JP4481580B2 - Solid oxide fuel cell assembly - Google Patents

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JP4481580B2 JP2003075263A JP2003075263A JP4481580B2 JP 4481580 B2 JP4481580 B2 JP 4481580B2 JP 2003075263 A JP2003075263 A JP 2003075263A JP 2003075263 A JP2003075263 A JP 2003075263A JP 4481580 B2 JP4481580 B2 JP 4481580B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池組立体、更に詳しくは並列配置されたセルスタック間にガス供給手段が配設されている形態の固体電解質燃料電池組立体に関する。
【0002】
【従来の技術】
次世代エネルギーとして、近年、固体高分子、リン酸、溶融炭酸塩及び固体電解質等の種々の形の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質燃料電池発電システムは、作動温度が1000℃程度と高いが、発電効率が高い、排熱利用ができる等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。
【0003】
固体電解質燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献1に開示されている如く、実質上鉛直に延びるセルを水平方向に配置してセルスタックを形成し、かかるセルスタックを水平方向に並列配置して燃料電池組立体を構成している。通常、セルの各々には鉛直方向に貫通して延びる燃料ガス流路が配設されており、水素でよい燃料ガスはかかる燃料ガス流路を通して流動せしめられる。セルスタック間には酸素含有ガス供給手段が配設されており、かかる酸素含有ガス供給手段を通して空気でよい酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガス供給手段は、セルスタック間に並列配置された多数個の管状部材から構成されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−149976号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上述した従来の固体電解質燃料電池組立体には、複数個の管状部材から構成された酸素含有ガス供給手段に関連して、次のとおりの解決すべき問題が存在する。即ち、酸素含有ガスがセルの各々の延在方向に配置された管状部材を通して流動せしめられてその先端から排出され、従ってセルの各々の延在方向に排出されることに起因して、セルの各々に対する酸素含有ガスの供給を高効率で遂行し得ない。また、管状部材は充分な耐熱性が必要である故にセラミックの如き高耐熱性材料から形成することが必要であり、かような管状部材を多数個配設することは、製造コストを相当増大せしめる。
【0006】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、ガス供給手段を改良して、セルの各々に充分な効率で酸素含有ガスを供給することができ、そしてまた従来の固体電解質燃料電池組立体に比べて安価に製造できる、新規且つ改良された固体電解質燃料電池組立体を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ガス供給手段を、鉛直方向に且つ前記セルの配列方向に延在する中空板状部材から構成し、該中空板状部材の上端にはガス導入口を形成し、前記中空板状部材の、前記セルスタックに対向する両側壁の下端部には、前記セルの配列方向に沿って延びるスリット又は前記セルの配列方向に沿って間隔をおいて形成された複数個の孔から構成されているガス排出口を形成することによって、上記主たる技術的課題が達成される。
【0008】
即ち、本発明によれば、上記主たる技術的課題を達成する固体電解質燃料電池組立体として、鉛直方向に延びる複数のセルを一列に配列して構成されたセルスタックを、該セルスタックを構成するセルの配列方向に沿った側面が対向するように複数個を並列配置するとともに、前記セルスタック間にガス供給手段を配設してなる固体電解質形燃料電池組立体において、
前記ガス供給手段は、鉛直方向に且つ前記セルの配列方向に延在する中空板状部材から構成されており、該中空板状部材の上端にはガス導入口が形成されており、前記中空板状部材の、前記セルスタックに対向する両側壁の下端部には、前記セルの配列方向に沿って延びるスリット又は前記セルの配列方向に沿って間隔をおいて形成された複数個の孔から構成されているガス排出口が形成されている、ことを特徴とする固体電解質形燃料電池組立体が提供される。
【0010】
本発明の固体電解質燃料電池組立体においては、一対のセルスタック間に、多数の管状部材に代えて単一の中空板状部材を配設すればよく、従って製造コストを低減することができる。酸素含有ガス(或いは燃料ガス)は、中空板状の端部両側壁に形成されたガス排出口から排出され、従ってセルスタックに向けて排出され、高効率で燃料電池セルの各々に供給される。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従って構成された固体電解質燃料電池組立体の好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【0012】
図1は、本発明に従って構成された固体電解質燃料電池組立体の好適実施形態の主要部を図示している。図示の組立体は略直方体形状であるハウジング4を具備し、このハウジング4は耐熱性金属から形成された外枠体6とこの外枠体6の内面に張設された断熱材層8とから構成されている。断熱材層8は適宜のセラミックから形成することができる。ハウジング4の下部には実質上水平に延在せしめられている水平区画板10が配設され、区画板10よりも下方の燃料ガスマニホルド室12と区画板10よりも上方の発電・燃焼室14とに区画されている。区画板10は優れた気密性と断熱性とを備えていることが望ましく、例えば多孔性セラミック板に無機系セメントを流し込んで少なくとも上面部を中実にせしめることによって形成されているのが好適である。
