JPH11111314A - Cathode collecting structure for solid electrolyte fuel cell, and solid electrolyte fuel cell power generating module using the same - Google Patents

Cathode collecting structure for solid electrolyte fuel cell, and solid electrolyte fuel cell power generating module using the same

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JPH11111314A
JPH11111314A JP9271538A JP27153897A JPH11111314A JP H11111314 A JPH11111314 A JP H11111314A JP 9271538 A JP9271538 A JP 9271538A JP 27153897 A JP27153897 A JP 27153897A JP H11111314 A JPH11111314 A JP H11111314A
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JP
Japan
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fuel
cell
air electrode
exhaust gas
fuel cell
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JP9271538A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinji Takeuchi
伸二 竹内
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Kansai Electric Power Co Inc
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Kansai Electric Power Co Inc
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the collecting efficiency, without an air pole current flowing through other adjacent cells by providing an exhaust gas separator for partitioning air electrode side exhaust gas and fuel pole side exhaust gas and a cathode collector adhered to a cylindrical fuel cell in the axial direction and extended to the upper part beyond the exhaust gas separator. SOLUTION: In a cathode collector 21, a lead member 22 extended in the longitudinal direction of a cell passes through an exhaust gas separator, and one end of the lead member 22 is positioned in the fuel electrode side exhaust, and the other end thereof is positioned in the air electrode side exhaust. A part of the lead member 22 positioned in the air electrode side exhaust is connected to an air pole of a cell so as to take an air pole current. At this stage, the lead member 22 is inserted between two cells arranged in the vertical direction and connected to each cell. The air electrode is coated with the collecting auxiliaries 23 at the part between a coating layer 76, and the periphery of the air pole is coated preferably with collecting auxiliary rings 2 at constant intervals.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は固体電解質型燃料電
池(以下「SOFC」ともいう。)に利用するカソード集電
構造及び該カソード集電構造を用いた発電モジュールに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cathode current collecting structure used for a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as "SOFC") and a power generation module using the cathode current collecting structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質型燃料電池のセル構造には、
円筒方式及び平板方式等があり、円筒方式のものには単
セルの接続方法の違いから縦縞円筒方式と横縞円筒方式
があった。縦縞円筒方式のものとしては、図16及び図
17に示されているように外側から順に燃料極83、固
体電解質82、空気極81が配置され形式のものがあっ
た。これは1本の円筒型の多孔質支持管84の上に1個
の単セルで構成されている。
2. Description of the Related Art The cell structure of a solid oxide fuel cell includes:
There are a cylindrical system and a flat plate system, and the cylindrical system has a vertical stripe cylindrical system and a horizontal stripe cylindrical system depending on the connection method of a single cell. As shown in FIGS. 16 and 17, the vertical stripe cylindrical type has a type in which a fuel electrode 83, a solid electrolyte 82, and an air electrode 81 are arranged in this order from the outside. This is constituted by one single cell on one cylindrical porous support tube 84.

【0003】この形式ではセルの外側には、水素や一酸
化炭素を含む燃料が通され、セルの内側には酸素を含む
空気が通される。内側の空気極81では以下のように空
気中の酸素が電子を受け取って酸化物イオンとなり、固
体電解質を透過して、外側の燃料極83に達する。
In this type, a fuel containing hydrogen or carbon monoxide is passed through the outside of the cell, and air containing oxygen is passed through the inside of the cell. At the inner air electrode 81, oxygen in the air receives electrons and becomes oxide ions as described below, passes through the solid electrolyte, and reaches the outer fuel electrode 83.

【0004】 (1/2)O2 + 2e- → O2-(反応式A) この酸化物イオンが燃料極83において、以下のように
水素及び一酸化炭素と反応して電子を放出して水及び二
酸化炭素を作り出す。
(1/2) O 2 + 2e → O 2− (reaction formula A) At the fuel electrode 83, the oxide ions react with hydrogen and carbon monoxide to release electrons as follows. Produces water and carbon dioxide.

【0005】 H2 + O2- → H2O +2e-(反応式B) CO + O2- → CO2 + 2e-(反応式C) このような電池反応により発生する電気はインターコネ
クタ85を介して取り出される。即ち、セルの電解質8
2及び燃料極83は完全な円筒形ではなく、長手方向に
延びる間隙があり、該間隙から、内側の空気極81で生
じた電気を取り出している。そして、このインターコネ
クタを隣接するセルの燃料極83に接続することにより
各セルが直列に接続される。そして、図18に示されて
いるように、直列に接続されたセルを挟むようにして設
置されたプレートの一端がスタックの陽極となり、他端
が陰極となる。即ちこの両端の板が集電体の役割を果た
していた。
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (reaction formula B) CO + O 2− → CO 2 + 2e (reaction formula C) The electricity generated by such a battery reaction is transmitted through the interconnector 85. Taken out through. That is, the cell electrolyte 8
The fuel electrode 2 and the fuel electrode 83 are not completely cylindrical, and have a gap extending in the longitudinal direction, from which electricity generated at the inner air electrode 81 is extracted. Each cell is connected in series by connecting this interconnector to the fuel electrode 83 of an adjacent cell. Then, as shown in FIG. 18, one end of the plate placed so as to sandwich the cells connected in series is an anode of the stack, and the other end is a cathode. That is, the plates at both ends play the role of a current collector.

