JP2018045935A - Fuel battery cell stack - Google Patents

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琢也 星子
Takuya Hoshiko
琢也 星子
幸松 良昌
Yoshimasa Komatsu
良昌 幸松
泰一郎 坂本
Taiichiro Sakamoto
泰一郎 坂本
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Toto Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery cell stack in which good connecting state between fuel battery cells and corresponding current collecting members can be maintained over a long period of time.SOLUTION: A fuel battery cell stack (14) according to the present invention comprises fuel battery cells (16) electrically connected by current collecting members (102). The fuel battery cells each include: an inner electrode layer (90); a solid electrolyte layer (94); and an outer electrode layer (92). Each current collecting member has: a connection electrode part (86) put in electrical conduction with the inner electrode layer; a first grasping part (104) connected thereto; a second grasping part (106) grasping the outer electrode layer of the adjacent fuel battery cell and connected thereto; and a joint (108) connecting between the first and second grasping parts, and putting them in mutual electrical conduction. The first grasping part grasping the connection electrode part, and the second grasping part grasping the outer electrode layer are arranged so that a grasping force for grasping one of the connection electrode part and outer electrode layer grasped by them, which is higher in surface strength becomes larger.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、燃料電池セルスタックに関し、特に、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う複数の固体酸化物形の燃料電池セルを、集電部材により電気的に接続した燃料電池セルスタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack, and in particular, a fuel cell in which a plurality of solid oxide fuel cells that generate power by reacting a fuel gas and an oxidant gas are electrically connected by a current collecting member. Regarding the 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.

燃料ガスと酸化剤ガスとの間で発電反応を発生させる固体酸化物形燃料電池セルは、その一本毎の起電力が極めて小さいため、一般に、複数本の燃料電池セルを集電用の金具で電気的に直列に接続して燃料電池セルスタックを形成し、この燃料電池セルスタックから電力を取り出している。   A solid oxide fuel cell that generates a power generation reaction between a fuel gas and an oxidant gas has a very small electromotive force for each cell. Are connected in series to form a fuel cell stack, and electric power is taken out from the fuel cell stack.

特許第5578332号公報(特許文献1)には、燃料電池セル集合体及び燃料電池が記載されている。ここに記載されている燃料電池セル集合体(燃料電池セルスタック)は、16本の燃料電池セルを8本ずつ2列に配列し、隣接して配置されている各燃料電池セルを集電用の金具である集電部材で電気的に接続することにより構成されている。また、各燃料電池セルは、内側から順に、燃料極層、固体電解質層、空気極層(酸化剤ガス極層)を備えた円筒状のセルであり、内部に燃料ガスを流すためのガス流路が設けられている。燃料電池セルの内側に形成されている燃料極層は、燃料電池セルの両端に取り付けられた金属製キャップに接続されており、外側の空気極層は、両端の金属製キャップの間で外部に露出している。   Japanese Patent No. 5578332 (Patent Document 1) describes a fuel cell assembly and a fuel cell. The fuel cell assembly (fuel cell stack) described here has sixteen fuel cells arranged in two rows of eight, and each adjacent fuel cell is for current collection. It is comprised by electrically connecting with the current collection member which is metal fittings. Each fuel cell is a cylindrical cell having a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer (oxidant gas electrode layer) in order from the inside, and a gas flow for flowing a fuel gas therein. There is a road. The fuel electrode layer formed inside the fuel cell is connected to metal caps attached to both ends of the fuel cell, and the outer air electrode layer is connected to the outside between the metal caps at both ends. Exposed.

また、燃料電池セルを接続する集電部材は、一端で燃料電池セルの金属製キャップを把持し、他端で隣接する燃料電池セルの空気極層を把持することにより、燃料電池セル同士を電気的に直列に接続している。即ち、燃料電池セルは、集電部材の端部を弾性変形させることにより、集電部材の端部に嵌め込まれ、集電部材の両端部が燃料電池セルの金属製キャップと、空気極層を夫々把持している。また、各集電部材の中間部は、接続する2本の円筒状の燃料電池セルの、共通する接平面内に延びるように向けられた金属製の薄板から構成されている。   In addition, the current collecting member for connecting the fuel cells is configured to electrically connect the fuel cells by holding the metal cap of the fuel cells at one end and the air electrode layer of the adjacent fuel cells at the other end. Are connected in series. That is, the fuel cell is fitted into the end of the current collecting member by elastically deforming the end of the current collecting member, and both ends of the current collecting member are connected to the metal cap of the fuel cell and the air electrode layer. Holding each one. Moreover, the intermediate part of each current collection member is comprised from the metal thin plate orient | assigned so that it might extend in the common tangent plane of the two cylindrical fuel cells connected.

特許第5578332号公報Japanese Patent No. 5578332

ここで、燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セル、及び集電部材は、高温に晒される発電運転中において、何れも熱膨張を起こす。ここで、熱膨張する燃料電池セル及び集電部材は熱膨張係数が異なるため、熱膨張が発生すると、それらの変形量の相違に基づいて、燃料電池セルと集電部材との間に熱応力が発生する。この熱応力により、燃料電池セルから集電部材が剥離し、脱落する虞がある。この熱応力による集電部材の剥離、脱落を防止するために、特許文献1記載の燃料電池においては、燃料電池セルの端部を集電部材により弾性的に把持している。しかしながら、特許文献1記載の燃料電池では、集電部材の燃料電池セルからの脱落は防止できるものの、温度上昇や経年変化によって、燃料電池セルと集電部材の間の接続状態が悪化し、電気的な接続抵抗が上昇してしまうという問題がある。   Here, the fuel cells constituting the fuel cell stack and the current collecting member both undergo thermal expansion during the power generation operation exposed to high temperatures. Here, since the thermal expansion coefficient of the fuel battery cell and the current collecting member are different, when thermal expansion occurs, the thermal stress between the fuel battery cell and the current collecting member is based on the difference in the amount of deformation. Occurs. Due to this thermal stress, the current collecting member may be peeled off from the fuel cell and fall off. In order to prevent the current collecting member from peeling and dropping due to the thermal stress, in the fuel cell described in Patent Document 1, the end portion of the fuel cell is elastically held by the current collecting member. However, in the fuel cell described in Patent Document 1, the current collecting member can be prevented from falling off from the fuel cell, but the connection state between the fuel cell and the current collecting member is deteriorated due to a temperature rise or secular change. There is a problem that the general connection resistance increases.

従って、本発明は、燃料電池セルと集電部材の良好な接続状態を長期間維持することができる燃料電池セルスタックを提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can maintain a good connection state between a fuel cell and a current collecting member for a long period of time.

上述した課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う複数の固体酸化物形の燃料電池セルを、集電部材により電気的に接続した燃料電池セルスタックであって、燃料電池セルは、各々、内側電極層と、この内側電極層の外側に設けられた固体電解質層と、この固体電解質層の外側に設けられた外側電極層と、を備えると共に、燃料ガス又は酸化剤ガスが内側電極層に供給されるように、燃料ガス又は酸化剤ガスを流すためのガス通路が内部に形成された筒状形状であり、集電部材は、内側電極層と導通した接続電極部を把持して、これに接続される第1把持部と、隣接する燃料電池セルの外側電極層を把持して、これに接続される第2把持部と、第1把持部と第2把持部を連結し、それらを電気的に導通させる連結部と、を有し、接続電極部を把持する第1把持部及び外側電極層を把持する第2把持部は、把持している接続電極部又は外側電極層のうち、表面強度が高い方を把持する把持力が強く構成されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a fuel cell in which a plurality of solid oxide fuel cells that generate power by reacting a fuel gas and an oxidant gas are electrically connected by a current collecting member. Each of the fuel cell units includes an inner electrode layer, a solid electrolyte layer provided outside the inner electrode layer, and an outer electrode layer provided outside the solid electrolyte layer. In addition, the gas passage for flowing the fuel gas or oxidant gas is formed inside so that the fuel gas or oxidant gas is supplied to the inner electrode layer. A first electrode that is connected to the first electrode, and a second electrode that is connected to the outer electrode layer of the adjacent fuel cell, and a first electrode that is connected to the first electrode. Connect the gripping part and the second gripping part and connect them A first gripping portion that grips the connection electrode portion and a second gripping portion that grips the outer electrode layer are the surface of the gripping connection electrode portion or outer electrode layer. It is characterized by a strong gripping force for gripping the higher strength.

このように構成された本発明においては、複数の固体酸化物形の燃料電池セルが、集電部材により電気的に接続され、燃料電池セルスタックが形成される。燃料電池セルは、各々、内側電極層と、この外側の固体電解質層と、この外側の外側電極層と、を備え、ガス通路が内部に形成されている。集電部材は、内側電極層と導通した接続電極部を把持して、これに接続される第1把持部と、隣接する燃料電池セルの外側電極層を把持して、これに接続される第2把持部と、第1把持部と第2把持部を連結する連結部と、を有する。接続電極部を把持する第1把持部及び外側電極層を把持する第2把持部は、把持している接続電極部又は外側電極層のうち、表面強度が高い方を把持する把持力が強くされている。   In the present invention configured as described above, a plurality of solid oxide fuel cells are electrically connected by a current collecting member to form a fuel cell stack. Each fuel cell includes an inner electrode layer, an outer solid electrolyte layer, and an outer electrode layer on the outer side, and a gas passage is formed inside. The current collecting member grips the connection electrode portion that is electrically connected to the inner electrode layer, holds the first grip portion connected thereto, and the outer electrode layer of the adjacent fuel cell, and connects the first electrode portion connected thereto. 2 gripping portions, and a connecting portion that connects the first gripping portion and the second gripping portion. The first gripping part for gripping the connection electrode part and the second gripping part for gripping the outer electrode layer have a gripping force for gripping the higher surface strength of the connection electrode part or the outer electrode layer being gripped. ing.