【0013】
燃料ガスマニホルド室12内には燃料ガスマニホルド16が配設されている。この燃料ガスマニホルド16は、ハウジング4の側壁下部を貫通して延びる燃料ガス導入管18を介して燃料ガス供給源19に接続されている。燃料ガスマニホルド16の上面には、図1において左右方向及び紙面に垂直な方向に適宜の間隔をおいて多数の燃料ガス噴出孔(図示していない)が配設されている(かかる燃料ガス噴出孔については後に更に言及する)。
【0014】
発電・燃焼室14の上方には、実質上水平に延びる水平壁20とかかる水平壁20の4周縁から実質上鉛直に上方に延びる直立壁22(4個の直立壁22のうちの2個を図1に図示している)を有する耐熱金属製区画部材24が配設されている。区画部材24の直立壁22間には水平壁20から上方に間隔をおいて位置する水平板26が固定されており、区画部材24の水平壁20及び4個の直立壁22並びに水平板26によって酸素含有ガスマニホルド28が形成されている。この酸素含有ガスマニホルド28は、図1に簡略に図示する如く、熱交換手段30を介して酸素含有ガス供給源32に接続されている。
【0015】
上記発電・燃焼室14内には、図1において左右方向に間隔をおいて4個のセルスタック34a、34b、34c及び34dが並列配置されている(更に詳しくは、セルスタックを構成する、後述するセルの配列方向に沿っ側面が対向するように並列配置されている)。図1と共に図2を参照して説明を続けると、セルスタック34a、34b、34c及び34dの各々は、鉛直方向、即ち図1において上下方向、図2において紙面に垂直な方向に細長く延在するセル36を図1において紙面に垂直な方向、図2において上下方向に複数個(図示の場合は5個)一列に配置して構成されている。図2に明確に図示する如く、セル36の各々は電極支持基板38、内側電極層である燃料極層40、固体電解質層42、外側電極層である酸素極層44、及びインターコネクタ46から構成されている。
【0016】
電極支持基板38は鉛直方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両端面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板38にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は4個)のガス通路48が形成されている。図1から理解されるとおり、電極支持基板38の下端部は上記区画板10を貫通して燃料ガスマニホルド室12内に延出せしめられており、その下端は燃料ガスマニホルド16の上面に連結され、燃料ガスマニホルド16の上面に形成されている燃料ガス噴射孔(図示していない)の各々が電極支持基板38に形成されているガス通路8の下端に連通せしめられている。セル36における酸素極層44は区画板10よりも上方、従って発電・燃焼室14内に配置されており、燃料ガスマニホルド室12内に延出することはない。
【0017】
インターコネクタ46は電極支持基板38の片端面(図2において上端面)上に配設されている。燃料極層40は電極支持基板38の他端面(図2において下端面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネク46の両端に接合せしめられている。固体電解質層42は燃料極層40の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ46の両端に接合せしめられている。酸素極層44は、固体電解質層42の主部上、即ち電極支持基板38の他端面を覆う部分上、に配設され、電極支持基板38を挟んでインターコネク46に対向して位置せしめられている。
【0018】
セルスタック34a、34b、34c及び34dの各々における隣接するセル36間には集電部材50が配設されており、一方のセル36のインターコネクタ46と他方のセル36の酸素極層44とを接続している。セルスタック34a、34b、34c及び34dの各々において両端、即ち図2において上端及び下端に位置するセル36の上端面及び下端面にも集電部材50が配設されている。そして、セルスタック34a及び34bの上端に配設された集電部材50は導電部材52によって接続され、セルスタック34b及び34cの下端に配設された集電部材50も導電部材52によって接続され、セルスタック34c及び34dの上端に配設された集電部材50も導電部材52によって接続されている。更に、セルタック34aの下端に配設された集電部材50には導電部材52が接続され、セルスタック34dの上端に配設された集電部材50にも導電部材52が接続されている。かくして、全てのセル6が電気的に直列接続されている。
【0019】
セル36について更に詳述すると、電極支持基板38は燃料ガスを燃料極層40まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ46を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。燃料極層40及び/又は固体電解質層42との同時焼成により電極支持基板38を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板38を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440C/cm以上であるのが好ましい。燃料極層40は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニアを称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。固体電解質層42は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrOから形成されている。酸素極層44は所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層44はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30乃至50%の範囲にあることが好ましい。インターコネクタ46は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が好適に使用される。インターコネク46は電極支持基板38に形成されたガス通路48を通る燃料ガス及び電極支持基板38の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。集電部材50は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。導電部材52は適宜の金属又は合金から形成することができる。
