JP4972861B2 - Method for starting fuel cell stack structure and fuel cell stack structure - Google Patents

Method for starting fuel cell stack structure and fuel cell stack structure Download PDF

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Description

本発明は、固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体の起動方法及び燃料電池スタック構造体に関するものである。     The present invention relates to a method for starting a fuel cell stack structure formed by stacking solid oxide fuel cells, and a fuel cell stack structure.

上記したような燃料電池スタック構造体を自動車に搭載する場合、起動停止が頻繁に繰り返されることから、熱容量が小さいことが望ましいが、ガス流路部分の強度やシール性の確保のために、部分的に熱容量の大きい部分が不可避的に形成される。   When the fuel cell stack structure as described above is mounted on an automobile, since the start and stop are frequently repeated, it is desirable that the heat capacity is small, but in order to ensure the strength and sealing performance of the gas flow path portion, Therefore, a portion having a large heat capacity is inevitably formed.

このような熱容量の大きい部分では、起動時において昇温が遅れ、熱容量の小さい部分では急激に加熱される。その結果、温度差が大きくなって応力集中が発生し、固体電解質型燃料電池のセパレータや単セルの破損を引き起こす。   In such a portion having a large heat capacity, the temperature rise is delayed at the time of startup, and in a portion having a small heat capacity, the portion is heated rapidly. As a result, the temperature difference becomes large and stress concentration occurs, causing damage to the separator or single cell of the solid oxide fuel cell.

また、熱容量の大きいガス流路部分の温度が低いため、発電用ガスの温度が低下して出力が低下し、温度の不均一による出力のばらつきが発生する。   In addition, since the temperature of the gas flow path portion having a large heat capacity is low, the temperature of the power generation gas is lowered, the output is lowered, and the output varies due to uneven temperature.

従来において、上記した不具合を解消するために、バーナーで燃料ガスを燃焼させてその高温の燃焼排ガスを燃料極通路に流して加熱し、この際、バーナーで不完全燃焼させることにより燃焼排ガスに還元性を持たせて燃料極の還元性を維持するようにした起動方法や、円筒状のセルの内部の空気流路に触媒燃焼部を設けて、高温のガスを送り込むだけでなく触媒燃焼部の熱を効率よくセルに伝えるようにした発電システムが提案されている。
特開平11−162492号公報 特開2004−119298号公報
Conventionally, in order to eliminate the above-mentioned problems, the fuel gas is burned with a burner and the high-temperature flue gas is flowed through the fuel electrode passage and heated. The start-up method is designed to maintain the reducibility of the fuel electrode, and the catalytic combustion section is provided in the air flow path inside the cylindrical cell so that not only high-temperature gas is sent, but also the catalytic combustion section A power generation system that efficiently transfers heat to a cell has been proposed.
JP-A-11-162492 JP 2004-119298 A

ところが、従来において、前者の起動方法では、対象物の熱容量が大きいことから、加熱に時間がかかるうえ、ガス流の上流側に対して下流側で昇温が遅れるため、温度差が発生してしまうという問題があり、後者の発電システムでは、円筒型のセルに限定されるのでセルの製造が難しく、また、スタックの集積度を上げることができないという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。   However, in the former, since the heat capacity of the object is large in the former activation method, heating takes time, and the temperature rise is delayed on the downstream side with respect to the upstream side of the gas flow. In the latter power generation system, there is a problem that it is difficult to manufacture the cell because it is limited to the cylindrical cell, and the stack density cannot be increased. Has become a conventional problem.

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、起動時において、熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることで、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差を少なくして応力集中が生じるのを抑制することができ、加えて、ガス流路の温度が低いことによるガス温度の低下を防ぐことが可能である燃料電池スタック構造体の起動方法及び燃料電池スタック構造体を提供することを目的としている。   The present invention has been made paying attention to the above-described conventional problems, and at the time of start-up, the temperature difference between the large heat capacity portion and the small heat capacity portion is reduced by improving the temperature rising rate of the large heat capacity portion. The fuel cell stack structure starting method and the fuel cell stack structure can prevent the stress concentration from occurring and, in addition, can prevent the gas temperature from decreasing due to the low temperature of the gas flow path The purpose is to provide.

そこで、本発明者らは、熱容量の大きいガス流路部分を選択的に加熱し、一方、熱容量の小さい部分は、熱容量の大きい部分からの熱伝導により昇温させるようにしたり、熱容量の大きい部分が昇温した後に小さい部分が昇温するように高温ガスの流れを変更したりすることで、上記目的が達成されることを見出した。   Therefore, the inventors selectively heated the gas flow path portion having a large heat capacity, while the portion having a small heat capacity is heated by heat conduction from the portion having a large heat capacity, or a portion having a large heat capacity. It has been found that the above object can be achieved by changing the flow of the high-temperature gas so that the temperature of the small portion rises after the temperature rises.

すなわち、本発明は、中央にガス導入孔及びガス排出孔を有する二枚の金属薄板状のセパレータと、両セパレータ間の中央に配置され且つ両セパレータ間に形成した空間に対してガス導入及び排出を行う中央流路部品と、両セパレータ間に形成した空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セルを備えた複数の固体電解質型燃料電池を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池の中央に、前記ガス導入孔、及び中央流路部品を連通させて少なくとも1つのガス流路を形成すると共に、前記ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する燃料電池スタック構造体を起動するに際して、各セパレータの中央と中央流路部品が重合している固体電解質型燃料電池の中心部分を熱容量の大きい部分とし、これに対して各セパレータの外周部分を熱容量の小さい部分として、複数の固体電解質型燃料電池を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分を選択的に加熱する構成としたことをを特徴としており、この燃料電池スタック構造体の起動方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。 That is, the present invention provides two metal thin plate separators having a gas introduction hole and a gas discharge hole in the center, and a gas introduction and discharge to a space formed in the center between both separators and formed between both separators. And a plurality of solid oxide fuel cells including a single cell of a solid electrolyte type that is housed in a space formed between both separators and one surface of which is exposed to the outside. , the center of the solid oxide fuel cell, the gas introduction hole, and communicates the beauty central channel parts so as to form at least one gas channel, each of the solid oxide fuel cell from the gas flow path When starting the fuel cell stack structure that supplies gas to the space, the central part of the solid oxide fuel cell in which the center of each separator and the central flow path component are polymerized is the part with a large heat capacity. On the other hand, the outer peripheral part of each separator is a part having a small heat capacity, and at the stage of raising the temperature of the plurality of solid oxide fuel cells, the part having a large heat capacity is selectively heated. The configuration of the starting method of the fuel cell stack structure is used as means for solving the above-described conventional problems.

一方、本発明の燃料電池スタック構造体は、中央にガス導入孔及びガス排出孔を有する二枚の金属薄板状のセパレータと、両セパレータ間の中央に配置され且つ両セパレータ間に形成した空間に対してガス導入及び排出を行う中央流路部品と、両セパレータ間に形成した空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セルを備えた複数の固体電解質型燃料電池を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池の中央に、前記ガス導入孔、及び中央流路部品を連通させて少なくとも1つのガス流路を形成すると共に、前記ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する燃料電池スタック構造体において、各セパレータの中央と中央流路部品が重合している固体電解質型燃料電池の中心部分を熱容量の大きい部分とし、これに対して各セパレータの外周部分を熱容量の小さい部分として、起動時における複数の固体電解質型燃料電池を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分を選択的に加熱可能とした構成としたことを特徴としており、この燃料電池スタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。 On the other hand, the fuel cell stack structure of the present invention has two metal thin plate separators having a gas introduction hole and a gas discharge hole in the center, and a space formed in the center between both separators and formed between both separators. A plurality of solid electrolyte fuels including a central flow path component that introduces and discharges gas and a solid electrolyte type single cell that is accommodated in a space formed between both separators and has one surface exposed to the outside made by laminating battery, these in the middle of the solid oxide fuel cell, the gas introduction hole, thereby forming at least one gas flow path to communicate with each other beauty central channel parts, solids from the gas flow path In the fuel cell stack structure for supplying gas to each space of the electrolyte fuel cell, the central portion of the solid oxide fuel cell in which the center of each separator and the central flow path component are polymerized is a portion having a large heat capacity On the other hand, the outer peripheral part of each separator is a part having a small heat capacity, and at the stage of raising the temperature of the plurality of solid oxide fuel cells at the time of startup, the part having a large heat capacity can be selectively heated. The structure of the fuel cell stack structure is a means for solving the above-described conventional problems.