【0006】一般に、円筒方式は、平板方式等に比べて
機械的強度が優れており、熱応力が緩和されやすいと言
われている。しかしながら、固体電解質として使用され
るイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が高いイオン
伝導率を示すのは約800℃から約1000℃の高温で
ある。このような高温での作動のため、円筒方式といえ
ども、異種材料の接合部であるインターコネクタの周り
に、熱膨張率の違いから生ずる熱応力が集中し、クラッ
クが発生し易かった。このクラックから漏れた空気は、
燃料ガスと燃焼してクラック周辺を局部加熱し、セルに
損傷を与えてシステムの寿命を短くしていた。
Generally, it is said that the cylindrical system has better mechanical strength than the flat plate system and the like, and that thermal stress is easily reduced. However, yttria-stabilized zirconia (YSZ) used as a solid electrolyte exhibits high ionic conductivity at high temperatures of about 800 ° C to about 1000 ° C. Due to the operation at such a high temperature, even in the case of the cylindrical type, the thermal stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion is concentrated around the interconnector, which is the joining portion of different materials, and cracks are easily generated. The air leaking from this crack
Combustion with fuel gas locally heated the area around the crack, damaging the cell and shortening the life of the system.

【0007】そこで、インターコネクタをなくして、縦
縞方式でも横縞方式でもないセル構造(以下、「インタ
ーコネクタレス方式」ともいう。)が開発された(特開
平7−263001号公報参照)。これは、図19に示
されているように、内側から順に燃料極93、電解質9
2及び空気極91を積層した円筒型の構造をしており、
燃料極の内側には燃料供給用の導電性チューブ94が挿
入されている。燃料極93と導電性チューブ94との間
には導電性フェルト(例えば、ニッケルフェルト等)が
詰められており、燃料極93と導電性チューブ94とを
電気的に接続している。図から明らかなように、このセ
ルは、1本の円筒に1個の単セルで構成されている。セ
ルの陽極には空気極91、セルの陰極には導電性チュー
ブ94が用いられる。
[0007] Therefore, a cell structure (hereinafter, also referred to as an "interconnector-less system") having neither an interconnector nor a vertical stripe system or a horizontal stripe system has been developed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-263001). This is, as shown in FIG. 19, the fuel electrode 93 and the electrolyte 9 in order from the inside.
2 and a cylindrical structure in which the air electrode 91 is laminated,
A conductive tube 94 for fuel supply is inserted inside the fuel electrode. A conductive felt (for example, nickel felt) is filled between the fuel electrode 93 and the conductive tube 94, and electrically connects the fuel electrode 93 and the conductive tube 94. As is clear from the figure, this cell is constituted by one single cell in one cylinder. An air electrode 91 is used as an anode of the cell, and a conductive tube 94 is used as a cathode of the cell.

【0008】導電性チューブ94には多数の細孔が設け
られており、導電性チューブ94に供給された天然ガス
(メタンガスを主成分とする)と水蒸気は、チューブ上
の孔から導電性フェルト95内に入り、導電性フェルト
95の触媒作用により、電池反応に寄与する水素及び一
酸化炭素に改質される。尚、このセルにおいては改質が
セル内部で行われるため、改質器を別に設ける必要がな
い。このようにして燃料極93の内側に発生した水素及
び一酸化炭素と、空気極91の外側を流れる空気に含ま
れる酸素とが、電池反応(前述の反応式AからC)に寄
与する。燃料極側の電流は、導電性フェルト95を介し
て導電性チューブ94から取り出される。
The conductive tube 94 is provided with a large number of pores, and natural gas (mainly methane gas) and water vapor supplied to the conductive tube 94 are supplied to the conductive tube 95 through the holes on the tube. And is converted into hydrogen and carbon monoxide which contribute to the battery reaction by the catalytic action of the conductive felt 95. In this cell, since reforming is performed inside the cell, there is no need to provide a separate reformer. The hydrogen and carbon monoxide generated inside the fuel electrode 93 in this way and the oxygen contained in the air flowing outside the air electrode 91 contribute to the cell reaction (the above-described reaction formulas A to C). The current on the fuel electrode side is taken out of the conductive tube 94 via the conductive felt 95.

【0009】このような構造をとることにより、インタ
ーコネクタを省略することが可能となり、その結果、熱
応力に強いセルを得ることができた。
By adopting such a structure, the interconnector can be omitted, and as a result, a cell resistant to thermal stress can be obtained.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに開発されたインターコネクタレス方式のセルには、
以下のような課題が残されていた。即ち、インターコネ
クタレス方式の場合に、如何にして電極を接続し、集電
効果を上げるかについて未だ十分に検討されていなかっ
た。インターコネクタレス方式のセルの集電構造として
は、例えば、図20に示されているように、複数のセル
を並列に接続してバンドルを構成することが考えられて
いた(特開平7−263001号公報参照)。これは、
セルの内側の燃料極93に連結された導電性チューブ9
4の端部を燃料分配器で連結して陰極とし、セルの外側
の空気極91を導電性材料96で相互に接続して、バン
ドルの側面部に導電性プレート97を設けたものであ
る。しかし、このように単に空気極間相互を導電性材料
96で接続するのみでは、導電性プレート97から離れ
た位置に配置されたセルで生じた電流は、複数のセルを
経由して導電性プレート97に到達することとなり、集
電効率が低い。
However, interconnect-less cells developed in this manner include:
The following issues remained. That is, in the case of the interconnectorless method, how to connect the electrodes and increase the current collection effect has not yet been sufficiently studied. As a current collecting structure of an interconnectorless cell, for example, as shown in FIG. 20, it has been considered that a plurality of cells are connected in parallel to form a bundle (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 7-263001). Reference). this is,
Conductive tube 9 connected to anode 93 inside the cell
The ends of 4 are connected by a fuel distributor to form a cathode, the cathode 91 outside the cell is connected to each other by a conductive material 96, and a conductive plate 97 is provided on the side surface of the bundle. However, simply connecting the cathodes to each other with the conductive material 96 in this manner causes a current generated in a cell arranged at a position distant from the conductive plate 97 to pass through the conductive plate via a plurality of cells. 97, and the current collection efficiency is low.

