JP5151273B2 - 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)に関し、とくに、予熱機能を備えた固体酸化物型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC), and more particularly to a solid oxide fuel cell having a preheating function.

近年、固体酸化物型燃料電池は、発電要素である燃料電池セルの低温性能の向上に伴って、600℃〜800℃の温度でも発電可能となり、これにより、燃料電池セルのスタック(積層体)を作製する際に用いるフランジやセパレータ等の構成部材にフェライト系ステンレス等の金属材料を使用することが可能になった。このようにスタックの構成部材に金属素材を用いることで、スタック全体の熱容量が小さくなると共に、熱伝導が大きくなって、燃料電池の起動性の向上を図ることが可能となる。   In recent years, solid oxide fuel cells have become capable of generating power even at temperatures of 600 ° C. to 800 ° C. as the low temperature performance of fuel cells, which are power generation elements, has improved. It has become possible to use a metal material such as ferritic stainless steel as a structural member such as a flange or a separator used in manufacturing the steel. By using a metal material for the constituent members of the stack in this manner, the heat capacity of the entire stack is reduced and the heat conduction is increased, so that the startability of the fuel cell can be improved.

ところで、固体酸化物型燃料電池において、上記の如くスタックの構成部材に金属素材を使用することは、起動性を向上させるうえで基本的に有利であるが、燃料電池セルを速やかに昇温して起動性を高めるには、その燃料電池セルに供給する燃料ガスや酸化性ガスを予熱することがより有効である。   By the way, in a solid oxide fuel cell, the use of a metal material as a constituent member of the stack as described above is basically advantageous in improving the startability, but the temperature of the fuel cell is quickly increased. In order to improve the startability, it is more effective to preheat the fuel gas or oxidizing gas supplied to the fuel cell.

そこで、従来の固体酸化物型燃料電池としては、断熱容器内に、燃料電池セルのスタックと、スタックで生じた熱を蓄える蓄熱材を内包した蓄熱器を設け、断熱容器外に配置した熱交換器において、蓄熱器に蓄えた熱とスタックに供給する燃料ガス及び酸化性ガスとの間で熱交換を行うもの(特許文献1参照)や、断熱容器内に、燃料電池セルのスタックとスタックから排出されたオフガスを燃焼させるオフガス燃焼器を設け、断熱容器外に配置した熱交換器において、オフガス燃焼器で生じた熱と、スタックに供給する燃料ガス及び酸化性ガスとの間で熱交換を行うもの(特許文献2)が開示されている。
特開2004−71312号公報 特開2004−71315号公報
Therefore, as a conventional solid oxide fuel cell, a heat exchanger in which a heat accumulator containing a stack of fuel cells and a heat storage material for storing heat generated in the stack is provided in a heat insulating container and arranged outside the heat insulating container. In the heat exchanger, heat exchange between the heat stored in the regenerator and the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the stack (see Patent Document 1), and in the heat insulating container, from the stack of fuel cells and the stack An off-gas combustor that burns the discharged off-gas is provided, and heat exchange is performed between the heat generated in the off-gas combustor and the fuel gas and oxidizing gas supplied to the stack in a heat exchanger arranged outside the insulated container. What to do (Patent Document 2) is disclosed.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-71312 JP 2004-71315 A

ところが、上記したような従来の固体酸化物型燃料電池にあっては、断熱容器内の蓄熱器やオフガス燃焼器からの熱を断熱容器外部の熱交換器に供給するようにしていたため、熱損失が大きく、熱の媒体である加熱ガスが冷えやすいという問題点があり、燃焼電池セルの昇温性すなわち燃料電池の起動性をより高めるうえで、このような問題点を解決することが課題となっていた。   However, in the conventional solid oxide fuel cell as described above, the heat from the regenerator or off-gas combustor in the heat insulation container is supplied to the heat exchanger outside the heat insulation container, so that heat loss There is a problem that the heating gas as a heat medium is easy to cool, and it is a problem to solve such a problem in order to further improve the temperature rise property of the combustion battery cell, that is, the startability of the fuel cell. It was.

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、燃料電池セルの昇温性すなわち起動性に優れた固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell excellent in temperature rise property, that is, startability of a fuel cell.

本発明の固体酸化物型燃料電池は、電解質層を燃料極と空気極で挟んで成る燃料電池セルをセル支持板で支持すると共に、セル支持板の両面側に夫々の多孔質体を介してインターコネクタを配置しており、これらを多段に積層することでスタックを構成する。   In the solid oxide fuel cell of the present invention, a fuel cell comprising an electrolyte layer sandwiched between a fuel electrode and an air electrode is supported by a cell support plate, and on both sides of the cell support plate via respective porous bodies. Interconnectors are arranged, and a stack is formed by laminating them in multiple stages.

また、固体酸化物型燃料電池は、セル支持板と燃料極側のインターコネクタとの間に、燃料電池セルの燃料極に燃料ガスを供給する第1燃料ガス流路と、燃料極側の多孔質体に燃料ガスを供給する第2燃料ガス流路を設けると共に、セル支持板と空気極側のインターコネクタとの間に、燃料電池セルの空気極に酸化性ガスを供給する第1酸化性ガス流路と、空気極側の多孔質体に酸化性ガスを供給する第2酸化性ガス流路を設け、セル支持板に、両面側の多孔質体同士の間を連通させる開口部を設けている。   In addition, the solid oxide fuel cell includes a first fuel gas passage for supplying fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell between the cell support plate and the interconnector on the fuel electrode side, and a porous electrode on the fuel electrode side. A first fuel gas flow path for supplying fuel gas to the material, and a first oxidizing gas for supplying oxidizing gas to the air electrode of the fuel cell between the cell support plate and the interconnector on the air electrode side. A gas flow path and a second oxidizing gas flow path for supplying an oxidizing gas to the porous body on the air electrode side are provided, and an opening for communicating between the porous bodies on both sides is provided on the cell support plate ing.