【0020】
図1及び図2と共に図3を参照して説明を続けると、発電・燃焼室14に配設されているセルスタック34a、34b、34c及び34d間には、酸素含有ガス供給手段を構成する中空板状部材54が配設されている。かかる中空板状部材54は適宜のセラミックの如き耐熱性材料から形成することができる。中空板状部材54はセルスタック34a、34b、34c及び34d間に配置され、実質上鉛直な方向に延在せしめられている。図3を参照することによって明確に理解されるとおり、中空板状部材54の上端には酸素含有ガス導入口56が形成されている。図示の実施形態においては、酸素含有ガス導入口56は中空板状部材の上端を図2において上下方向(セル36の配列方向)に細長く延びるスリットから構成されている。中空板状部材54の上端には実質上水平に突出するフランジ58が形成されており、酸素含有ガス導入口56はフランジ58によって囲繞されている。中空板状部材54の両側壁の下端部には酸素含有ガス排出口60が形成されている。図示の実施形態においては、酸素含有ガス排出口60は、中空板状部材54の両側壁の下端部をセル36の配列方向(即ち図1において紙面に垂直な方向、図2において上下方向)に沿って細長く延びるスリットから構成されている。図1を参照することによって理解される如く、中空板状部材54の上端は、上記区画部材24の水平壁20に形成されている対応する開口内に位置せしめられ、従って酸素含有ガス導入口56は酸素含有ガスマニホルド28内に開口せしめられている。中空板状部材54の下端は、上記区画板10よりも幾分上方に、従って発電・燃焼室14の下端部に位置せしめられている。
【0021】
図4には中空板状部材の変形例が図示されている。図4に図示する中空板状部材154においては、酸素含有ガス排出口160は、中空板状部材154の両側壁の下端部にセル36の配列方向に(即ち図1において紙面に垂直な方向、図2において上下方向)に沿って間隔をおいて形成された複数個の孔から構成されている。中空板状部材154のその他の構成は図3に図示する中空板状部材54と実質上同一である。
【0022】
上述したとおりの固体電解質形燃料電池組立体においては、燃料ガス供給源19から燃料ガス導入管18を通して、例えば都市ガスをそれ自体は周知の適宜の様式で改質することによって得られる水素でよい燃料ガスが、燃料ガスマニホルド16に供給される。そして、かかる燃料ガスが燃料ガスマニホルド16からセル36の各々の電極支持基板38に形成されているガス通路48の下端に導入され、ガス通路8を通して上方に流動せしめられる。一方、酸素含有ガス供給源32は、空気でよい酸素含有ガスを熱交換手段30を通して酸素含有ガスマニホルド28に供給する。酸素含有ガスマニホルド28に供給された酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入口56から中空板状部材54内に流入して中空板状部材54内を流下し、酸素含有ガス排出口60から排出される。酸素含有ガス排出口60は中空板状部材54の両側壁に形成され、セルスタック34a、34b、34c及び34dに指向されている。従って、酸素含有ガスは発電・燃焼室14の下端部においてセルスタック34a、34b、34c及び34dに向けて噴出せしめられ、次いで発電・燃焼室14内を上昇せしめられる。かくして、セルスタック34a、34b、34c及び34dの各セル36に充分効果的に供給される。セル36の各々においては、酸素極層44で下記式(1)の電極反応が生成され、また燃料極層40では下記式(2)の電極反応が生成されて発電される。
【0023】
酸素極: 1/2O+2e→ O2−(固体電解質) ・・・(1)
燃料極: O2−(固体電解質)+H→ HO+2e・・・(2)
【0024】
セル36における電極支持基板38のガス通路48を流動する燃料ガスの、電極反応に使用されなかった燃料ガスは、電極支持基板38の上端から発電・燃焼室14内に流出せしめられる。発電・燃焼室14内に流出せしめられた燃料ガスは流出と同時に燃焼せしめられる。発電・燃焼室14内には適宜の着火手段(図示していない)が配設されており、燃料ガスが発電・燃焼室14に流出され始めると着火手段が作動せしめられて燃焼が開始される。中空板状部材54を通して発電・燃焼室14に供給された酸素含有ガス中の酸素で電極反応に使用されなかったものは燃焼に利用される。燃焼ガスは適宜の流路手段(図示していない)を通して熱交換手段30に送給され、熱交換手段30において酸素含有ガスと熱交換した後にハウジング4から排出される。
【0025】
本発明に従って構成された固体電解質燃料電池組立体の好適実施形態について添付図面を参照して詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることが理解されるべきである、例えば、図示の実施形態においては、電極支持基板に形成されているガス通路を通して燃料ガスを流動せしめているが、電極支持基板に形成されているガス通路を通して酸素含有ガスを流動せしめる(この場合には区画板10の下方に配設されているガスマニホルドに酸素含有ガスを供給し、中空板状部材54又は154に燃料ガスを供給する)形態の固体電解質燃料電池組立体にも本発明を適用することができる。
【0026】
【発明の効果】
本発明の固体電解質燃料電池組立体によれば、セルの各々に充分な効率で酸素含有ガスを供給することができ、そしてまた従来の固体電解質燃料電池組立体に比べて安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に従って構成された固体電解質燃料電池組立体の好適実施形態の主要部を示す縦断面図。
【図2】 図1に示す固体電解質燃料電池組立体の主要部を示す横断面図。