一般に、燃料電池装置は、多数の燃料電池セルを集電部材により電気的に直列に接続して、所用の出力電圧を得ている。燃料電池セルを接続する集電部材は、1つの燃料電池セルの燃料極と、他の燃料電池セルの酸化剤ガス極を電気的に接続するように構成されており、燃料極と酸化剤ガス極のうち、外側に露出している方の外側電極層には、集電部材が直接、取り付けられることが一般的である。ここで、燃料電池セルと集電部材の良好な接続状態を長期間に亘って維持するには、集電部材が燃料電池セルを把持する把持力を強く設定しておくことが望ましい。即ち、燃料電池セルを集電部材により、強い把持力で把持しておくことにより、燃料電池セルと集電部材の間に熱応力が作用した場合でも、集電部材の剥離、脱落を防止することができると共に、集電部材と燃料電池セルの間に強い接触力が働くので、それらの間の電気的な接触抵抗を低く維持することができる。   In general, in a fuel cell device, a large number of fuel cells are electrically connected in series by current collecting members to obtain a desired output voltage. The current collecting member for connecting the fuel cells is configured to electrically connect the fuel electrode of one fuel cell and the oxidant gas electrode of another fuel cell, and the fuel electrode and the oxidant gas. A current collecting member is generally attached directly to the outer electrode layer that is exposed to the outside of the poles. Here, in order to maintain a good connection state between the fuel battery cell and the current collecting member for a long period of time, it is desirable to set the gripping force with which the current collecting member grips the fuel battery cell strongly. That is, by holding the fuel cell with the current collecting member with a strong gripping force, even when a thermal stress acts between the fuel cell and the current collecting member, the current collecting member is prevented from peeling off or falling off. In addition, since a strong contact force acts between the current collecting member and the fuel cell, the electrical contact resistance between them can be kept low.

しかしながら、燃料電池セルを把持する集電部材の把持力が強すぎると、集電部材に燃料電池セルを把持させる際に、燃料電池セルの表面に引っ掻き傷をつけ、セルを損傷してしまうという問題がある。上記のように構成された本発明によれば、接続電極部を把持する第1把持部及び外側電極層を把持する第2把持部は、把持している接続電極部又は外側電極層のうち、表面強度が高い方を把持する把持力が強く構成されている。この結果、集電部材によって把持する部分の表面強度に応じて、把持力を適切に設定することが可能になり、燃料電池セルの損傷を防止しながら強い接触力を得ることができ、集電部材と燃料電池セルの間の電気的な接触抵抗を低く維持することができる。   However, if the gripping force of the current collecting member that grips the fuel cell is too strong, when the current collecting member grips the fuel cell, the surface of the fuel cell is scratched and the cell is damaged. There's a problem. According to the present invention configured as described above, the first gripping part that grips the connection electrode part and the second gripping part that grips the outer electrode layer are the connection electrode part or the outer electrode layer that is gripped, The gripping force for gripping the surface having a higher surface strength is strong. As a result, the gripping force can be appropriately set according to the surface strength of the portion gripped by the current collecting member, and a strong contact force can be obtained while preventing damage to the fuel battery cell. The electrical contact resistance between the member and the fuel cell can be kept low.

本発明において、好ましくは、第1把持部は接続電極部の周囲に沿って延びることにより接続電極部を把持し、第2把持部は外側電極層の周囲に沿って延びることにより外側電極層を把持し、第1把持部及び第2把持部は、把持力の強い方が周囲に延びる長さが長く構成されている。   In the present invention, preferably, the first gripping part grips the connection electrode part by extending along the periphery of the connection electrode part, and the second gripping part extends the outer electrode layer by extending along the periphery of the outer electrode layer. The first gripping portion and the second gripping portion that are gripped are configured to have long lengths that extend to the periphery when the gripping force is strong.

このように構成された本発明によれば、第1把持部及び第2把持部は、把持力の強い方が周囲に延びる長さが長く構成されているので、簡単な構造で、第1把持部及び第2把持部による把持力を適切に設定することができる。   According to the present invention configured as described above, since the first gripping portion and the second gripping portion are configured to have a longer length extending around the strong gripping force, the first gripping portion and the first gripping portion have a simple structure. The gripping force by the part and the second gripping part can be set appropriately.

本発明において、好ましくは、第1把持部は接続電極部の周囲に沿って延びることにより接続電極部を把持し、第2把持部は外側電極層の周囲に沿って延びることにより外側電極層を把持し、第1把持部及び第2把持部は、所定の把持力が得られるように、互いに異なる幅を有する。   In the present invention, preferably, the first gripping part grips the connection electrode part by extending along the periphery of the connection electrode part, and the second gripping part extends the outer electrode layer by extending along the periphery of the outer electrode layer. The first grip portion and the second grip portion have different widths so as to obtain a predetermined grip force.

このように構成された本発明によれば、第1把持部及び第2把持部は、所定の把持力が得られるように、互いに異なる幅を有するので、簡単な構造で、第1把持部及び第2把持部による把持力を適切に設定することができる。   According to the present invention configured as described above, the first gripping portion and the second gripping portion have different widths so as to obtain a predetermined gripping force. The gripping force by the second gripping part can be set appropriately.

本発明において、好ましくは、第1把持部及び第2把持部は、夫々、接続電極部及び外側電極層の周囲に、半周よりも長く延びている。   In the present invention, preferably, the first grip portion and the second grip portion extend longer than a half circumference around the connection electrode portion and the outer electrode layer, respectively.

このように構成された本発明によれば、第1把持部及び第2把持部は、夫々、接続電極部及び外側電極層の周囲に、半周よりも長く延びているので、筒状形状の燃料電池セルを確実に把持することができる。   According to the present invention configured as described above, the first gripping portion and the second gripping portion extend longer than a half circumference around the connection electrode portion and the outer electrode layer, respectively. The battery cell can be securely gripped.

本発明において、好ましくは、第1把持部と接続電極部の間、及び/又は第2把持部と外側電極層の間には、導電性接合剤が配置され、この導電性接合剤により第1把持部及び/又は第2把持部と燃料電池セルが接合される。   In the present invention, preferably, a conductive bonding agent is disposed between the first gripping portion and the connection electrode portion and / or between the second gripping portion and the outer electrode layer, and the first is formed by the conductive bonding agent. The grip part and / or the second grip part and the fuel cell are joined.

このように構成された本発明によれば、第1把持部と接続電極部の間、及び/又は第2把持部と外側電極層の間に導電性接合剤が配置されているので、第1把持部及び/又は第2把持部と燃料電池セルの間は、把持部による把持力に加え、導電性接合剤による接合力によっても接続されるので、経年変化等により、把持部による把持力が低下した場合でも、良好な接続状態を維持することができる。   According to the present invention configured as described above, the conductive bonding agent is disposed between the first grip portion and the connection electrode portion and / or between the second grip portion and the outer electrode layer. Since the gripping part and / or the second gripping part and the fuel battery cell are connected not only by the gripping force by the gripping part but also by the joining force by the conductive bonding agent, the gripping force by the gripping part is caused by secular change or the like. Even when it drops, a good connection state can be maintained.

本発明において、好ましくは、第1把持部に接続される接続電極部は、燃料電池セルの端部に取り付けられた、内側電極層と導通した金属製のキャップから構成され、第1把持部は第2把持部よりも把持力が強く構成されている。   In the present invention, preferably, the connection electrode part connected to the first grip part is composed of a metal cap that is attached to the end part of the fuel cell and is electrically connected to the inner electrode layer, and the first grip part is The gripping force is configured to be stronger than the second gripping part.

このように構成された本発明によれば、接続電極部が内側電極層と導通した金属製のキャップから構成され、これを把持する第1把持部は、第2把持部よりも把持力が強く構成されているので、強い把持力で把持しても損傷される虞のない第1把持部による把持力を十分に強く設定しておくことが可能になり、良好な接続状態を長期間に亘って維持することができる。   According to the present invention configured as described above, the connection electrode portion is composed of a metal cap that is electrically connected to the inner electrode layer, and the first gripping portion that grips the cap has a gripping force stronger than the second gripping portion. Since it is configured, it becomes possible to set the gripping force by the first gripping part sufficiently strong so that even if it is gripped with a strong gripping force, it is possible to set a sufficiently strong gripping state over a long period of time. Can be maintained.

本発明の燃料電池セルスタックによれば、燃料電池セルと集電部材の良好な接続状態を長期間維持することができる。   According to the fuel cell stack of the present invention, a good connection state between the fuel cell and the current collecting member can be maintained for a long time.

本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを内蔵した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 device (SOFC) incorporating a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを備えた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 provided with the fuel cell stack by embodiment of this invention. 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 line III-III in FIG. 2. 本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを収容する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 that accommodate a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セルを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell which comprises the fuel cell stack by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セル端部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the fuel cell end part which constitutes the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による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 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による燃料電池セルスタックの一部を示す側面図である。It is a side view which shows a part of fuel cell stack by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による燃料電池セルスタックの一部を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows a part of fuel cell stack by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを構成する集電部材の斜視図である。It is a perspective view of a current collection member which constitutes a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを構成する集電部材によって接続された2本の燃料電池セルを上方から見た平面図である。It is the top view which looked at the two fuel battery cells connected by the current collection member which comprises the fuel battery cell stack by embodiment of this invention from upper direction.

つぎに、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図1は、本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを内蔵した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、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 including a fuel cell stack according to an 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 device (SOFC) incorporating a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 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スタック14が配置されている。本実施形態においては、燃料電池セルスタック14は、複数の燃料電池セル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 stack 14 is arranged. In the present embodiment, the fuel cell stack 14 has all of the plurality of fuel cells 16 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。   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.