上記の固体酸化物型燃料電池は、セル支持板と両側のインターコネクタの間に、燃料電池セルによる発電領域と、開口部及び多孔質体による燃焼領域を形成し、燃焼領域において、第2燃料ガス流路からの燃料ガスと第2酸化性ガス流路からの酸化性ガスとを混合して燃焼させ、これにより燃料電池内部において燃料電池セルを直接的に予熱する。   In the above solid oxide fuel cell, a power generation region by the fuel cell and a combustion region by the opening and the porous body are formed between the cell support plate and the interconnectors on both sides, and the second fuel is formed in the combustion region. The fuel gas from the gas flow path and the oxidizing gas from the second oxidizing gas flow path are mixed and burned, thereby preheating the fuel cell directly inside the fuel cell.

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、燃料電池の内部に、発電領域と燃料ガスと酸化性ガスを混合燃焼させる燃焼領域を設け、その熱により燃料電池セルを直接的に予熱するので、熱損失が少なく、燃料電池セルを効率的に且つ迅速に昇温させることができ、これにより起動性を大幅に高めることができる。   According to the solid oxide fuel cell of the present invention, the fuel cell is provided with a power generation region, a combustion region in which the fuel gas and the oxidizing gas are mixed and burned, and the fuel cell is directly preheated by the heat. In addition, there is little heat loss, the temperature of the fuel cell can be raised efficiently and quickly, and the startability can be greatly enhanced.

以下、図面に基づいて、本発明の固体酸化物型燃料電池の一実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of a solid oxide fuel cell of the present invention will be described based on the drawings.

図1に示す固体酸化物型の燃料電池C1は、電解質層2を空気極(カソード)1と燃料極(アノード)3で挟んで成る燃料電池セル4と、セラミックス製のセル支持板5を備えると共に、燃料電池セル4をセル支持板5で支持した構造を有している。   A solid oxide fuel cell C1 shown in FIG. 1 includes a fuel cell 4 having an electrolyte layer 2 sandwiched between an air electrode (cathode) 1 and a fuel electrode (anode) 3, and a cell support plate 5 made of ceramics. In addition, the fuel battery cell 4 is supported by the cell support plate 5.

また、燃料電池C1は、セル支持板5の両面側に、ガス透過性を有する金属製の多孔質体6,7を介してインターコネクタ8,9を配置し、燃料極3とインターコネクタ9の間に燃料極側集電体11を介装すると共に、空気極1とインターコネクタ8の間に空気極側集電体10を介装している。   In the fuel cell C 1, the interconnectors 8 and 9 are disposed on both sides of the cell support plate 5 via the gas-permeable metal porous bodies 6 and 7. A fuel electrode side current collector 11 is interposed therebetween, and an air electrode side current collector 10 is interposed between the air electrode 1 and the interconnector 8.

さらに、燃料電池C1は、セル支持板5と燃料極側のインターコネクタ9との間に、燃料電池セル4の燃料極3に燃料ガスを供給する第1燃料ガス流路B1と、燃料極側の多孔質体7に燃料ガスを供給する第2燃料ガス流路B2を備えると共に、セル支持板5と空気極側のインターコネクタ8との間に、燃料電池セル4の空気極1に酸化性ガスを供給する第1酸化性ガス流路A1と、空気極側の多孔質体6に酸化性ガスを供給する第2酸化性ガス流路A2を備えている。   Further, the fuel cell C1 includes a first fuel gas passage B1 for supplying fuel gas to the fuel electrode 3 of the fuel cell 4 between the cell support plate 5 and the fuel electrode side interconnector 9, and a fuel electrode side. The second fuel gas flow path B2 for supplying the fuel gas to the porous body 7 is provided, and the air electrode 1 of the fuel cell 4 is oxidized between the cell support plate 5 and the interconnector 8 on the air electrode side. A first oxidizing gas channel A1 that supplies gas and a second oxidizing gas channel A2 that supplies oxidizing gas to the porous body 6 on the air electrode side are provided.

そして、燃料電池C1は、セル支持板5に、その両面側の多孔質体6,7同士の間を連通させる開口部12を備えている。   And the fuel cell C1 is provided with the opening part 12 which makes the cell support plate 5 connect between the porous bodies 6 and 7 of the both surfaces side.

ここで、燃料電池セル4において、電解質層2には、例えば、8YSZ(8mol%イットリア安定化ジルコニア)を用いることができる。また、燃料極3には、例えば、Ni−8YSZを用い、空気極1には、例えば、LSM(ランタン・ストロンチウム・マンガン酸化物)を用いることができる。   Here, in the fuel cell 4, for example, 8YSZ (8 mol% yttria stabilized zirconia) can be used for the electrolyte layer 2. Further, for example, Ni-8YSZ can be used for the fuel electrode 3, and LSM (lanthanum, strontium, manganese oxide) can be used for the air electrode 1, for example.

さらに、セル支持板5には、例えば、イットリア安定化ジルコニアやマグネシウム安定化ジルコニ等のセラミックス製の薄板を用いることができる。このセル支持板5は、熱膨張率が電解質層2の熱膨張率に近く、燃料電池セル4を良好に接着して接合薄板化することができるほか、耐熱性に優れると共に、高温環境においても剛性を保って燃料電池セル4を安定して支持することができる。また、同セル支持板5は、強度や靭性に優れて変形に強いため、50〜100μm程度の薄板化が可能であり、これにより燃料電池ひいてはスタックの体積や熱容量を低減し得る。   Furthermore, for the cell support plate 5, for example, a thin plate made of ceramics such as yttria stabilized zirconia and magnesium stabilized zirconia can be used. The cell support plate 5 has a thermal expansion coefficient close to that of the electrolyte layer 2 and can be bonded to the fuel cell 4 well to make a thin joint, and also has excellent heat resistance and also in a high temperature environment. The fuel cell 4 can be stably supported while maintaining rigidity. Further, since the cell support plate 5 has excellent strength and toughness and is resistant to deformation, the cell support plate 5 can be thinned to about 50 to 100 μm, thereby reducing the volume and heat capacity of the fuel cell and thus the stack.