【0011】また、インターコネクタレス方式の場合、
セルの内側に燃料が流れ、外側に空気が流れる。したが
って、セルの周辺で電極を接続するためには、高温酸化
雰囲気中でセルを接続する必要があり、接触抵抗の増大
や電極の劣化などの困難な問題が生じた。
In the case of the interconnector-less system,
Fuel flows inside the cell and air flows outside. Therefore, in order to connect the electrodes around the cells, it is necessary to connect the cells in a high-temperature oxidizing atmosphere, which causes difficult problems such as an increase in contact resistance and deterioration of the electrodes.

【0012】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、円筒型の固体電解質型燃料電池に
使用するカソード集電構造及び該カソード集電構造を使
用した固体電解質型燃料電池発電モジュールを提供する
ことを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and a cathode current collecting structure used for a cylindrical solid electrolyte type fuel cell and a solid electrolyte type fuel using the cathode current collecting structure An object is to provide a battery power generation module.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明にかかるカソード
集電構造は、外側から順に空気極、固体電解質、燃料極
が円筒状に積層されたインターコネクタレス方式の固体
電解質型燃料電池の空気極電流を取り出すためのカソー
ド集電構造であって、上下方向に延びるように配置され
た前記円筒状燃料電池の前記空気極の上端部において空
気極側排ガスと燃料極側排ガスとを仕切る排ガスセパレ
ータと、前記円筒状燃料電池に対し軸線方向に密着され
前記排ガスセパレータより上方まで延びたカソード集電
体とを備えていることを特徴とする。
A cathode current collecting structure according to the present invention is an air electrode of an interconnectorless type solid electrolyte fuel cell in which an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode are sequentially stacked from the outside in a cylindrical shape. An exhaust gas separator that separates an air electrode side exhaust gas and a fuel electrode side exhaust gas at the upper end of the air electrode of the cylindrical fuel cell, which is a cathode current collecting structure for extracting a current, and is arranged to extend vertically. And a cathode current collector that is axially closely attached to the cylindrical fuel cell and extends above the exhaust gas separator.

【0014】上記の構成により、空気極電流が隣接する
他のセルを経由しないので、集電効率が向上する。ま
た、高温酸化雰囲気中にある空気極に流れる電流を還元
雰囲気中に引き出すので、空気極側パワーリードの材質
として従来の高導電性金属を使用することができるよう
になる。
According to the above configuration, since the air electrode current does not pass through another adjacent cell, the current collection efficiency is improved. Further, since the current flowing through the air electrode in the high-temperature oxidizing atmosphere is drawn into the reducing atmosphere, a conventional highly conductive metal can be used as the material of the air electrode-side power lead.

【0015】前記カソード集電体は、燃料電池反応のた
めの高温酸化雰囲気に接触する前記排ガスセパレータよ
り下方の部分が該雰囲気に対する耐性を有する導電性材
料で被覆されていることが望ましい。空気極側の排気中
にあるリード部材は、高温酸化雰囲気中にあるので、こ
のように高温酸化雰囲気中でも酸化しない物質で覆うこ
とにより、カソード集電体の劣化を防止することができ
る。
[0015] It is preferable that the cathode current collector is coated with a conductive material having resistance to the atmosphere in a portion below the exhaust gas separator which comes into contact with a high-temperature oxidizing atmosphere for a fuel cell reaction. Since the lead member in the exhaust on the air electrode side is in a high-temperature oxidizing atmosphere, deterioration of the cathode current collector can be prevented by covering the lead member with a substance that does not oxidize even in the high-temperature oxidizing atmosphere.

【0016】前記カソード集電構造は、好ましくは、前
記カソード集電体と空気極との間に設けられる集電補助
剤を更に備えており、該集電補助剤は、燃料電池反応の
ための高温酸化雰囲気中で安定であり、且つ、運転温度
において空気極の導電率よりも高い導電率を有する物質
で形成されていることが望ましい。
[0016] The cathode current collecting structure preferably further comprises a current collecting auxiliary provided between the cathode current collector and the air electrode, and the current collecting auxiliary is used for a fuel cell reaction. It is desirable to be formed of a material that is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere and has a higher conductivity than the air electrode at the operating temperature.

【0017】また、前記カソード集電構造は、外側の一
部で前記カソード集電体に接触し内側で空気極に接触す
るようにして空気極の周りに設けられる1又は2以上の
集電補助リングを更に備えていることが好ましく、該集
電補助リングは、燃料電池反応のための高温酸化雰囲気
中で安定であり、且つ、運転温度において空気極の導電
率よりも高い導電率を有する物質で形成されていること
が望ましい。
Further, the cathode current collecting structure may include one or more current collecting auxiliary members provided around the air electrode so that an outer part thereof contacts the cathode current collector and an inner part thereof contacts the air electrode. Preferably, the device further comprises a ring, wherein the current collection auxiliary ring is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere for a fuel cell reaction, and has a conductivity higher than the conductivity of the cathode at an operating temperature. It is desirable to be formed with.

【0018】集電補助剤や集電補助リングを設けた上記
のような場合には、更に集電効果を上げることができ
る。
In the case where the current collecting auxiliary agent and the current collecting auxiliary ring are provided, the current collecting effect can be further improved.