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。   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、本実施形態による燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールの構造について説明する。
図2は、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 incorporating the fuel cell stack according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
2 is a side sectional view showing a fuel cell module of the solid oxide fuel cell device, FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2, and FIG. 4 is a module case and air. It is a disassembled perspective view of a channel | path 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スタック14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 stack 14 and a reformer 120 provided inside a module case 8 covered with a heat insulating material 7. The evaporator 140 is provided outside and 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から燃料電池セルスタック14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 stack 14 (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 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、本実施形態において蒸発器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, in this embodiment, the evaporator 140 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、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 in the horizontal direction along the longitudinal direction of the module case 8, and is fixed to the top plate 8a. 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、燃料電池セルスタック14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。
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 enters the manifold 66 formed below, and further extends in the horizontal direction to the vicinity of the closed side plate 8e on the opposite side in the manifold 66. 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 16. . An ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.
Further, the reformer 120 is disposed at a predetermined horizontal distance from the side plate 8b of the module case 8.

つぎに、図5及び図6を参照して、燃料電池セル16について説明する。
図5は、本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セルを示す図である。図6は、燃料電池セル端部の拡大断面図である。
図5に示すように、燃料電池セル16は、燃料電池セル本体84と、この燃料電池セル本体84の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ86とを備えている。
Next, the fuel cell 16 will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
FIG. 5 is a view showing the fuel cells constituting the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the end portion of the fuel battery cell.
As shown in FIG. 5, the fuel battery cell 16 includes a fuel battery cell main body 84 and caps 86 that are connection electrode portions respectively connected to both ends of the fuel battery cell main body 84.

図6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本体84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路88を形成する円筒形の燃料極層である内側電極層90と、内側電極層90の外周に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層94と、電解質層94の外周に設けられた円筒形の空気極(酸化剤ガス極)層である外側電極層92と、を備えている。この内側電極層90は、燃料電池セル本体84を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。内側電極層90は燃料極であり、(−)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 FIG. 6, the fuel cell body 84 in the case of having a conductive support as a support is a tubular structure that extends in the vertical direction, and has a cylindrical shape that forms a fuel gas flow path 88 that is a gas passage therein. An inner electrode layer 90 as a fuel electrode layer, an electrolyte layer 94 as a cylindrical solid electrolyte layer provided on the outer periphery of the inner electrode layer 90, and a cylindrical air electrode provided on the outer periphery of the electrolyte layer 94 ( And an outer electrode layer 92 that is an oxidant gas electrode layer. The inner electrode layer 90 is a porous body that functions as a support that constitutes the fuel cell main body 84 and that constitutes a gas passage through which fuel gas flows. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode, which is a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air, which is a (+) electrode.

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、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。
The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu. In the present embodiment, the inner electrode layer 90 is made of Ni / YSZ.
A porous insulating support can also be used as the support. In this case, a fuel electrode layer is formed as an inner electrode layer outside the insulating support.

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、キャップ86について説明するが、燃料電池セル本体84の上端側と下端側に取り付けられたキャップ86は、同一構造であるため、ここでは、燃料電池セル本体84の下端側に取り付けられたキャップ86について具体的に説明する。   Next, the cap 86 will be described. Since the caps 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell body 84 have the same structure, the cap 86 is attached to the lower end side of the fuel cell body 84 here. The cap 86 will be specifically described.

キャップ86は、燃料電池セル本体84の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル本体84の内側電極層90と電気的に接続され、内側電極層90を外部に引き出す接続電極として機能する。図6に示すように、燃料電池セル本体84の下端に設けられたキャップ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。キャップ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。燃料ガス流路98は、キャップ86の中心から燃料電池セル本体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。   The cap 86 is provided so as to surround the upper and lower ends of the fuel cell main body 84, and is electrically connected to the inner electrode layer 90 of the fuel cell main body 84, and serves as a connection electrode that pulls the inner electrode layer 90 to the outside. Function. As shown in FIG. 6, the cap 86 provided at the lower end of the fuel cell main body 84 has a cylindrical first cylindrical portion 86a and an annular shape extending outward from the upper end of the first cylindrical portion 86a. It has an annular part 86b and a second cylindrical part 86c extending upward from the outer periphery of the annular part 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 cap 86. The fuel gas flow path 98 is an elongated pipe line provided so as to extend in the axial direction of the fuel cell main body 84 from the center of the cap 86.

キャップ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本体の内周面及び外周面にクロム酸化物(本実施形態では、Cr23)がコーティングされ、さらに、外周面には、MnCo24がコーティングされている。加えて、コーティングされたMnCo24層の外周面にはAg集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ag集電膜は、キャップ86の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。 In the cap 86, chromium oxide (Cr 2 O 3 in this embodiment) is coated on the inner peripheral surface and outer peripheral surface of a main body made of ferritic stainless steel or austenitic stainless steel, and the outer peripheral surface is coated with MnCo 2 O. 4 is coated. In addition, an Ag current collecting film is provided on the outer peripheral surface of the coated MnCo 2 O 4 layer. In this embodiment, the Ag current collector film is provided over the entire outer peripheral surface of the cap 86, but may be provided only in part.

キャップ86の第2円筒部86cの内側と、燃料電池セル本体84の内側電極層90の端部外周面との間の空間には銀ペースト95が配置されている。燃料電池セル16の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト95が焼結され、内側電極層90とキャップ86が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ86の第2円筒部86cの内周面と、電解質層94の下端部外周面との間には、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、キャップ86と内側電極層90との間の空間は、燃料電池セル16の外部の空間に対して気密密封されている。   A silver paste 95 is disposed in the space between the inside of the second cylindrical portion 86 c of the cap 86 and the outer peripheral surface of the end portion of the inner electrode layer 90 of the fuel cell body 84. By firing after assembling the fuel cell 16, the silver paste 95 is sintered, and the inner electrode layer 90 and the cap 86 are electrically and mechanically coupled. A glass seal 96 made of a glass material is provided between the inner peripheral surface of the second cylindrical portion 86 c of the cap 86 and the outer peripheral surface of the lower end portion of the electrolyte layer 94. The glass seal 96 hermetically seals the space between the cap 86 and the inner electrode layer 90 with respect to the space outside the fuel cell 16.

つぎに、図7乃至図11を参照して、本発明の実施形態による燃料電池セルスタック14について説明する。
図7は、本実施形態による燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図8は、本実施形態による燃料電池セルスタックの一部を示す側面図であり、図9は、燃料電池セルスタックの一部を示す側面断面図である。
Next, the fuel cell stack 14 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 11.
FIG. 7 is a perspective view showing the fuel cell stack according to the present embodiment. FIG. 8 is a side view showing a part of the fuel cell stack according to the present embodiment, and FIG. 9 is a side sectional view showing a part of the fuel cell stack.

図7に示すように、燃料電池セルスタック14は、格子状に配列された128本の燃料電池セル16を備え、これらの燃料電池セル16は、16本ずつ8列に並べて配置されている。
図8及び図9に示すように、各燃料電池セル16は、下端側が金属製の長方形の下支持板68により支持されている。この下支持板68は、マニホールド66の天井面を構成し、各燃料電池セル16の燃料ガス流路88に燃料ガスを流入させるための貫通穴が形成されている。また、各燃料電池セル16の下端側のキャップ86と下支持板68の間には、概ね円筒形のセラミック製のスペーサ100が配置されており、キャップ86と下支持板68の間を離間させることで絶縁性を確保している。
As shown in FIG. 7, the fuel cell stack 14 includes 128 fuel cells 16 arranged in a lattice pattern, and these fuel cells 16 are arranged in 16 rows of 16 each.
As shown in FIGS. 8 and 9, each fuel cell 16 is supported at its lower end side by a rectangular lower support plate 68 made of metal. The lower support plate 68 constitutes a ceiling surface of the manifold 66, and a through hole for allowing the fuel gas to flow into the fuel gas flow path 88 of each fuel cell 16 is formed. In addition, a substantially cylindrical ceramic spacer 100 is disposed between the cap 86 on the lower end side of each fuel cell 16 and the lower support plate 68, and the cap 86 and the lower support plate 68 are separated from each other. This ensures insulation.

さらに、各燃料電池セル16には、1つの燃料電池セル16を隣接する燃料電池セル16と電気的に接続する集電部材102が取り付けられている。この集電部材102は、燃料極である内側電極層90と電気的に接続されたキャップ86と、隣接する燃料電池セル16の空気極である外側電極層92の外周面と、を接続するように配置される。また、各集電部材102は、各燃料電池セル16の上端部及び下端部に取り付けられているため、1つの燃料電池セル16と隣接する燃料電池セル16は、2つの集電部材102により電気的に接続されることになる(これら2つの集電部材102は並列)。このように、各集電部材102により、燃料電池セルスタック14を構成する全ての燃料電池セル16は、電気的に直列に接続される。なお、各燃料電池セル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。この薄膜の表面に集電部材102が接触することにより、集電部材102は空気極全体と電気的に接続される。   Furthermore, a current collecting member 102 that electrically connects one fuel cell 16 to the adjacent fuel cell 16 is attached to each fuel cell 16. The current collecting member 102 connects the cap 86 electrically connected to the inner electrode layer 90 that is the fuel electrode and the outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is the air electrode of the adjacent fuel cell 16. Placed in. Further, since each current collecting member 102 is attached to the upper end portion and the lower end portion of each fuel battery cell 16, the fuel battery cells 16 adjacent to one fuel battery cell 16 are electrically connected by the two current collector members 102. (The two current collecting members 102 are in parallel). As described above, all the fuel cells 16 constituting the fuel cell stack 14 are electrically connected in series by the respective current collecting members 102. A silver thin film is formed on the entire outer surface of the outer electrode layer 92 (air electrode) of each fuel cell 16 as an electrode on the air electrode side. When the current collecting member 102 contacts the surface of the thin film, the current collecting member 102 is electrically connected to the entire air electrode.