本発明において、二枚の金属薄板状のセパレータ間の中央に中央流路部品を配置することにより、例えば、中心に金属製のガス流路を形成して成る燃料電池スタック構造体である場合、各セパレータの中央と中央流路部品が重合している中心付近の熱容量が大きくなり、これに対して金属薄板状セパレータの外周部分の熱容量が小さくなる。 In the present invention, by disposing a central flow path component in the center between two sheet metal separators, for example, in the case of a fuel cell stack structure formed by forming a metal gas flow path at the center, Ri is Na large heat capacity in the vicinity of the center of the center and the central passage part of the separators is polymerized, the thermal capacity of the outer peripheral portion of the metal thin plate separator is that a small hand.

この際、スタック構造体の外周側からヒーター又は高温ガスで熱を供給すると、熱容量が小さく且つ熱源に近い外周部分が先行して昇温され、熱容量の大きい中心付近は昇温が遅れる。また、中心から高温ガスを発電時と同様の流路で流したとしても、熱容量の小さい部分が先行して加熱される。   At this time, if heat is supplied from the outer peripheral side of the stack structure with a heater or high-temperature gas, the outer peripheral portion having a small heat capacity and close to the heat source is heated in advance, and the temperature rise is delayed near the center having a large heat capacity. Moreover, even if a high-temperature gas is caused to flow from the center through the same flow path as that during power generation, the portion having a small heat capacity is heated in advance.

このスタック構造体の中心のガス流路の寸法は15〜25mmφ、排出流路を含む熱容量の大きい部分の寸法は40〜60mmφ、1つの固体電解質型燃料電池の厚さは1〜5mm程度であり、本発明では、熱容量の大きい40〜60mmφの部分を選択的に加熱する。   The size of the gas channel at the center of the stack structure is 15 to 25 mmφ, the size of the large heat capacity including the discharge channel is 40 to 60 mmφ, and the thickness of one solid oxide fuel cell is about 1 to 5 mm. In the present invention, a portion having a large heat capacity of 40 to 60 mmφ is selectively heated.

なお、以下においては、燃料ガスを固体電解質型燃料電池の内部空間に流し、空気ガスを固体電解質型燃料電池の外部に流す発電システムであることを前提とした記述とするが、ガスの種類を入れ替えても同様に適用可能である。また、スタック構造体についても、中心に金属製のガス流路を形成した中心流路型のスタック構造体を前提として記述する。 In the following description, it is assumed that the power generation system flows fuel gas into the interior space of the solid oxide fuel cell and air gas flows outside the solid oxide fuel cell. Even if it is replaced, the same applies. In addition, the stack structure also, that describes the center channel type stacked structure forming a metallic gas passage in the center assumption.

本発明によれば、上記した構成としているので、起動時において、固体電解質型燃料電池の中心部分である熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることができ、熱容量の大きい部分と各セパレータの外周部分である熱容量の小さい部分との温度差による応力集中の発生を抑えることが可能であり、加えて、ガス流路を流れるガスの温度低下を防ぐことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。 According to the present invention, since it is configured as described above, at the time of start-up, it is possible to improve the rate of temperature rise in the portion having a large heat capacity that is the central portion of the solid oxide fuel cell . It is possible to suppress the occurrence of stress concentration due to a temperature difference from the part with a small heat capacity that is the outer peripheral part, and in addition, it is possible to prevent the temperature drop of the gas flowing through the gas flow path. Is brought about.

本発明において、固体電解質型燃料電池の中心部分である熱容量の大きい部分を選択的に加熱するためには、熱容量の大きい部分に優先的に高温ガスを流して加熱する構成を採用することができるほか、熱容量の大きい部分に発熱体を設けて加熱する構成を採用することができ、前者の場合は、ガスとの熱交換により熱容量の大きい部分が加熱されて昇温速度が上がり、結果として、スタック構造体全体の昇温速度が上がることとなる。 In the present invention, in order to selectively heat a portion having a large heat capacity, which is the central portion of the solid oxide fuel cell, a configuration in which a high-temperature gas is preferentially flowed and heated to a portion having a large heat capacity can be employed. in addition, it is possible to employ a configuration to heat a heating element provided on a large part of the heat capacity, in the former case, a large portion of the heat capacity by heat exchange is heated up Atsushi Nobori rate of the gas, as a result As a result, the heating rate of the entire stack structure is increased.

後者の場合は、例えば、固体電解質型燃料電池の中心部分に上下方向の貫通孔を形成して、この貫通孔にヒーター線(抵抗線)を挿入すると、中心部分が加熱されて昇温速度が上がることとなり、ヒーター線には、Ni−Crなどの一般的なヒーター線を利用することが可能である。この構成とすると、循環流路などを設置する必要がなく、システムの単純化が図られることとなる。なお、ヒーター線の数が多いほど、また、ヒーターの発熱量が大きいほど中心部分の昇温速度は上がるが、昇温に関わる消費電力が大きくなる。   In the latter case, for example, when a through-hole in the vertical direction is formed in the central portion of the solid oxide fuel cell and a heater wire (resistance wire) is inserted into the through-hole, the central portion is heated and the rate of temperature rise is increased. As a heater wire, a general heater wire such as Ni—Cr can be used as the heater wire. With this configuration, there is no need to install a circulation channel or the like, and the system can be simplified. Note that the higher the number of heater wires and the greater the amount of heat generated by the heater, the higher the rate of temperature rise at the center, but the power consumption associated with the temperature rise increases.

ここで、燃料電池スタック構造体において、図15に示すように、高温ガスgaは熱容量の大きい流路部分Aを通過して、積層した固体電解質型燃料電池101に分配される。そして、図16に示すように、固体電解質型燃料電池101を通過した発電済みガスgbは、熱容量の大きい中心部分に形成された排気流路Bによって固体電解質型燃料電池101の外に排出され、これが発電時の流路である。   Here, in the fuel cell stack structure, as shown in FIG. 15, the hot gas ga passes through the flow path portion A having a large heat capacity and is distributed to the stacked solid oxide fuel cells 101. Then, as shown in FIG. 16, the generated gas gb that has passed through the solid oxide fuel cell 101 is discharged out of the solid oxide fuel cell 101 by the exhaust passage B formed in the central portion having a large heat capacity, This is the flow path during power generation.

これに対し、高温ガスが固体電解質型燃料電池を通過せずに、熱容量の大きい中心部分のみを通過して外部に排気するような短絡流路を形成すると、中心部分を選択して加熱し得るようになる。 In contrast, without passing through the hot gas solid oxide fuel cell, forming a short-circuit flow path so as to exhaust to the outside only through the large central portion of the heat capacity, heating and select the center component To get.

そこで、本発明において、ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に供給すべき高温ガスの大半をそのまま排出する短絡流路と、この短絡流路を閉じてガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に高温ガスを供給する状態に戻す流路変更手段を備えている構成を採用して、起動時には、固体電解質型燃料電池の中心部分である熱容量の大きい部分を加熱することとした。 Therefore, in the present invention, a short-circuit channel that discharges most of the high-temperature gas to be supplied to each space of the solid oxide fuel cell from the gas channel, and a solid electrolyte fuel from the gas channel by closing the short-circuit channel It employs a configuration that includes a flow path changing means for returning to the state for supplying hot gas to the space of the battery, at the time of startup, heating the large parts of the Ah Ru heat capacity in the central portion of the solid oxide fuel cell It was.

この構成を用いると、高温となる部分に複雑な可動部などを設置する必要がなく、ガスの流入部分、すなわち、加熱部分を簡単に変更し得ることとなる。   If this structure is used, it is not necessary to install a complicated movable part etc. in the part used as a high temperature, and the gas inflow part, ie, a heating part, can be changed easily.

この場合、短絡流路から排出した高温ガスをガス流路にもどして循環させる循環流路を設けて、高温ガスを循環できるようにすれば、排ガス量を低減して、効率よく中心部分を昇温し得ることとなる。 In this case, if a circulation flow path is provided to circulate the hot gas discharged from the short-circuit flow path back to the gas flow path so that the high-temperature gas can be circulated, the amount of exhaust gas is reduced and the central portion is efficiently raised. It will be warm.

また、固体電解質型燃料電池と上記短絡流路とに流れる高温ガスの比率は、固体電解質型燃料電池への流路と短絡流路との各抵抗の大きさによって決まる。固体電解質型燃料電池へのガス供給口は、その開口面積がガス流路に比べて小さいうえ、固体電解質型燃料電池の内部空間にはメッシュ状や発泡体の集電体が挿入されているため、流路抵抗が大きい。 したがって、短絡流路の流路抵抗が固体電解質型燃料電池への流路抵抗より小さくなれば、短絡流路の流れが支配的となり、結果として、中心部分が加熱される。 The ratio of the high-temperature gas flowing through the solid oxide fuel cell and the short-circuit channel is determined by the magnitude of each resistance between the channel and the short-circuit channel to the solid oxide fuel cell. The gas supply port to the solid oxide fuel cell has a smaller opening area than the gas flow path, and a mesh or foam current collector is inserted in the internal space of the solid oxide fuel cell. The flow path resistance is large. Accordingly, the flow path resistance of the short flow path becomes smaller than the flow path resistance of the solid electrolyte type fuel cell, the flow of short-circuit flow path is dominant, as a result, the center component is heated.