【0019】次に、本発明にかかる固体電解質型燃料電
池発電モジュールは、上記のカソード集電構造を用いた
固体電解質型燃料電池発電モジュールであって、前記固
体電解質型燃料電池を相互に平行に複数配列した固体電
解質型燃料電池発電モジュールにおいて、前記排ガスセ
パレータ板と、前記燃料電池の燃料供給管に燃料を分配
するフュエルディストリビューターと、前記排ガスセパ
レータ板より上の位置で、1又は2以上の燃料供給管に
接続されている燃料極側パワーリードと、前記排ガスセ
パレータ板より上の位置で、1又は2以上のリード部材
に接続された空気極側パワーリードとを備えていること
を特徴とする。
Next, a solid oxide fuel cell power module according to the present invention is a solid oxide fuel cell power module using the above-mentioned cathode current collecting structure, wherein the solid oxide fuel cells are arranged in parallel with each other. In a plurality of solid oxide fuel cell power generation modules, the exhaust gas separator plate, a fuel distributor for distributing fuel to a fuel supply pipe of the fuel cell, and one or more fuel outlets at a position above the exhaust gas separator plate. A fuel electrode side power lead connected to a fuel supply pipe; and an air electrode side power lead connected to one or more lead members at a position above the exhaust gas separator plate. I do.

【0020】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電
モジュールは上記の構成を有するので、集電効率が高
く、また、空気極側パワーリード及び燃料極側パワーリ
ードとも、還元雰囲気中で接続されているので、従来の
高導電性金属材料でパワーリードを構成することがで
き、接触抵抗の増大や電極の劣化の問題からも開放され
る。
Since the solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention has the above configuration, the power collection efficiency is high, and the air electrode side power lead and the fuel electrode side power lead are connected in a reducing atmosphere. Therefore, the power lead can be made of a conventional highly conductive metal material, and the problem of increase in contact resistance and deterioration of the electrode is eliminated.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明にかかるカソード集電構造及び固体電解質型燃料電
池発電モジュールの好適な実施形態について説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a cathode current collecting structure and a solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0022】カソード集電構造 図1は、本発明にかかるカソード集電構造の一実施形態
を示している。図1に示されているように、セルの外側
に配置された空気極に流れる空気極電流は、セルの空気
極に密着したカソード集電体21から取り出される。カ
ソード集電体21はセルの長手方向に延びるリード部材
22を備えている。リード部材22は銅やニッケルなど
の高導電性金属で形成することができる。リード部材2
2は、空気極側排気と燃料極側排気との混合燃焼を防止
するために設けられた排ガスセパレータ11(図9参
照)を貫通する。したがって、リード部材22の一端は
燃料極側の排気中に位置し、他端は空気極側の排気中に
位置する。
The cathode current collector structure Figure 1 shows an embodiment of a cathode current collector structure according to the present invention. As shown in FIG. 1, the cathode current flowing to the cathode arranged outside the cell is taken out from the cathode current collector 21 which is in close contact with the cathode of the cell. The cathode current collector 21 has a lead member 22 extending in the longitudinal direction of the cell. The lead member 22 can be formed of a highly conductive metal such as copper or nickel. Lead member 2
2 penetrates an exhaust gas separator 11 (see FIG. 9) provided to prevent mixed combustion of the air electrode side exhaust and the fuel electrode side exhaust. Therefore, one end of the lead member 22 is located during exhaust on the fuel electrode side, and the other end is located during exhaust on the air electrode side.

【0023】リード部材22の空気極側排気中にある部
分は、セルの空気極に接続され、これにより空気極電流
が取り出される。図1の実施形態では、縦方向に並ぶ2
つのセルの間にリード部材22が挿入されて各セルに接
続されている。リード部材22が空気極に接続される部
分には、リード部材を被覆する被覆層76がある。被覆
層76は、例えば、白金などの高温酸化雰囲気中で安定
であり、しかも導電率が空気極材料よりも高い材料で構
成されている。空気極側の排気中にあるリード部材は、
高温酸化雰囲気中にあるので、リード部材22を、この
ように高温酸化雰囲気中でも酸化しない物質で覆うこと
により、リード部材の22の劣化を防止することができ
る。
The portion of the lead member 22 which is being exhausted on the cathode side is connected to the cathode of the cell, whereby the cathode current is taken out. In the embodiment of FIG.
The lead member 22 is inserted between the two cells and connected to each cell. At a portion where the lead member 22 is connected to the air electrode, there is a coating layer 76 that covers the lead member. The coating layer 76 is made of a material such as platinum, which is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere and has higher conductivity than the air electrode material. The lead member in the air electrode side exhaust is
Since the lead member 22 is in a high-temperature oxidizing atmosphere, the deterioration of the lead member 22 can be prevented by covering the lead member 22 with a substance which does not oxidize even in the high-temperature oxidizing atmosphere.

【0024】空気極1には集電効果を高めるため、被覆
層76との間には集電補助剤23を、更に、空気極1の
周りに一定間隔で、幅数ミリメートルから数十ミリメー
トルの集電補助リング24をコーティングしておくこと
が好ましい。集電補助剤23や集電補助リング24は、
例えば、白金ペーストなどの高温酸化雰囲気中で安定で
あり、しかも導電率が空気極材料よりも高い材料で構成
されている。
In order to enhance the current collecting effect on the air electrode 1, a current collecting auxiliary agent 23 is provided between the air electrode 1 and the coating layer 76. Further, at regular intervals around the air electrode 1, several millimeters to several tens millimeters in width are provided. It is preferable to coat the current collecting auxiliary ring 24 in advance. The current collecting auxiliary agent 23 and the current collecting auxiliary ring 24
For example, it is made of a material that is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere such as a platinum paste and that has a higher conductivity than the air electrode material.

