JP4815737B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC).

周知のように、固体酸化物型燃料電池は第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進められている。この固体酸化物型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型および平板積層型の３種類が現在のところ提案されているが、これら構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、平板積層型の構造が多く採用されている。   As is well known, solid oxide fuel cells are being researched and developed as third-generation power generation fuel cells. Currently, three types of solid oxide fuel cells are proposed: cylindrical, monolithic, and flat plate type. Of these structures, low-temperature solid oxide fuel cells are used. A flat plate type structure is often used.

この平板積層型の固体酸化物型燃料電池においては、集電体を介して発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成され、当該燃料電池スタックが筐体内に収容されている。
発電セルは、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質を空気極（カソード）と燃料極（アノード）との間に挟んだ積層構造を有する。この発電セルの空気極側には、酸化剤ガスとしての酸素（空気）が供給される一方、燃料極側には、燃料ガス（Ｈ2 、ＣＨ4 等）が供給されるようになっている。空気極と燃料極は、酸素および燃料ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。 In this flat plate type solid oxide fuel cell, a power cell and a separator are alternately stacked via a current collector to form a fuel cell stack, and the fuel cell stack is accommodated in a casing. .
The power generation cell has a laminated structure in which a solid electrolyte made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode (cathode) and a fuel electrode (anode). Oxygen (air) as an oxidant gas is supplied to the air electrode side of the power generation cell, while fuel gas (H 2 , CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode side. . The air electrode and the fuel electrode are both porous so that oxygen and fuel gas can reach the interface with the solid electrolyte.

一方、セパレータは、発電セル間を電気的に接続する機能と、発電セルに対してガスを供給する機能とを有するもので、筐体外部から導入された燃料ガスを燃料極に対向する面から吐出させる燃料通路と、筐体外部から導入された酸化剤ガスとしての空気を空気極に対向する面から吐出させる酸化剤通路とをそれぞれ有している。このセパレータと発電セルの空気極との間には、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板等からなる空気極集電体が配置され、セパレータと発電セルの燃料極との間には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板等からなる燃料極集電体が配置されている。   On the other hand, the separator has a function of electrically connecting the power generation cells and a function of supplying gas to the power generation cells. From the surface facing the fuel electrode, the fuel gas introduced from the outside of the casing is provided. Each has a fuel passage to be discharged, and an oxidant passage for discharging air as an oxidant gas introduced from the outside of the housing from a surface facing the air electrode. An air electrode current collector made of a sponge-like porous sintered metal plate such as an Ag-based alloy is disposed between the separator and the air electrode of the power generation cell, and between the separator and the fuel electrode of the power generation cell. Is disposed with a fuel electrode current collector made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy.

上記構成からなる固体酸化物型燃料電池においては、セパレータおよび空気極集電体を介して発電セルの空気極側に供給された酸素が、空気極内の気孔を通って固体電解質との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２Ｏ 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を燃料極集電体により取り出すことによって電流が流れ、所定の起電力が得られる。 In the solid oxide fuel cell having the above configuration, oxygen supplied to the air electrode side of the power generation cell through the separator and the air electrode current collector passes through the pores in the air electrode and is in the vicinity of the interface with the solid electrolyte. In this part, electrons are received from the air electrode and ionized to oxide ions (O 2− ). The oxide ions diffusely move in the solid electrolyte toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate a reaction product (H 2 O or the like), and discharge electrons to the fuel electrode. When these electrons are taken out by the anode current collector, a current flows and a predetermined electromotive force is obtained.

因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｏ2-
燃料極： Ｈ2 ＋ Ｏ2- → Ｈ2 Ｏ＋２ｅ-
全体 ： Ｈ2 ＋ １／２ Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ Incidentally, the electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O 2 + 2e − → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
Overall: H 2 +1/2 O 2 → H 2 O

また、上記電極反応によって生成されたガスは、筐体壁面の上部または下部に形成された排気口から筐体外に排気される。   Moreover, the gas produced | generated by the said electrode reaction is exhausted out of a housing | casing from the exhaust port formed in the upper part or the lower part of a housing | casing wall surface.