この短絡流路へ流れるガス流、すなわち、排気側の流路変更手段としてのバルブの開度は、時間又は固体電解質型燃料電池の温度によって切り替えることが望ましく、本発明において、固体電解質型燃料電池内の少なくとも1箇所に配置した温度センサと、この温度センサで検知した温度に基づいて流路変更手段を作動させて短絡流路を通して排出する高温ガスの流量を調節する制御部を備えている構成を採用することができる。   The gas flow flowing into the short-circuit channel, that is, the opening degree of the valve as the exhaust-side channel changing means is preferably switched according to time or the temperature of the solid oxide fuel cell. In the present invention, the solid oxide fuel cell A temperature sensor disposed in at least one of the temperature sensor, and a control unit that adjusts the flow rate of the hot gas discharged through the short-circuit channel by operating the channel changing means based on the temperature detected by the temperature sensor Can be adopted.

例えば、温度センサとしての熱電対を熱容量の大きい部分(中心部分)と小さい部分(外周部分)との2箇所に固定し、それぞれの箇所の温度をモニタする。中心部分の温度が一定温度以上になった段階で排気側のバルブを閉じれば、ガスの行き場がなくなって、固体電解質型燃料電池内へ流入する。その結果、中心部分の加熱に連続して外周部分の加熱が可能となる、すなわち、全体の急速な加熱が可能となり、また、昇温時の温度分布が均一になる。   For example, thermocouples as temperature sensors are fixed at two locations, a portion having a large heat capacity (center portion) and a portion having a small heat capacity (outer peripheral portion), and the temperature at each location is monitored. If the valve on the exhaust side is closed when the temperature of the central part becomes equal to or higher than a certain temperature, there is no place for the gas to flow into the solid oxide fuel cell. As a result, it is possible to heat the outer peripheral portion in succession to the heating of the central portion, that is, the whole can be rapidly heated, and the temperature distribution at the time of temperature rise becomes uniform.

したがって、外周部分の昇温レートは、排気側のバルブの開度により調整が可能ということになる。中心部分の昇温レートに関しても、中心のガス流路に流れる高温ガスの流速が過剰に速いと、熱交換がされにくくレートが低くなるので、中心部分の加熱の際も、昇温速度の調整のために、排気側のガス流量の調整を必要とする場合がある。   Therefore, the temperature increase rate at the outer peripheral portion can be adjusted by the opening degree of the valve on the exhaust side. As for the rate of temperature rise in the central part, if the flow rate of the high-temperature gas flowing in the central gas flow path is excessively high, heat exchange is difficult and the rate becomes low. Therefore, it may be necessary to adjust the gas flow rate on the exhaust side.

このとき、固体電解質型燃料電池への流路と短絡流路との各抵抗に差がないと、固体電解質型燃料電池への高温ガスの流入量が多くなり、中心部分を選択的に加熱することが不可能になる。このようなスタック構造体の場合は、ガス流路と固体電解質型燃料電池の空間とを連通するガス供給口を開閉するシャッターなどの開閉手段を設けることが望ましく、この構成を用いることにより、流路の抵抗差がない場合でも、加熱部分を変更し得ることとなる。   At this time, if there is no difference in resistance between the flow path to the solid oxide fuel cell and the short-circuit flow path, the amount of hot gas flowing into the solid oxide fuel cell increases, and the central portion is selectively heated. It becomes impossible. In the case of such a stack structure, it is desirable to provide an opening / closing means such as a shutter for opening / closing a gas supply port that communicates the gas flow path and the space of the solid oxide fuel cell. Even if there is no resistance difference in the path, the heating part can be changed.

例えば、中心のガス流路の路壁面に密着する金属製円筒を用意し、この金属製円筒にガス供給口に合わせた位置に孔を設けて、円筒を昇降又は回転させることにより、ガス供給口の開閉を行うことができる。   For example, a metal cylinder that is in close contact with the wall surface of the central gas flow path is prepared, and a hole is provided in the position corresponding to the gas supply port in the metal cylinder, and the cylinder is moved up and down or rotated, whereby the gas supply port Can be opened and closed.

また、ガス供給口の近傍又はガス供給口内部に熱膨張係数の異なる材料を積層して成る小片の一端を接合し、中心部分が加熱された段階において、小片の熱膨張差による変形でガス供給口を開放するように成せば、上記と同様のシャッター機能を得ることが可能である。具体的には、50μm厚程度の耐熱ステンレスにアルミナなどのセラミック材料を10μm程度成膜すると、温度上昇に伴って熱膨張差による熱変形を起こす。セラミックの成膜には、スパッタ法やCVD法や溶射法AD法を用いることが望ましい。   In addition, when one end of a small piece made of a laminate of materials having different thermal expansion coefficients is joined in the vicinity of the gas supply port or inside the gas supply port, the gas is supplied by deformation due to the difference in thermal expansion of the small piece when the central portion is heated. If the mouth is opened, the same shutter function as described above can be obtained. Specifically, when a ceramic material such as alumina is formed to a thickness of about 10 μm on a heat-resistant stainless steel having a thickness of about 50 μm, thermal deformation due to a difference in thermal expansion occurs as the temperature rises. It is desirable to use a sputtering method, a CVD method, or a thermal spraying method AD for the ceramic film formation.

なお、ガス流路の路壁面にザグリなどの凹凸を形成して受熱面積を大きくする構成を合わせて採用することができ、この場合には、受熱面積の拡大とともに乱流が発生し易くなり、したがって、高温ガスのガス流路の路壁面での滞留時間が長くなって、熱交換しやすくなる。特に、スタック構造体の上下に設置されるフランジも熱容量が大きいことから、この近辺のガス流路の路壁面に凹凸を形成することが望ましい。   In addition, it is possible to adopt a configuration that increases the heat receiving area by forming irregularities such as counterbore on the road wall surface of the gas flow path, and in this case, turbulence tends to occur as the heat receiving area increases, Therefore, the residence time on the wall surface of the gas flow path of the high-temperature gas becomes long, and heat exchange becomes easy. In particular, since the flanges installed above and below the stack structure also have a large heat capacity, it is desirable to form irregularities on the wall surface of the gas flow path in the vicinity.

また、本発明において、燃料ガスと空気ガスとを燃焼器に入れて燃焼させることにより熱を生じさせ、これを熱媒として熱交換器でガス流路に流すガスを加熱して、スタック構造体昇温用の高温ガスとする構成、すなわち、燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で生じた燃焼熱でガス流路に流すガスを加熱して高温ガスとする熱交換器を備えている構成を採用することができる。   Further, in the present invention, heat is generated by putting fuel gas and air gas into a combustor to burn, and using this as a heat medium, the gas flowing in the gas flow path is heated by a heat exchanger, and the stack structure A structure for forming a high-temperature gas for temperature rise, that is, a combustor that burns fuel gas, and a heat exchanger that heats the gas flowing in the gas flow path with the combustion heat generated in the combustor to form a high-temperature gas A configuration can be adopted.

この構成を採用した場合には、燃料ガス以外のガスや電気を使用せずに高温のガスが得られる。この際、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。   When this configuration is adopted, high-temperature gas can be obtained without using any gas other than fuel gas or electricity. At this time, the heating gas may be either an oxidant gas or a fuel gas, which is suitable when the inside of the solid oxide fuel cell is a fuel electrode and it is desired to raise the temperature by introducing a reducing gas.

さらに、本発明において、燃焼器で発生した高温の燃焼排ガスをそのまま加熱用のガスとして使用することができる、すなわち、燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスをガス流路に流す燃焼器を備えている構成とすることができ、電気や燃料ガス以外のガスを使用せずに、高温のガスが得られる。ただし、固体電解質型燃料電池の内部に酸化ガスが流入することになるので、内部が燃料極の場合は、燃料極や集電体やセパレータ内部のコーティングなどの酸化に注意する必要がある。   Further, in the present invention, the high-temperature combustion exhaust gas generated in the combustor can be used as it is as a heating gas, that is, the combustor that flows the high-temperature combustion exhaust gas generated by burning the fuel gas to the gas flow path. A high-temperature gas can be obtained without using a gas other than electricity or fuel gas. However, since the oxidizing gas flows into the inside of the solid oxide fuel cell, when the inside is a fuel electrode, it is necessary to pay attention to the oxidation of the fuel electrode, the current collector, and the coating inside the separator.