さらに、燃料極側の集電体11には、例えば、Ni製フェルト、発泡金属およびメッシュなどを用いることができ、また、空気側の集電体10には、例えば、導電性酸化物等で被覆した金属製メッシュなどを用いることができる   Furthermore, for the current collector 11 on the fuel electrode side, for example, Ni felt, foam metal and mesh can be used, and for the current collector 10 on the air side, for example, a conductive oxide or the like can be used. A coated metal mesh or the like can be used.

さらに、インターコネクタ8,9は、燃料電池セル4で発生した電気を集電体10,11を介して外部に取り出すための端子としても機能するものであって、当然のことながら導電性を有する金属類を使用するが、金属単体では酸化や腐食が生じるので、その表面に導電性酸化物層を形成することがより望ましい。   Furthermore, the interconnectors 8 and 9 also function as terminals for taking out the electricity generated in the fuel battery cell 4 to the outside via the current collectors 10 and 11, and naturally have conductivity. Although metals are used, it is more desirable to form a conductive oxide layer on the surface of a single metal because oxidation or corrosion occurs.

この実施形態の燃料電池C1は、平面矩形状を成していて、セル支持板5において、その中央に燃料電池セル4が配置してあり、燃料電池セル4の外側(両側)に、第1及び第2の酸化性ガス流路A1,A2並びに第1及び第2の燃料ガス流路B1,B2を夫々平行に配置し、これらの流路A1,A2,B1,B2のさらに外側に各多孔質体6,7及び開口部12を夫々平行に配置している。   The fuel cell C <b> 1 of this embodiment has a planar rectangular shape, and the fuel cell 4 is arranged at the center of the cell support plate 5, and the first side is located outside (on both sides) of the fuel cell 4. And the second oxidizing gas passages A1 and A2 and the first and second fuel gas passages B1 and B2, respectively, are arranged in parallel, and the respective pores are formed outside these passages A1, A2, B1 and B2. The mass bodies 6 and 7 and the opening 12 are arranged in parallel.

このとき、各流路A1,A2,B1,B2は、夫々の配管Pで形成され、燃料極側及び空気極側の夫々において、これらの配管Pにより燃料電池セル4と多孔質体6,7との間を気密的に閉塞した構造になっている。なお、燃料電池C1の図示しない端部(紙面垂直方向の端部)は、外部に対して気密的に閉塞してあり、流路や多孔質体の配置に応じて構成を変更することができる。   At this time, each of the flow paths A1, A2, B1, and B2 is formed by the respective pipes P. The fuel cell 4 and the porous bodies 6 and 7 are formed by these pipes P on the fuel electrode side and the air electrode side, respectively. It has a structure in which the space between the two is hermetically closed. Note that an end portion (end portion in the direction perpendicular to the paper surface) of the fuel cell C1 that is not shown is hermetically closed to the outside, and the configuration can be changed according to the arrangement of the flow path and the porous body. .

また、この実施形態の配管Pは、断面三角形状を成すと共に、燃料極側及び空気極側の夫々において2本が四角形状に組み合わされ、各組において、互いに相反する側である燃料電池セル4側と多孔質体6,7側へのガス供給孔(図示せず)を有している。各組の配管Pは一体でも別体でも良い。   In addition, the pipe P of this embodiment has a triangular cross section, and the two are combined in a quadrangular shape on each of the fuel electrode side and the air electrode side, and in each set, the fuel battery cells 4 that are on the opposite sides of each other Gas supply holes (not shown) to the side and the porous bodies 6 and 7 are provided. Each set of pipes P may be integral or separate.

上記構成を備えた固体酸化物型の燃料電池C1は、多段に積層してスタックを構成すると共に、例えば断熱容器に収納され、さらに図2にも示すように、酸化性ガスの供給ラインLAiと第1及び第2の酸化性ガス流路A1,A2とを夫々の流量制御弁VA1,VA2を介して連結すると共に、燃料ガスの供給ラインLBiと第1及び第2の燃料ガス流路B1,B2とを夫々の流量制御弁VB1,VB2を介して連結し、さらに、酸化性ガス及び燃料ガスの排気ラインLAe,ラインLBeを連結する。   The solid oxide fuel cell C1 having the above-described configuration forms a stack by stacking in multiple stages, and is housed in, for example, a heat insulating container. Further, as shown in FIG. 2, an oxidizing gas supply line LAi and The first and second oxidizing gas flow paths A1 and A2 are connected via respective flow control valves VA1 and VA2, and the fuel gas supply line LBi and the first and second fuel gas flow paths B1 and B2 are connected. B2 is connected through respective flow control valves VB1 and VB2, and an exhaust line LAe and a line LBe for oxidizing gas and fuel gas are connected.

上記の燃料電池C1は、第1酸化性ガス流路A1から燃料電池セル4の空気極1に酸化性ガス(空気)を供給すると共に、第1燃料ガス流路B1から燃料電池セル4の燃料極3に燃料ガスを供給することで、燃料電池セル4において電気化学反応による発電を開始するのであるが、起動時においては、燃料電池セル4が所定の温度に達していないと効率の良い発電が行われない。   The fuel cell C1 supplies an oxidizing gas (air) from the first oxidizing gas channel A1 to the air electrode 1 of the fuel cell 4 and also supplies fuel from the first fuel gas channel B1 to the fuel cell 4. By supplying the fuel gas to the electrode 3, power generation by an electrochemical reaction is started in the fuel battery cell 4, but efficient power generation is possible if the fuel battery cell 4 does not reach a predetermined temperature at startup. Is not done.