【図3】 図1に示す固体電解質燃料電池組立体における中空板状部材を示す斜面図。
【図4】 中空板状部材の変形例を示す斜面図。
【符号の説明】
4:ハウジング
12:燃料ガスマニホルド室
14:発電・燃焼室
16:燃料ガスマニホルド
28:酸素含有ガスマニホルド
30:熱交換手段
34a:セルスタック
34b:セルスタック
34c:セルスタック
34d:セルスタック
36:セル
38:電極支持基板
40:燃料極層
42:固体電解室層
44:酸素極層
46:インターコネクタ
48:ガス通路
50:集電部材
52:導電部材
54:中空板状部材(酸素含有ガス供給手段)
56:酸素含有ガス導入口
60:酸素含有ガス排出口
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state electrolyte fuel cell assembly, and more particularly relates to a solid electrolyte fuel cell assembly in the form of gas supply means is disposed between the juxtaposed cell stack.
[0002]
[Prior art]
As a next-generation energy, in recent years, a polymer electrolyte, phosphoric acid, various forms of fuel cell power generation system, such as molten carbonate and solid oxide has been proposed. In particular, the solid electrolyte fuel cell power generation system is operating temperatures as high about 1000 ° C., the power generation efficiency is high, has the advantages such as it is waste heat utilization, research and development has been promoted.
[0003]
In a typical example of the solid electrolyte fuel cell power generation system, as disclosed in Patent Document 1, the cell stack is formed by placing a substantially vertically extending cells in the horizontal direction, such a cell stack in the horizontal direction The fuel cell assembly is configured in parallel. Usually, each cell is provided with a fuel gas flow path extending through in the vertical direction, and a fuel gas, which may be hydrogen, is caused to flow through the fuel gas flow path. Between the cell stacks, oxygen-containing gas supply means is disposed, and oxygen-containing gas, which may be air, is supplied through the oxygen-containing gas supply means. The oxygen-containing gas supply means is composed of a number of tubular members arranged in parallel between the cell stacks.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-149976
[Problems to be solved by the invention]
And Thus, in the conventional solid electrolyte fuel cell assembly described above, in connection with the oxygen-containing gas supply means consisting of a plurality of tubular members, there are problems to be solved as follows. That is, the oxygen-containing gas is caused to flow through the tubular members disposed in the extending direction of each of the cells and discharged from the tip thereof, and thus discharged in the extending direction of each of the cells. The supply of oxygen-containing gas to each cannot be performed with high efficiency. In addition, since the tubular member needs to have sufficient heat resistance, it is necessary to form the tubular member from a high heat resistant material such as ceramic, and disposing a large number of such tubular members considerably increases the manufacturing cost. .