さらにまた、本発明において、ガス流路に結合するガス配管に設置してガス流路に流すガスを加熱する電気的加熱機構を備えている構成とすることができ、具体的には、ガス流路に結合するガス配管の外側に抵抗線又は電気ヒーターを巻くことで高温ガスを得る。この場合も、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。   Furthermore, in the present invention, an electric heating mechanism can be provided that is installed in a gas pipe coupled to the gas flow path and heats the gas flowing through the gas flow path. Hot gas is obtained by winding a resistance wire or an electric heater around the outside of the gas pipe connected to the path. Also in this case, the heating gas may be either an oxidant gas or a fuel gas, which is suitable when the inside of the solid oxide fuel cell is a fuel electrode and it is desired to raise the temperature by introducing a reducing gas. .

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、中心部分を加熱した後、流路の変更により固体電解質型燃料電池を加熱することも可能であるが、固体電解質型燃料電池の熱容量が小さい場合には、中心部分からの熱伝導によって中心部分に追従して昇温させることができる。   Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, after heating the central portion, the solid oxide fuel cell can be heated by changing the flow path, but the heat capacity of the solid oxide fuel cell is small. The temperature can be raised following the center portion by heat conduction from the center portion.

すなわち、固体電解質型燃料電池の中心部分である熱容量の大きい部分以外の領域を200μm以下の金属薄板形成することで、固体電解質型燃料電池のガス流路から離れた部分を熱伝導により加熱可能とした構成を採用することができ、この場合には、シャッターなどの機能部品を必要とせずに、燃料電池スタック構造体の加熱が可能であり、中心部分の温度変化に追従してガス流路の切り替え動作などを必要としないので、高速に昇温させ得ることとなる。 That is, the solid electrolyte type fuel cell a large portion other than the region of Ah Ru heat capacity in the central portion by the following sheet metal forming 200μm in the distant portion from the gas flow path of the solid oxide fuel cell can be heated by thermal conduction In this case, the fuel cell stack structure can be heated without the need for a functional component such as a shutter, and the gas flow path follows the temperature change in the central portion. Therefore, it is possible to raise the temperature at a high speed.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池のセパレータ及びこれを貫通するガス流路をNi又はFeを主成分とし且つCrを含有する耐熱合金材料により形成した構成とすることができ、この構成を採用すると、固体電解質型燃料電池の長期耐久性を確保し得ることとなる。   Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, the separator of the solid oxide fuel cell and the gas flow path penetrating the separator are formed of a heat-resistant alloy material containing Ni or Fe as a main component and Cr. If this configuration is adopted, the long-term durability of the solid oxide fuel cell can be secured.

材料としては、動作温度が400℃以上の高い単セルを搭載した固体電解質型燃料電池では、SUS316LやSUS430、ZMG、FeCrWなどのFe−Cr系の合金を用いることがのぞましい。インコネルなどのNi系合金も利用可能だが、セパレータに固定する単セルの材料との熱膨張係数のミスマッチが少なくなるような材料を選ぶ必要がある。   As a material, it is preferable to use an Fe—Cr alloy such as SUS316L, SUS430, ZMG, or FeCrW in a solid oxide fuel cell equipped with a single cell having a high operating temperature of 400 ° C. or higher. Although Ni-based alloys such as Inconel can be used, it is necessary to select a material that reduces the mismatch in thermal expansion coefficient with the material of the single cell fixed to the separator.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分での板厚の増加は、重量や熱容量の増加につながるこから、なるべく薄いことが望ましい。しかし、薄すぎると強度が低下して、セルの保持に支障をきたすことから、各セパレータの外周部分である熱容量の小さい部分を厚さ0.05〜0.5mmの圧延薄板で形成した構成とすることが望ましい。 Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, an increase in the thickness of a small portion of the heat capacity of the solid oxide fuel cell, and a this leads to an increase in weight and thermal capacity, as thin as possible is desirable. However, if the thickness is too thin, the strength is reduced and the holding of the cell is hindered. Therefore, the outer peripheral portion of each separator is formed of a rolled thin plate having a thickness of 0.05 to 0.5 mm. It is desirable to do.

このような構成とすることで、昇温速度を高くすることが可能であり、加熱された中心部分からの熱伝達がよく、中心部分の温度変化に追従した昇温も可能であり、軽量化をも実現可能で車載用に適当である。   With this configuration, it is possible to increase the rate of temperature rise, heat transfer from the heated central part is good, and it is possible to raise the temperature following the temperature change in the central part. Is also suitable for in-vehicle use.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池の各セパレータの外周部分である熱容量の小さい部分に固体酸化物型の単セルを搭載した構成とすることができ、この場合には、起動及び停止時の熱衝撃に強く、構造耐久性も高いことから、車載にふさわしいものとなる。 Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, a solid oxide single cell can be mounted on a portion having a small heat capacity, which is the outer peripheral portion of each separator of the solid oxide fuel cell. Since it is resistant to thermal shocks at start and stop and has high structural durability, it is suitable for in-vehicle use.

なお、単セルは電極支持型でも電解質支持型でも構わない。単セルの形状は、セパレータの熱容量の小さい部分に入る寸法であれば不問である。金属製のセパレータであるため、動作温度は700℃以下が望ましい。   The single cell may be an electrode support type or an electrolyte support type. The shape of the single cell is not particularly limited as long as it is a size that fits into a portion having a small heat capacity of the separator. Since it is a metal separator, the operating temperature is desirably 700 ° C. or lower.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example.

図1〜図5は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図1に示すように、この燃料電池スタック構造体1は、10枚の固体電解質型燃料電池10を積層して成っている。重なり合う固体電解質型燃料電池10同士は、アルミナが主成分のセラミック接着剤によって接合してあって、この際、両者間のガスシール及び絶縁性も確保しており、この燃料電池スタック構造体1では、固体電解質型燃料電池10の内部に燃料ガスを導入し、固体電解質型燃料電池10の外部に空気ガスを流すことにより発電するようになっている。   1 to 5 show an embodiment of a fuel cell stack structure according to the present invention. As shown in FIG. 1, this fuel cell stack structure 1 includes 10 solid oxide fuel cells 10. It is made up of layers. The overlapping solid oxide fuel cells 10 are bonded to each other by a ceramic adhesive mainly composed of alumina. At this time, a gas seal and insulation between them are also secured. In this fuel cell stack structure 1, Electric power is generated by introducing fuel gas into the solid oxide fuel cell 10 and flowing air gas outside the solid oxide fuel cell 10.

固体電解質型燃料電池10は、図2に示すように、複数個の単セル11と、円形の金属薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔12a及びガス排出孔12bを有すると共に上記単セル11を取付けた一方のセパレータ12と、この一方のセパレータ12と同じく円形の金属薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔13a及びガス排出孔13bを有する他方のセパレータ13を備えており、両セパレータ12,13は、互いに対向した状態で各々の周縁部同士を接合するようにしてある。   As shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell 10 has a plurality of single cells 11, a circular thin metal plate, and has a gas introduction hole 12a and a gas discharge hole 12b at the center, and the single cell. 11 and the other separator 13 having the same circular metal sheet shape as the one separator 12 and having a gas introduction hole 13a and a gas discharge hole 13b in the center portion. The separators 12 and 13 are joined to each other in a state of facing each other.

この場合、両セパレータ12,13の各中央部分には、両セパレータ12,13間に形成される空間S内に対するガス供給及びガス排出を行う中央流路部品14が設けてあり、この中央流路部品14は、一方のセパレータ12のガス排出孔12bと連通するガス排出口15bを有するガス排出部15及び他方のセパレータ13のガス導入孔13aと連通するガス導入口16aを有するガス導入部16同士を接合して成っている。   In this case, a central flow path component 14 for supplying and discharging gas to and from the space S formed between the separators 12 and 13 is provided at each central portion of both separators 12 and 13. The component 14 includes a gas discharge portion 15 having a gas discharge port 15 b communicating with the gas discharge hole 12 b of one separator 12 and a gas introduction portion 16 having a gas introduction port 16 a communicating with the gas introduction hole 13 a of the other separator 13. It is made by joining.