【0025】カソード集電体21を流れる電流は、セル
上部に多く集まり、セル底部には少ないため、カソード
集電体21及び集電補助剤23とも底部に行くほど幅を
狭くすることができ、これにより材料の使用量を抑える
ことができる。リード部材22の被覆のない部分は、熱
応力に耐えるため撚り線構造とするなど柔軟性を持たせ
ることが望ましい。
Since a large amount of current flows through the cathode current collector 21 at the top of the cell and is small at the bottom of the cell, the width of both the cathode current collector 21 and the current collection aid 23 can be reduced toward the bottom. As a result, the amount of material used can be reduced. It is desirable that the uncovered portion of the lead member 22 has flexibility such as a stranded wire structure to withstand thermal stress.

【0026】図1のセルを使用した例では、縦方向に並
ぶセルの間には、カソード集電体21が取り付けられ、
横方向に並ぶセルの間には、カソードスペーサー25が
挿入される(図2参照)。カソードスペーサ25の材質
はセルの空気極と同じものが好ましく、電気的には導通
していなくても良い。
In the example using the cell of FIG. 1, a cathode current collector 21 is attached between cells arranged in a vertical direction,
The cathode spacer 25 is inserted between the cells arranged in the horizontal direction (see FIG. 2). The material of the cathode spacer 25 is preferably the same as the air electrode of the cell, and may not be electrically conductive.

【0027】発電モジュール 次に、上記のカソード集電構造を用いたインターコネク
タレス円筒型固体電解質型燃料電池発電モジュールにつ
いて説明する。
The power module will be described interconnector-less cylindrical solid oxide fuel cell power generation module using the cathode current collector structure of the above.

【0028】(1)燃料をセル上部から供給する形式の
インターコネクタレスセルを用いた場合 まず、本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モジュ
ールの一実施形態について、図3及び図4に示されてい
る単セルを使用する場合を例にとって説明する。図3は
固体電解質型燃料電池のセル構造の一例を示している。
このセルは、外側から順に空気極1、電解質2、燃料極
3を積層した円筒形で、セル底部を閉鎖した構造となっ
ている。燃料極3の内側には、燃料供給管4が、セルの
上部側から挿入されている。燃料極3と燃料供給管4と
の間には、導電性フェルト5が詰められており、燃料極
3と燃料供給管4とを電気的に接続している。セルの陰
極には燃料供給管4が用いられ、陽極には空気極1が用
いられる。
(1) When using an interconnectorless cell of a type in which fuel is supplied from the upper part of the cell First, an embodiment of a solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention is shown in FIG. 3 and FIG. The case where a single cell is used will be described as an example. FIG. 3 shows an example of a cell structure of a solid oxide fuel cell.
This cell has a cylindrical shape in which an air electrode 1, an electrolyte 2, and a fuel electrode 3 are stacked in this order from the outside, and has a structure in which the bottom of the cell is closed. Inside the fuel electrode 3, a fuel supply pipe 4 is inserted from the upper side of the cell. A conductive felt 5 is packed between the fuel electrode 3 and the fuel supply pipe 4 to electrically connect the fuel electrode 3 and the fuel supply pipe 4. The fuel supply pipe 4 is used for the cathode of the cell, and the air electrode 1 is used for the anode.

【0029】燃料供給管4の内側には、水蒸気細管6が
設けられている。水蒸気細管6は、メタンを主成分とす
る燃料(天然ガス等)を水蒸気改質して、燃料電池の燃
料として使用できる水素及び一酸化炭素が多いガスとす
るためのものである。水蒸気細管6は、セル底部側に、
より多くの水蒸気を供給できるようになっている。水蒸
気細管6から供給する水蒸気をセルの底部側ほど多くす
ることによって、導電性フェルト5の上部側から底部側
に至るまでの水蒸気濃度を均一にすることができる。こ
れにより、セル底部においては、水蒸気不足に起因する
炭素の析出を防止でき、セル上部においては、水蒸気の
過剰供給からくる水素及び一酸化炭素の希薄化を防止で
きる。
Inside the fuel supply pipe 4, there is provided a water vapor thin tube 6. The steam narrow tube 6 is for steam-reforming a fuel containing methane as a main component (natural gas or the like) into a gas rich in hydrogen and carbon monoxide that can be used as a fuel for a fuel cell. The steam tube 6 is located on the bottom side of the cell.
More steam can be supplied. By increasing the amount of steam supplied from the steam tube 6 toward the bottom of the cell, the steam concentration from the top to the bottom of the conductive felt 5 can be made uniform. As a result, it is possible to prevent carbon deposition due to insufficient water vapor at the bottom of the cell, and to prevent dilution of hydrogen and carbon monoxide resulting from excessive supply of water vapor at the top of the cell.

【0030】図4は燃料供給管4及び水蒸気細管6の構
造を示している。燃料供給管4の先端及び側面には、燃
料吹き出し用の小さな孔7、15が設けられている。こ
の側面の孔15の大きさ、数、及び位置は、燃料極3の
表面に燃料が均等に行き渡るように設けられている。ま
た、この孔15はセル上部に向かって傾斜して燃料供給
管4に穿孔されており、孔から噴出した燃料ガス(特に
セル底部側の燃料ガス)がセル内で滞留せずにスムーズ
にセルの外側に排気されるようにしている。燃料は、例
えば 0.5 から 3 kg/cm2・G 程度の圧力で、燃料供給管
4に供給され、燃料供給管の側面の孔15及び先端の燃
料噴出口7から吹き出す。
FIG. 4 shows the structure of the fuel supply pipe 4 and the water vapor thin tube 6. Small holes 7 and 15 for discharging fuel are provided at the tip and side surfaces of the fuel supply pipe 4. The size, number, and position of the holes 15 on the side surface are provided so that the fuel can be evenly distributed on the surface of the fuel electrode 3. The hole 15 is formed in the fuel supply pipe 4 so as to be inclined toward the upper part of the cell, so that the fuel gas (especially the fuel gas at the bottom of the cell) ejected from the hole does not stay in the cell, and the cell 15 smoothly flows. So that it is exhausted outside. The fuel is supplied to the fuel supply pipe 4 at a pressure of, for example, about 0.5 to 3 kg / cm 2 · G, and is blown out from the hole 15 on the side surface of the fuel supply pipe and the fuel outlet 7 at the tip.