[0006]
The present invention has been made in view of the above-mentioned facts, and its main technical problem is that the gas supply means can be improved to supply the oxygen-containing gas to each of the cells with sufficient efficiency. can be manufactured inexpensively as compared to the solid oxide fuel cell assembly, it is to provide a new and improved solid electrolyte fuel cell assembly.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the gas supply means comprises a hollow plate-like member extending in the vertical direction and in the cell arrangement direction, and a gas inlet is formed at the upper end of the hollow plate-like member, The lower end portion of both side walls of the plate-like member facing the cell stack has slits extending along the cell arrangement direction or a plurality of holes formed at intervals along the cell arrangement direction. The main technical problem is achieved by forming the configured gas outlet .
[0008]
That is, according to the present invention, the a solid electrolyte fuel cell assembly to achieve the principal object, the cell stack constructed by arranging in a row a plurality of cells extending in the vertical direction, the cell stack structure A solid oxide fuel cell assembly in which a plurality of cells are arranged in parallel so that side surfaces along the arrangement direction of the cells face each other, and a gas supply means is arranged between the cell stacks.
The gas supply means is composed of a hollow plate-like member extending in the vertical direction and in the cell arrangement direction, and a gas inlet is formed at the upper end of the hollow plate-like member. The lower end of both side walls of the shaped member facing the cell stack is composed of slits extending along the cell arrangement direction or a plurality of holes formed at intervals along the cell arrangement direction. has been that gas discharge port is formed, the solid electrolyte fuel cell assembly is provided, characterized in that.
[0010]
In the solid electrolyte fuel cell assembly of the present invention, between a pair of the cell stack, it may be arranged a single hollow plate-like member in place of a number of tubular members, thus reducing the manufacturing cost . Oxygen-containing gas (or fuel gas) is discharged from the hollow plate-shaped gas discharge port formed in the lower end portion side walls, and thus is discharged toward the cell stack is supplied to each fuel cell with high efficiency The
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings which illustrate a preferred embodiment of the constructed solid electrolyte fuel cell assembly according to the present invention will be described in detail.
[0012]
Figure 1 illustrates the main parts of a preferred embodiment of the constructed solid electrolyte fuel cell assembly according to the present invention. The illustrated assembly includes a housing 4 having a substantially rectangular parallelepiped shape. The housing 4 includes an outer frame 6 formed of a heat-resistant metal and a heat insulating material layer 8 stretched on the inner surface of the outer frame 6. It is configured. The heat insulating material layer 8 can be formed from an appropriate ceramic. A horizontal partition plate 10 extending substantially horizontally is disposed at the lower part of the housing 4, and a fuel gas manifold chamber 12 below the partition plate 10 and a power generation / combustion chamber 14 above the partition plate 10. It is divided into and. The partition plate 10 desirably has excellent airtightness and heat insulation, and is preferably formed, for example, by pouring inorganic cement into a porous ceramic plate so that at least the upper surface portion is solid. .
[0013]
A fuel gas manifold 16 is disposed in the fuel gas manifold chamber 12. The fuel gas manifold 16 is connected to a fuel gas supply source 19 via a fuel gas introduction pipe 18 that extends through the lower portion of the side wall of the housing 4. A large number of fuel gas ejection holes (not shown) are arranged on the upper surface of the fuel gas manifold 16 at appropriate intervals in the left-right direction and the direction perpendicular to the paper surface in FIG. More on pores later).
[0014]
Above the power generation / combustion chamber 14, a horizontal wall 20 that extends substantially horizontally and upright walls 22 that extend substantially vertically upward from the four peripheral edges of the horizontal wall 20 (two of the four upright walls 22 are provided). A refractory metal compartment member 24 is provided (shown in FIG. 1). A horizontal plate 26 is fixed between the upright walls 22 of the partition member 24 and spaced upward from the horizontal wall 20. The horizontal wall 20 of the partition member 24, the four upright walls 22, and the horizontal plate 26 An oxygen-containing gas manifold 28 is formed. The oxygen-containing gas manifold 28 is connected to an oxygen-containing gas supply source 32 via a heat exchanging means 30 as schematically shown in FIG.
[0015]
In the power generation / combustion chamber 14, four cell stacks 34 a, 34 b, 34 c and 34 d are arranged in parallel at intervals in the left-right direction in FIG. 1 (more specifically, the cell stack will be described later). Are arranged in parallel so that the side surfaces in the arrangement direction of the cells facing each other face each other). 2 and FIG. 2, the cell stacks 34a, 34b, 34c, and 34d extend in the vertical direction, that is, the vertical direction in FIG. 1 and the direction perpendicular to the paper surface in FIG. A plurality of cells (5 in the illustrated case) are arranged in a row in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1 and in a vertical direction in FIG. As clearly shown in FIG. 2, each of the cells 36 includes an electrode support substrate 38, a fuel electrode layer 40 that is an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 42, an oxygen electrode layer 44 that is an outer electrode layer, and an interconnector 46. Has been.