そこで、燃料電池C1は、第2酸化性ガス流路A2から多孔質体6側へ酸化性ガスを供給すると共に、第2燃料ガス流路B2から多孔質体7側へ燃料ガスを供給し、開口部12において酸化性ガスと燃料ガスを混合燃焼させる。これにより、燃焼により生じた熱で燃料電池セル4が予熱され、上記の発電開始とともに燃料電池セル4が速やかに昇温して効率の良い発電が行われることとなる。   Therefore, the fuel cell C1 supplies the oxidizing gas from the second oxidizing gas channel A2 to the porous body 6 side, and supplies the fuel gas from the second fuel gas channel B2 to the porous body 7 side, The oxidizing gas and the fuel gas are mixed and burned in the opening 12. As a result, the fuel cell 4 is preheated by the heat generated by the combustion, and the fuel cell 4 is quickly heated with the start of the power generation, so that efficient power generation is performed.

このように、燃料電池C1は、当該燃料電池C1の内部に、燃料電池セル4による発電領域と多孔質体6,7及び開口部12による燃焼領域を設けて、その熱により燃料電池セル4を直接的に予熱するので、例えば、断熱容器の外部に配置した熱交換器において供給ガスを予熱するようにした従来の燃料電池に比べて、熱損失が少なく、燃料電池セルを効率的に且つ迅速に昇温させることができ、さらに、当該燃料電池C1を積層して成るスタック全体を均一に昇温させることができ、これにより起動性に優れたものとなる。このほか、従来のような外部の熱交換器が不要になるので、構造が簡単で小型軽量化などにも容易に対処することができる。   As described above, the fuel cell C1 has a power generation region by the fuel cell 4 and a combustion region by the porous bodies 6 and 7 and the opening 12 inside the fuel cell C1, and the fuel cell 4 is heated by the heat. Since it is directly preheated, for example, compared to a conventional fuel cell in which the supply gas is preheated in a heat exchanger arranged outside the heat insulating container, heat loss is reduced, and the fuel cell is efficiently and quickly operated. In addition, the temperature of the entire stack formed by stacking the fuel cells C1 can be raised uniformly, and the startability is excellent. In addition, since an external heat exchanger as in the prior art is not required, the structure is simple and it is possible to easily cope with reduction in size and weight.

また、燃料電池C1は、燃料電池セル4を発電に適した温度まで充分に加熱した後には、第2燃料ガス流路B2及び第2酸化性ガス流路A2に対する燃料ガス及び酸化性ガスの供給を停止すれば、燃料電池セル4を不要に加熱することもなく、さらに、燃料電池セル4の温度が過大になったときには、第2酸化性ガス流路A2に酸化性ガス(空気)を供給することで燃料電池セル4を冷却することも可能である。   The fuel cell C1 supplies the fuel gas and the oxidizing gas to the second fuel gas channel B2 and the second oxidizing gas channel A2 after sufficiently heating the fuel cell 4 to a temperature suitable for power generation. Is stopped, the fuel cell 4 is not heated unnecessarily, and when the temperature of the fuel cell 4 becomes excessive, the oxidizing gas (air) is supplied to the second oxidizing gas channel A2. It is also possible to cool the fuel battery cell 4 by doing so.

上記のように、起動時における加熱、加熱の停止及び冷却を自動的に行うには、燃料電池C1の内部や流路等の適当な部位に温度センサを配置し、これらの温度センサからの検出信号に基づいて、図2に示す各流量制御弁VA1,VA2,VB1,VB2の開度を制御すれば良い。つまり、当該燃料電池C1は、温度制御にも容易に対処することができ、温度制御によって安定した運転を実現することができる。   As described above, in order to automatically perform heating, stop heating, and cooling at the time of startup, a temperature sensor is disposed in an appropriate portion such as the inside of the fuel cell C1 or a flow path, and detection from these temperature sensors is performed. Based on the signal, the opening of each flow control valve VA1, VA2, VB1, VB2 shown in FIG. 2 may be controlled. That is, the fuel cell C1 can easily cope with the temperature control, and can realize a stable operation by the temperature control.

さらに、この実施形態で説明した燃料電池C1は、燃料電池セル4による発電領域と多孔質体6,7による燃焼領域との間において、第1及び第2の燃料ガス流路B1,B2の配管P、並びに第1及び第2の酸化性ガス流路A1,A2の配管Pを夫々一体化しているので、燃焼によりこれらの配管Pが加熱され、その結果、燃料電池セル4に供給する直前の燃料ガス及び酸化性ガスを充分に予熱して、燃料電池セル4の迅速な昇温性をより一層高めることができる。また、上記の配管Pの一体化により、燃料ガス及び酸化性ガスの夫々の供給系の簡略化を図ることもでき、全体構造のさらなる小型軽量化に貢献することができる。   Further, the fuel cell C1 described in this embodiment is configured such that the piping of the first and second fuel gas flow paths B1 and B2 is between the power generation region by the fuel cell 4 and the combustion region by the porous bodies 6 and 7. P and the pipes P of the first and second oxidizing gas flow paths A1 and A2 are integrated with each other, so that these pipes P are heated by combustion, and as a result, immediately before the fuel cell 4 is supplied. The fuel gas and the oxidizing gas can be sufficiently preheated to further increase the rapid temperature rise performance of the fuel cell 4. Further, the integration of the above-described piping P can simplify the supply system of each of the fuel gas and the oxidizing gas, and can contribute to further downsizing and weight reduction of the entire structure.

そしてさらに、上記の燃料電池C1は、燃料ガスと酸化性ガスとの混合燃焼を自然発生させることも可能であるが、金属製の多孔質体6,7を採用しているので、これらの多孔質体6,7に通電することで着火を行うことができる。   Further, the fuel cell C1 can naturally generate the mixed combustion of the fuel gas and the oxidizing gas. However, since the metal porous bodies 6 and 7 are employed, these porous cells are porous. Ignition can be performed by energizing the masses 6 and 7.

