JP3487606B2 - Solid oxide fuel cell power reactor - Google Patents

Solid oxide fuel cell power reactor

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JP3487606B2
JP3487606B2 JP01821593A JP1821593A JP3487606B2 JP 3487606 B2 JP3487606 B2 JP 3487606B2 JP 01821593 A JP01821593 A JP 01821593A JP 1821593 A JP1821593 A JP 1821593A JP 3487606 B2 JP3487606 B2 JP 3487606B2
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cell stack
air
cell
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幹幸 小野
功 加治
武憲 中島
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Fujikura Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】この発明は固体電解質を用いた固
体電解質型燃料電池式発電炉に関するものである。 【0002】 【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、イットリア安
定化ジルコニア(YSZ)やカルシア安定化ジルコニア
(CSZ)などの固体電解質を挟んで、例えばペロブス
カイト型ランタン系複合酸化物からなる空気電極とニッ
ケルなどを主体とする燃料電極とを設け、この各電極に
臨ませて流される空気と燃料ガスとを固体電解質を介し
て電気化学的に反応させることにより起電力を得るもの
である。この種の燃料電池では、燃料ガス流路と空気流
路とを気密状態に分離する必要があるので、従来では、
例えば固体電解質を筒状に形成し、その内外面に前記各
電極を設けた筒状の単セルによって電力を得るようにし
たものが知られている。この場合、単セルで得られる電
力が少ないので、1または2以上の単セルを有する筒状
のセルスタックをケーシング内に複数配置し、これらを
電気的に直列や直並列に接続して電力を得るようにした
発電炉も多い。 【0003】図4は1個の単セルを有するセルスタック
が内部に複数収納されている発電炉の断面図である。図
中1は発電炉の外面を形成する発電炉ケーシングであ
り、この発電炉ケーシング1にはその内部に空気仕切板
2と空気ガス仕切板3とが固着されており、発電炉ケー
シング1内はこれらによって上下方向に3つの部屋、す
なわち第1空気室4、第2空気室5および燃料ガス室6
に分けられている。そして第1空気室4には発電用の空
気を供給する空気供給孔4aが設けられ、第2空気室5
には発電済みの空気を排出する空気排出孔5aが設けら
れているとともに、燃料ガス室6には発電用の燃料ガス
を供給する燃料ガス供給孔6aと発電に使用済みの燃料
ガスを排出する燃料ガス排出孔6bが設けられている。 【0004】また、図中7は燃料ガス室6内に上下方向
に位置決めされているセルスタックであり、このセルス
タック7は円筒状の固体電解質の内面側に空気電極、外
面側に燃料電極を形成した円筒状の単セル8と、この単
セル8の上端側に形成されたこの単セル8とは絶縁され
ている案内部9とから構成されており、全体として上部
が開口し、下部が閉塞した形状をしている。このセルス
タック7はその下部の閉塞端側が発電炉ケーシング1の
燃料ガス室6を形成する底板1a上に支持され、その上
部の開口端側案内部9が空気ガス仕切板3に形成された
孔部3aを貫通して第2空気室5側に臨んだ状態で位置
決めされている。そして、このセルスタック7内には空
気仕切板2を貫通して下方に延びる空気導入管10がそ
の閉塞端近傍まで差し込まれており、この空気導入管1
0とセルスタック7との間に空気流路11が形成されて
いるとともに、このセルスタック7の外周面近傍に燃料
ガス流路12が形成されている。 【0005】そして空気供給孔4aから第1空気室4内
に供給された空気が空気導入管10を介してセルスタッ
ク7内の空気流路11に導入され、燃料ガス供給孔6a
から燃料ガス室6内に供給された燃料ガスがセルスタッ
ク7外方の燃料ガス流路12に導入されると、単セル8
中の固体電解質を介して空気中の酸素ガスと燃料ガス中
の水素ガスとが電気化学的に反応して、この単セル8に
起電力を発生させ、複数のセルスタック7から所望の電
力が取り出される。そして、発電済みの空気は第2空気
室5に集められた後、その空気排出孔5aを介して外部
に排出され、使用済みの燃料ガスは燃料ガス室6の燃料
ガス排出孔6bを介して外部に排出される。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】上記固体電解質を介し
た電気化学的反応は約1000℃の高温下で行われ、か
つセルスタック7は主としてペロブスカイト型ランタン
系複合酸化物やYSZ等のセラミックスから構成されて
いるのに対し、発電炉ケーシング1は主としてNi等の
金属から構成されていて、互いの熱膨張率が異なるた
め、セルスタック7と発電炉ケーシング1とには互いの
熱膨張量に差が生じる。このため、空気仕切板2の孔部