ところで、上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池にあっては、上記発電反応に伴い発生するジュール熱の放熱状態等の違いから、発電セルの積層方向に温度差が生じ易く、図６に示すように、燃料電池スタックの中央部の温度が最も高く、上下両端部の温度が低くなるという傾向がある。さらに、上下両端部についても、発電反応によって生成された高温ガスの排気方向によっては温度差が生じてしまう。   By the way, in the above-described flat plate type solid oxide fuel cell, a temperature difference is likely to occur in the stacking direction of the power generation cells due to the difference in the heat release state of Joule heat generated by the power generation reaction. As shown, there is a tendency that the temperature at the center of the fuel cell stack is the highest and the temperatures at the top and bottom ends are low. Further, a temperature difference also occurs between the upper and lower ends depending on the exhaust direction of the hot gas generated by the power generation reaction.

一方、上記固体酸化物型燃料電池においては、各発電セルが直列に接続された状態となっているために、一番温度の低い発電セル（すなわち、低電流となる発電セル）によって発電性能が規定されてしまい、上述したように、発電セルの積層方向に温度差が生じると、全体として発電効率が低下してしまうという問題点があった。   On the other hand, in the solid oxide fuel cell, since the power generation cells are connected in series, the power generation performance is achieved by the power generation cell having the lowest temperature (that is, the power generation cell having a low current). If the temperature difference occurs in the stacking direction of the power generation cells as described above, there is a problem that the power generation efficiency is lowered as a whole.

そこで、上記問題点を解決するために、例えば、燃料電池スタックの温度を全体的に高くして、相対温度の低いスタック両端部の温度を引き上げることにより、発電性能を向上させるという方法も考えられるが、その方法の場合、相対温度の高いスタック中央部の温度も上昇して、発電反応に適した温度（図６のＴ２）を越えてしまい、却って上記発電効率が低下してしまう虞がある。   Therefore, in order to solve the above problem, for example, a method of improving the power generation performance by increasing the temperature of the fuel cell stack as a whole and raising the temperature at both ends of the stack having a low relative temperature is also conceivable. However, in the case of this method, the temperature at the center of the stack having a high relative temperature also rises, exceeds the temperature suitable for power generation reaction (T2 in FIG. 6), and the power generation efficiency may be reduced. .

他方、上記固体酸化物型燃料電池においては、筐体内に複数の燃料電池スタックを設置する場合もあり、このような場合には、筐体内におけるスタックの位置（他のスタックに対する相対位置）によって、近隣のスタックから受ける熱の影響度合いがそれぞれ異なることから、個々のスタックの積層方向だけでなく、スタック間においても温度条件に差異が生じて、スタック間で発電性能にバラツキが生じる懸念もあった。   On the other hand, in the solid oxide fuel cell, a plurality of fuel cell stacks may be installed in the casing. In such a case, depending on the position of the stack in the casing (relative position with respect to other stacks), Since the degree of influence of heat from neighboring stacks is different, there is a concern that power generation performance may vary between stacks due to differences in temperature conditions not only in the stacking direction of individual stacks but also between stacks. .

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、従来のものと比較して、各発電セルの温度の一層の均一化を図ることができ、これにより、全体としての発電効率を向上させることが可能な固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。さらに、本発明は、筐体内に複数の燃料電池スタックを設置する場合においても、スタック間で温度条件に差異が生じるのを抑制することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and can make the temperature of each power generation cell more uniform as compared with the conventional one, thereby improving the power generation efficiency as a whole. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of satisfying the requirements. Furthermore, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can suppress a difference in temperature condition between the stacks even when a plurality of fuel cell stacks are installed in a casing. To do.

請求項１に記載の発明は、発電セルとセパレータとを交互に積層してなり、かつ発電反応に消費されなかった残余のガスおよび発電反応によって生成されたガスを上記発電セルの外周部からスタック外に放出するシールレス構造の燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを収容する筐体と、この筐体の外部から上記燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段と、上記燃料電池スタックから放出されたガスを上記筐体外に排気する排気手段とを備える固体酸化物型燃料電池において、上記排気手段として、上記筐体の壁面を貫通して上記筐体内に延び、先端部にガスの取込口を有する排気管を用いてなり、かつ上記排気管は、上記積層方向に異なる複数箇所から上記筐体内のガスを筐体外に排気可能に構成されていることを特徴とするものである。 The invention according to claim 1, the Ri name by alternately laminating power generation cells and separators, and produced by has not been residual gas and the power generation reaction which is consumed in the power generation reaction gas from the outer periphery of the power generation cell A fuel cell stack having a sealless structure that is discharged to the outside of the stack, a housing that accommodates the fuel cell stack, and a fuel that supplies fuel gas and oxidant gas to the inside of the fuel cell stack from outside the housing. In a solid oxide fuel cell comprising a gas supply means and an oxidant gas supply means, and an exhaust means for exhausting the gas released from the fuel cell stack to the outside of the casing, the wall surface of the casing is used as the exhaust means. the penetrating extends the housing, made using an exhaust tube having an inlet of the gas at the distal end, and the exhaust pipe, said a plurality of positions different for the lamination direction And it is characterized in that the body of gas being evacuable constructed outside the housing.