【0031】燃料供給管4の先端に設けられた燃料噴出
口7の位置には、水蒸気細管6の水蒸気吹出口8が配置
されている。水蒸気細管6の上部端は、燃料供給管4の
上部に開けられた孔に溶接等で固定されている。
At the position of the fuel outlet 7 provided at the tip of the fuel supply pipe 4, a steam outlet 8 of the steam tube 6 is arranged. The upper end of the steam tube 6 is fixed to a hole formed in the upper portion of the fuel supply tube 4 by welding or the like.

【0032】燃料供給管4からの燃料の噴出にともなっ
て、燃料噴出口7付近は負圧となり、水蒸気吹出口8か
ら水蒸気が引き出される。このようなエゼクター効果に
より水蒸気吹出口8から水蒸気が引き出され、これに対
応して新たな水蒸気が水蒸気導入口9を通して水蒸気細
管6に吸い込まれる。新たな水蒸気には、燃料極側排気
が用いられる。セルの上端には排ガスセパレータ板11
が取り付けられているので、燃料極側排気のみが水蒸気
導入口9の周囲を流れ、空気極側排気12は水蒸気導入
口9の周囲を通らない(図3参照)。従って、燃料極側
排気のみが水蒸気細管6に吸い込まれる。その結果、外
部の循環ルートを設けずに、燃料極側排気中の水蒸気を
再び改質用の水蒸気として有効に利用することが可能と
なる。
With the ejection of the fuel from the fuel supply pipe 4, a negative pressure is generated in the vicinity of the fuel outlet 7, and steam is drawn from the steam outlet 8. Steam is extracted from the steam outlet 8 by such an ejector effect, and new steam is correspondingly sucked into the steam tube 6 through the steam inlet 9. Fuel electrode side exhaust is used for new steam. Exhaust gas separator plate 11 at the top of the cell
Is attached, only the fuel electrode side exhaust flows around the steam inlet 9 and the air electrode side exhaust 12 does not pass around the steam inlet 9 (see FIG. 3). Therefore, only the fuel electrode side exhaust is sucked into the water vapor thin tube 6. As a result, it is possible to effectively use the steam in the fuel electrode side exhaust again as steam for reforming without providing an external circulation route.

【0033】SOFCは、高温で動作するので、熱膨張など
で先端部の燃料噴出口7と水蒸気吹出口8の位置がずれ
ると、エゼクター効果に悪影響を及ぼすため、先端の位
置で数カ所に点溶接等を施して、燃料供給管4と水蒸気
細管6を固定するのが望ましい。また、水蒸気細管6の
揺れ止めのために、図3に示されているように揺れ止め
金具13を設けることが好ましい。揺れ止め金具13
は、水蒸気細管に溶接等で固定される。
Since the SOFC operates at a high temperature, if the position of the fuel outlet 7 at the tip and the position of the steam outlet 8 are shifted due to thermal expansion or the like, the ejector effect is adversely affected. It is desirable to fix the fuel supply pipe 4 and the water vapor thin tube 6 by performing the above-described steps. Further, in order to prevent the water vapor thin tube 6 from swinging, it is preferable to provide a swing stopper 13 as shown in FIG. Anti-sway bracket 13
Is fixed to the steam tube by welding or the like.

【0034】空気極1の材料には、従来からの材料を使
用することができ、例えば、ストロンチウム添加ランタ
ンマンガナイト等を使用することができる。また、電解
質2の材料には、例えば、イットリア安定化ジルコニア
等を使用することができる。燃料極3の材料には、例え
ば、ニッケルジルコニアサーメット等が使用できる。燃
料極3の材料としてはニッケルジルコニアサーメット等
のような、天然ガス等の燃料改質の触媒機能を有する材
料を使用するのが好ましい。燃料供給管4の材料は、導
電性が高く且つ1000℃の高温でも内部の燃料ガス圧
力に対して十分な強度を有する材料である必要があり、
好ましくは、ニッケル、銅、ステンレス、インコネルな
どの金属材料を用いる。燃料供給管4の材料には、好ま
しくは、燃料を改質する触媒性能を有するものが用いら
れる。水蒸気細管6の材料は、燃料供給管4との熱膨張
率の整合性や溶接時の整合性などから、燃料供給管4と
同じ材料であることが好ましい。
Conventional materials can be used for the material of the air electrode 1, and for example, strontium-added lanthanum manganite and the like can be used. In addition, as a material of the electrolyte 2, for example, yttria-stabilized zirconia or the like can be used. As a material of the fuel electrode 3, for example, nickel zirconia cermet or the like can be used. As a material of the fuel electrode 3, it is preferable to use a material having a catalytic function of fuel reforming such as natural gas, such as nickel zirconia cermet. The material of the fuel supply pipe 4 needs to be a material having high conductivity and sufficient strength against the internal fuel gas pressure even at a high temperature of 1000 ° C.
Preferably, a metal material such as nickel, copper, stainless steel, and Inconel is used. Preferably, the material of the fuel supply pipe 4 is one having catalytic performance for reforming the fuel. The material of the steam tube 6 is preferably the same as the material of the fuel supply tube 4 from the viewpoint of the consistency of the coefficient of thermal expansion with the fuel supply tube 4 and the consistency at the time of welding.