3aの径をセルスタック7の案内部9の外径より充分に
大きくし、発電炉のスタートアップ時等にセルスタック
7と発電炉ケーシング1とがそれぞれ自由に熱膨張でき
るようになっている。 【0007】したがって、セルスタック7は下端部側で
のみ発電炉ケーシング1側に支持される一端支持構造と
なり、その下端部に大きな応力が生じてしまうという不
都合があった。このため材料の強度の小さい約1000
℃の高温下においてセルスタック7の閉塞端側に変形や
亀裂を生じてしまうという問題があった。また、セルス
タック7の案内部9と空気ガス仕切板3間に隙間がある
ため、この隙間から例えば高圧側の燃料ガスが第2空気
室5側に漏れ込んでしまい、この燃料ガス中の水素ガス
がセルスタック7の案内部9の近傍で燃焼し、この燃焼
熱によってセルスタック7等を破壊してしまう虞があっ
た。 【0008】一方、図5で示されるように、空気ガス仕
切板3の孔部3aに挿通されているセルスタック7の案
内部9周りをこの空気ガス仕切板3に隙間なく固着して
支持させるとともに、セルスタック7の下端部を発電炉
ケーシング1の底板1aから離して、セルスタック7を
自由に熱膨張できるようにすれば、上記のような燃料ガ
スの漏れ込みは生じない。しかしながら、この場合もセ
ルスタック7は上端部側のみが空気ガス仕切板3を介し
て発電炉ケーシング1に支持される一端支持構造となる
ため、その上端部に大きな応力が生じてしまうという不
都合があった。 【0009】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、上下方向に位置決めされるセルスタックに大きな
応力を発生させることなく、このセルスタックを発電炉
ケーシング内で支持できる固体電解質型燃料電池式発電
炉を提供することを目的としている。 【0010】 【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために、固体電解質を一対の電極で挟み付けて
形成される単セルを有し、その内外に空気と燃料ガスと
が流される円筒状のセルスタックが、発電炉の外面を形
成する発電炉ケーシング内に上下方向に位置決めされた
状態でこの発電炉ケーシングに支持されている固体電解
質型燃料電池式発電炉において、前記セルスタックの両
部が、発電炉ケーシング内に固着された支持部材に固
定され、かつ、支持されているとともに、前記支持部材
間の発電炉ケーシング周りに、この発電炉ケーシングと
前記セルスタックとの熱膨張差を吸収するベローズが設
けられているとともに、このベローズと前記発電炉ケー
シングとが同一材で構成されていることを特徴としてい
る。 【0011】 【作用】円筒状のセルスタックは、その両端部が発電炉
ケーシング内部に固着されている支持部材に支持されて
いるため両端支持となり、このセルスタックに大きな応
力を生じさせることなく支持される。この場合、セルス
タックは上下方向に位置決めされているため、セルスタ
ックの両端部を支持部材に固定して支持すればセルスタ
ックと発電炉ケーシングとの間に熱膨張差が生じ、これ
らに大きな熱応力が生じるおそれがあるが、この熱膨張
差は支持部材間の発電炉ケーシング周りに設けられた伸
縮手段により吸収されるため、セルスタックや発電炉ケ
ーシングに大きな熱応力は生じない。 【0012】 【実施例】つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説
明する。図1はこの発明の一実施例である固体電解質型
燃料電池式発電炉の断面図であり、この発電炉の基本的
構成は図4に示す発電炉と同一である。 【0013】すなわち、この発電炉では、単セル8が形
成された複数のセルスタック7がその下部の閉塞端側を
主としてNi等の金属から構成される発電炉ケーシング
1の底板1a上に固定して支持させ、その上部の案内部
9側を空気ガス仕切板3に貫通させた状態で燃料ガス室
6内に位置決めされている。そして、その上端部側が空
気仕切板2を貫通して第1空気室4に開口した空気導入
管10が第2空気室5を通ってセルスタック7内に挿入
され、この空気導入管10とセルスタック7間に空気流
路11が形成されているとともに、燃料ガス室6内のセ
ルスタック7の外周部近傍には燃料ガス流路12が形成
されている。なお、第1空気室4には空気供給孔4a、
第2空気室5には空気排出孔5a、燃料ガス室6には燃
料ガス供給孔6aおよび燃料ガス排出孔6bがそれぞれ
設けられている。 【0014】図2はセルスタック7の単セル8の断面を
示しており、単セル8は例えばYSZから構成される円
筒型の固体電解質8aと、固体電解質8aの内面側に形
成され、例えばペロブスカイト型ランタン系複合酸化物
から構成される円筒状の空気電極8bと、固体電解質8
aの外面側に形成され、例えばNi−ZrO2 サーメッ
トから構成される円筒状の燃料電極8cと、空気電極8
bに導通して燃料電極8c外方に突出し、例えばペロブ
スカイト型ランタン系複合酸化物から構成される上下に
細長いインタコネクタ8dとから構成されている。な
お、空気電極8bは単セル8の支持管の役割をも有して
いるため、他のものに比べその厚さが厚くなっている。 【0015】この場合、左右方向に隣接するセルスタッ
ク7の単セル8同士はそのインタコネクタ8dと空気電
極8bとが導電性フェルト13を介して電気的に直列に
接続され、前後方向に隣接するセルスタック7の単セル
8同士はその燃料電極8c同士が導電性フェルト13を
介して電気的に並列に接続されていて、複数のセルスタ
ック7の単セル8は全体として直並列に接続された構成