請求項１に記載の発明によれば、筐体内のガスを排気する排気手段として、筐体の壁面を貫通して筐体内に延び先端部にガスの取込口を有する排気管を用いるようにしたので、筐体内のガスの取込口の位置を筐体の壁面ではなく筐体内の所望位置に設定することが可能となり、その設定を調節することによって、筐体内に所望のガス流を形成することが可能となる。その結果、当該ガス流を利用して、燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることが可能になる。すなわち、従来の固体酸化物型燃料電池においては、筐体の壁面にガスの取込口が形成されていたために、筐体内に形成し得るガス流が限定されてしまい、そのガス流を利用して燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることが困難であったのに対して、請求項１に記載の発明によれば、上述したように、所望のガス流を筐体内に形成することが可能であることから、そのガス流を利用して燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることが可能になる。
同様に、筐体内に複数の燃料電池スタックを設置する場合には、筐体内に所望のガス流を形成することにより、スタック間で温度条件に差異が生じるのを抑制することが可能になる。 According to the first aspect of the present invention, as the exhaust means for exhausting the gas in the casing, an exhaust pipe that extends through the wall surface of the casing into the casing and has a gas intake port at the tip is used. As a result, the position of the gas inlet in the housing can be set to a desired position in the housing instead of the wall surface of the housing, and a desired gas flow can be formed in the housing by adjusting the setting. It becomes possible to do. As a result, the temperature distribution of the fuel cell stack can be made uniform using the gas flow. That is, in the conventional solid oxide fuel cell, since the gas inlet is formed in the wall surface of the casing, the gas flow that can be formed in the casing is limited, and the gas flow is used. In contrast, it has been difficult to make the temperature distribution of the fuel cell stack uniform. According to the invention described in claim 1, as described above, a desired gas flow can be formed in the housing. Therefore, the temperature distribution of the fuel cell stack can be made uniform using the gas flow.
Similarly, when a plurality of fuel cell stacks are installed in the casing, it is possible to suppress a difference in temperature conditions between the stacks by forming a desired gas flow in the casing.

具体的に、上記積層方向に異なる複数箇所から筐体内のガスを排気する方法としては、例えば、請求項２に記載の発明のように、上記積層方向に異なる複数箇所に取込口を設ける方法や、請求項３に記載の発明のように、排気管自体を上記積層方向に移動自在とする方法などが挙げられ、前者の方法には、上記積層方向における長さの異なる複数の排気管を用いる方法と、一つの排気管に複数の取込口を設ける方法とが含まれる。 Specifically, as a method of exhausting the gas in the housing from a plurality of locations different in the stacking direction, for example, a method of providing intake ports at a plurality of locations different in the stacking direction as in the invention according to claim 2 And a method of making the exhaust pipe itself movable in the laminating direction as in the invention described in claim 3 , and the former method includes a plurality of exhaust pipes having different lengths in the laminating direction. And a method of providing a plurality of intake ports in one exhaust pipe.

請求項１〜３の何れかに記載の発明によれば、発電セルの積層方向に異なる複数箇所から筐体内のガスを排気するようにしたので、発電セルの積層方向に温度の偏りが生じ難くなり、従来のものと比較して、各発電セルの温度の一層の均一化を図ることができる。その結果、各発電セルの温度を発電反応に最適な温度に設定することが可能となり、燃料電池スタック全体としての発電効率を向上させることが可能となる。すなわち、従来では、各発電セルの温度のバラツキが大きかったために、最も温度の高い発電セルが、発電反応に適した温度範囲の上限を超過しないように、燃料電池スタックの温度を全体的に低くせざるを得なかったが、本発明によれば、各発電セルの温度のバラツキが小さいことから、燃料電池スタックの温度を全体的に高くすることが可能となり、これによって、燃料電池スタック全体としての発電効率を向上させることが可能となる。 According to the invention described in any one of claims 1 to 3 , since the gas in the housing is exhausted from a plurality of locations different in the stacking direction of the power generation cells, it is difficult for temperature deviation to occur in the stacking direction of the power generation cells. Thus, the temperature of each power generation cell can be made more uniform as compared with the conventional one. As a result, the temperature of each power generation cell can be set to an optimum temperature for the power generation reaction, and the power generation efficiency of the entire fuel cell stack can be improved. That is, in the past, since the temperature variation of each power generation cell was large, the temperature of the fuel cell stack was lowered overall so that the highest temperature power generation cell did not exceed the upper limit of the temperature range suitable for power generation reaction. However, according to the present invention, since the temperature variation of each power generation cell is small, the temperature of the fuel cell stack can be increased as a whole. It becomes possible to improve the power generation efficiency.