つぎに、図10及び図11を新たに参照して、集電部材102による接続構造を説明する。図10は、集電部材の斜視図である。図11は、集電部材によって接続された2本の燃料電池セルを上方から見た平面図である。
図10に示すように、集電部材102は、キャップ86を把持するように構成された第1把持部104と、外側電極層92を把持するように構成された第2把持部106と、第1、第2把持部を連結し、これらを電気的に導通させる連結部108から構成されている。集電部材102は、フェライト系ステンレス製の薄板を曲げ加工することにより、第1、第2把持部及び連結部を一体的に形成した金具である。また、集電部材102の表面には銀メッキが施され、その電気伝導性を向上させている。即ち、集電部材102は、フェライト系ステンレス製の基材に、基材よりも電気抵抗率の低い銀製の金属層を被覆することにより構成されている。
Next, a connection structure using the current collecting member 102 will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a perspective view of the current collecting member. FIG. 11 is a plan view of the two fuel cells connected by the current collecting member as seen from above.
As shown in FIG. 10, the current collecting member 102 includes a first grip 104 configured to grip the cap 86, a second grip 106 configured to grip the outer electrode layer 92, 1. It is comprised from the connection part 108 which connects the 2nd holding | grip part and electrically conducts these. The current collecting member 102 is a metal fitting in which the first and second gripping portions and the connecting portion are integrally formed by bending a ferritic stainless steel thin plate. Further, the surface of the current collecting member 102 is silver-plated to improve its electrical conductivity. That is, the current collecting member 102 is configured by coating a ferritic stainless steel base material with a silver metal layer having a lower electrical resistivity than the base material.

第1把持部104は円弧状に湾曲された細長い矩形の薄板であり、この円弧の内側にキャップ86を嵌め込むことにより、キャップ86が第1把持部104によって把持される。即ち、非組み付け状態においては、円弧状の第1把持部104の半径はキャップ86の半径よりも若干小さく、組み付け時において第1把持部104を弾性変形させながら、第1把持部104の内側に嵌め込むことにより、キャップ86を把持させる。また、第1把持部104の両側の先端部104aは、燃料電池セル16(キャップ86)の中心から外方に向かって湾曲されていると共に、先端部104aの角には丸味が付けられている。これにより、キャップ86を第1把持部104に嵌め込む際に、第1把持部104の先端部104aによってキャップ86の表面に傷を付けることが防止される。   The first grip 104 is an elongated rectangular thin plate curved in an arc shape, and the cap 86 is gripped by the first grip 104 by fitting the cap 86 inside the arc. That is, in the non-assembled state, the radius of the arc-shaped first gripping portion 104 is slightly smaller than the radius of the cap 86, and the first gripping portion 104 is elastically deformed at the time of assembly while being inward of the first gripping portion 104. The cap 86 is gripped by fitting. Further, the tip portions 104a on both sides of the first grip portion 104 are curved outward from the center of the fuel cell 16 (cap 86), and the corners of the tip portion 104a are rounded. . Accordingly, when the cap 86 is fitted into the first grip portion 104, the front end portion 104a of the first grip portion 104 is prevented from being damaged on the surface of the cap 86.

また、キャップ86が把持された状態では、第1把持部104はキャップ86周囲の所定範囲に沿って延び、第1把持部104の内側の表面とキャップ86の第2円筒部86cの外周面が接触する。なお、組み付けられたとき、第1把持部104は、キャップ86の第2円筒部86cの半周よりも長く延びる。即ち、第1把持部104は、キャップ86周囲の円周の長さの半分よりも長く構成されている。また、組み付け時において、第1把持部104の内周面と第2円筒部86cの外周面との間には、導電性接合剤である銀ペーストが塗布される。燃料電池セルスタック14の組み立て完了後、塗布された銀ペーストが焼結されることにより、第1把持部104とキャップ86が固着される。   When the cap 86 is gripped, the first grip 104 extends along a predetermined range around the cap 86, and the inner surface of the first grip 104 and the outer peripheral surface of the second cylindrical portion 86c of the cap 86 are Contact. When assembled, the first grip 104 extends longer than the half circumference of the second cylindrical portion 86 c of the cap 86. That is, the first grip 104 is configured to be longer than half of the circumference around the cap 86. Further, at the time of assembly, a silver paste that is a conductive bonding agent is applied between the inner peripheral surface of the first grip portion 104 and the outer peripheral surface of the second cylindrical portion 86c. After the assembly of the fuel cell stack 14 is completed, the applied silver paste is sintered, so that the first grip 104 and the cap 86 are fixed.

第2把持部106は円弧状に湾曲された細長い矩形の薄板であり、この円弧の内側に燃料電池セル16の燃料電池セル本体84を嵌め込むことにより、燃料電池セル本体84が第2把持部106によって把持される。なお、第2把持部106は、燃料電池セル本体84の外側電極層92(空気極)の部分を把持する。また、非組み付け状態においては、円弧状の第2把持部106の半径は外側電極層92の半径よりも若干小さく、組み付け時において第2把持部106を弾性変形させながら、第2把持部106の内側に嵌め込むことにより、外側電極層92の部分を把持させる。また、第2把持部106の両側の先端部106aは、燃料電池セル16(外側電極層92)の中心から外方に向かって湾曲されていると共に、先端部106aの角には丸味が付けられている。これにより、燃料電池セル本体84を第2把持部106に嵌め込む際に、第2把持部106の先端部106aによって外側電極層92の表面に傷を付けることが防止される。   The second grip 106 is an elongated rectangular thin plate curved in an arc shape, and the fuel cell main body 84 is fitted into the second grip by inserting the fuel cell main body 84 of the fuel cell 16 inside the arc. 106. The second grip 106 grips a portion of the outer electrode layer 92 (air electrode) of the fuel cell main body 84. Further, in the non-assembled state, the radius of the arc-shaped second gripping portion 106 is slightly smaller than the radius of the outer electrode layer 92, and the second gripping portion 106 is elastically deformed during assembly while the second gripping portion 106 is elastically deformed. By fitting inside, the part of the outer electrode layer 92 is gripped. The tip portions 106a on both sides of the second gripping portion 106 are curved outward from the center of the fuel cell 16 (outer electrode layer 92), and the corners of the tip portion 106a are rounded. ing. Thereby, when the fuel cell main body 84 is fitted into the second grip portion 106, the front electrode 106 a of the second grip portion 106 is prevented from being damaged on the surface of the outer electrode layer 92.

また、燃料電池セル本体84が把持された状態では、第2把持部106は外側電極層92周囲の所定範囲に沿って延び、第2把持部106の内側の外側電極接触面106bと外側電極層92の外周面が接触する。なお、組み付けられたとき、第2把持部106は、外側電極層92の半周よりも長く延びているが、第2把持部106は第1把持部104よりも短く、第1把持部104よりも少ない範囲に亘って延びている。即ち、第2把持部106は、外側電極層92周囲の円周の長さの半分よりも長く構成されているが、第1把持部104よりも短く構成されている。一方、第2把持部106は、第1把持部104よりも幅が広く形成され、把持力が調整されている。   Further, in a state where the fuel cell body 84 is gripped, the second gripping portion 106 extends along a predetermined range around the outer electrode layer 92, and the outer electrode contact surface 106 b and the outer electrode layer inside the second gripping portion 106. The outer peripheral surface of 92 contacts. When assembled, the second grip 106 extends longer than a half circumference of the outer electrode layer 92, but the second grip 106 is shorter than the first grip 104 and is shorter than the first grip 104. It extends over a small area. In other words, the second grip 106 is configured to be longer than half the circumference of the circumference of the outer electrode layer 92, but is configured to be shorter than the first grip 104. On the other hand, the second grip 106 is formed wider than the first grip 104 and the grip force is adjusted.

即ち、第2把持部106は、第1把持部104よりも短く形成されているため、燃料電池セル16を嵌め込むときの弾性変形量が、第1把持部104よりも少なくなる。このため、外側電極層92を第2把持部106に嵌め込むために要する力は、キャップ86を第1把持部104に嵌め込むために要する力よりも弱く、把持力は第1把持部104よりも弱くなるものの、外側電極層92を第2把持部106に容易に嵌め込むことができる。これにより、燃料電池セル16を第2把持部106に嵌め込む際に、外側電極層92の表面に傷が付くのを防止している。   That is, since the second grip 106 is formed shorter than the first grip 104, the amount of elastic deformation when the fuel cell 16 is fitted is smaller than that of the first grip 104. For this reason, the force required to fit the outer electrode layer 92 into the second gripping portion 106 is weaker than the force required to fit the cap 86 into the first gripping portion 104, and the gripping force is greater than that of the first gripping portion 104. However, the outer electrode layer 92 can be easily fitted into the second grip 106. This prevents the surface of the outer electrode layer 92 from being damaged when the fuel battery cell 16 is fitted into the second grip 106.