となっている。 【0016】さて、この実施例においては、セルスタッ
ク7の上下両端部は発電炉ケーシング1自身およびこれ
に支持される支持部材に固定されて支持されている。す
なわち、セルスタック7の上部側案内部9はその外周面
側が、発電炉ケーシング1に支持されている空気ガス仕
切板3に隙間なく固着した状態で支持されており、セル
スタック7の下端部側閉塞端は発電炉ケーシング1の一
部である底板1aに固着した状態で支持されている。 【0017】また、セルスタック7の上下の支持部材で
ある空気ガス仕切板3と底板1a間の発電炉ケーシング
1周りには、発電時におけるセルスタック7の熱膨張量
と、空気ガス仕切板3と底板1a間の発電炉ケーシング
1の熱膨張量との差を吸収する伸縮手段として、耐熱性
に優れた金属製のベローズ14が取り付けられている。
このベローズ14は例えば発電炉ケーシング1と同一材
から構成されていて、ガス漏れの生じないガスタイトな
構造となっている。 【0018】したがって、発電中にセルスタック7や燃
料ガス室6内が高温となって、セルスタック7等の強度
が低下しても、このセルスタック7は上下2箇所で均等
に支持されるため、セルスタック7の支持部にかかる荷
重は半減され、このセルスタック7に大きな応力は発生
しない。このため、セルスタック7の案内部9と空気仕
切板2との固着部に亀裂が生じたり、セルスタック7の
閉塞部に変形等が生じることはない。 【0019】また、セルスタック7は主にペロブスカイ
ト型ランタン系複合酸化物やYSZ等のセラミックスか
ら構成されていて、主としてNi等の金属から構成され
る発電炉ケーシング1に比べてその熱膨張率が小さいた
め、セルスタック7と発電炉ケーシング1とには熱膨張
差を生じるが、この熱膨張差はベローズ14により吸収
されるため、セルスタック7の両端部が発電炉ケーシン
グ1側に固定されていても、このセルスタック7には熱
応力は生じない。 【0020】なお、上記実施例ではセルスタック7が1
個の単セル8を有している場合について説明したが、上
下方向に円筒状単セル8を複数個有するいわゆる縦じま
型のセルスタック7をこの燃料ガス室6内に複数配置す
る場合であってもよい。 【0021】また、例えば発電炉ケーシング1が、その
熱膨張率がセルスタック7より小さい材料から構成され
ている場合は、セルスタック7の閉塞端側を発電炉ケー
シング1の底板1aに固着する必要はなく、セルスタッ
ク7の閉塞端側を発電炉ケーシング1の底板1a上に載
置して、このセルスタック7を底板1aに支持させるよ
うにすればよい。 【0022】図3はこの発明の他の実施例である固体電
解質型燃料電池式発電炉の断面図である。この発電炉で
は、主としてNi等の金属によって構成される発電炉ケ
ーシング21内が、これに固着された第1空気ガス仕切
板22と第2空気ガス仕切板23によって、第1空気室
24、燃料ガス室25および第2空気室26に分けられ
ており、この燃料ガス室25内に複数の単セル28が形
成された円筒状のセルスタック27が上下方向に複数位
置決めされている。このセルスタック27は互いに独立
して設けられている複数の円筒状単セル28と、この複
数の単セル28の両側に設けられている案内部29等か
ら構成されており、その開口する両端部の案内部29が
第1および第2空気ガス仕切板22,23を貫通し、こ
の案内部29の外周面側が第1および第2空気ガス仕切
板22,23に隙間なく固着した状態でこれらに支持さ
れている。そして、セルスタック27内には空気流路3
0が形成され、セルスタック27の外周面近傍には燃料
ガス流路31が形成されている。 【0023】なお、単セル28は円筒状の固体電解質の
内外面に空気電極と燃料電極とが形成され、空気電極に
導通するインターコネクタが燃料電極の外方に突設され
たものであり、その材料や構成品の形状等は図2で示し
た単セルと同一である。また、隣接するセルスタック2
7の互いの単セル28同士は導電性フェルトを介して互
いに直並列に接続されている。 【0024】さらに、第1空気ガス仕切板22と第2空
気ガス仕切板23間の発電炉ケーシング21周りにはN
i等から構成されるガスタイトな伸縮手段であるベロー
ズ32が取り付けられており、このベローズ32により
セルスタック27と、第1および第2空気ガス仕切板2
2,23間の発電炉ケーシング21との熱膨張差が吸収
されるようになっている。なお、24aは空気供給孔、
25aは燃料ガス供給孔、25bは燃料ガス排出孔、2
6aは空気排出孔である。 【0025】したがって、この発電炉においても、空気
供給孔24aを介して第1空気室24に供給された空気
がセルスタック27内の空気流路30中に導入され、か
つ燃料ガス供給孔25aを介して燃料ガス室25に供給
された燃料ガスがセルスタック27の外周面近傍の燃料
ガス流路31中に導入されると、空気中の酸素ガスと燃
料ガス中の水素ガスとが単セル28の固体電解質を介し
て電気化学的に反応し、セルスタック27中の各単セル
28に起電力が発生する。そして、発電炉全体として
は、セルスタック27の各単セル28毎にセルスタック
27の数に見合った電力が取り出される。そして、発電
済みの空気は第2空気室26に集められた後、空気排出
孔26aから外部に排出され、発電済みの燃料ガスは燃
料ガス排出孔25bから外部に排出される。 【0026】この場合、セルスタック27が上下2箇所
で均等に支持されるため、セルスタック27の支持部に
かかる力は半減され、このセルスタック27等に大きな
応力は発生しないとともに、セルスタック27の案内部