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池において、上記燃料電池スタックの上記積層方向の両端部の少なくとも一方の近傍に、上記取込口が配置されていることを特徴とするものである。 A fourth aspect of the present invention is the solid oxide fuel cell according to any one of the first to third aspects, wherein the intake port is provided in the vicinity of at least one end of the fuel cell stack in the stacking direction. Is arranged.

請求項４に記載の発明によれば、燃料電池スタックの積層方向の両端部と中央部との間に温度差が生じるのを抑制することができ、発電セルの積層方向における燃料電池スタック内の温度のバラツキを効果的になくすことができる。 According to invention of Claim 4 , it can suppress that a temperature difference arises between the both ends of the lamination direction of a fuel cell stack, and a center part, and the inside of a fuel cell stack in the lamination direction of an electric power generation cell The temperature variation can be effectively eliminated.

本発明によれば、各発電セルの温度の一層の均一化を図ることができ、その結果として、各発電セルの温度を発電反応に最適な温度に設定することができるので、全体としての発電効率を大幅に向上させることができる。また、筐体内に複数の燃料電池スタックを設置する場合においても、スタック間で温度条件に差異が生じるのを抑制することができ、スタック間で発電性能にバラツキが生じるのを防止することができる。   According to the present invention, the temperature of each power generation cell can be made more uniform, and as a result, the temperature of each power generation cell can be set to an optimum temperature for the power generation reaction. Efficiency can be greatly improved. Further, even when a plurality of fuel cell stacks are installed in the casing, it is possible to suppress the difference in temperature condition between the stacks and to prevent the generation performance from being varied between the stacks. .

図１は本発明の一実施形態を示すもので、図中符号１は燃料電池（燃料電池モジュールとも呼ばれる）、２は筐体、３は積層方向を縦にして筐体２内に配置された燃料電池スタックである。この燃料電池スタック３は、図２に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５及び空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル（発電部）７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ（最上層及び最下層のものは端板である）１０とを順番に積層した構造を持つ。   FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 is a fuel cell (also called a fuel cell module), 2 is a casing, and 3 is arranged in the casing 2 with the stacking direction being vertical. It is a fuel cell stack. As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 3 includes a power generation cell (power generation unit) 7 in which a fuel electrode layer 5 and an air electrode layer (oxidant electrode layer) 6 are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 4, and a fuel electrode. A fuel electrode current collector 8 outside the layer 5, an air electrode current collector (oxidant electrode current collector) 9 outside the air electrode layer 6, and a separator (the top layer) outside each current collector 8, 9. And the lowermost layer is an end plate).

ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。 Here, the solid electrolyte layer 4 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 5 is composed of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ, and air. The electrode layer 6 is made of LaMnO 3 , LaCoO 3 or the like, the fuel electrode current collector 8 is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 9 is made of an Ag-based alloy or the like. The separator 10 is made of stainless steel or the like.