図3は、本発明の固体酸化物型燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 3 is a diagram for explaining another embodiment of the solid oxide fuel cell of the present invention. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図示の燃料電池C2は、セル支持板5に、その両面側の多孔質体6,7同士の間を連通させる複数の開口部12が設けてある。また、燃料電池C2は、セル支持板5の中央に燃料電池セル4を配置すると共に、燃料極3側及び空気極1側の夫々において、燃料電池セル4の外側に第1酸化性ガス流路A1及び第1燃料ガス流路B1を配置し、これらの流路A1,B1の外側に多孔質体6,7及び開口部12を配置し、多孔質体6,7の外側に第2酸化性ガス流路A2及び第2燃料ガス流路B2を配置している。   The illustrated fuel cell C <b> 2 is provided with a plurality of openings 12 in the cell support plate 5 for communicating between the porous bodies 6 and 7 on both sides thereof. In the fuel cell C2, the fuel cell 4 is disposed in the center of the cell support plate 5, and the first oxidizing gas flow path is disposed outside the fuel cell 4 on the fuel electrode 3 side and the air electrode 1 side. A1 and the first fuel gas flow path B1 are disposed, the porous bodies 6 and 7 and the opening 12 are disposed outside the flow paths A1 and B1, and the second oxidizing property is disposed outside the porous bodies 6 and 7. A gas flow path A2 and a second fuel gas flow path B2 are arranged.

そして、空気極1側及び燃料極3側の夫々において、第1酸化性ガス流路A1及び第1燃料ガス流路B1を形成する配管P,Pにより燃料電池セル4と多孔質体6,7との間を気密的に閉塞し、さらに、第2酸化性ガス流路A2及び第2燃料ガス流路B2を形成する配管P,Pにより電池内外を気密的に閉塞している。この実施形態の配管Pは断面矩形状を成している。   Then, on each of the air electrode 1 side and the fuel electrode 3 side, the fuel cells 4 and the porous bodies 6 and 7 are formed by the pipes P and P forming the first oxidizing gas flow path A1 and the first fuel gas flow path B1. And the inside and outside of the battery are hermetically closed by pipes P and P forming the second oxidizing gas passage A2 and the second fuel gas passage B2. The pipe P of this embodiment has a rectangular cross section.

上記の燃料電池C2は、先の実施形態の燃料電池と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、燃焼領域により、第1酸化性ガス流路A1及び第1燃料ガス流路B1の配管P,Pを直接加熱するので、燃料電池セル4に供給する直前の酸化性ガス及び燃料ガスをより充分に加熱することができ、燃料電池セル4の速やかな昇温性ひいては燃料電池C1の速やかな起動性をより一層高めることができる。   The fuel cell C2 can obtain the same operations and effects as the fuel cell of the previous embodiment, and the piping of the first oxidizing gas passage A1 and the first fuel gas passage B1 depending on the combustion region. Since P and P are directly heated, the oxidizing gas and the fuel gas immediately before being supplied to the fuel battery cell 4 can be sufficiently heated, and the rapid temperature rise of the fuel battery cell 4 and thus the fuel battery C1 can be quickly Can be further improved.

図4は、本発明の固体酸化物型燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 4 is a diagram illustrating still another embodiment of the solid oxide fuel cell of the present invention. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図示の燃料電池C3は、基本的に図1に示す実施形態の燃料電池C1と同様の構成であって、セル支持板5に、その両面側の多孔質体6,7同士の間を連通させる複数の開口部12が設けてあり、また、第1及び第2の酸化性ガス流路A1,A2並びに第1及び第2の燃料ガス流路B1,B2を夫々形成する配管Pが断面矩形状を成している。この燃料電池C3にあっても、先の各実施形態のものと同様の作用及び効果を得ることができる。   The illustrated fuel cell C3 has basically the same configuration as the fuel cell C1 of the embodiment shown in FIG. 1, and the cell support plate 5 communicates between the porous bodies 6 and 7 on both sides thereof. A plurality of openings 12 are provided, and the first and second oxidizing gas flow paths A1 and A2 and the pipes P forming the first and second fuel gas flow paths B1 and B2 are rectangular in cross section. Is made. Even in this fuel cell C3, the same operations and effects as those of the previous embodiments can be obtained.

なお、本発明の固体酸化物型燃料電池は、その構成の細部が上記各実施形態に限定されるものではなく、各構成部材の形状及び材質を適宜変更することができ、とくに燃料ガス流路、酸化性ガス流路及び多孔質体の形状や配置を適宜変更することができる。   Note that the solid oxide fuel cell of the present invention is not limited to the details of the above-described embodiments, and the shape and material of each component can be changed as appropriate. The shape and arrangement of the oxidizing gas flow path and the porous body can be changed as appropriate.

実施例1として、図1に示す構造の固体酸化物型燃料電池を作製した。   As Example 1, a solid oxide fuel cell having the structure shown in FIG.

燃料電池セル(4)において、電解質(2)は、材料に8YSZ(8mol%イットリア安定化ジルコニア)を用い、厚さを10μmとした。空気極(1)と電解質(2)の間の中間層は、材料にYDC(イットリア・セリウム酸化物)を用い、厚さを4μmとした。燃料極(3)は、材料にNi−8YSZを用い、厚さを500μmとした。空気極(1)は、材料にLSCF(ランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄酸化物)を用い、厚さを30μm、電極面積を60cmとした。 In the fuel battery cell (4), the electrolyte (2) was made of 8YSZ (8 mol% yttria stabilized zirconia) as a material and had a thickness of 10 μm. The intermediate layer between the air electrode (1) and the electrolyte (2) was made of YDC (yttria cerium oxide) as a material and had a thickness of 4 μm. The fuel electrode (3) was made of Ni-8YSZ as a material and had a thickness of 500 μm. For the air electrode (1), LSCF (lanthanum, strontium, cobalt, iron oxide) was used as a material, the thickness was 30 μm, and the electrode area was 60 cm 2 .

セル支持板(5)は、3mol%イットリア安定化ジルコニア製の厚さ50μmの基板を用いると共に、その基板の表裏に厚さ10μmアルミナ層を形成した。そして、金属系ロウ材を使用して燃料電池セル(4)を接合した   As the cell support plate (5), a substrate having a thickness of 50 μm made of 3 mol% yttria stabilized zirconia was used, and an alumina layer having a thickness of 10 μm was formed on the front and back of the substrate. And the fuel cell (4) was joined using the metal brazing material.