この実施例において、円形の金属薄板状を成すセパレータ12,13には、外径120mm、肉厚が0.1mmのSUS430を用い、この圧延板にプレス加工を行ってダイヤフラム状に形成した。また、中央流路部品14のガス排出部15及びガス導入部16にもSUS430を用い、エッチング又はMIMによりガス排出口15b及びガス導入口16aを形成した。これらのガス排出部15及びガス導入部16は、いずれも拡散接合によってセパレータ12,13に接合した。さらに、単セル11は、一方の電極を外部に露出させた状態で一方のセパレータ12に固定してある。 In this example, SUS430 having an outer diameter of 120 mm and a wall thickness of 0.1 mm was used for the separators 12 and 13 having a circular metal thin plate shape, and this rolled plate was pressed to form a diaphragm shape. Moreover, SUS430 was used also for the gas discharge part 15 and the gas introduction part 16 of the central flow path component 14, and the gas discharge port 15b and the gas introduction port 16a were formed by etching or MIM. The gas discharge part 15 and the gas introduction part 16 are both joined to the separators 12 and 13 by diffusion joining. Further, the single cell 11 is fixed to one separator 12 with one electrode exposed to the outside.

この燃料電池スタック構造体1において、図3及び図4に示すように、固体電解質型燃料電池10を積層することで中心に形成されるガス流路2の上端には、フランジ3Uを介して供給側ガス配管4が接続してあり、一方、ガス流路2の下端には、排出ガスの流量を制御する流路変更手段としての排気バルブ21を具備した短絡流路22がフランジ3Lを介して接続してある。   In this fuel cell stack structure 1, as shown in FIGS. 3 and 4, the upper end of the gas flow path 2 formed at the center by stacking the solid oxide fuel cells 10 is supplied via a flange 3U. A side gas pipe 4 is connected. On the other hand, at the lower end of the gas passage 2, a short-circuit passage 22 having an exhaust valve 21 as a passage changing means for controlling the flow rate of the exhaust gas is provided via a flange 3L. Connected.

この短絡流路22は、燃料電池スタック構造体1の起動時において、排気バルブ21を開くことで(図3に示す状態とすることで)ガス流路2から固体電解質型燃料電池10の各空間Sに供給すべき高温ガスGの大半をそのまま排出して、固体電解質型燃料電池10のガス流路2の近辺に位置する熱容量の大きい部分のみを加熱するようにしている。   When the fuel cell stack structure 1 is started up, the short-circuit channel 22 opens the exhaust valve 21 (by setting the state shown in FIG. 3) from the gas channel 2 to each space of the solid oxide fuel cell 10. Most of the high-temperature gas G to be supplied to S is discharged as it is, and only the portion with a large heat capacity located in the vicinity of the gas flow path 2 of the solid oxide fuel cell 10 is heated.

そして、燃料電池スタック構造体1では、固体電解質型燃料電池10のガス流路2の近辺に位置する熱容量の大きい部分を昇温させた後、上記排気バルブ21を閉じることで(図4に示す状態とすることで)高温ガスGを固体電解質型燃料電池10の各空間Sに供給するようにしており、これにより、熱容量の小さい部分を昇温させて発電可能な状態にするようにしている。   In the fuel cell stack structure 1, after raising the temperature of a portion having a large heat capacity located in the vicinity of the gas flow path 2 of the solid oxide fuel cell 10, the exhaust valve 21 is closed (shown in FIG. 4). In this state, the high temperature gas G is supplied to each space S of the solid oxide fuel cell 10 so that the portion having a small heat capacity is heated to be in a state where power can be generated. .

また、この燃料電池スタック構造体1は、図5に示すように、燃料ガスを燃焼させる燃焼器23と、この燃焼器23で生じた燃焼熱で供給側ガス配管4を介してガス流路2に流す燃料ガスを加熱して高温ガスとする熱交換器24を備えており、この実施例では、短絡流路22から排出した高温ガスも循環流路25を介して熱交換器24に戻し、再加熱して利用するようにしている。   Further, as shown in FIG. 5, the fuel cell stack structure 1 includes a combustor 23 that combusts fuel gas, and a gas flow path 2 through combustion gas generated in the combustor 23 via a supply-side gas pipe 4. In this embodiment, the high-temperature gas discharged from the short-circuit channel 22 is also returned to the heat exchanger 24 via the circulation channel 25. Reheated for use.

さらに、この燃料電池スタック構造体1では、図3の拡大円内に示すように、熱容量が大きいフランジ3L近辺のガス流路2の路壁面2aに鋸刃状の凹凸26を形成することで受熱面積を大きくするようにしている。つまり、受熱面積の拡大とともに乱流を生じ易くして、高温ガスのガス流路2の路壁面2aでの滞留時間を長くするように成すことにより、熱交換を行い易くしている。   Further, in this fuel cell stack structure 1, as shown in the enlarged circle of FIG. 3, the heat receiving power is obtained by forming saw-tooth-like irregularities 26 on the road wall surface 2a of the gas flow path 2 near the flange 3L having a large heat capacity. The area is increased. That is, heat exchange is facilitated by making the turbulent flow easy to occur with the expansion of the heat receiving area and extending the residence time of the high-temperature gas on the wall surface 2a of the gas flow path 2.

上記した燃料電池スタック構造体1では、ガス流路2の下端に、排出ガスの流量を制御する流路変更手段としての排気バルブ21を具備した短絡流路22を接続しているので、上記したごとく排気バルブ21を動作させて排気ガスの流量制御行えば、起動時において、選択的に熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることができ、その結果、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差による応力集中の発生を抑えることが可能であり、加えて、ガス流路を流れるガスの温度低下を阻止し得ることとなる。   In the fuel cell stack structure 1 described above, the short-circuit channel 22 having the exhaust valve 21 as the channel changing means for controlling the flow rate of the exhaust gas is connected to the lower end of the gas channel 2. Thus, if the exhaust valve 21 is operated to control the flow rate of the exhaust gas, the temperature rising speed of the portion having a large heat capacity can be selectively improved at the time of start-up. As a result, the portion having a large heat capacity and the portion having a small heat capacity can be improved. It is possible to suppress the occurrence of stress concentration due to the temperature difference, and in addition, it is possible to prevent the temperature drop of the gas flowing through the gas flow path.

また、排気バルブ21の開閉動作で、熱容量の大きい部分の選択的な加熱を行い得るので、したがって、高温となる部分に複雑な可動部などを設置することなく、加熱部分を簡単に変更し得ることとなる。   Further, since the opening / closing operation of the exhaust valve 21 can selectively heat a portion having a large heat capacity, the heating portion can be easily changed without installing a complicated movable portion or the like in a portion that becomes high in temperature. It will be.

さらに、上記した燃料電池スタック構造体1では、短絡流路22から排出した高温ガスを熱交換器24に戻して循環させる循環流路25を設けているので、排ガス量を低減して効率よく中心部分のみを昇温し得ることとなる。   Furthermore, in the fuel cell stack structure 1 described above, the circulation passage 25 for circulating the high temperature gas discharged from the short-circuit passage 22 back to the heat exchanger 24 is provided, so that the amount of exhaust gas is reduced and the center efficiently. Only the portion can be heated.

さらにまた、上記した燃料電池スタック構造体1では、燃料ガスを燃焼させる燃焼器23で生じた燃焼熱でガス流路2に流すガスを加熱して高温ガスとする熱交換器24を備えた構成としているので、燃料ガス以外のガスや電気を使用せずに高温のガスが得られることとなる。この際、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池10の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。   Furthermore, the fuel cell stack structure 1 described above includes a heat exchanger 24 that heats the gas flowing through the gas flow path 2 with the combustion heat generated in the combustor 23 that combusts the fuel gas to form a high-temperature gas. Therefore, a high-temperature gas can be obtained without using any gas other than fuel gas or electricity. At this time, the heating gas may be either an oxidant gas or a fuel gas, which is suitable when the inside of the solid oxide fuel cell 10 is the fuel electrode and it is desired to raise the temperature by introducing a reducing gas. .

上記燃料電池スタック構造体1では、燃料ガスを燃焼させる燃焼器23と、この燃焼器23で生じた燃焼熱でガス流路2に流すガスを加熱して高温ガスとする熱交換器24を備えた構成を採用しているが、加熱用ガスの他の生成手段として、図6に示すように、燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスをガス流路2に流す燃焼器23Aを備えた構成や、図7に示すように、ガス流路2に接続するガス配管4の外側に抵抗線や電気ヒーターなどの電気的加熱機構27を設けた構成を適宜採用することができる。   The fuel cell stack structure 1 includes a combustor 23 that combusts fuel gas, and a heat exchanger 24 that heats the gas flowing through the gas flow path 2 with the combustion heat generated in the combustor 23 to form a high-temperature gas. However, as another means for generating the heating gas, as shown in FIG. 6, there is provided a combustor 23 </ b> A for flowing the high-temperature combustion exhaust gas generated by burning the fuel gas to the gas flow path 2. As shown in FIG. 7, a configuration in which an electric heating mechanism 27 such as a resistance wire or an electric heater is provided outside the gas pipe 4 connected to the gas flow path 2 can be appropriately employed.