また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料通路１０ａに接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド（図示省略）と、各セパレータ１０の酸化剤通路１０ｂに接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド（図示省略）とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。燃料用マニホールドには、筐体２の外部から当該燃料用マニホールドに燃料ガスを導入する燃料ガス導入管（燃料ガス供給手段）が接続される一方、酸化剤用マニホールドには、筐体２の外部から当該酸化剤用マニホールドに酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入管（酸化剤ガス供給手段）が接続され、これら導入管には、燃料ガス流量調整バルブおよび酸化剤ガス流量調整バルブがそれぞれ介装されている。また、酸化剤ガス導入管には、冷却酸化剤ガス（室温の空気）を導入するための冷却管が接続され、この冷却管には、冷却酸化剤ガスの流量を調整するための冷却ガス流量調整バルブが設けられている。   Further, on the side of the fuel cell stack 3, a fuel manifold (not shown) that supplies fuel gas to the fuel passages 10 a of the separators 10 through the connection pipes 11, and the connection pipes 12 to the oxidant passages 10 b of the separators 10. An oxidant manifold (not shown) that supplies air as an oxidant gas through the power generation cell 7 extends in the stacking direction. The fuel manifold is connected to a fuel gas introduction pipe (fuel gas supply means) for introducing fuel gas into the fuel manifold from the outside of the casing 2, while the oxidant manifold is connected to the outside of the casing 2. Is connected to an oxidant gas introduction pipe (oxidant gas supply means) for introducing an oxidant gas into the oxidant manifold, and a fuel gas flow rate adjustment valve and an oxidant gas flow rate adjustment valve are respectively connected to these introduction pipes. It is disguised. In addition, a cooling pipe for introducing a cooling oxidant gas (air at room temperature) is connected to the oxidant gas introduction pipe, and a cooling gas flow rate for adjusting the flow rate of the cooling oxidant gas is connected to the cooling pipe. An adjustment valve is provided.

そして、この燃料電池１では、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造としたことにより、運転時に、セパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給する燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５及び空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応に消費されなかった残余のガスや発電反応によって生成されたガスを、発電セル７の外周部からスタック外に放出するようになっている。   In the fuel cell 1, the fuel that is supplied from the substantially central portion of the separator 10 toward the power generation cell 7 during operation is achieved by adopting a sealless structure in which a gas leak prevention seal is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 7. While diffusing gas and oxidant gas (air) in the outer peripheral direction of the power generation cell 7, the gas and the oxidant gas (air) are spread over the entire surface of the fuel electrode layer 5 and the air electrode layer 6 with a good distribution to generate a power generation reaction and consumed in the power generation reaction Residual gas that has not been generated or gas generated by the power generation reaction is discharged from the outer peripheral portion of the power generation cell 7 to the outside of the stack.

また、燃料電池スタック３の周囲には、図１に示すように、筐体２の上壁面２ａを貫通して筐体２内に延びる排気管２０、２１、２２が複数配設されている。これら排気管は、高さ方向（発電セル７の積層方向）における長さがそれぞれ異なり、ここでは、先端部が燃料電池スタック３の下端部近傍にまで至る排気管２０と、上端部近傍にまで至る排気管２１と、中央部近傍にまで至る排気管２２とが、スタック３の周囲にそれぞれ設けられている。各排気管２０、２１、２２の先端部には、筐体内のガスを取り込む取込口２０ａ、２１ａ、２２ａがそれぞれ設けられ、それら取込口２０ａ、２１ａ、２２ａの高さ位置（積層方向における位置）が互いに異なるようになっている。すなわち、本実施形態では、高さ位置の異なる複数箇所に取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを設けて、その各々に筐体内のガスが集まるように構成することにより、各取込口近傍の温度を均一化して、燃料電池スタック３の積層方向における温度のバラツキをなくすようにしている。   Further, as shown in FIG. 1, a plurality of exhaust pipes 20, 21, 22 extending through the upper wall surface 2 a of the housing 2 and extending into the housing 2 are disposed around the fuel cell stack 3. These exhaust pipes have different lengths in the height direction (stacking direction of the power generation cells 7). Here, the exhaust pipe 20 reaches the vicinity of the lower end of the fuel cell stack 3 and the vicinity of the upper end. An exhaust pipe 21 extending to the vicinity of the center portion and an exhaust pipe 22 extending to the vicinity of the center portion are provided around the stack 3. The exhaust pipes 20, 21, 22 are provided with intake ports 20 a, 21 a, 22 a for taking in the gas in the housing, respectively, and the height positions of the intake ports 20 a, 21 a, 22 a (in the stacking direction) Position) are different from each other. That is, in the present embodiment, the intake ports 20a, 21a, and 22a are provided at a plurality of locations having different height positions, and the gas in the housing is collected at each of the intake ports 20a, 21a, and 22a. Is made uniform so that temperature variation in the stacking direction of the fuel cell stack 3 is eliminated.