ガス流路は、Fe−22Crステンレス鋼から成る断面2mm×2mmの角型配管(P)の内部を二分割し、断面三角形状を成す第1及び第2の酸化性ガス流路(A1,A2)並びに第1及び第2の燃料ガス流路(B1,B2)を形成した。これらの配管(P)は、金属系ロウ材を用いてセル支持板(5)やインターコネクタ(8,9)に接合した。   The gas flow path is divided into two parts inside a square pipe (P) having a cross section of 2 mm × 2 mm made of Fe-22Cr stainless steel, and the first and second oxidizing gas flow paths (A1, A2) having a triangular cross section. ) And the first and second fuel gas flow paths (B1, B2). These pipes (P) were joined to the cell support plate (5) and the interconnectors (8, 9) using a metal brazing material.

多孔質体(6,7)は、Fe−22Crステンレス鋼粒子から成る断面2mm×4mmの多孔質金属体を用い、金属系ロウ材を用いてセル支持板(5)やインターコネクタ(8,9)に接合した。   The porous body (6, 7) is a porous metal body having a cross section of 2 mm x 4 mm made of Fe-22Cr stainless steel particles, and using a metal brazing material, the cell support plate (5) or the interconnector (8, 9). ).

インターコネクタ(8,9)厚さ250μmのFe−22Crステンレス鋼シートを用い、同シートの燃料極(2)側の面に、厚さ5μmのNiめっきを施すと共に、同シートの空気極(3)側の面に、LSM(ランタン・ストロンチウム・マンガン酸化物)を厚さ20μm焼き付けた。    The interconnector (8, 9) uses an Fe-22Cr stainless steel sheet with a thickness of 250 μm, and the surface of the sheet on the fuel electrode (2) side is plated with Ni with a thickness of 5 μm, and the air electrode (3 ) LSM (lanthanum / strontium / manganese oxide) was baked to a thickness of 20 μm on the surface on the side.

燃料極(3)側の集電体(11)には、メッシュサイズ16のNi製メッシュを使用した。空気極(1)側の集電体(10)には、メッシュサイズ16のFe−22Cr製メッシュにLSM(ランタン・ストロンチウム・マンガン酸化物)を厚さ20μm焼き付けたものを使用した   A Ni mesh with a mesh size of 16 was used for the current collector (11) on the fuel electrode (3) side. The current collector (10) on the air electrode (1) side was obtained by baking LSM (lanthanum / strontium / manganese oxide) with a thickness of 20 μm on a mesh made of Fe-22Cr having a mesh size of 16.

そして、上記の燃料電池(C1)を10枚重ねてスタックを構成し、室温から所定の運転温度に達するまでの時間を評価した。   Then, 10 fuel cells (C1) described above were stacked to form a stack, and the time required to reach a predetermined operating temperature from room temperature was evaluated.

この際、予熱用として、第2燃料ガス流路(B2)に、燃料ガスである水素ガスを5L/minで供給すると共に、第2酸化性ガス流路(A2)に、酸化性ガスである空気を8L/minで供給し、多孔質体(6,7)に通電することで、水素ガスと空気を混合燃焼させた。これと同時に、発電用として、第1燃料ガス流路(B1)に、同じく水素ガスを3L/minで供給すると共に、第1酸化性ガス流路(A1)に、同じく空気を6L/minで供給した。   At this time, for preheating, hydrogen gas, which is a fuel gas, is supplied to the second fuel gas channel (B2) at 5 L / min, and the second oxidizing gas channel (A2) is an oxidizing gas. Air was supplied at 8 L / min, and the porous body (6, 7) was energized to mix and burn hydrogen gas and air. At the same time, for power generation, hydrogen gas is similarly supplied to the first fuel gas channel (B1) at 3 L / min, and air is also supplied to the first oxidizing gas channel (A1) at 6 L / min. Supplied.

スタックは、上記のガス供給により、5分経過後から発電を開始し、15分後に発電出力が安定した。15分経過後、電圧7V、電流密度0.3A/cmの発電を確認した。その時のスタックの温度は約770℃であった。これにより、当該スタックが15分で起動できることを確認した。 The stack started power generation after 5 minutes by the above gas supply, and the power generation output was stabilized after 15 minutes. After 15 minutes, power generation with a voltage of 7 V and a current density of 0.3 A / cm 2 was confirmed. The temperature of the stack at that time was about 770 ° C. This confirmed that the stack could be started in 15 minutes.

また、起動から15分経過後、第2燃料ガス流路(B2)の水素ガスと第2酸化性ガス流路(A2)の空気を遮断した。この遮断から10分経過後、スタックの温度が約790℃に達したので、第2酸化性ガス流路(A2)に空気を8L/minで供給したところ、その約5分経過後、スタックの温度が770℃に低下した。これにより、第2酸化性ガス流路(A2)への空気供給により、セル支持板(5)やインターコネクタ(8,9)を冷却し得ることを確認した。   Further, after 15 minutes from the start, the hydrogen gas in the second fuel gas channel (B2) and the air in the second oxidizing gas channel (A2) were shut off. After 10 minutes from the shut-off, the stack temperature reached about 790 ° C., so when air was supplied to the second oxidizing gas flow path (A2) at 8 L / min, about 5 minutes later, The temperature dropped to 770 ° C. Thereby, it was confirmed that the cell support plate (5) and the interconnectors (8, 9) can be cooled by supplying air to the second oxidizing gas channel (A2).

ここで、比較例1として、実施例1の燃料電池セルを積層してスタックを構成し、燃焼用のガス流量を減じる試験を行った。   Here, as Comparative Example 1, a stack was formed by stacking the fuel cells of Example 1, and a test for reducing the combustion gas flow rate was performed.