前者の構成を用いると、燃焼器23Aで発生した高温の燃焼排ガスをそのまま加熱用のガスとして使用することになるので、電気や燃料ガス以外のガスを用いずに高温のガスが得られる。ただし、固体電解質型燃料電池10の内部に酸化ガスが流入することになるので、内部が燃料極の場合は、燃料極や集電体やセパレータ内部のコーティングなどの酸化に注意する必要がある。   When the former configuration is used, the high-temperature combustion exhaust gas generated in the combustor 23A is used as it is as a heating gas, so that a high-temperature gas can be obtained without using a gas other than electricity or fuel gas. However, since the oxidizing gas flows into the solid oxide fuel cell 10, when the inside is a fuel electrode, it is necessary to pay attention to the oxidation of the fuel electrode, the current collector, and the coating inside the separator.

一方、後者の構成を用いると、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよいこととなり、固体電解質型燃料電池10の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。   On the other hand, when the latter configuration is used, the heating gas may be either an oxidant gas or a fuel gas, and the inside of the solid oxide fuel cell 10 is a fuel electrode, and a reducing gas is introduced. Appropriate when it is desired to raise the temperature.

図8は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示しており、図8に示すように、この燃料電池スタック構造体31が、先の実施例における燃料電池スタック構造体31と相違するところは、固体電解質型燃料電池10内の熱容量の大きい中心部分10aと小さい外周部分10bとの2箇所に配置した温度センサとしての熱電対32と、この熱電対32と接続したモニタ33と、このモニタ33で表示される熱電対32で検知した温度データに基づいてバルブ21を作動させて短絡流路21を通して排出する高温ガスGの流量を調節するバルブコントローラ(制御部)34を設けた点にあり、他の構成は先の実施例における燃料電池スタック構造体31と同じである。   FIG. 8 shows another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIG. 8, this fuel cell stack structure 31 is different from the fuel cell stack structure 31 in the previous embodiment. The difference is that a thermocouple 32 as a temperature sensor disposed at two locations of a central portion 10a having a large heat capacity and a small outer peripheral portion 10b in the solid oxide fuel cell 10 and a monitor 33 connected to the thermocouple 32 are provided. A valve controller (control unit) 34 is provided for operating the valve 21 based on the temperature data detected by the thermocouple 32 displayed on the monitor 33 and adjusting the flow rate of the hot gas G discharged through the short-circuit channel 21. The other structure is the same as the fuel cell stack structure 31 in the previous embodiment.

この燃料電池スタック構造体31では、モニタ33で表示される中心部分10aの温度が一定温度以上になった段階において、バルブコントローラ34を操作して排気側のバルブ21を閉じれば、高温ガスGの行き場がなくなって、固体電解質型燃料電池10内へ流入する。その結果、中心部分10aの加熱に連続して外周部分10bの加熱が可能となる、すなわち、全体の急速な加熱が可能となり、また、昇温時の温度分布が均一になる。   In the fuel cell stack structure 31, if the valve controller 34 is operated to close the exhaust side valve 21 when the temperature of the central portion 10 a displayed on the monitor 33 becomes equal to or higher than a certain temperature, The destination is lost and flows into the solid oxide fuel cell 10. As a result, the outer peripheral portion 10b can be heated continuously after the central portion 10a is heated, that is, the entire portion can be rapidly heated, and the temperature distribution at the time of temperature rise becomes uniform.

したがって、外周部分10bの昇温レートは、排気側のバルブ21の開度により調整が可能ということになる。中心部分10aの昇温レートに関しても、中心のガス流路2に流れる高温ガスGの流速が過剰に速いと、熱交換がされにくくレートが低くなるので、中心部分10aの加熱の際にも、昇温速度の調整のために、排気側のガス流量の調整を必要とする場合がある。   Therefore, the temperature increase rate of the outer peripheral portion 10b can be adjusted by the opening degree of the valve 21 on the exhaust side. As for the temperature increase rate of the central portion 10a, if the flow rate of the high temperature gas G flowing in the central gas flow path 2 is excessively high, heat exchange is difficult and the rate is low. In order to adjust the rate of temperature increase, it may be necessary to adjust the gas flow rate on the exhaust side.

図9及び図10は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図9及び図10に示すように、この燃料電池スタック構造体41は、固体電解質型燃料電池10への流路と短絡流路22との各抵抗に差がない場合、言い換えれば、固体電解質型燃料電池10への高温ガスGの流入量が多くなって、中心部分10aを選択的に加熱することが不可能になる場合に用いるのに好適な構成を成している。   9 and 10 show still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIGS. 9 and 10, this fuel cell stack structure 41 is provided when there is no difference in resistance between the flow path to the solid oxide fuel cell 10 and the short-circuit flow path 22, in other words, the solid electrolyte type. This configuration is suitable for use when the amount of hot gas G flowing into the fuel cell 10 increases and it becomes impossible to selectively heat the central portion 10a.

すなわち、この燃料電池スタック構造体41では、中心のガス流路2の路壁面2aに密着する金属製円筒42を設け、この金属製円筒42に複数の固体電解質型燃料電池10の各ガス導入口16aに合わせた位置に孔42aを設けて昇降又は回転させることにより、ガス導入口16aの開閉を行うようにしており、このような構成とすることで、流路の抵抗差がない場合でも、加熱部分を変更し得ることとなる。   That is, in the fuel cell stack structure 41, a metal cylinder 42 is provided in close contact with the road wall surface 2 a of the central gas flow path 2, and each gas inlet port of the plurality of solid oxide fuel cells 10 is provided in the metal cylinder 42. The gas inlet 16a is opened and closed by providing a hole 42a at a position corresponding to 16a and rotating up or down, and with such a configuration, even when there is no resistance difference in the flow path, The heating part can be changed.

図11は、上記した燃料電池スタック構造体41の変形例を示しており、この実施例では、ガス導入口16aの近傍に熱膨張係数の異なる材料を積層して成る小片43の一端を接合し、中心部分10aが加熱された段階において、小片43の熱膨張差による変形でガス導入口16aを開放するようにしている。このように成せば、上記した金属製円筒42を備えた燃料電池スタック構造体41と同様のシャッター機能を得ることが可能である。具体的には、50μm厚程度の耐熱ステンレスにアルミナなどのセラミック材料を10μm程度成膜すると、温度上昇に伴って熱膨張差による熱変形を起こす。セラミックの成膜には、スパッタ法やCVD法や溶射法AD法を用いることが望ましい。   FIG. 11 shows a modification of the fuel cell stack structure 41 described above. In this embodiment, one end of a small piece 43 formed by laminating materials having different thermal expansion coefficients is joined in the vicinity of the gas inlet 16a. When the central portion 10a is heated, the gas inlet 16a is opened by deformation due to the difference in thermal expansion of the small piece 43. In this way, it is possible to obtain a shutter function similar to that of the fuel cell stack structure 41 including the metal cylinder 42 described above. Specifically, when a ceramic material such as alumina is formed to a thickness of about 10 μm on a heat-resistant stainless steel having a thickness of about 50 μm, thermal deformation due to a difference in thermal expansion occurs as the temperature rises. It is desirable to use a sputtering method, a CVD method, or a thermal spraying method AD for the ceramic film formation.

図12は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図12に示すように、この燃料電池スタック構造体51では、固体電解質型燃料電池10の中心部分10aに上下方向の貫通孔14aを形成して、この貫通孔14aにヒーター線(発熱体)52を挿入するようにしている。   FIG. 12 shows still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIG. 12, in this fuel cell stack structure 51, a vertical through hole 14a is formed in the central portion 10a of the solid oxide fuel cell 10, and a heater wire (heating element) 52 is formed in the through hole 14a. To insert.

この燃料電池スタック構造体51では、ヒーター線52に電源を供給すると、中心部分10aが加熱されて昇温速度が上がることとなる。ヒーター線52には、Ni−Crなどの一般的なヒーター線を利用することが可能である。この構成とすると、上述した循環流路25などを設置する必要がなく、システムの単純化が図られることとなる。なお、ヒーター線の数や発熱量は、昇温に関わる消費電力を考慮して決定する。   In the fuel cell stack structure 51, when power is supplied to the heater wire 52, the central portion 10a is heated and the temperature increase rate is increased. As the heater wire 52, a general heater wire such as Ni—Cr can be used. With this configuration, it is not necessary to install the circulation channel 25 and the like described above, and the system can be simplified. Note that the number of heater wires and the amount of heat generated are determined in consideration of power consumption related to temperature rise.