なお、各排気管２０、２１、２２に取込口を設ける方法としては、図１に示すように、各排気管２０、２１、２２の先端部に一つずつ取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを設ける方法の他に、例えば、図３（ａ）に示すように、各排気管２０、２１、２２を途中で複数に分岐させて、各々の先端部に取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを設ける方法や、図３（ｂ）に示すように、各排気管２０、２１、２２の先端部に、スタック３の周囲に沿う環状のパイプ２０ｂ、２１ｂ、２２ｂを接続して、当該パイプに複数の取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを設ける方法などが挙げられる。図３（ａ）および図３（ｂ）に示す方法によれば、スタック３の周方向に沿って均等に排気を行うことが可能になることから、スタック３の周方向にも温度分布の偏りが生じ難くなる。   In addition, as a method of providing intake ports in the exhaust pipes 20, 21, and 22, as shown in FIG. 1, one intake port 20a, 21a, and 22a is provided at the tip of each exhaust pipe 20, 21, and 22, respectively. 3, for example, as shown in FIG. 3A, the exhaust pipes 20, 21, and 22 are branched into a plurality of parts on the way, and intake ports 20 a, 21 a, and 22 a are provided at the respective distal ends. As shown in FIG. 3 (b), an annular pipe 20b, 21b, 22b along the periphery of the stack 3 is connected to the tip of each exhaust pipe 20, 21, 22 as shown in FIG. And a method of providing the intake ports 20a, 21a, and 22a. According to the method shown in FIG. 3A and FIG. 3B, exhaust can be performed uniformly along the circumferential direction of the stack 3. Is less likely to occur.

また、各排気管２０、２１、２２には、図１に示すように、取込口２０ａ、２１ａ、２２ａより取り込んだガスの排気流量を調整するための排気流量調整バルブ２３、２４、２５が介装され、これら排気流量調整バルブ２３、２４、２５および排気管２０、２１、２２等によって、筐体内のガスを排気する排気手段が構成されている。なお、図１に示すように、筐体壁面の上部と下部とに排気口２６、２７を設けて、それら排気口２６、２７からも筐体内のガスを排気できるように構成してもよい。   Further, as shown in FIG. 1, the exhaust pipes 20, 21 and 22 have exhaust flow rate adjusting valves 23, 24 and 25 for adjusting the exhaust flow rate of the gas taken in from the intake ports 20a, 21a and 22a. These exhaust flow rate adjusting valves 23, 24, 25, exhaust pipes 20, 21, 22 and the like constitute exhaust means for exhausting the gas in the housing. As shown in FIG. 1, exhaust ports 26 and 27 may be provided in the upper and lower portions of the wall surface of the housing so that the gas in the housing can be exhausted from these exhaust ports 26 and 27.

さらに、燃料電池スタック３には、発電セル７の積層方向における温度分布を計測するための温度センサ（図示省略）が複数箇所に設置され、それら温度センサの検出信号が、図示省略のコントローラに出力されるようになっている。このコントローラは、上記温度センサからの検出信号に基づいて、各排気流量調整バルブ２３、２４、２５の開度を調整して、各排気管２０、２１、２２から筐体外に排気されるガスの流量を制御するようになっている。   Further, the fuel cell stack 3 is provided with temperature sensors (not shown) for measuring the temperature distribution in the stacking direction of the power generation cells 7 at a plurality of locations, and detection signals from these temperature sensors are output to a controller (not shown). It has come to be. This controller adjusts the opening degree of each exhaust flow rate adjusting valve 23, 24, 25 based on the detection signal from the temperature sensor, and controls the amount of gas exhausted from the exhaust pipes 20, 21, 22 to the outside of the casing. The flow rate is controlled.

上記構成からなる燃料電池１においては、各バルブ（燃料ガス流量調整バルブ、酸化剤ガス流量調整バルブ、排気流量調整バルブ２３、２４、２５）が開状態のときに、燃料電池スタック３内に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電反応が行われるとともに、発電反応に消費されなかった残余のガスや発電反応によって生成されたガスが、燃料電池スタック３の外周部から放出された後、各排気管２０、２１、２２を介して筐体外に排気されることとなる。
この際に、筐体内には、各排気管２０、２１、２２の取込口２０ａ、２１ａ、２２ａに向かうガスの流れが形成され、各取込口に集まるガスによって各取込口近傍の温度が均一化される。その結果、燃料電池スタック３の積層方向に温度のバラツキが生じ難くなり、図５に示すように、発電セル７間の温度差が、従来のもの（図６）と比較して大幅に縮小されることとなる。 In the fuel cell 1 having the above-described configuration, when each valve (fuel gas flow rate adjustment valve, oxidant gas flow rate adjustment valve, exhaust flow rate adjustment valve 23, 24, 25) is in an open state, the fuel cell stack 3 has fuel. After the gas and the oxidant gas are supplied and the power generation reaction is performed, the remaining gas that has not been consumed in the power generation reaction and the gas generated by the power generation reaction are discharged from the outer peripheral portion of the fuel cell stack 3. The air is exhausted outside the casing through the exhaust pipes 20, 21, and 22.
At this time, a gas flow toward the intake ports 20a, 21a, and 22a of the exhaust pipes 20, 21, and 22 is formed in the casing, and the temperature in the vicinity of each intake port is generated by the gas that collects at each intake port. Is made uniform. As a result, temperature variations are less likely to occur in the stacking direction of the fuel cell stack 3, and as shown in FIG. 5, the temperature difference between the power generation cells 7 is significantly reduced compared to the conventional one (FIG. 6). The Rukoto.