予熱用として、第2燃料ガス流路(B2)に、燃料ガスである水素ガスを1L/minで供給すると共に、第2酸化性ガス流路(A2)に、酸化性ガスである空気を2L/minで供給し、多孔質体(6,7)に通電することで、水素ガスと空気を混合燃焼させた。これと同時に、発電用として、第1燃料ガス流路(B1)に、同じく水素ガスを3L/minで供給すると共に、第1酸化性ガス流路(A1)に、同じく空気を6L/minで供給した。   For preheating, hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the second fuel gas channel (B2) at 1 L / min, and 2 L of air as an oxidizing gas is supplied to the second oxidizing gas channel (A2). Hydrogen gas and air were mixed and combusted by supplying at / min and energizing the porous body (6, 7). At the same time, for power generation, hydrogen gas is similarly supplied to the first fuel gas channel (B1) at 3 L / min, and air is also supplied to the first oxidizing gas channel (A1) at 6 L / min. Supplied.

この場合、スタックは、ガス供給から60分経過後も発電出力は殆ど得られず、60分経過後の温度は約480℃であった。この比較例1は、実施例1のような予熱用の燃料ガス及び酸化性ガスの充分な供給が、燃料電池セル(4)の良好な昇温性やスタックの良好な起動性を実現する裏付けとなった。   In this case, almost no power generation output was obtained even after 60 minutes had elapsed from the gas supply, and the temperature after 60 minutes was about 480 ° C. This Comparative Example 1 supports that sufficient supply of the preheating fuel gas and oxidizing gas as in Example 1 achieves good temperature rise performance of the fuel battery cell (4) and good startability of the stack. It became.

実施例2として、図3に示す構造の固体酸化物型燃料電池を作製した。燃料電池セル(4)、セル支持板(5)、インターコネクタ(8,9)及び集電体(10,11)は、先の実施例と同様である。   As Example 2, a solid oxide fuel cell having the structure shown in FIG. The fuel cell (4), the cell support plate (5), the interconnectors (8, 9) and the current collectors (10, 11) are the same as in the previous embodiment.

ガス流路は、Fe−22Crステンレス鋼から成る断面2mm×2mmの角型配管(P)で形成し、これらの配管(P)は、金属系ロウ材を用いてセル支持板(5)やインターコネクタ(8,9)に接合した。   The gas flow path is formed by square pipes (P) made of Fe-22Cr stainless steel and having a cross section of 2 mm × 2 mm. These pipes (P) are made of a metal brazing material and are used for the cell support plate (5) and the interface. Joined to connectors (8, 9).

多孔質体(6,7)は、Fe−22Crステンレス鋼粒子から成る断面2mm×6mmの多孔質金属体を用い、金属系ロウ材を用いてセル支持板(5)やインターコネクタ(8,9)に接合した。また、セル支持板(5)には、多孔質体(6,7)同士の間に、開口部(12)として直径1mmの孔を3個形成した。   The porous body (6, 7) is a porous metal body having a cross section of 2 mm × 6 mm made of Fe-22Cr stainless steel particles, and using a metal brazing material, the cell support plate (5) and the interconnector (8, 9). ). In addition, three holes having a diameter of 1 mm were formed as openings (12) between the porous bodies (6, 7) in the cell support plate (5).

そして、上記の燃料電池(C2)を10枚重ねてスタックを構成し、室温から所定の運転温度に達するまでの時間を評価した。   Then, 10 stacks of the above fuel cells (C2) were formed to form a stack, and the time required to reach a predetermined operating temperature from room temperature was evaluated.

この際、予熱用として、第2燃料ガス流路(B2)に、燃料ガスである水素ガスを5L/minで供給すると共に、第2酸化性ガス流路(A2)に、酸化性ガスである空気を8L/minで供給し、多孔質体(6,7)に通電することで、水素ガスと空気を混合燃焼させた。これと同時に、発電用として、第1燃料ガス流路(B1)に、同じく水素ガスを3L/minで供給すると共に、第1酸化性ガス流路(A1)に、同じく空気を6L/minで供給した。   At this time, for preheating, hydrogen gas, which is a fuel gas, is supplied to the second fuel gas channel (B2) at 5 L / min, and the second oxidizing gas channel (A2) is an oxidizing gas. Air was supplied at 8 L / min, and the porous body (6, 7) was energized to mix and burn hydrogen gas and air. At the same time, for power generation, hydrogen gas is similarly supplied to the first fuel gas channel (B1) at 3 L / min, and air is also supplied to the first oxidizing gas channel (A1) at 6 L / min. Supplied.

スタックは、上記のガス供給により、6分経過後から発電を開始し、17分後に発電出力が安定した。17分経過後、電圧7V、電流密度0.3A/cmの発電を確認した。その時のスタックの温度は約760℃であった。これにより、当該スタックが17分で起動できることを確認した。 The stack started power generation after the elapse of 6 minutes by the above gas supply, and the power generation output was stabilized after 17 minutes. After 17 minutes, power generation with a voltage of 7 V and a current density of 0.3 A / cm 2 was confirmed. The temperature of the stack at that time was about 760 ° C. This confirmed that the stack could be started in 17 minutes.

実施例3として、図4に示す構造の固体酸化物型燃料電池を作製した。燃料電池セル(4)、セル支持板(5)、インターコネクタ(8,9)及び集電体(10,11)は、先の実施例2と同様である。   As Example 3, a solid oxide fuel cell having the structure shown in FIG. The fuel cell (4), the cell support plate (5), the interconnectors (8, 9), and the current collectors (10, 11) are the same as those in the second embodiment.

そして、上記の燃料電池(C3)を10枚重ねてスタックを構成し、室温から所定の運転温度に達するまでの時間を評価した。   Then, 10 stacks of the above fuel cells (C3) were stacked to form a stack, and the time required to reach a predetermined operating temperature from room temperature was evaluated.