これに対して、第1把持部104に嵌め込まれるキャップ86は、その表面強度が外側電極層92よりも高く傷が付きにくいため、嵌め込みに要する力を大きく設定しても表面に傷が付くことが少ない。組み付け時における第1把持部104の弾性変形量を大きく設定しておくことにより、第1把持部104はキャップ86を強い把持力で把持することができ、集電部材102をキャップ86に強固に取り付けることができる。このように、本実施形態の燃料電池セルスタック14においては、第1、第2把持部による把持力が、それを組み付ける部分の表面強度に応じて適切に設定されるように、表面強度が高い方を把持する把持力が強くされているので、組み付けられた表面の傷つきを防止しながら強い把持力を得ることができる。   On the other hand, since the cap 86 fitted into the first grip 104 has a surface strength higher than that of the outer electrode layer 92 and is not easily damaged, the surface is damaged even if the force required for fitting is set large. Less is. By setting a large amount of elastic deformation of the first gripping portion 104 during assembly, the first gripping portion 104 can grip the cap 86 with a strong gripping force, and the current collecting member 102 is firmly attached to the cap 86. Can be attached. Thus, in the fuel cell stack 14 of the present embodiment, the surface strength is high so that the gripping force by the first and second gripping portions is appropriately set according to the surface strength of the portion where the first and second gripping portions are assembled. Since the gripping force for gripping one side is strengthened, a strong gripping force can be obtained while preventing the assembled surface from being damaged.

また、組み付け時において、第2把持部106の内周面と外側電極層92の外周面との間には、導電性接合剤である銀ペーストが配置される。即ち、第2把持部106の内周面に銀ペーストを塗布した状態で、第2把持部106に燃料電池セル16の外側電極層92の部分が嵌め込まれる。燃料電池セルスタック14の組み立て完了後、塗布された銀ペーストが焼結されることにより、第2把持部106と外側電極層92が固着される。これにより、第2把持部106と外側電極層92は、焼結された銀ペーストにより形成される接合剤層を介して接触する。なお、銀ペーストは、第1把持部104又は第2把持部106の何れか一方のみに塗布しても良い。   Further, at the time of assembly, a silver paste that is a conductive bonding agent is disposed between the inner peripheral surface of the second grip portion 106 and the outer peripheral surface of the outer electrode layer 92. That is, the portion of the outer electrode layer 92 of the fuel cell 16 is fitted into the second grip 106 with the silver paste applied to the inner peripheral surface of the second grip 106. After the assembly of the fuel cell stack 14 is completed, the applied silver paste is sintered, so that the second grip 106 and the outer electrode layer 92 are fixed. Thereby, the 2nd holding part 106 and the outer side electrode layer 92 contact via the bonding agent layer formed with the sintered silver paste. Note that the silver paste may be applied to only one of the first grip portion 104 and the second grip portion 106.

さらに、第2把持部106には、ガス供給部であるガス供給開口部106c、106dが設けられている。ガス供給開口部106dは、第2把持部106の中央に設けられた円形の開口である。また、ガス供給開口部106cは、第2把持部106の長手方向に沿って、ガス供給開口部106dの両側に延びるように夫々形成された細長いスリット状の開口であり、第2把持部106が燃料電池セル16に取り付けられたとき、ガス供給開口部106dは燃料電池セル16の周方向に延びる。ここで、集電部材102が燃料電池セル16に組み付けられると、第2把持部106の外側電極接触面106bが外側電極層92に接触する。これにより、外側電極層92の一部が覆われ、覆われた部分には酸化剤ガス(空気)の供給が阻害されるが、ガス供給開口部106c、106dを設けておくことにより、これらの開口を介して酸化剤ガスが外側電極層92に供給される。   Further, the second grip 106 is provided with gas supply openings 106c and 106d, which are gas supply units. The gas supply opening 106 d is a circular opening provided at the center of the second grip 106. Further, the gas supply opening 106c is an elongated slit-like opening formed to extend on both sides of the gas supply opening 106d along the longitudinal direction of the second grip 106, and the second grip 106 is When attached to the fuel cell 16, the gas supply opening 106 d extends in the circumferential direction of the fuel cell 16. Here, when the current collecting member 102 is assembled to the fuel cell 16, the outer electrode contact surface 106 b of the second grip portion 106 comes into contact with the outer electrode layer 92. As a result, a part of the outer electrode layer 92 is covered, and the supply of the oxidant gas (air) is hindered in the covered part. However, by providing the gas supply openings 106c and 106d, An oxidant gas is supplied to the outer electrode layer 92 through the opening.

ここで、第2把持部106によって覆われることにより、酸化剤ガスの供給が阻害される部分では発電反応に影響が生じ、燃料電池セル16の発電効率が低下するので、覆われる面積は少ないことが望ましい。しかしながら、銀ペーストを使用して、第2把持部106を外側電極層92に十分な強度で接合するためには、第2把持部106と外側電極層92の接触面積(外側電極接触面106b)をある程度確保しておく必要がある。   Here, the area covered by the second grip 106 has an effect on the power generation reaction in the portion where the supply of the oxidant gas is hindered, and the power generation efficiency of the fuel cell 16 is reduced, so the area covered is small. Is desirable. However, in order to join the second gripping portion 106 to the outer electrode layer 92 with a sufficient strength using silver paste, the contact area between the second gripping portion 106 and the outer electrode layer 92 (outer electrode contact surface 106b) Must be secured to some extent.

本実施形態の燃料電池セルスタック14においては、第2把持部106にガス供給開口部106c、106dが設けられているため、これらの開口の周囲にもある程度酸化剤ガスが回り込む。このため、ガス供給開口部106c、106dを設けて外側電極接触面106bを細分化することにより、外側電極層92を第2把持部106で覆うことの悪影響を緩和することができる。また、第2把持部106にガス供給開口部106c、106dを設けることにより、外側電極層92が覆われてしまう外側電極接触面106bが細分化されるため、外側電極層92の、発電反応が抑制される部分(外側電極接触面106b)が分散し、発電反応のムラを抑制することができる。なお、上記のように、第2把持部106と外側電極層92の間には銀ペーストが塗布されるが、銀ペーストを焼結することにより形成される接合剤層は、ガス供給開口部106c、106dの部分においては、外側電極接触面106bの部分における接合剤層の厚さを超えない厚さに薄く形成される。このため、外側電極層92には、ガス供給開口部を介して十分な酸化剤ガスが供給される。   In the fuel cell stack 14 of the present embodiment, since the gas supply openings 106c and 106d are provided in the second grip 106, the oxidant gas flows around these openings to some extent. For this reason, by providing the gas supply openings 106c and 106d and subdividing the outer electrode contact surface 106b, the adverse effect of covering the outer electrode layer 92 with the second grip portion 106 can be alleviated. Further, by providing the gas supply openings 106c and 106d in the second grip 106, the outer electrode contact surface 106b that covers the outer electrode layer 92 is subdivided, so that the power generation reaction of the outer electrode layer 92 is reduced. The portion to be suppressed (outer electrode contact surface 106b) is dispersed, and unevenness in the power generation reaction can be suppressed. As described above, a silver paste is applied between the second gripping portion 106 and the outer electrode layer 92, but the bonding agent layer formed by sintering the silver paste has a gas supply opening 106c. , 106d is formed to a thickness that does not exceed the thickness of the bonding agent layer in the outer electrode contact surface 106b. Therefore, sufficient oxidant gas is supplied to the outer electrode layer 92 through the gas supply opening.

つぎに、連結部108は、第1把持部104と第2把持部106の間を連結する板状の部分であり、連結部108の両端に接続されている第1把持部104と第2把持部106は、互いに反対の方向に湾曲されている。また、連結部108は、第1把持部104と接続されている第1台形部108aと、第2把持部106と接続されている第2台形部108bと、第1台形部108aと第2台形部108bの間に延びる拡幅部108cと、から構成されている。   Next, the connecting part 108 is a plate-like part that connects the first gripping part 104 and the second gripping part 106, and the first gripping part 104 and the second gripping part connected to both ends of the connecting part 108. The portions 106 are curved in directions opposite to each other. The connecting portion 108 includes a first trapezoidal portion 108a connected to the first gripping portion 104, a second trapezoidal portion 108b connected to the second gripping portion 106, a first trapezoidal portion 108a, and a second trapezoidal portion. And a widened portion 108c extending between the portions 108b.

第1台形部108aは等脚台形状の薄板であり、平行な対辺の短い方が、第1把持部104の中央部と接続され、長い方の対辺が拡幅部108cと接続されている。ここで、第1台形部108aの短い方の対辺は、連結曲線108dにおいて第1把持部104に連結されている。即ち、第1把持部104は把持する燃料電池セル16(のキャップ86)の外周の曲面に沿って湾曲されているため、これと第1台形部108aを連結する連結曲線108d(第1台形部108aの短い方の対辺)も曲線となる。一方、拡幅部108cは平面であり、この拡幅部108cと接続される第1台形部108aの長い方の対辺は直線となっている。   The first trapezoidal part 108a is an isosceles trapezoidal thin plate, and the shorter parallel opposite side is connected to the central part of the first gripping part 104, and the longer opposite side is connected to the widened part 108c. Here, the shorter opposite side of the first trapezoidal portion 108a is connected to the first gripping portion 104 along a connecting curve 108d. That is, since the first grip 104 is curved along the outer peripheral curved surface of the fuel cell 16 (cap 86) to be gripped, the connecting curve 108d (first trapezoid) connecting the first trapezoid 108a. The shorter side of 108a is also a curve. On the other hand, the widened portion 108c is a plane, and the longer opposite side of the first trapezoidal portion 108a connected to the widened portion 108c is a straight line.