29は第1および第2空気ガス仕切板22,23に隙間
なく取り付けられているため、第1空気室24と燃料ガ
ス室25間および第2空気室26と燃料ガス室25間で
空気や燃料ガスの漏れ込みが生じることはない。またこ
の場合、セルスタック27と、第1および第2空気ガス
仕切板22,23間の発電炉ケーシング21とに熱膨張
の差が生じるが、この熱膨張差はベローズ32により吸
収されるため、セルスタック27等に大きな熱応力が生
じることもない。 【0027】なお、セルスタック27中の各単セル28
は他のセルスタック27中の各単セル28とどのように
接続されていてもよく、また接続されていなくてもよ
い。さらに、セルスタック27中の各単セル28は互い
に直列に接続されているものであってもよく、また、セ
ルスタック27は1つの単セル28しか有さないもので
あってもよい。また、この実施例においては、環状のベ
ローズを一段設けたが、二段以上設けてもよい。 【0028】 【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、円筒状のセルスタックが発電炉ケーシング内
で上下方向に位置決めされている場合でも、セルスタッ
クを発電炉ケーシング内部に固着された支持部材によ
固定して両端支持し、かつセルスタックと発電炉ケーシ
ング間に生じる熱膨張差を発電炉ケーシングに設けられ
た伸縮手段により吸収するようにしているため、セルス
タックに大きな応力を生じさせることなく、このセルス
タックを発電炉ケーシング内で支持することができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell power generator using a solid electrolyte. 2. Description of the Related Art A solid oxide fuel cell is an air electrode made of, for example, a perovskite-type lanthanum-based composite oxide with a solid electrolyte such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) or calcia-stabilized zirconia (CSZ) interposed therebetween. And a fuel electrode mainly composed of nickel or the like, and an electromotive force is obtained by electrochemically reacting air flowing toward each of the electrodes with a fuel gas through a solid electrolyte. In this type of fuel cell, the fuel gas flow path and the air flow path need to be separated in an airtight state.
For example, it is known that a solid electrolyte is formed in a cylindrical shape, and electric power is obtained by a cylindrical single cell provided with the electrodes on the inner and outer surfaces. In this case, since the power obtained by the single cell is small, a plurality of cylindrical cell stacks having one or two or more single cells are arranged in the casing, and these are electrically connected in series or in series / parallel to reduce the power. There are many power reactors that have been obtained. FIG. 4 is a sectional view of a power generating furnace in which a plurality of cell stacks each having one single cell are housed. In the figure, reference numeral 1 denotes a power generating furnace casing which forms the outer surface of the power generating furnace. An air partition plate 2 and an air gas partition plate 3 are fixed inside the power generating furnace casing 1. Thus, three chambers are vertically arranged, that is, a first air chamber 4, a second air chamber 5, and a fuel gas chamber 6.