[0016]
The electrode support substrate 38 is a plate-like piece elongated in the vertical direction, and has both flat end faces and semicircular side faces. A plurality (four in the illustrated example) of gas passages 48 are formed in the electrode support substrate 38 so as to penetrate the electrode support substrate 38 in the vertical direction. As understood from FIG. 1, the lower end portion of the electrode support substrate 38 extends through the partition plate 10 into the fuel gas manifold chamber 12, and the lower end thereof is connected to the upper surface of the fuel gas manifold 16. each of the fuel gas injection hole formed on an upper surface of the fuel gas manifold 16 (not shown) is caused to communicate with the lower end of the gas passage 4 8 formed on the electrode support substrate 38. The oxygen electrode layer 44 in the cell 36 is disposed above the partition plate 10, and thus in the power generation / combustion chamber 14, and does not extend into the fuel gas manifold chamber 12.
[0017]
The interconnector 46 is disposed on one end surface (the upper end surface in FIG. 2) of the electrode support substrate 38. The fuel electrode layer 40 is the other end surface of the electrode support substrate 38 is disposed on and both side (lower end surface in FIG. 2), both ends thereof are brought bonded to both ends of the interconnect data 46. The solid electrolyte layer 42 is disposed so as to cover the entire fuel electrode layer 40, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 46. Oxygen electrode layer 44, on the main portion of the solid electrolyte layer 42, i.e., the electrode support substrate 38 and the other end surface cover on part of, is disposed, it allowed located opposite the interconnect data 46 across the electrode support substrate 38 It has been.
[0018]
A current collecting member 50 is disposed between adjacent cells 36 in each of the cell stacks 34a, 34b, 34c, and 34d, and the interconnector 46 of one cell 36 and the oxygen electrode layer 44 of the other cell 36 are connected. Connected. In each of the cell stacks 34a, 34b, 34c, and 34d, current collecting members 50 are disposed at both ends, that is, the upper end surface and the lower end surface of the cell 36 positioned at the upper end and the lower end in FIG. The current collecting member 50 disposed at the upper ends of the cell stacks 34a and 34b is connected by the conductive member 52, and the current collecting member 50 disposed at the lower ends of the cell stacks 34b and 34c is also connected by the conductive member 52. A current collecting member 50 disposed at the upper ends of the cell stacks 34 c and 34 d is also connected by a conductive member 52. Further, a conductive member 52 is connected to the current collecting member 50 disposed at the lower end of the cell tack 34a, and the conductive member 52 is also connected to the current collecting member 50 disposed at the upper end of the cell stack 34d. Thus, all cells 3 6 are electrically connected in series.
[0019]
More specifically about the cell 36, the electrode support substrate 38 is gas permeable to allow fuel gas to permeate to the anode layer 40, and is also conductive to collect current via the interconnector 46. Can be formed from a porous conductive ceramic (or cermet) that satisfies such requirements. In order to manufacture the electrode support substrate 38 by simultaneous firing with the fuel electrode layer 40 and / or the solid electrolyte layer 42, it is preferable to form the electrode support substrate 38 from an iron group metal component and a specific rare earth oxide. In order to provide the required gas permeability, it is preferable that the open porosity is in the range of 30% or more, in particular 35 to 50%, and the conductivity is also 300 S / cm or more, in particular 440 C / cm or more. Is preferred. The fuel electrode layer 40 can be formed of a porous conductive ceramic, for example, ZrO 2 (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni and / or NiO. The solid electrolyte layer 42 has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time has a gas barrier property to prevent leakage between the fuel gas and the oxygen-containing gas. It is necessary and is usually formed from ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved. The oxygen electrode layer 44 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. Oxygen electrode layer 44 is required to have a gas permeable, open porosity of 20% or more, and preferably in the range especially from 30 to 50%. The interconnector 46 can be formed from a conductive ceramic, but it must have resistance to reduction and oxidation because it contacts the fuel gas, which may be hydrogen gas, and the oxygen-containing gas, which may be air. In addition, a lanthanum chromite perovskite oxide (LaCrO 3 oxide) is preferably used. Interconnect motor 46 must be dense to prevent leakage of the oxygen-containing gas flowing outside of the fuel gas and the electrode support substrate 38 through the gas passage 48 formed in the electrode support substrate 38, 93% As described above, it is particularly desirable to have a relative density of 95% or more. The current collecting member 50 can be composed of a member having an appropriate shape formed from a metal or alloy having elasticity, or a member obtained by adding a required surface treatment to a felt made of metal fiber or alloy fiber. The conductive member 52 can be formed from an appropriate metal or alloy.