【0035】このように、燃料供給管4及び水蒸気細管
6は導電性の金属材料で形成されるのに対し、セルはセ
ラミックス材料で形成されるため、熱膨張率が異なり、
起動−停止に伴う温度変化によってズレが生じる。この
ズレを吸収するために、図4に示されているように、燃
料供給管4及び水蒸気細管6の一部に摺動部を設けるの
が好ましい。
As described above, the fuel supply pipe 4 and the water vapor thin tube 6 are formed of a conductive metal material, whereas the cells are formed of a ceramic material.
A shift occurs due to a temperature change due to start-stop. In order to absorb this deviation, it is preferable to provide a sliding part in a part of the fuel supply pipe 4 and a part of the water vapor thin tube 6 as shown in FIG.

【0036】次に、図3及び図4を参照しつつ、燃料等
の流路について説明する。天然ガス等の燃料は、セル上
部から燃料供給管4を通って、セル下部に設けられたエ
ゼクター部(先端部)に向かう。エゼクター部に到達す
るまでに燃料の一部は、燃料供給管4の側面に設けられ
た孔15から導電性フェルト5内に吹き出す。エゼクタ
ー部に到達した燃料は燃料噴出口7から噴出する。この
際のエゼクター効果により水蒸気導入口9から吸い込ま
れた水蒸気が、水蒸気吹出口8から放出される。エゼク
ター部から出た燃料及び水蒸気は、導電性フェルト5内
に入り、改質される。一方、セルの外側には、酸素を含
む空気が流れており、酸素が電子を受け取ってイオン化
して(反応式A)電解質中を透過し、燃料極3に到達す
る。燃料極側では、酸化物イオンが、電子を放出しつつ
導電性フェルト5内の水素及び一酸化炭素と反応する
(反応式B及びC)。この反応により生じた水蒸気及び
二酸化炭素は、導電性フェルト5内をセル上部に向けて
流れる。そして、反応式Bにより生じた水蒸気は再び改
質反応に寄与する。セルの上部には、排ガスセパレータ
板11が設けられており、導電性フェルト5から出た水
蒸気等は空気と混ざらずに燃料極側排気となる。この燃
料極側排気の一部はセル上部の水蒸気導入口9から取り
込まれて改質用の水蒸気として、セル下部に向けて流れ
る。
Next, the flow path for fuel and the like will be described with reference to FIGS. Fuel such as natural gas flows from the upper part of the cell through the fuel supply pipe 4 to the ejector part (tip part) provided at the lower part of the cell. A part of the fuel is blown into the conductive felt 5 from the hole 15 provided on the side surface of the fuel supply pipe 4 before reaching the ejector portion. The fuel that has reached the ejector section is ejected from the fuel ejection port 7. The steam sucked from the steam inlet 9 by the ejector effect at this time is released from the steam outlet 8. The fuel and steam that have exited the ejector section enter the conductive felt 5 and are reformed. On the other hand, air containing oxygen flows outside the cell, and the oxygen receives electrons and is ionized (reaction formula A), passes through the electrolyte, and reaches the fuel electrode 3. On the fuel electrode side, oxide ions react with hydrogen and carbon monoxide in the conductive felt 5 while emitting electrons (reaction formulas B and C). The water vapor and carbon dioxide generated by this reaction flow in the conductive felt 5 toward the upper part of the cell. Then, the steam generated by the reaction formula B again contributes to the reforming reaction. An exhaust gas separator plate 11 is provided on the upper part of the cell, and the steam or the like discharged from the conductive felt 5 becomes the fuel electrode side exhaust without being mixed with air. A part of the fuel electrode side exhaust is taken in from the steam inlet 9 in the upper part of the cell and flows toward the lower part of the cell as steam for reforming.

【0037】次に、セルの接続について説明する。セル
間の接続は、図2の紙面において、縦方向には図1に示
されているカソード集電体21を介して、横方向にはカ
ソードスペーサ25を介して複数のセルを接続して行
き、1つのバンドルを構成する。カソードスペーサ25
は、その上部にセルとセルの間を流れる空気が排出する
ための間隙を作るようセル上端よりやや低い位置まで延
びている。
Next, connection of cells will be described. The connection between the cells is performed by connecting a plurality of cells via the cathode current collector 21 shown in FIG. 1 in the vertical direction and the cathode spacer 25 in the horizontal direction on the paper of FIG. , Constitute one bundle. Cathode spacer 25
Extends to a position slightly lower than the upper end of the cell so as to form a gap above the cell so that air flowing between the cells is exhausted.

【0038】図5はバンドル構造の1例を示している。
ここでは、縦方向に2本、横方向に3本の計6本のセル
を接続したバンドル構造が示されている。空気は、底部
の空気室セパレータ板26の孔を通ってセルに供給さ
れ、外側の空気極に沿ってセル上部に上がって行く。空
気極側排気とセルの内側から出てきた燃料極側排気は、
排ガスセパレータ板11によって混合燃焼しないように
分離される。排ガスセパレータ板11には、カソード集
電体21を通すための貫通孔27が設けられている。
FIG. 5 shows an example of the bundle structure.
Here, a bundle structure in which a total of six cells are connected, two in the vertical direction and three in the horizontal direction, is shown. Air is supplied to the cell through holes in the bottom air chamber separator plate 26 and rises up the cell along the outer cathode. The cathode side exhaust and the fuel side exhaust coming out from inside the cell are
The exhaust gas is separated by the exhaust gas separator plate 11 so as not to mix and burn. The exhaust gas separator plate 11 is provided with a through hole 27 through which the cathode current collector 21 passes.