Is divided into The first air chamber 4 is provided with an air supply hole 4a for supplying air for power generation.
Is provided with an air discharge hole 5a for discharging generated air, and a fuel gas chamber 6 is provided with a fuel gas supply hole 6a for supplying fuel gas for power generation and a fuel gas chamber 6 for discharging fuel gas used for power generation. A fuel gas discharge hole 6b is provided. In FIG. 1, reference numeral 7 denotes a cell stack positioned vertically in a fuel gas chamber 6. The cell stack 7 has an air electrode on the inner surface of a cylindrical solid electrolyte and a fuel electrode on the outer surface. The formed single cell 8 of a cylindrical shape and the single cell 8 formed on the upper end side of the single cell 8 are constituted by an insulated guide portion 9. It has a closed shape. The lower end of the cell stack 7 is supported on a bottom plate 1 a forming the fuel gas chamber 6 of the power generator casing 1, and the upper open end side guide 9 has a hole formed in the air gas partition plate 3. It is positioned so as to penetrate the portion 3a and face the second air chamber 5 side. An air introduction pipe 10 extending downward through the air partition plate 2 is inserted into the cell stack 7 up to the vicinity of its closed end.
An air passage 11 is formed between the fuel cell 0 and the cell stack 7, and a fuel gas passage 12 is formed near the outer peripheral surface of the cell stack 7. Then, the air supplied from the air supply hole 4a into the first air chamber 4 is introduced into the air flow path 11 in the cell stack 7 through the air introduction pipe 10, and the fuel gas supply hole 6a
When the fuel gas supplied from the fuel cell into the fuel gas chamber 6 is introduced into the fuel gas flow path 12 outside the cell stack 7, the single cell 8
The oxygen gas in the air and the hydrogen gas in the fuel gas electrochemically react with each other via the solid electrolyte therein to generate an electromotive force in the single cell 8, and desired electric power is generated from the plurality of cell stacks 7. Taken out. After the generated air is collected in the second air chamber 5, it is discharged to the outside through the air discharge hole 5 a, and the used fuel gas is discharged through the fuel gas discharge hole 6 b of the fuel gas chamber 6. It is discharged outside. The electrochemical reaction via the solid electrolyte is performed at a high temperature of about 1000 ° C., and the cell stack 7 is mainly composed of a perovskite-type lanthanum-based composite oxide or YSZ. While the power generation furnace casing 1 is mainly formed of a metal such as Ni and has a different coefficient of thermal expansion, the cell stack 7 and the power generation furnace casing 1 have different thermal expansion rates. Differences in volume occur. For this reason, the diameter of the hole portion 3a of the air partition plate 2 is made sufficiently larger than the outer diameter of the guide portion 9 of the cell stack 7, so that the cell stack 7 and the power reactor casing 1 can be freely moved at the start-up of the power reactor. It can be thermally expanded. Therefore, the cell stack 7 has a one-end supporting structure supported only on the lower end side by the power generating furnace casing 1 side, and there is an inconvenience that a large stress is generated at the lower end portion. Therefore, the strength of the material is about 1000
At a high temperature of ℃, there is a problem that the closed end side of the cell stack 7 is deformed or cracked. Further, since there is a gap between the guide portion 9 of the cell stack 7 and the air gas partition plate 3, for example, fuel gas on the high pressure side leaks from the gap into the second air chamber 5 side, and hydrogen in the fuel gas The gas may be burned near the guide portion 9 of the cell stack 7, and the combustion heat may destroy the cell stack 7 and the like. On the other hand, as shown in FIG. 5, the periphery of the guide portion 9 of the cell stack 7 inserted into the hole 3a of the air gas partition plate 3 is fixedly supported by the air gas partition plate 3 without any gap. At the same time, if the lower end of the cell stack 7 is separated from the bottom plate 1a of the power generation furnace casing 1 so that the cell stack 7 can be thermally expanded freely, the above-described leakage of the fuel gas does not occur. However, also in this case, since the cell stack 7 has one end supporting structure in which only the upper end side is supported by the power generator casing 1 via the air gas partition plate 3, there is a disadvantage that a large stress is generated at the upper end. there were. The present invention has been made in view of the above circumstances, and a solid oxide fuel cell capable of supporting a cell stack positioned in a vertical direction without generating a large stress in a power generation furnace casing without generating a large stress. It is intended to provide a power generation furnace. [0010] In order to achieve the above object, the present invention has a single cell formed by sandwiching a solid electrolyte between a pair of electrodes, and has air and fuel gas inside and outside thereof. DOO cylindrical cell Rusutakku where Ru is washed away, in a power reactor the solid electrolyte fuel cell power generation furnaces in the power reactor casing which forms the outer surface are supported by the power reactor casing in a state of being positioned in the vertical direction The two ends of the cell stack are fixed to a support member fixed in a power reactor casing.