同様に、第2台形部108bは等脚台形状の薄板であり、平行な対辺の短い方が、第2把持部106の中央部と接続され、長い方の対辺が拡幅部108cと接続されている。また、第2台形部108bの短い方の対辺は、連結曲線108eにおいて第2把持部106に連結されている。即ち、第2把持部106は把持する燃料電池セル16(の外側電極層92)の外周の曲面に沿って湾曲されているため、これと第2台形部108bを連結する連結曲線108e(第2台形部108bの短い方の対辺)も曲線となる。一方、平面である拡幅部108cと接続される第2台形部108bの長い方の対辺は直線となっている。   Similarly, the second trapezoidal part 108b is an isosceles trapezoidal thin plate, and the shorter parallel opposite side is connected to the central part of the second gripping part 106, and the longer opposite side is connected to the widened part 108c. Yes. Further, the shorter opposite side of the second trapezoidal part 108b is connected to the second gripping part 106 along a connection curve 108e. That is, the second grip 106 is curved along the curved surface of the outer periphery of the fuel cell 16 to be gripped (the outer electrode layer 92 thereof), and therefore the connection curve 108e (second curve) that connects the second grip 106 and the second trapezoid 108b. The shorter side of the trapezoidal portion 108b) is also a curve. On the other hand, the longer opposite side of the second trapezoidal part 108b connected to the widened part 108c which is a plane is a straight line.

つぎに、拡幅部108cは、第1台形部108aと第2台形部108bの間を連結する概ね長方形状の平面板であり、第1、第2台形部の長い方の対辺とほぼ同じ幅に形成されている。ここで、集電部材102は、隣接する燃料電池セル16の間を電気的に接続する部材であるため、第1把持部104と第2把持部106を連結する連結部108は、導体断面積を大きくし、電気抵抗を低下させることが望ましい。ところが、第1、第2把持部と連結部108を夫々接続する連結曲線108d、108eは互いに反対向きに湾曲した曲線であるため、これらの連結曲線があまり長くなると、金属製の薄板を曲げ加工して、両側の連結曲線を接続する集電部材102を形成することが困難となる。   Next, the widened portion 108c is a substantially rectangular flat plate that connects between the first trapezoidal portion 108a and the second trapezoidal portion 108b, and has substantially the same width as the longer opposite side of the first and second trapezoidal portions. Is formed. Here, since the current collecting member 102 is a member that electrically connects the adjacent fuel cells 16, the connecting portion 108 that connects the first grip portion 104 and the second grip portion 106 has a conductor cross-sectional area. It is desirable to increase the electrical resistance to reduce the electrical resistance. However, since the connecting curves 108d and 108e connecting the first and second gripping portions and the connecting portion 108 are curved in opposite directions, if these connecting curves become too long, the metal thin plate is bent. Thus, it is difficult to form the current collecting member 102 that connects the connecting curves on both sides.

そこで、本実施形態においては、連結部108の両端に第1台形部108a及び第2台形部108bを夫々設けることにより、連結部108と第1、第2把持部が夫々接続される長さ(連結曲線108d、108eの長さ)を短く抑えている。同時に、第1、第2台形部を連結する拡幅部108cの幅を広く構成することにより、この部分の導体断面積を大きくし、集電部材102全体の電気抵抗を低減している。従って、連結部108の中間部分に設けられた拡幅部108cは、連結曲線108d、108eよりも幅が広く形成されており、電気抵抗低減手段として機能する。   Therefore, in the present embodiment, the first trapezoidal portion 108a and the second trapezoidal portion 108b are provided at both ends of the connecting portion 108, respectively, so that the connecting portion 108 and the first and second gripping portions are connected to each other ( The length of the connecting curves 108d and 108e) is kept short. At the same time, by increasing the width of the widened portion 108c connecting the first and second trapezoidal portions, the conductor cross-sectional area of this portion is increased, and the electrical resistance of the current collecting member 102 as a whole is reduced. Accordingly, the widened portion 108c provided in the intermediate portion of the connecting portion 108 is formed wider than the connecting curves 108d and 108e, and functions as an electric resistance reducing means.

次に、図8及び図11を参照して、集電部材による各燃料電池セルの接続状態を説明する。
図8及び図11に示すように、集電部材102の第1把持部104は燃料電池セル16のキャップ86を把持し、第2把持部106は隣接する燃料電池セル16の燃料電池セル本体84(の外側電極層92の部分)を把持する。また、隣接する燃料電池セル16同士を接続する各集電部材102は、各燃料電池セル16の上端部及び下端部で、水平方向に一直線に並ぶように取り付けられている。これら第1把持部104と第2把持部106を連結する連結部108は、図8に示すように、第1把持部104から第2把持部106へ斜め方向に延びている。
Next, with reference to FIG.8 and FIG.11, the connection state of each fuel cell by a current collection member is demonstrated.
As shown in FIGS. 8 and 11, the first grip 104 of the current collecting member 102 grips the cap 86 of the fuel cell 16, and the second grip 106 is the fuel cell body 84 of the adjacent fuel cell 16. (The outer electrode layer 92). In addition, each current collecting member 102 that connects adjacent fuel cells 16 is attached to be aligned in the horizontal direction at the upper end and the lower end of each fuel cell 16. As shown in FIG. 8, the connecting portion 108 that connects the first grip 104 and the second grip 106 extends obliquely from the first grip 104 to the second grip 106.

ここで、図8に示すように、第1把持部104と第2把持部106を連結する連結部108は湾曲して延びている。このように、連結部108が湾曲又は屈曲していると、各部材の熱膨張等により、接続している2つの燃料電池セル16間の距離が変化した場合でも、この距離の変化を連結部108の曲げ変形により容易に吸収することができる。これに対して、第1把持部104と第2把持部106の間が直線的に連結されていると、接続している燃料電池セル16間の距離変化を曲げ変形で吸収することができず、連結部108に大きな引っ張り力や圧縮力が作用し、これにより、各把持部が燃料電池セル16から剥がれてしまうリスクがある。   Here, as shown in FIG. 8, the connecting portion 108 that connects the first grip portion 104 and the second grip portion 106 extends in a curved manner. As described above, when the connecting portion 108 is curved or bent, even if the distance between the two connected fuel cells 16 changes due to thermal expansion of each member, the change in the distance is detected. 108 can be easily absorbed by bending deformation. On the other hand, if the first grip 104 and the second grip 106 are linearly coupled, a change in distance between the connected fuel cells 16 cannot be absorbed by bending deformation. There is a risk that a large pulling force or compressive force acts on the connecting portion 108, whereby each gripping portion is peeled off from the fuel cell 16.

また、図11に示すように、概ね平板状の連結部108は、その板面が上下方向に向けられているため、連結部108の板面は、接続している燃料電池セル16の中心軸線を含む平面P1に対して直交するように向けられている。また、第1、第2把持部と連結部108の接続線(連結曲線108d、108e)が平面P1上に位置しているため、連結部108は第1把持部104と第2把持部106を最短距離で接続される。即ち、集電部材102は、接続される2本の燃料電池セル16が平面視において最も近接している点(燃料電池セル16の外周面と平面P1が交わる点A1、A2)を接続しているので、平面視における最短距離で2本の燃料電池セル16を接続することができる。換言すれば、連結部108は、接続している2本の燃料電池セル16両方と接する2つの共通の接平面P2、P3の内側の領域(接平面P2、P3の間の、接平面P2、P3を含まない領域)に延びているため、連結部108は第1、第2把持部を最短距離で接続することができる。   Further, as shown in FIG. 11, since the plate surface of the generally flat connecting portion 108 is oriented in the vertical direction, the plate surface of the connecting portion 108 is the central axis of the connected fuel cells 16. It is orientated so as to be orthogonal to the plane P1 including. Further, since the connection lines (coupling curves 108d and 108e) between the first and second gripping portions and the connecting portion 108 are located on the plane P1, the connecting portion 108 connects the first gripping portion 104 and the second gripping portion 106. Connected in the shortest distance. That is, the current collecting member 102 connects the two fuel cells 16 to be connected to each other at the closest point (points A1 and A2 where the outer peripheral surface of the fuel cell 16 and the plane P1 intersect) in plan view. Therefore, the two fuel cells 16 can be connected at the shortest distance in plan view. In other words, the connecting portion 108 is a region inside the two common tangent planes P2 and P3 in contact with both of the two connected fuel cells 16 (the tangential plane P2 between the tangent planes P2 and P3, The connecting portion 108 can connect the first and second gripping portions at the shortest distance.

一方、図8に想像線で示すように、各燃料電池セル16の酸化剤ガス極(外側電極層92)に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給孔である複数の吹出口8fが、モジュールケース8の両側の側壁面に、夫々対向する(図8)ように設けられている。これらの吹出口8fは、各燃料電池セル16(燃料電池セルスタック14)の下部側面から、各燃料電池セル16に向けて、加熱された酸化剤ガスを噴射する。また、各吹出口8fは、酸化剤ガスを隣り合う各燃料電池セル16の間に向かって噴射するように、水平方向に一直線に並べて配置されている。   On the other hand, as shown by imaginary lines in FIG. 8, a plurality of outlets 8 f which are oxidant gas supply holes for supplying oxidant gas to the oxidant gas electrode (outer electrode layer 92) of each fuel cell 16 are provided as modules. The case 8 is provided so as to face the side wall surfaces on both sides of the case 8 (FIG. 8). These air outlets 8 f inject a heated oxidant gas toward each fuel cell 16 from the lower side surface of each fuel cell 16 (fuel cell stack 14). Further, the respective outlets 8f are arranged in a straight line in the horizontal direction so as to inject the oxidant gas between the adjacent fuel cells 16.