そこで、上記した燃料電池スタック構造体1,31,41,51の起動時における中心部分及び外周部分の温度変化と、従来の燃料電池スタック構造体の起動時において外部にヒーターを設置して加熱した際の中心部分及び外周部分の温度変化とを測定したところ、以下の結果を得た。   Therefore, the temperature change of the central portion and the outer peripheral portion at the start of the fuel cell stack structure 1, 31, 41, 51 described above, and the heater was installed outside and heated at the start of the conventional fuel cell stack structure When the temperature change of the center part and the outer peripheral part at the time was measured, the following results were obtained.

図14に示すように、外部にヒーターを置いた場合には、中心部分の熱容量が大きく、また、ヒーターの輻射熱が直接当たりにくいことから、昇温中の中心部分及び外周部分の温度差が大きくなっているのに対して、図13に示すように、上記した燃料電池スタック構造体1,31,41,51の場合は、熱容量が大きい中心部分を優先して加熱するので、中心部分は迅速に昇温し、熱容量が小さい外周部分は熱伝導で中心部分に追従して昇温しており、昇温中の中心部分及び外周部分の温度差が小さくなっている。   As shown in FIG. 14, when a heater is placed outside, the heat capacity of the central portion is large, and the radiant heat of the heater is difficult to directly contact, so that the temperature difference between the central portion and the outer peripheral portion during temperature rise is large. On the other hand, as shown in FIG. 13, in the case of the fuel cell stack structures 1, 31, 41, 51 described above, the central portion having a large heat capacity is preferentially heated, so that the central portion is quick. The outer peripheral portion having a small heat capacity is heated to follow the central portion by heat conduction, and the temperature difference between the central portion and the outer peripheral portion during the temperature increase is small.

したがって、上記した燃料電池スタック構造体1,31,41,51では、起動時において、選択的に熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることで、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差を小さくすることが実証できた。   Therefore, in the fuel cell stack structure 1, 31, 41, 51 described above, the temperature difference between the large heat capacity portion and the small heat capacity portion can be improved by selectively increasing the temperature rising rate of the large heat capacity portion at the time of startup. It was proved to be small.

本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示す全体斜視説明図である。(実施例1)It is a whole perspective explanatory view showing one example of a fuel cell stack structure of the present invention. Example 1 図1の燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の分解斜視説明図である。(実施例1)FIG. 2 is an exploded perspective view of a solid oxide fuel cell constituting the fuel cell stack structure of FIG. 1. Example 1 図1の燃料電池スタック構造体のバルブを開いた状態を示す図1のa−a線位置に基づく断面説明図である。(実施例1)FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view based on the position of the aa line in FIG. 1 showing a state in which a valve of the fuel cell stack structure in FIG. 1 is opened. Example 1 図1の燃料電池スタック構造体のバルブを閉じた状態を示す図1のa−a線位置に基づく断面説明図である。(実施例1)FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view based on the position of the aa line in FIG. 1 showing a state in which the valve of the fuel cell stack structure in FIG. 1 is closed. Example 1 図1の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスの流路を示す配管説明図である。(実施例1)It is piping explanatory drawing which shows the flow path of the heating gas with respect to the fuel cell stack structure of FIG. Example 1 図1の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスの他の流路を示す配管説明図である。It is piping explanatory drawing which shows the other flow path of the heating gas with respect to the fuel cell stack structure of FIG. 図1の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスのさらに他の流路を示す配管説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of piping showing still another flow path of heated gas for the fuel cell stack structure of FIG. 1. 本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示すバルブを閉じた状態における図1のa−a線相当位置に基づく断面説明図である。(実施例2)FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view based on the position corresponding to the line aa in FIG. 1 in a state where a valve showing another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention is closed. (Example 2) 本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す金属製円筒でガス導入口を閉じた状態における図1のa−a線相当位置に基づく断面説明図である。(実施例3)FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view based on the position corresponding to the aa line in FIG. 1 in a state where the gas inlet is closed with a metal cylinder showing still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. (Example 3) 図9の燃料電池スタック構造体のガス導入口を開いた状態における図1のa−a線相当位置に基づく断面説明図である。(実施例3)FIG. 10 is a cross-sectional explanatory view based on the position corresponding to the line aa in FIG. 1 in a state where the gas inlet of the fuel cell stack structure in FIG. 9 is opened. (Example 3) 本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す小片でガス導入口を閉じた状態における図1のa−a線相当位置に基づく断面説明図である。(実施例4)FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view based on the position corresponding to the line aa in FIG. 1 in a state where the gas inlet is closed with a small piece showing still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. Example 4 本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す図1のc−c線相当位置に基づく断面説明図である。(実施例5)FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view based on the position corresponding to the line cc of FIG. 1 showing still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. (Example 5) 本発明の燃料電池スタック構造体の起動時における中心部分及び外周部分の温度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature change of the center part at the time of starting of the fuel cell stack structure of this invention, and an outer peripheral part. 従来の燃料電池スタック構造体の起動時において外部にヒーターを設置して加熱した際の中心部分及び外周部分の温度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature change of the center part and outer periphery part at the time of starting the conventional fuel cell stack structure, installing a heater outside and heating. 優先的に加熱を行わない燃料電池スタック構造体の図1のa−a線相当位置に基づく断面説明図である。FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view of a fuel cell stack structure that is not preferentially heated based on the position corresponding to the line aa in FIG. 優先的に加熱を行わない燃料電池スタック構造体の図1のb−b線相当位置に基づく断面説明図である。FIG. 2 is a cross-sectional explanatory diagram based on a position corresponding to the line bb of FIG. 1 of the fuel cell stack structure that is not preferentially heated.

符号の説明Explanation of symbols

1,31,41,51 燃料電池スタック構造体
2 ガス流路
2a 路壁面
4 ガス配管
10 固体電解質型燃料電池
10a 熱容量の大きい中央部分
11 単セル
12 一方のセパレータ
13 他方のセパレータ
16a ガス導入口(ガス供給口)
21 排気バルブ(流路変更手段)
22 短絡流路
23,23A 燃焼器
24 熱交換器
25 循環流路
26 凹凸
27 ヒーター(電気的加熱機構)
32 熱電対(温度センサ)
34 バルブコントローラ(制御部)
42 金属製円筒(開閉手段)
43 小片(開閉手段)
52 ヒーター線(発熱体)
S 空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 31, 41, 51 Fuel cell stack structure 2 Gas flow path 2a Road wall surface 4 Gas piping 10 Solid electrolyte fuel cell 10a Central part with large heat capacity 11 Single cell 12 One separator 13 The other separator 16a Gas inlet ( Gas supply port)
21 Exhaust valve (flow path changing means)
22 Short-circuit channel 23, 23A Combustor 24 Heat exchanger 25 Circulation channel 26 Concavity and convexity 27 Heater (electric heating mechanism)
32 Thermocouple (Temperature sensor)
34 Valve controller (control unit)
42 Metal cylinder (opening / closing means)
43 Small pieces (opening and closing means)
52 Heater wire (heating element)
S space

Claims (24)