Is constant, and, together when being supported, the power reactor around the casing between the support member, together with the bellows to absorb the thermal expansion difference between this power reactor casing the cell stack is provided, and the bellows The power generation furnace casing is made of the same material. [0011] [action] cylindrical cell Rusutakku becomes the ends support for its opposite ends is supported by the supporting support member which is secured to the internal power reactor <br/> casings grayed, large stress to the cell stack Is supported without causing In this case, the cell stack because it is positioned in the vertical direction, the thermal expansion difference between the cell stack and the power reactor casing occurs be fixed to supporting lifting the ends of the cell stack to the support member, a large thereto Although thermal stress may occur, this thermal expansion difference is absorbed by expansion and contraction means provided around the power generation furnace casing between the support members, so that no large thermal stress occurs in the cell stack and the power generation furnace casing. Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a solid oxide fuel cell type power reactor according to one embodiment of the present invention. The basic configuration of the power reactor is the same as that of the power reactor shown in FIG. That is, in this power generation furnace, a plurality of cell stacks 7 in which single cells 8 are formed have their lower closed ends fixed on the bottom plate 1a of the power generation furnace casing 1 mainly composed of a metal such as Ni. It is positioned in the fuel gas chamber 6 in a state where the upper guide portion 9 side is penetrated through the air gas partition plate 3. Then, an air introduction pipe 10 whose upper end penetrates through the air partition plate 2 and opens to the first air chamber 4 is inserted into the cell stack 7 through the second air chamber 5, and the air introduction pipe 10 and the cell An air passage 11 is formed between the stacks 7, and a fuel gas passage 12 is formed in the fuel gas chamber 6 near the outer periphery of the cell stack 7. The first air chamber 4 has an air supply hole 4a,
The second air chamber 5 has an air discharge hole 5a, and the fuel gas chamber 6 has a fuel gas supply hole 6a and a fuel gas discharge hole 6b. FIG. 2 shows a cross section of a single cell 8 of the cell stack 7. The single cell 8 is formed on a cylindrical solid electrolyte 8a made of, for example, YSZ and an inner surface of the solid electrolyte 8a. A cylindrical air electrode 8b made of a lanthanum-based composite oxide, and a solid electrolyte 8
a fuel electrode 8c formed on the outer surface side of FIG. 1a and made of, for example, Ni—ZrO 2 cermet;
b and protrudes outward from the fuel electrode 8c, and is composed of a vertically elongated interconnector 8d made of, for example, a perovskite-type lanthanum-based composite oxide. In addition, since the air electrode 8b also has a role of a support tube of the single cell 8, its thickness is larger than that of the others. In this case, the interconnectors 8d and the air electrodes 8b of the unit cells 8 of the cell stack 7 adjacent to each other in the left-right direction are electrically connected in series via the conductive felt 13 and are adjacent in the front-rear direction. The fuel cells 8c of the unit cells 8 of the cell stack 7 are electrically connected in parallel via the conductive felt 13, and the unit cells 8 of the plurality of cell stacks 7 are connected in series and parallel as a whole. It has a configuration. In this embodiment, the upper and lower ends of the cell stack 7 are fixed and supported by the power generator casing 1 itself and a supporting member supported by the same. That is, the upper guide portion 9 of the cell stack 7 is supported in a state where the outer peripheral surface side thereof is fixed to the air gas partition plate 3 supported by the power generator casing 1 without any gap, and the lower guide portion 9 of the cell stack 7 is closed. The closed end is supported by being fixed to a bottom plate 1a which is a part of the power reactor casing 1. Around the power generator casing 1 between the air gas partition plate 3 as the upper and lower support members of the cell stack 7 and the bottom plate 1a, the thermal expansion of the cell stack 7 during power generation and the air gas partition plate 3 A metal bellows 14 having excellent heat resistance is attached as expansion and contraction means for absorbing the difference between the thermal expansion amount of the power generation furnace casing 1 and the bottom plate 1a.