ここで、連結部108は、その板面が上下方向に向けられているため、図8に示すように、連結部108の側方からの水平方向の投影面積は、連結部108の板厚分のみであり、非常に狭くなっている。このため、各集電部材102(の連結部108)は、各燃料電池セル16の間の酸化剤ガスの流れに与える流れ抵抗が非常に少なくなる。このように、各集電部材102による流れ抵抗を抑制することにより、側面から噴射された酸化剤ガスが、燃料電池セルスタック14の内側に位置する燃料電池セル16まで十分に到達する。このため、加熱された酸化剤ガスによる各燃料電池セル16の加熱が均一に行われ、燃料電池セルスタック14の各部に位置する燃料電池セル16の温度ムラが少なくなる。従って、集電部材102の連結部108は、各燃料電池セル16の間に向かって噴射された酸化剤ガスの流れ抵抗を抑制する流れ抵抗抑制手段として機能し、これにより、温度ムラが低減される。   Here, since the plate surface of the connecting portion 108 is directed in the vertical direction, as shown in FIG. 8, the horizontal projected area from the side of the connecting portion 108 is equal to the plate thickness of the connecting portion 108. Only and is very narrow. For this reason, the flow resistance given to the flow of the oxidant gas between the respective fuel cells 16 in each of the current collecting members 102 (the connecting portion 108) becomes very small. In this way, by suppressing the flow resistance by each current collecting member 102, the oxidant gas injected from the side surface sufficiently reaches the fuel cell 16 located inside the fuel cell stack 14. For this reason, each fuel cell 16 is heated uniformly by the heated oxidant gas, and the temperature unevenness of the fuel cell 16 located in each part of the fuel cell stack 14 is reduced. Therefore, the connecting portion 108 of the current collecting member 102 functions as a flow resistance suppressing unit that suppresses the flow resistance of the oxidant gas injected between the fuel cells 16, thereby reducing temperature unevenness. The

また、図8に示すように、1つの列に属する各燃料電池セル16を連結する各集電部材102と、隣接する列に属する各燃料電池セル16を連結する各集電部材102は、夫々反対向きに傾斜して延びるように取り付けられている。即ち、図8において、最前列の各燃料電池セル16の上端部を接続する各集電部材102は、第2把持部106から第1把持部104へ向けて右上がりに傾斜するように取り付けられているのに対し、手前から2列目の各燃料電池セル16の上端部を接続する各集電部材102は、左上がりに傾斜するように取り付けられている。同様に、最前列の各燃料電池セル16の下端部を接続する各集電部材102は、第2把持部106から第1把持部104へ向けて右下がりに傾斜するように取り付けられているのに対し、手前から2列目の各燃料電池セル16の下端部を接続する各集電部材102は、左下がりに傾斜するように取り付けられている。   Further, as shown in FIG. 8, each current collecting member 102 that connects each fuel cell 16 belonging to one column and each current collecting member 102 that connects each fuel cell 16 belonging to an adjacent column, respectively. It is attached so as to extend in the opposite direction. That is, in FIG. 8, each current collecting member 102 that connects the upper ends of the fuel cells 16 in the front row is attached so as to incline upward from the second gripping portion 106 toward the first gripping portion 104. On the other hand, each current collecting member 102 connecting the upper end portions of the respective fuel cells 16 in the second row from the front is attached so as to incline to the left. Similarly, each current collecting member 102 that connects the lower end portions of the fuel cells 16 in the foremost row is attached so as to incline downward from the second gripping portion 106 toward the first gripping portion 104. On the other hand, each current collecting member 102 connecting the lower end portions of the respective fuel cells 16 in the second row from the front is attached so as to incline to the left.

このように、集電部材102を取り付けることにより、図8に示すように、各集電部材102は、側面視で「X」字を描くように配列される。これにより、燃料電池セルスタック14の側面から各燃料電池セル16の間に流入した酸化剤ガスの流れが、各集電部材102により一方向に方向付けられることがなく、酸化剤ガスが燃料電池セルスタック14の内部で、より均等に流れ、各燃料電池セル16の温度ムラを抑制することができる。   In this way, by attaching the current collecting members 102, as shown in FIG. 8, the current collecting members 102 are arranged so as to draw an "X" shape in a side view. As a result, the flow of the oxidant gas that has flowed in between the fuel battery cells 16 from the side surface of the fuel cell stack 14 is not directed in one direction by the current collecting members 102, and the oxidant gas is prevented from flowing into the fuel cell. It is possible to flow more evenly inside the cell stack 14 and suppress the temperature unevenness of each fuel cell 16.

つぎに、図2及び図3を参照して、本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールの作用を説明する。
図2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。
Next, the operation of the fuel cell module including the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 2, 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 and the exhaust pipe 171 in this order, the mixed gas in the mixed gas supply pipe 112 is further heated by the exhaust gas flowing through these passages.

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 flowing 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 supplied from the manifold 66 into each fuel cell 16. Is done.

また、図2及び図3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。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から燃料電池セルスタック14の下部側面に向けて両側から発電室10内に噴射される。この加熱された発電用空気により、各燃料電池セル16の下部が加熱される。   Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the power generation air is supplied from the power generation air introduction pipe 74 to the air passage 161a. When the air for power generation passes through the plate fins 162 and 163 in the air passages 161a and 161b, the air for generating electricity is separated from the exhaust gas passing through the exhaust passage formed in the module case 8 below the plate fins 162 and 163. Heat is efficiently exchanged between the two, and it is heated. Thereafter, power generation air is injected into the power generation chamber 10 from both sides toward the lower side surface of the fuel cell stack 14 from a plurality of outlets 8f provided at the lower portion of the side plate 8b of the module case 8. The lower part of each fuel cell 16 is heated by the heated air for power generation.

また、発電室10内で発電に利用されなかった燃料ガスは、各燃料電池セル16の上端から流出し、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。その後、排気ガスは、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。   In addition, the fuel gas that has not been used for power generation in the power generation chamber 10 flows out from the upper end of each fuel battery cell 16, is burned in the combustion chamber 18 to become exhaust gas (combustion gas), and rises in the module case 8. To go. Thereafter, the exhaust gas flows out from the exhaust port 111 formed at the center of the top plate 8 a of the module case 8.

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.

本発明の実施形態の燃料電池セルスタック14によれば、接続電極部であるキャップ86を把持する第1把持部104及び外側電極層92を把持する第2把持部106は、外側電極層92よりも表面強度が高いキャップ86を把持する第1把持部104の把持力が強く構成されている。このように、集電部材102によって把持する部分の表面強度に応じて、把持力が適切に設定されており、燃料電池セル16の損傷を防止しながら強い接触力を得ることができる。この結果、集電部材102と燃料電池セル16の間の電気的な接触抵抗を低く維持することができる。   According to the fuel cell stack 14 of the embodiment of the present invention, the first grip portion 104 that grips the cap 86 that is the connection electrode portion and the second grip portion 106 that grips the outer electrode layer 92 are formed from the outer electrode layer 92. Also, the gripping force of the first gripping portion 104 that grips the cap 86 having a high surface strength is configured to be strong. Thus, the gripping force is appropriately set according to the surface strength of the portion gripped by the current collecting member 102, and a strong contact force can be obtained while preventing the fuel cell 16 from being damaged. As a result, the electrical contact resistance between the current collecting member 102 and the fuel battery cell 16 can be kept low.

また、本実施形態の燃料電池セルスタック14によれば、第1把持部104及び第2把持部106は、把持力が強い第1把持部104の方が周囲に延びる長さが長く構成されている(図10)ので、簡単な構造で、第1把持部104及び第2把持部106による把持力を適切に設定することができる。   Further, according to the fuel cell stack 14 of the present embodiment, the first grip 104 and the second grip 106 are configured such that the length of the first grip 104 having a strong grip force extends to the periphery. (FIG. 10), the gripping force by the first gripping part 104 and the second gripping part 106 can be set appropriately with a simple structure.

さらに、本実施形態の燃料電池セルスタック14によれば、第1把持部104及び第2把持部106は、所定の把持力が得られるように、互いに異なる幅を有する(図10)ので、簡単な構造で、第1把持部104及び第2把持部106による把持力を適切に設定することができる。   Furthermore, according to the fuel cell stack 14 of the present embodiment, the first grip 104 and the second grip 106 have different widths so as to obtain a predetermined grip force (FIG. 10). With a simple structure, the gripping force by the first gripper 104 and the second gripper 106 can be set appropriately.

また、本実施形態の燃料電池セルスタック14によれば、第1把持部104及び第2把持部106は、夫々、接続電極部であるキャップ86及び外側電極層92の周囲に、半周よりも長く延びているので、筒状形状の燃料電池セル16を確実に把持することができる。   Further, according to the fuel cell stack 14 of the present embodiment, the first grip 104 and the second grip 106 are longer than a half circumference around the cap 86 and the outer electrode layer 92 that are connection electrode portions, respectively. Since it extends, the cylindrical fuel cell 16 can be reliably gripped.

さらに、本実施形態の燃料電池セルスタック14によれば、第1把持部104とキャップ86の間及び第2把持部106と外側電極層92の間に導電性接合剤である銀ペーストが配置されているので、第1把持部104及び/又は第2把持部106と燃料電池セル16の間は、把持部による把持力に加え、焼成された銀ペーストによる接合力によっても接続されるので、経年変化等により、把持部による把持力が低下した場合でも、良好な接続状態を維持することができる。   Furthermore, according to the fuel cell stack 14 of the present embodiment, the silver paste that is a conductive bonding agent is disposed between the first grip 104 and the cap 86 and between the second grip 106 and the outer electrode layer 92. Therefore, the first grip portion 104 and / or the second grip portion 106 and the fuel cell 16 are connected not only by the grip force by the grip portion but also by the joining force by the baked silver paste. Even when the gripping force by the gripping portion is reduced due to a change or the like, a good connection state can be maintained.