中央にガス導入孔及びガス排出孔を有する二枚の金属薄板状のセパレータと、両セパレータ間の中央に配置され且つ両セパレータ間に形成した空間に対してガス導入及び排出を行う中央流路部品と、両セパレータ間に形成した空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セルを備えた複数の固体電解質型燃料電池を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池の中央に、前記ガス導入孔、及び中央流路部品を連通させて少なくとも1つのガス流路を形成すると共に、前記ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する燃料電池スタック構造体を起動するに際して、
各セパレータの中央と中央流路部品が重合している固体電解質型燃料電池の中心部分を熱容量の大きい部分とし、これに対して各セパレータの外周部分を熱容量の小さい部分として、
複数の固体電解質型燃料電池を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分を選択的に加熱することを特徴とする燃料電池スタック構造体の起動方法。
Two sheet metal separators having a gas introduction hole and a gas discharge hole in the center, and a central flow channel component that introduces and discharges gas to and from the space formed in the center between both separators. And stacking a plurality of solid electrolyte fuel cells each having a single cell of a solid electrolyte type accommodated in a space formed between the separators and having one surface exposed to the outside. These solid electrolyte types supplied to the center of the fuel cell, the gas introduction hole, thereby forming at least one gas flow path to communicate with each other beauty central channel part, a gas into the space of the solid oxide fuel cell from the gas flow path When starting the fuel cell stack structure,
The central part of the solid oxide fuel cell in which the center of each separator and the central flow path part are polymerized is a part with a large heat capacity, while the outer peripheral part of each separator is a part with a small heat capacity,
A method of starting a fuel cell stack structure, wherein a portion having a large heat capacity is selectively heated at a stage of raising the temperature of a plurality of solid oxide fuel cells.
前記中央流路部品が金属製である請求項1に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。 The method for starting a fuel cell stack structure according to claim 1, wherein the central flow path component is made of metal . 前記ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に供給すべき高温ガスを該ガス流路を通して排出することで、固体電解質型燃料電池の中心部分である熱容量の大きい部分を加熱する請求項1又は2に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。 The hot gas to be supplied to the spaces of the solid electrolyte type fuel cell from the gas flow path that discharges through the gas flow, wherein for heating the large parts of the Ah Ru heat capacity in the central portion of the solid oxide fuel cell Item 3. The method for starting the fuel cell stack structure according to Item 1 or 2. 排出した高温ガスを前記ガス流路にもどして循環させる請求項3に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。 The method for starting the fuel cell stack structure according to claim 3, wherein the discharged hot gas is returned to the gas flow path and circulated. 固体電解質型燃料電池内の少なくとも1箇所の温度に基づいて、前記ガス流路を通して排出する高温ガスの流量を制御する請求項3又は4に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。 The method for starting a fuel cell stack structure according to claim 3 or 4, wherein the flow rate of the hot gas discharged through the gas flow path is controlled based on the temperature of at least one location in the solid oxide fuel cell. 前記ガス流路に流す加熱用の高温ガスとして、燃料ガスを燃焼させて生じた燃焼熱を利用した熱交換により加熱されたガスを用いる請求項2〜5に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。 As the hot gas for heating to flow into the gas flow path, the start-up of the fuel cell stack structure according to claim 2-5 using heated gas by the heat exchange with the use of combustion heat produced by burning the fuel gas Method. 前記ガス流路に流す加熱用の高温ガスとして、燃料ガスの燃焼により生じた高温の燃焼排ガスを用いる請求項2〜5に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。 The method for starting a fuel cell stack structure according to claim 2, wherein high-temperature combustion exhaust gas generated by combustion of fuel gas is used as the high-temperature gas for heating that flows through the gas flow path. 前記ガス流路に流す加熱用の高温ガスとして、前記ガス流路に結合するガス配管に設置した電気的加熱機構により加熱されたガスを用いる請求項2〜5に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。 As the hot gas for heating to flow into the gas channel, the fuel cell stack structure according to claim 2-5 using heated gas by installing electrical heating mechanism in the gas piping coupled to the gas channel starting method. 固体電解質型燃料電池の中心部分である熱容量の大きい部分に発熱体を設置して加熱する請求項1に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。 Starting the fuel cell stack structure according to claim 1 is heated by installing a heating element to a large portion of the Ah Ru heat capacity in the central portion of the solid oxide fuel cell. 中央にガス導入孔及びガス排出孔を有する二枚の金属薄板状のセパレータと、両セパレータ間の中央に配置され且つ両セパレータ間に形成した空間に対してガス導入及び排出を行う中央流路部品と、両セパレータ間に形成した空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セルを備えた複数の固体電解質型燃料電池を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池の中央に、前記ガス導入孔、及び中央流路部品を連通させて少なくとも1つのガス流路を形成すると共に、前記ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する燃料電池スタック構造体において、
各セパレータの中央と中央流路部品が重合している固体電解質型燃料電池の中心部分を熱容量の大きい部分とし、これに対して各セパレータの外周部分を熱容量の小さい部分として、
起動時における複数の固体電解質型燃料電池を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分を選択的に加熱可能としたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
Two sheet metal separators having a gas introduction hole and a gas discharge hole in the center, and a central flow channel component that introduces and discharges gas to and from the space formed in the center between both separators. And stacking a plurality of solid electrolyte fuel cells each having a single cell of a solid electrolyte type accommodated in a space formed between the separators and having one surface exposed to the outside. These solid electrolyte types supplied to the center of the fuel cell, the gas introduction hole, thereby forming at least one gas flow path to communicate with each other beauty central channel part, a gas into the space of the solid oxide fuel cell from the gas flow path In the fuel cell stack structure,
The central part of the solid oxide fuel cell in which the center of each separator and the central flow path part are polymerized is a part with a large heat capacity, while the outer peripheral part of each separator is a part with a small heat capacity,
A fuel cell stack structure characterized in that a portion having a large heat capacity can be selectively heated at the stage of raising the temperature of a plurality of solid oxide fuel cells at the time of startup.
前記中央流路部品が金属製である請求項10に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to claim 10, wherein the central flow path component is made of metal . 前記ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に供給すべき高温ガスの大半をそのまま排出する短絡流路と、この短絡流路を閉じて前記ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に高温ガスを供給する状態に戻す流路変更手段を備えている請求項11に記載の燃料電池スタック構造体。 Circuiting passage to directly discharge the majority of the hot gas to be supplied to the spaces of the solid electrolyte type fuel cell from the gas flow path, each space of the solid oxide fuel cell from the gas flow path to close the short-circuit passage The fuel cell stack structure according to claim 11, further comprising a flow path changing means for returning to a state in which a high temperature gas is supplied to the fuel cell. 前記短絡流路から排出した高温ガスをガス流路にもどして循環させる循環流路を備えている請求項12に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to the hot gas discharged from the short passage to claim 12, and a circulation passage for circulating back into the gas flow path. 固体電解質型燃料電池内の少なくとも1箇所に配置した温度センサと、この温度センサで検知した温度に基づいて前記流路変更手段を作動させて前記短絡流路を通して排出する高温ガスの流量を調節する制御部を備えている請求項12又は13に記載の燃料電池スタック構造体。 Adjusting the temperature sensor disposed in at least one place of the solid oxide fuel within cell, the flow rate of the hot gas discharged through the short flow path by operating the flow diversion means based on the temperature detected by the temperature sensor The fuel cell stack structure according to claim 12 or 13, further comprising a control unit. 前記ガス流路と固体電解質型燃料電池の空間とを連通するガス供給口を開閉する開閉手段を備えている請求項11〜14に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to claim 11 to 14 and a closing means for opening and closing the gas supply port for communicating the space of the gas flow path and the solid oxide fuel cell. 燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で生じた燃焼熱で前記ガス流路に流すガスを加熱する熱交換器を備えている請求項11〜15に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to any one of claims 11 to 15, further comprising: a combustor that combusts fuel gas; and a heat exchanger that heats the gas flowing through the gas flow path with combustion heat generated in the combustor. 燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスを前記ガス流路に流す燃焼器備えている請求項11〜15に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to claim 11 to 15 hot combustion exhaust gas produced by burning fuel gas and a combustor flow to the gas flow path. 前記ガス流路に結合するガス配管に設置して前記ガス流路に流すガスを加熱する電気的加熱機構を備えている請求項11〜15に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to claim 11 to 15 is provided with an electric heating mechanism for heating the gas flowing in the gas flow path and placed in the gas pipe to bind to said gas flow path. 前記ガス流路の路壁面に凹凸が形成してある請求項11〜18に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to claim 11, wherein unevenness is formed on a road wall surface of the gas flow path. 固体電解質型燃料電池の中心部分である熱容量の大きい部分以外の領域を200μm以下の金属薄板により形成することで、固体電解質型燃料電池の前記ガス流路から離れた部分を熱伝導により加熱可能とした請求項10〜19に記載の燃料電池スタック構造体。 By forming a solid oxide fuel cell central part Oh Ru heat capacity large area other than the portion below 200μm sheet metal of the portion remote from the gas flow path of the solid oxide fuel cell can be heated by thermal conduction The fuel cell stack structure according to claim 10. 固体電解質型燃料電池の中心部分である熱容量の大きい部分に発熱体を設けた請求項10に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to claim 10, the heating element is provided on a large part of the Ah Ru heat capacity in the central portion of the solid oxide fuel cell. 固体電解質型燃料電池の前記セパレータ及び前記ガス流路をNi又はFeを主成分とし且つCrを含有する耐熱合金材料により形成した請求項10〜21に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to the separator及beauty the gas flow path of the solid oxide fuel cell according to claim 10 to 21 formed by heat resistant alloy material and containing Cr as a main component Ni or Fe. 固体電解質型燃料電池の前記セパレータの外周部分である熱容量の小さい部分を厚さ0.05〜0.5mmの圧延薄板で形成した請求項10〜22に記載の燃料電池スタック構造体。 23. The fuel cell stack structure according to claim 10, wherein a portion having a small heat capacity, which is an outer peripheral portion of the separator of a solid oxide fuel cell , is formed of a rolled thin plate having a thickness of 0.05 to 0.5 mm. 固体電解質型燃料電池の前記セパレータの外周部分である熱容量の小さい部分に固体酸化物型の単セルを搭載した請求項10〜23に記載の燃料電池スタック構造体。 24. The fuel cell stack structure according to claim 10, wherein a solid oxide type single cell is mounted on a portion having a small heat capacity, which is an outer peripheral portion of the separator of a solid oxide fuel cell.
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