The bellows 14 is made of, for example, the same material as the power generating furnace casing 1 and has a gas-tight structure in which gas leakage does not occur. Therefore, even if the temperature of the cell stack 7 and the fuel gas chamber 6 becomes high during power generation and the strength of the cell stack 7 and the like is reduced, the cell stack 7 is uniformly supported at two upper and lower locations. The load applied to the support of the cell stack 7 is reduced by half, and no large stress is generated in the cell stack 7. For this reason, no crack is generated in the fixed portion between the guide portion 9 of the cell stack 7 and the air partition plate 2, and no deformation occurs in the closed portion of the cell stack 7. The cell stack 7 is mainly made of perovskite-type lanthanum-based composite oxide or ceramics such as YSZ, and has a lower coefficient of thermal expansion than that of the power generator casing 1 mainly made of metal such as Ni. Since the cell stack 7 is small, a difference in thermal expansion occurs between the cell stack 7 and the power generation furnace casing 1. Since this difference in thermal expansion is absorbed by the bellows 14, both ends of the cell stack 7 are fixed to the power generation furnace casing 1. However, no thermal stress is generated in the cell stack 7. In the above embodiment, the cell stack 7 is 1
Although the description has been given of the case where the fuel cell chamber 8 includes a plurality of single cells 8, a plurality of so-called vertical stripe-shaped cell stacks 7 each having a plurality of cylindrical single cells 8 in the vertical direction are arranged in the fuel gas chamber 6. Is also good. For example, when the power generation furnace casing 1 is made of a material whose coefficient of thermal expansion is smaller than that of the cell stack 7, the closed end side of the cell stack 7 needs to be fixed to the bottom plate 1a of the power generation furnace casing 1. Instead, the closed end side of the cell stack 7 may be placed on the bottom plate 1a of the power generating furnace casing 1, and the cell stack 7 may be supported by the bottom plate 1a. FIG. 3 is a sectional view of a solid oxide fuel cell type power generating furnace according to another embodiment of the present invention. In this power generation furnace, the inside of a power generation furnace casing 21 mainly made of a metal such as Ni is divided into a first air chamber 24 and a fuel by a first air gas partition plate 22 and a second air gas partition plate 23 fixed thereto. The fuel cell chamber 25 is divided into a gas chamber 25 and a second air chamber 26, and a plurality of cylindrical cell stacks 27 each having a plurality of single cells 28 formed therein are vertically positioned in the fuel gas chamber 25. The cell stack 27 is composed of a plurality of cylindrical single cells 28 provided independently of each other, and guide portions 29 provided on both sides of the plurality of single cells 28. Guide portion 29 penetrates the first and second air gas partition plates 22 and 23, and the outer peripheral surface side of the guide portion 29 is fixed to the first and second air gas partition plates 22 and 23 without any gap. Supported. The air flow path 3 is provided in the cell stack 27.
0 is formed, and a fuel gas flow path 31 is formed near the outer peripheral surface of the cell stack 27. The single cell 28 has an air electrode and a fuel electrode formed on the inner and outer surfaces of a cylindrical solid electrolyte, and an interconnector for conducting to the air electrode is protruded outside the fuel electrode. The materials and the shapes of the components are the same as those of the single cell shown in FIG. In addition, the adjacent cell stack 2
7 are connected in series and parallel to each other via conductive felt. Further, N around the power generator casing 21 between the first air gas partition plate 22 and the second air gas partition plate 23
A bellows 32 which is a gas-tight expansion / contraction means composed of a cell stack 27 and the first and second air gas partition plates 2 is attached.
The difference in thermal expansion between the power generation furnace casing 21 and the power generation furnace casing 23 is absorbed. 24a is an air supply hole,
25a is a fuel gas supply hole, 25b is a fuel gas discharge hole, 2
6a is an air discharge hole. Therefore, also in this power generating furnace, the air supplied to the first air chamber 24 through the air supply hole 24a is introduced into the air flow path 30 in the cell stack 27, and the fuel gas supply hole 25a is When the fuel gas supplied to the fuel gas chamber 25 via the fuel cell is introduced into the fuel gas passage 31 near the outer peripheral surface of the cell stack 27, the oxygen gas in the air and the hydrogen gas in the fuel gas are converted into a single cell 28. Reacts electrochemically through the solid electrolyte, and an electromotive force is generated in each single cell 28 in the cell stack 27. Then, for the entire power generating furnace, electric power corresponding to the number of cell stacks 27 is taken out for each single cell 28 of the cell stack 27. After the generated air is collected in the second air chamber 26, it is discharged to the outside through the air discharge holes 26a, and the generated fuel gas is discharged to the outside through the fuel gas discharge holes 25b. In this case, since the cell stack 27 is evenly supported at the two upper and lower portions, the force applied to the supporting portion of the cell stack 27 is reduced by half, so that no large stress is generated in the cell stack 27 and the like, and Of the first air chamber 24 and the fuel gas chamber 25, and between the second air chamber 26 and the fuel gas chamber 25, There is no leakage of air or fuel gas. Further, in this case, a difference in thermal expansion occurs between the cell stack 27 and the power generator casing 21 between the first and second air gas partition plates 22 and 23. Since the difference in thermal expansion is absorbed by the bellows 32, No large thermal stress is generated in the cell stack 27 or the like. Each single cell 28 in the cell stack 27
May be connected to each unit cell 28 in another cell stack 27 in any manner, or may not be connected. Furthermore, each single cell 28 in the cell stack 27 may be connected in series with each other, or the cell stack 27 may have only one single cell 28. Further, in this embodiment, one annular bellows is provided, but two or more annular bellows may be provided. According to apparent this invention from the above description, even when the cylindrical cell Rusutakku is positioned vertically by the generator furnace casing, power reactor casings grayed cell stack Ri by the supporting support member secured to the inside
Fixed with both ends supported, and because it is so as to absorb the expansion and contraction means provided to differential thermal expansion that occurs between the cell stack and the power reactor casing to the generator furnace casing, without significant stress to the cell stack The cell stack can be supported in the power reactor casing.