また、本実施形態の燃料電池セルスタック14によれば、内側電極層90と導通した金属製のキャップ86を把持する第1把持部104は、第2把持部106よりも把持力が強く構成されているので、強い把持力で把持しても損傷される虞のない第1把持部104による把持力を十分に強く設定しておくことが可能になり、良好な接続状態を長期間に亘って維持することができる。   Further, according to the fuel cell stack 14 of the present embodiment, the first grip portion 104 that grips the metal cap 86 that is electrically connected to the inner electrode layer 90 is configured to have a grip force stronger than that of the second grip portion 106. Therefore, it becomes possible to set the gripping force by the first gripping portion 104 that is not damaged even when gripping with a strong gripping force, and to set a good connection state over a long period of time. Can be maintained.

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、燃料電池セルの内側電極層として燃料極が設けられ、外側電極層として酸化剤ガス(空気)極が設けられていたが、内側に酸化剤ガス(空気)極、外側に燃料極を設けた任意の筒状の燃料電池セルのスタックに本発明を適用することもできる。また、上述した実施形態においては、1本の燃料電池セルの内部に1つのガス通路が設けられていたが、1本の燃料電池セルに複数本の燃料又は酸化剤ガスのガス通路を設けた筒状形状の燃料電池セルのスタックに本発明を適用することもできる。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above. In particular, in the above-described embodiment, the fuel electrode is provided as the inner electrode layer of the fuel cell, and the oxidant gas (air) electrode is provided as the outer electrode layer. The present invention can also be applied to a stack of arbitrary cylindrical fuel cells provided with a fuel electrode on the outside. In the above-described embodiment, one gas passage is provided in one fuel cell, but a plurality of fuel or oxidant gas passages are provided in one fuel cell. The present invention can also be applied to a stack of cylindrical fuel cells.

さらに、上述した実施形態においては、燃料極である内側電極層を、接続電極部であるキャップに接続し、このキャップを集電部材によって隣接する外側電極層に接続していた。しかしながら、接続電極部はキャップに限られず、内側電極層に接続された任意の導体により接続電極部を構成することができ、接続電極部を内側電極層と一体に構成することもできる。   Further, in the above-described embodiment, the inner electrode layer that is the fuel electrode is connected to the cap that is the connection electrode portion, and this cap is connected to the adjacent outer electrode layer by the current collecting member. However, the connection electrode part is not limited to the cap, and the connection electrode part can be constituted by an arbitrary conductor connected to the inner electrode layer, and the connection electrode part can be integrally formed with the inner electrode layer.

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
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d,8e 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セル
18 燃焼室(燃焼部)
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
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 第1ヒータ
48 第2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
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
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル本体
86 キャップ(接続電極部)
86a 第1円筒部
86b 円環部
86c 第2円筒部
88 燃料ガス流路
90 内側電極層
92 外側電極層
94 電解質層(固体電解質層)
95 銀ペースト
96 ガラスシール
98 燃料ガス流路
100 スペーサ
102 集電部材
104 第1把持部
104a 先端部
106 第2把持部
106a 先端部
106b 外側電極接触面
106c,106d ガス供給開口部
108 連結部
108a 第1台形部
108b 第2台形部
108c 拡幅部
108d 連結曲線
108e 連結曲線
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器
121 上側ケース
122 下側ケース
123a,123b 仕切り板
140 蒸発器
141 蒸発器ケース
142 上側ケース
143 下側ケース
144 中間板
146,147 仕切り板
160 空気通路カバー
161a,161b 空気通路
162,163 プレートフィン
167 開口部
171 排気管
1 Solid oxide fuel cell system (SOFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 6 Housing 7 Heat insulating material 8 Module case 8a Top plate 8b Side plate 8c Bottom plate 8d, 8e Closed side plate 8f Outlet 10 Power generation chamber 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell 18 combustion chamber (combustion part)
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 44 Reforming air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit 46 First heater 48 Second heater DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 Hot water manufacturing apparatus 52 Control box 54 Inverter 63 Fuel supply piping 64 Fuel gas supply pipe 64a Horizontal part 64b Fuel supply hole 65 Hydrogen extraction pipe for hydrodesulfurization 66 Manifold 68 Lower support plate 82 Exhaust gas discharge pipe 83 Ignition device 84 Fuel cell Cell body 86 Cap (connection electrode part)
86a 1st cylindrical part 86b Annular part 86c 2nd cylindrical part 88 Fuel gas flow path 90 Inner electrode layer 92 Outer electrode layer 94 Electrolyte layer (solid electrolyte layer)
95 Silver paste 96 Glass seal 98 Fuel gas flow path 100 Spacer 102 Current collecting member 104 First grip portion 104a Tip portion 106 Second grip portion 106a Tip portion 106b Outer electrode contact surface 106c, 106d Gas supply opening portion 108a Connection portion 108a First 1 trapezoidal part 108b 2nd trapezoidal part 108c widening part 108d connection curve 108e connection curve 111 exhaust port 112 mixed gas supply pipe 120 reformer 121 upper case 122 lower case 123a, 123b partition plate 140 evaporator 141 evaporator case 142 upper side Case 143 Lower case 144 Intermediate plate 146, 147 Partition plate 160 Air passage covers 161a, 161b Air passages 162, 163 Plate fin 167 Opening 171 Exhaust pipe

Claims (6)

燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う複数の固体酸化物形の燃料電池セルを、集電部材により電気的に接続した燃料電池セルスタックであって、
上記燃料電池セルは、各々、内側電極層と、この内側電極層の外側に設けられた固体電解質層と、この固体電解質層の外側に設けられた外側電極層と、を備えると共に、上記燃料ガス又は上記酸化剤ガスが上記内側電極層に供給されるように、上記燃料ガス又は上記酸化剤ガスを流すためのガス通路が内部に形成された筒状形状であり、
上記集電部材は、上記内側電極層と導通した接続電極部を把持して、これに接続される第1把持部と、隣接する上記燃料電池セルの上記外側電極層を把持して、これに接続される第2把持部と、上記第1把持部と上記第2把持部を連結し、それらを電気的に導通させる連結部と、を有し、
上記接続電極部を把持する上記第1把持部及び上記外側電極層を把持する上記第2把持部は、把持している上記接続電極部又は上記外側電極層のうち、表面強度が高い方を把持する把持力が強く構成されていることを特徴とする燃料電池セルスタック。
A fuel cell stack in which a plurality of solid oxide fuel cells that generate power by reacting a fuel gas and an oxidant gas are electrically connected by a current collecting member,
Each of the fuel cells includes an inner electrode layer, a solid electrolyte layer provided outside the inner electrode layer, and an outer electrode layer provided outside the solid electrolyte layer, and the fuel gas. Alternatively, the gas passage for flowing the fuel gas or the oxidant gas is formed in a cylindrical shape so that the oxidant gas is supplied to the inner electrode layer,
The current collecting member grips the connection electrode portion that is electrically connected to the inner electrode layer, grips the first grip portion connected thereto, and the outer electrode layer of the adjacent fuel cell, A second gripping part to be connected; and a coupling part for coupling the first gripping part and the second gripping part and electrically connecting them.
The first gripping portion for gripping the connection electrode portion and the second gripping portion for gripping the outer electrode layer grip the one of the connection electrode portion or the outer electrode layer being gripped that has a higher surface strength. A fuel cell stack characterized by having a strong gripping force.
上記第1把持部は上記接続電極部の周囲に沿って延びることにより上記接続電極部を把持し、上記第2把持部は上記外側電極層の周囲に沿って延びることにより上記外側電極層を把持し、上記第1把持部及び上記第2把持部は、把持力の強い方が周囲に延びる長さが長く構成されている請求項1記載の燃料電池セルスタック。   The first gripping portion grips the connection electrode portion by extending along the periphery of the connection electrode portion, and the second gripping portion grips the outer electrode layer by extending along the periphery of the outer electrode layer. 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein each of the first gripping portion and the second gripping portion is configured to have a longer length extending around a portion having a stronger gripping force. 上記第1把持部は上記接続電極部の周囲に沿って延びることにより上記接続電極部を把持し、上記第2把持部は上記外側電極層の周囲に沿って延びることにより上記外側電極層を把持し、上記第1把持部及び上記第2把持部は、所定の把持力が得られるように、互いに異なる幅を有する請求項1記載の燃料電池セルスタック。   The first gripping portion grips the connection electrode portion by extending along the periphery of the connection electrode portion, and the second gripping portion grips the outer electrode layer by extending along the periphery of the outer electrode layer. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first grip portion and the second grip portion have different widths so as to obtain a predetermined grip force. 上記第1把持部及び上記第2把持部は、夫々、上記接続電極部及び上記外側電極層の周囲に、半周よりも長く延びている請求項2又は3に記載の燃料電池セルスタック。   4. The fuel cell stack according to claim 2, wherein the first grip portion and the second grip portion extend longer than a half circumference around the connection electrode portion and the outer electrode layer, respectively. 上記第1把持部と上記接続電極部の間、及び/又は上記第2把持部と上記外側電極層の間には、導電性接合剤が配置され、この導電性接合剤により上記第1把持部及び/又は上記第2把持部と上記燃料電池セルが接合される請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池セルスタック。   A conductive bonding agent is disposed between the first holding part and the connection electrode part and / or between the second holding part and the outer electrode layer, and the first holding part is formed by the conductive bonding agent. The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, wherein the second grip portion and the fuel cell are joined. 上記第1把持部に接続される上記接続電極部は、上記燃料電池セルの端部に取り付けられた、上記内側電極層と導通した金属製のキャップから構成され、上記第1把持部は上記第2把持部よりも把持力が強く構成されている請求項1乃至5の何れか1項に記載の燃料電池セルスタック。   The connection electrode portion connected to the first gripping portion includes a metal cap attached to an end portion of the fuel battery cell and connected to the inner electrode layer, and the first gripping portion is the first gripping portion. The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5, wherein the gripping force is stronger than the two gripping portions.
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