定部材が設けられている、請求項2記載の燃料電池セルスタック。
One surface of the foil-shaped metal member is connected to the upper surface or the lower surface of the fuel cell,
The foil-shaped metal and the top or bottom surface of the current collecting member are temporarily fixed to the other surface portion of the foil-shaped metal member corresponding to the portion where the fuel cells are connected before firing. The fuel cell stack according to claim 2, wherein a temporary fixing member for releasing the temporary fixing after firing is provided.
前記箔状の金属部材の一面は、導電性ペーストにより、前記燃料電池セルの上面又は下面に接続されている、請求項3記載の燃料電池セルスタック。   4. The fuel cell stack according to claim 3, wherein one surface of the foil-shaped metal member is connected to an upper surface or a lower surface of the fuel cell by a conductive paste. 前記仮固定部材は、前記箔状の金属部材を前記燃料電池セルに接続する前記導電性ペーストと同一の材料からなり、
前記導電性ペーストは、前記集電部材よりも前記燃料電池セルとの密着性が高い、請求項4記載の燃料電池セルスタック。
The temporary fixing member is made of the same material as the conductive paste that connects the foil-shaped metal member to the fuel cell,
The fuel cell stack according to claim 4, wherein the conductive paste has higher adhesion to the fuel cell than the current collecting member.
前記集電部材は内壁面にクロム酸化物層を有する、請求項5記載の燃料電池セルスタック。   The fuel cell stack according to claim 5, wherein the current collecting member has a chromium oxide layer on an inner wall surface. 請求項1〜6の何れか1項に記載の燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックを収容するモジュールケースと、
前記モジュールケース内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、を備える、固体酸化物形燃料電池装置。
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6,
A module case for housing the fuel cell stack;
A solid oxide fuel cell, comprising: a reformer disposed in the module case and reforming a raw fuel gas with water vapor to generate a fuel gas and supplying the fuel gas to the fuel cell stack apparatus.
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