【図面の簡単な説明】 【図1】この発明の一実施例である固体電解質型燃料電
池式発電炉の断面正面図である。 【図2】単セル周りの詳細を示す断面平面図である。 【図3】この発明の他の実施例である固体電解質型燃料
電池式発電炉の断面正面図である。 【図4】従来の固体電解質型燃料電池式発電炉の断面正
面図である。 【図5】他の従来の固体電解質型燃料電池式発電炉の断
面正面図である。 【符号の説明】 1…発電炉ケーシング、 1a…底板(支持部材)、
3…空気ガス仕切板(支持部材)、 7…セルスタッ
ク、 8…単セル、 8a…固体電解質、 8b…空気
電極、 8c…燃料電極、 14…ベローズ(伸縮手
段)、 21…発電炉ケーシング、 22…第1空気ガ
ス仕切板(支持部材)、 23…第2空気ガス仕切板
(支持部材)、 27…セルスタック、 28…単セ
ル、 32…ベローズ(伸縮手段)。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional front view of a solid oxide fuel cell type power reactor according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional plan view showing details around a single cell. FIG. 3 is a sectional front view of a solid oxide fuel cell type power generating furnace according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a sectional front view of a conventional solid oxide fuel cell power generator. FIG. 5 is a cross-sectional front view of another conventional solid oxide fuel cell power generator. [Description of Signs] 1 ... power generation furnace casing, 1a ... bottom plate (supporting member),
3 ... air gas partition plate (support member), 7 ... cell stack, 8 ... single cell, 8a ... solid electrolyte, 8b ... air electrode, 8c ... fuel electrode, 14 ... bellows (expansion and contraction means), 21 ... power generation furnace casing, Reference numeral 22 denotes a first air gas partition plate (support member), 23 denotes a second air gas partition plate (support member), 27 denotes a cell stack, 28 denotes a single cell, and 32 denotes a bellows (expansion and contraction means).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 武憲 東京都江東区木場一丁目5番1号 株式 会社フジクラ内 (56)参考文献 特開 昭63−207055(JP,A) 特開 昭63−110560(JP,A) 特開 平3−133065(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/12 H01M 8/02 H01M 8/24 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takenori Nakajima 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Inside Fujikura Co., Ltd. (56) References JP-A-63-207055 (JP, A) JP-A-63- 110560 (JP, A) JP-A-3-1303065 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 8/12 H01M 8/02 H01M 8/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 固体電解質を一対の電極で挟み付けて形
成される単セルを有し、その内外に空気と燃料ガスとが
流される円筒状のセルスタックが、発電炉の外面を形成
する発電炉ケーシング内に上下方向に位置決めされた状
態でこの発電炉ケーシングに支持されている固体電解質
型燃料電池式発電炉において、前記セルスタックの両端
部が、発電炉ケーシング内に固着された支持部材に固定
され、かつ、支持されているとともに、前記支持部材間
の発電炉ケーシング周りに、この発電炉ケーシングと前
記セルスタックとの熱膨張差を吸収するベローズが設け
られているとともに、このベローズと前記発電炉ケーシ
ングとが同一材で構成されていることを特徴とする固体
電解質型燃料電池式発電炉。
(57) Patent Claims 1. A solid electrolyte has a single cell formed by sandwiching a pair of electrodes, a cylindrical cell Rusutakku that Ru air and fuel gas is passed through the inside and outside In a solid oxide fuel cell type power reactor supported by the power generator casing while being positioned vertically in a power reactor casing forming an outer surface of the power reactor, both ends of the cell stack
Part is fixed to the support member fixed in the power generator casing
Is, and both the are supported, around the power reactor casing between the support member, together with the bellows to absorb the thermal expansion difference between this power reactor casing the cell stack is provided, wherein this bellows A solid oxide fuel cell type power reactor, wherein a power reactor casing is made of the same material.
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