この際、予熱用として、第2燃料ガス流路(B2)に、燃料ガスである水素ガスを5L/minで供給すると共に、第2酸化性ガス流路(A2)に、酸化性ガスである空気を8L/minで供給し、多孔質体(6,7)に通電することで、水素ガスと空気を混合燃焼させた。これと同時に、発電用として、第1燃料ガス流路(B1)に、同じく水素ガスを3L/minで供給すると共に、第1酸化性ガス流路(A1)に、同じく空気を6L/minで供給した。   At this time, for preheating, hydrogen gas, which is a fuel gas, is supplied to the second fuel gas channel (B2) at 5 L / min, and the second oxidizing gas channel (A2) is an oxidizing gas. Air was supplied at 8 L / min, and the porous body (6, 7) was energized to mix and burn hydrogen gas and air. At the same time, for power generation, hydrogen gas is similarly supplied to the first fuel gas channel (B1) at 3 L / min, and air is also supplied to the first oxidizing gas channel (A1) at 6 L / min. Supplied.

スタックは、上記のガス供給により、5分経過後から発電を開始し、12分後に発電出力が安定した。12分経過後、電圧7V、電流密度0.3A/cmの発電を確認した。その時のスタックの温度は約760℃であった。これにより、当該スタックが12分で起動できることを確認した。 The stack started power generation after the elapse of 5 minutes due to the above gas supply, and the power generation output was stabilized after 12 minutes. After 12 minutes, power generation with a voltage of 7 V and a current density of 0.3 A / cm 2 was confirmed. The temperature of the stack at that time was about 760 ° C. This confirmed that the stack could be started in 12 minutes.

本発明の固体酸化物型燃料電池の一実施形態を説明する断面図(a)及び端部を拡大した断面図(b)である。It is sectional drawing (a) explaining one Embodiment of the solid oxide fuel cell of this invention, and sectional drawing (b) which expanded the edge part. 図1に示す固体酸化物型燃料電池のガス給排気系を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the gas supply / exhaust system of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 本発明の固体酸化物型燃料電池の他の実施形態を説明する片側省略の断面図である。It is sectional drawing of the one side omission explaining other embodiment of the solid oxide fuel cell of this invention. 本発明の固体酸化物型燃料電池のさらに他の実施形態を説明する片側省略の断面図である。It is sectional drawing of the one side omission explaining further another embodiment of the solid oxide fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 空気極
2 電解質層
3 燃料極
4 燃料電池セル
5 セル支持板
6 7 多孔質体
8 9 インターコネクタ
12 開口部
A1 第1酸化性ガス流路
A2 第2酸化性ガス流路
B1 第1燃料ガス流路
B2 第2燃料ガス流路
C1〜C3 固体酸化物型燃料電池
P 配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air electrode 2 Electrolyte layer 3 Fuel electrode 4 Fuel cell 5 Cell support plate 6 7 Porous body 8 9 Interconnector 12 Opening part A1 1st oxidizing gas flow path A2 2nd oxidizing gas flow path B1 1st fuel gas Channel B2 Second fuel gas channel C1 to C3 Solid oxide fuel cell P Piping

Claims (4)

電解質層を燃料極と空気極で挟んで成る燃料電池セルをセル支持板で支持すると共に、セル支持板の両面側に夫々の多孔質体を介してインターコネクタを配置し、セル支持板と燃料極側のインターコネクタとの間に、燃料電池セルの燃料極に燃料ガスを供給する第1燃料ガス流路と、燃料極側の多孔質体に燃料ガスを供給する第2燃料ガス流路を設けると共に、セル支持板と空気極側のインターコネクタとの間に、燃料電池セルの空気極に酸化性ガスを供給する第1酸化性ガス流路と、空気極側の多孔質体に酸化性ガスを供給する第2酸化性ガス流路を設け、セル支持板に、両面側の多孔質体同士の間を連通させる開口部を設けたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 A fuel cell comprising an electrolyte layer sandwiched between a fuel electrode and an air electrode is supported by a cell support plate, and an interconnector is disposed on both sides of the cell support plate via respective porous bodies, and the cell support plate and the fuel A first fuel gas passage for supplying fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell and a second fuel gas passage for supplying fuel gas to the porous body on the fuel electrode side are provided between the electrode connector and the electrode connector. A first oxidizing gas passage for supplying an oxidizing gas to the air electrode of the fuel cell between the cell support plate and the air electrode side interconnector, and an oxidizing property for the porous body on the air electrode side A solid oxide fuel cell, characterized in that a second oxidizing gas flow path for supplying gas is provided, and an opening for communicating between the porous bodies on both sides is provided in the cell support plate. セル支持板において、燃料電池セルの外側に第1及び第2の燃料ガス流路並びに第1及び第2の酸化性ガス流路を配置し、これらの流路の外側に各多孔質体及び開口部を配置し、各流路を形成する配管により燃料電池セルと多孔質体との間を閉塞した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。 In the cell support plate, the first and second fuel gas flow paths and the first and second oxidizing gas flow paths are arranged outside the fuel cell, and the porous bodies and the openings are formed outside these flow paths. 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a portion is arranged and the space between the fuel cell and the porous body is closed by a pipe forming each flow path. セル支持板において、燃料電池セルの外側に第1燃料ガス流路及び第1酸化性ガス流路を配置し、これらの流路の外側に多孔質体及び開口部を配置し、多孔質体の外側に第2燃料ガス流路及び第2酸化性ガス流路を配置し、第1燃料ガス流路及び第1酸化性ガス流路を形成する配管により燃料電池セルと多孔質体との間を閉塞した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。 In the cell support plate, the first fuel gas flow path and the first oxidizing gas flow path are disposed outside the fuel battery cell, and the porous body and the opening are disposed outside these flow paths. A second fuel gas flow channel and a second oxidizing gas flow channel are disposed outside, and a pipe that forms the first fuel gas flow channel and the first oxidizing gas flow channel is provided between the fuel cell and the porous body. 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is closed. セル支持板がセラミックス製であると共に、多孔質体が金属製であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項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 cell support plate is made of ceramics and the porous body is made of metal.
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