以上のように、本実施形態の燃料電池１によれば、筐体内のガスを排気する排気手段として、筐体２の壁面を貫通して筐体内に延び先端部にガスの取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを有する排気管２０、２１、２２を用いるようにしたので、筐体内のガスの取込口２０ａ、２１ａ、２２ａの位置を筐体２の壁面ではなく筐体内の所望位置に設定することが可能となり、その設定を調節することによって、筐体内に所望のガス流を形成することが可能となる。その結果、当該ガス流を利用して、燃料電池スタック３の温度分布の均一化を図ることが可能になる。   As described above, according to the fuel cell 1 of the present embodiment, as an exhaust means for exhausting the gas in the casing, the gas inlet 20a extends through the wall surface of the casing 2 and extends into the casing at the tip. Since the exhaust pipes 20, 21, 22 having 21 a, 22 a are used, the positions of the gas intake ports 20 a, 21 a, 22 a in the casing are set to desired positions in the casing instead of the wall surfaces of the casing 2. By adjusting the setting, a desired gas flow can be formed in the housing. As a result, the temperature distribution of the fuel cell stack 3 can be made uniform using the gas flow.

特に、本実施形態では、発電セル７の積層方向に異なる複数箇所から筐体内のガスを排気するようにしたので、発電セル７の積層方向に温度の偏りが生じ難くなり、従来のものと比較して、各発電セル７の温度の一層の均一化を図ることができる。その結果、各発電セル７の温度を発電反応に最適な温度に設定することが可能となり、燃料電池スタック７全体としての発電効率を向上させることが可能となる。   In particular, in the present embodiment, since the gas in the housing is exhausted from a plurality of locations different in the stacking direction of the power generation cells 7, it is difficult for temperature deviation to occur in the stacking direction of the power generation cells 7, and compared with the conventional one. Thus, the temperature of each power generation cell 7 can be made more uniform. As a result, the temperature of each power generation cell 7 can be set to an optimum temperature for the power generation reaction, and the power generation efficiency of the fuel cell stack 7 as a whole can be improved.

なお、本実施形態においては、積層方向に異なる複数箇所から筐体内のガスを排気する方法として、燃料電池スタック３の周囲に複数の排気管２０、２１、２２を設けて各々の長さを異ならせる方法を採用するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、積層方向に異なる複数箇所に取込口を設ける方法や、例えば、図１の排気管２２や図３（ｂ）の排気管のように、排気管自体を積層方向に移動自在に構成して、その移動に伴い取込口の積層方向における位置を変化させる方法などを採用することも可能である。また、排気管自体を積層方向に移動させる方法の場合には、駆動手段として、モータ等の電気的駆動装置を用いることが可能であり、その場合、温度センサからの検出信号等に基づいてコントローラが上記電気的駆動装置を制御する構成とすることも可能である。   In the present embodiment, as a method of exhausting the gas in the housing from a plurality of locations different in the stacking direction, a plurality of exhaust pipes 20, 21, and 22 are provided around the fuel cell stack 3, and the lengths thereof are different. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 4, a method of providing intake ports at a plurality of different locations in the stacking direction, for example, FIG. The exhaust pipe itself is configured to be movable in the stacking direction, such as the exhaust pipe 22 of FIG. 3 and the exhaust pipe in FIG. 3B, and the position of the intake port in the stacking direction is changed along with the movement. It is also possible to do. In the case of the method of moving the exhaust pipe itself in the stacking direction, an electric drive device such as a motor can be used as the drive means. In this case, the controller is based on a detection signal from the temperature sensor. It is also possible to adopt a configuration for controlling the electric drive device.