[0020]
The description will be continued with reference to FIG. 3 together with FIG. 1 and FIG. 2, and the hollows constituting the oxygen-containing gas supply means are provided between the cell stacks 34a, 34b, 34c and 34d disposed in the power generation / combustion chamber 14. A plate-like member 54 is provided. The hollow plate-like member 54 can be formed from a heat-resistant material such as an appropriate ceramic. Hollow plate-like member 54 is the cell stack 34a, 34b, disposed between 34c and 34d, it is caused to extend substantially in the vertical person direction. As will be clearly understood by reference to FIG. 3, the upper end of the hollow plate-shaped member 54 the oxygen-containing gas inlet 56 is formed. In the illustrated embodiment, the oxygen-containing gas introduction port 56 is configured by a slit extending at the upper end of the hollow plate-like member in the vertical direction (the arrangement direction of the cells 36) in FIG. A flange 58 protruding substantially horizontally is formed at the upper end of the hollow plate-shaped member 54, and the oxygen-containing gas inlet 56 is surrounded by the flange 58. Below ends of both side walls of the hollow plate-shaped member 54 the oxygen-containing gas discharge port 60 is formed. In the illustrated embodiment, the oxygen-containing gas outlet 60 has the lower end portions of both side walls of the hollow plate-like member 54 in the arrangement direction of the cells 36 (that is, the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1 and the vertical direction in FIG. 2). It is comprised from the slit elongated along. As can be understood by referring to FIG. 1, the upper end of the hollow plate-like member 54 is positioned in a corresponding opening formed in the horizontal wall 20 of the partition member 24, and thus the oxygen-containing gas inlet 56. Is opened in an oxygen-containing gas manifold 28. The lower end of the hollow plate-like member 54 is positioned somewhat above the partition plate 10, and therefore at the lower end of the power generation / combustion chamber 14.
[0021]
Modification of the hollow plate-like member is shown in FIG. In the hollow plate-shaped member 154 shown in FIG. 4, the oxygen-containing gas discharge port 160 is arranged at the lower ends of both side walls of the hollow plate-shaped member 154 in the arrangement direction of the cells 36 (that is, the direction perpendicular to the paper surface in FIG. and a vertical direction) a plurality of holes formed at intervals along the in FIG. The other structure of the hollow plate member 154 is substantially the same as that of the hollow plate member 54 shown in FIG.
[0022]
In the solid electrolyte fuel cell assembly of as described above, through the fuel gas inlet pipe 18 from the fuel gas supply source 19, for example, a city gas itself hydrogen obtained by reforming in a known suitable manner Good fuel gas is supplied to the fuel gas manifold 16. Then, such fuel gas is introduced into the lower end of the gas passage 48 which is formed from the fuel gas manifold 16 to each of the electrode support substrate 38 of the cell 36, is caused to flow upwardly through the gas passage 4 8. On the other hand, the oxygen-containing gas supply source 32 supplies an oxygen-containing gas, which may be air, to the oxygen-containing gas manifold 28 through the heat exchange means 30. The oxygen-containing gas supplied to the oxygen-containing gas manifold 28 flows into the hollow plate-shaped member 54 from the oxygen-containing gas introduction port 56, flows down through the hollow plate-shaped member 54, and is discharged from the oxygen-containing gas discharge port 60. The The oxygen-containing gas outlet 60 is formed on both side walls of the hollow plate-like member 54 and is directed to the cell stacks 34a, 34b, 34c and 34d. Accordingly, the oxygen-containing gas is ejected toward the cell stacks 34a, 34b, 34c and 34d at the lower end of the power generation / combustion chamber 14, and then the inside of the power generation / combustion chamber 14 is raised. Thus, each cell 36 of the cell stacks 34a, 34b, 34c and 34d is supplied sufficiently effectively. In each cell 36, an electrode reaction of the following formula (1) is generated in the oxygen electrode layer 44, and an electrode reaction of the following formula (2) is generated in the fuel electrode layer 40 to generate electric power.