また、本実施形態においては、筐体２内に燃料電池スタック３を一つ設ける場合について説明したが、複数設ける場合に本発明を適用することも可能である。筐体２内に複数の燃料電池スタック３を設ける場合には、積層方向（鉛直方向）だけでなく、水平面内における位置が異なる複数箇所に、筐体内のガスを取り込む取込口を設けることによって、各スタック３の温度分布が均一化するような高温ガスの流れを筐体２内に形成し、これによって、スタック間で温度条件に差異が生じるのを抑制することが可能である。   In the present embodiment, the case where one fuel cell stack 3 is provided in the housing 2 has been described, but the present invention can also be applied to a case where a plurality of fuel cell stacks 3 are provided. When a plurality of fuel cell stacks 3 are provided in the housing 2, not only in the stacking direction (vertical direction), but also by providing intake ports for taking in the gas in the housing at a plurality of different positions in the horizontal plane. It is possible to form a flow of high-temperature gas in the casing 2 so that the temperature distribution of each stack 3 becomes uniform, thereby suppressing a difference in temperature conditions between the stacks.

本発明に係る固体酸化物型燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 図１の燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the fuel cell stack of FIG. 図１の排気管の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the exhaust pipe of FIG. 図１の排気管の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the exhaust pipe of FIG. 図１の燃料電池スタックの温度分布を示すグラフである。2 is a graph showing a temperature distribution of the fuel cell stack of FIG. 1. 従来の固体酸化物型燃料電池に備わる燃料電池スタックの温度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature distribution of the fuel cell stack with which the conventional solid oxide fuel cell is equipped.

符号の説明Explanation of symbols

１ 固体酸化物型燃料電池
２ 筐体
３ 燃料電池スタック
７ 発電セル
１０ セパレータ
２０、２１、２２ 排気管（排気手段）
２０ａ、２１ａ、２２ａ 取込口 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Case 3 Fuel cell stack 7 Power generation cell 10 Separator 20, 21, 22 Exhaust pipe (exhaust means)
20a, 21a, 22a intake

Claims (4)

発電セルとセパレータとを交互に積層してなり、かつ発電反応に消費されなかった残余のガスおよび発電反応によって生成されたガスを上記発電セルの外周部からスタック外に放出するシールレス構造の燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを収容する筐体と、この筐体の外部から上記燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段と、上記燃料電池スタックから放出されたガスを上記筐体外に排気する排気手段とを備える固体酸化物型燃料電池において、
上記排気手段として、上記筐体の壁面を貫通して上記筐体内に延び、先端部にガスの取込口を有する排気管を用いてなり、かつ上記排気管は、上記積層方向に異なる複数箇所から上記筐体内のガスを筐体外に排気可能に構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 Ri and power generation cells and separators greens are laminated alternately, and the power generation reaction in the gas generated by the gas and the power generation reaction of the residual not consumed in the sealless structure released out stack from the periphery of the power generation cell FUEL CELL STACK, HOUSE CONTAINING THE FUEL CELL STACK, FUEL GAS SUPPLY UNIT AND OXIDANT GAS SUPPLY UNIT FOR SUPPLYING FUEL GAS AND OXIDANT GAS FROM THE OUTSIDE OF THE HOUSE TO THE FUEL CELL STACK And a solid oxide fuel cell comprising exhaust means for exhausting the gas released from the fuel cell stack to the outside of the housing,
As the exhaust means, an exhaust pipe extending through the wall surface of the casing into the casing and having a gas intake port at the tip is used , and the exhaust pipe has a plurality of different locations in the stacking direction. The solid oxide fuel cell is characterized in that the gas in the casing can be exhausted outside the casing . 上記排気管は、上記積層方向に異なる複数箇所に上記取込口が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the exhaust pipe is provided with the intake ports at a plurality of different locations in the stacking direction. 上記排気管は、上記取込口が上記積層方向に移動自在に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。 The exhaust pipe, the solid oxide fuel cell according to claim 1 in which the inlet is equal to or is found provided movably in the stacking direction. 上記燃料電池スタックの上記積層方向の両端部の少なくとも一方の近傍に、上記取込口が配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the intake port is disposed in the vicinity of at least one of both end portions in the stacking direction of the fuel cell stack. .
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