[0023]
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2-(solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e - ··· (2)
[0024]
The fuel gas flowing through the gas passage 48 of the electrode support substrate 38 in the cell 36 that has not been used for the electrode reaction is caused to flow into the power generation / combustion chamber 14 from the upper end of the electrode support substrate 38. The fuel gas discharged into the power generation / combustion chamber 14 is combusted simultaneously with the outflow. Appropriate ignition means (not shown) is provided in the power generation / combustion chamber 14, and when the fuel gas starts to flow out to the power generation / combustion chamber 14, the ignition means is activated and combustion is started. . The oxygen contained in the oxygen-containing gas supplied to the power generation / combustion chamber 14 through the hollow plate-like member 54 is used for combustion. The combustion gas is supplied to the heat exchanging means 30 through an appropriate flow path means (not shown), and is discharged from the housing 4 after exchanging heat with the oxygen-containing gas in the heat exchanging means 30.
[0025]
Have been described in detail preferred embodiments of the constructed solid electrolyte fuel cell assembly with reference to the accompanying drawings in accordance with the present invention, the present invention is not limited to the implementation form that written, the present invention It should be understood that various changes and modifications can be made without departing from the scope. For example, in the illustrated embodiment, the fuel gas is allowed to flow through the gas passage formed in the electrode support substrate. However, the oxygen-containing gas is caused to flow through a gas passage formed in the electrode support substrate (in this case, the oxygen-containing gas is supplied to a gas manifold disposed below the partition plate 10 to form a hollow plate-like member. to 54 or 154 for supplying fuel gas to) the form of a solid electrolyte fuel cell assembly can be applied to the present invention.
[0026]
【The invention's effect】
According to the solid electrolyte fuel cell assembly of the present invention, it is possible to supply the oxygen-containing gas with sufficient efficiency to each of the cells, and also can be manufactured inexpensively as compared with the conventional solid electrolyte fuel cell assembly .
[Brief description of the drawings]
Longitudinal sectional view showing a main part of a preferred embodiment of the constructed solid electrolyte fuel cell assembly according to the invention; FIG.
Figure 2 is a cross-sectional view showing a main portion of the solid electrolyte fuel cell assembly shown in FIG.
[Figure 3] Slope view showing a hollow plate-shaped member in the solid electrolyte fuel cell assembly shown in FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a modification of the hollow plate member.
[Explanation of symbols]
4: Housing 12: Fuel gas manifold chamber 14: Power generation / combustion chamber 16: Fuel gas manifold 28: Oxygen-containing gas manifold 30: Heat exchange means 34a: Cell stack 34b: Cell stack 34c: Cell stack 34d: Cell stack 36: Cell 38: electrode support substrate 40: fuel electrode layer 42: solid electrolytic chamber layer 44: oxygen electrode layer 46: interconnector 48: gas passage 50: current collecting member 52: conductive member 54: hollow plate member (oxygen-containing gas supply means) )
56: Oxygen-containing gas inlet 60: Oxygen-containing gas outlet

Claims (1)

鉛直方向に延びる複数のセルを一列に配列して構成されたセルスタックを、該セルスタックを構成するセルの配列方向に沿った側面が対向するように複数個を並列配置するとともに、前記セルスタック間にガス供給手段を配設してなる固体電解質形燃料電池組立体において、
前記ガス供給手段は、鉛直方向に且つ前記セルの配列方向に延在する中空板状部材から構成されており、該中空板状部材の上端にはガス導入口が形成されており、前記中空板状部材の、前記セルスタックに対向する両側壁の下端部には、前記セルの配列方向に沿って延びるスリット又は前記セルの配列方向に沿って間隔をおいて形成された複数個の孔から構成されているガス排出口が形成されている、ことを特徴とする固体電解質形燃料電池組立体。
The cell stack constructed by arranging in a row a plurality of cells extending in the vertical direction, together with the side along the arrangement direction of the cells constituting the cell stack arranged in parallel a plurality so as to face, the cell stack In a solid oxide fuel cell assembly having a gas supply means disposed therebetween,
The gas supply means is composed of a hollow plate-like member extending in the vertical direction and in the cell arrangement direction, and a gas inlet is formed at the upper end of the hollow plate-like member. The lower end of both side walls of the shaped member facing the cell stack is composed of slits extending along the cell arrangement direction or a plurality of holes formed at intervals along the cell arrangement direction. A solid oxide fuel cell assembly characterized in that a gas discharge port is formed.
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