【0039】バンドルとバンドルの間にはバンドルスペ
ーサ28を設置し、バンドル間を電気的に絶縁すると共
に、その上方は空気極側排気の通り道となるように排ガ
スセパレータ板11との間に間隙を設ける。したがっ
て、セルとセルの間の空気極側排気は、図6に示すよう
に該図の紙面における横方向にはバンドルスペーサ28
の上部から、縦方向にはカソードスペーサ25の上部か
ら外に排出される。
A bundle spacer 28 is provided between the bundles to electrically insulate the bundles from each other and to provide a gap between the bundle and the exhaust gas separator plate 11 so as to provide a passage for the air electrode side exhaust. Provide. Therefore, as shown in FIG. 6, the air electrode side exhaust between the cells is caused by the bundle spacer 28 in the lateral direction on the paper of FIG.
From the upper part of the cathode spacer 25 in the vertical direction.

【0040】図6は、図5に示されているバンドルを縦
方向に4組接続してスタック化した場合の平面図を示し
ている。上記のようにして並列に接続された6本のセル
が各バンドルを構成している。各バンドル間にはバンド
ルスペーサ28があり、この状態ではバンドル1から4
の相互間は絶縁されている。
FIG. 6 is a plan view showing a case where four bundles shown in FIG. 5 are connected in a vertical direction to form a stack. Six cells connected in parallel as described above constitute each bundle. There is a bundle spacer 28 between each bundle, and in this state, bundles 1 to 4
Are insulated from each other.

【0041】図7はバンドルからの電極の取り出し方を
示している。燃料極側(陰極)については、燃料供給管
4が集電体となる。従って、燃料極(陰極)側は、燃料
供給管4から燃料極側パワーリード29を介して電気を
取り出すことができる。空気極(陽極)側は、カソード
集電体21から空気極側パワーリード30を介して電気
を取り出す。燃料極側パワーリード29を6本の燃料供
給管4に接続することにより、セルの陰極は、並列に接
続されて等電位となる。また、空気極側パワーリード3
0によって3本のカソード集電体21を接続することに
よりセルの陽極も並列に接続されて等電位となる。
FIG. 7 shows how to take out the electrodes from the bundle. On the fuel electrode side (cathode), the fuel supply pipe 4 serves as a current collector. Therefore, the fuel electrode (cathode) side can extract electricity from the fuel supply pipe 4 through the fuel electrode side power lead 29. The air electrode (anode) side extracts electricity from the cathode current collector 21 through the air electrode side power lead 30. By connecting the fuel electrode side power lead 29 to the six fuel supply pipes 4, the cathodes of the cells are connected in parallel and become equipotential. In addition, the air electrode side power lead 3
By connecting the three cathode current collectors 21 by 0, the anodes of the cells are also connected in parallel and become equipotential.

【0042】各燃料供給管4と燃料極側パワーリード2
9、及び各カソード集電体21と空気極側パワーリード
30は、接触抵抗が大きくならないよう溶接やボルト締
め等でしっかり固定する。それぞれのパワーリードは撚
り線構造等を用いて柔軟性を持たせるのが望ましい。
Each fuel supply pipe 4 and fuel electrode side power lead 2
9, and the cathode current collector 21 and the air electrode side power lead 30 are firmly fixed by welding, bolting or the like so as not to increase the contact resistance. It is desirable that each power lead has flexibility by using a stranded wire structure or the like.

【0043】バンドル間の電気接続は、図8に示されて
いるように隣り合ったバンドルの空気極側パワーリード
30と燃料極側パワーリード29を溶接やボルト締め等
で接続することによって行い、このようにして各バンド
ルを電気的に直列に繋いでいく。パワーリードの接続
は、セルに排ガスセパレータ板11を被せた後に行う。
As shown in FIG. 8, the electrical connection between the bundles is performed by connecting the air electrode side power lead 30 and the fuel electrode side power lead 29 of the adjacent bundle by welding or bolting. In this way, the bundles are electrically connected in series. The connection of the power lead is performed after the cell is covered with the exhaust gas separator plate 11.

【0044】図9はスタック構造の一例を示している。
これは図5に示されているバンドルを縦方向に4組直列
に接続したものである。燃料は、フュエルディストリビ
ューター31からフレキシブル絶縁ジョイント32及び
燃料供給管4を通してセル内部に送られる。スタック相
互の間はパーテーションボード33によって仕切られ
る。見易さのため、この図からは空気極側パワーリード
及び燃料極側パワーリード(パワーリードアセンブリ)
を省略している。
FIG. 9 shows an example of a stack structure.
This is obtained by connecting four bundles shown in FIG. 5 in series in the vertical direction. The fuel is sent from the fuel distributor 31 through the flexible insulating joint 32 and the fuel supply pipe 4 to the inside of the cell. The stacks are partitioned by a partition board 33. For the sake of clarity, the power lead on the air electrode side and the power lead on the fuel electrode side (power lead assembly)
Is omitted.

【0045】図10は、フレキシブル絶縁ジョイント3
2と燃料供給管4との接続を拡大して示したものであ
る。燃料供給管4とフュエルディストリビューター31
とはフレキシブル絶縁ジョイント32によって繋げられ
る。図10に示されているようにフレキシブル絶縁ジョ
イント32は相互にネジ締めによって繋げることができ
る。フレキシブル絶縁ジョイント32を柔軟な構造にす
れば、セル及び発電モジュール内の各部の熱応力や膨張
率が異なっていても、それによる摺動を吸収することが
できる。また、フレキシブル絶縁ジョイント32は、セ
ラミックスやテフロン等の絶縁性材料で形成されてお
り、燃料供給管4とフュエルディストリビューター31
との間を電気的に絶縁することができる。
FIG. 10 shows a flexible insulating joint 3.
2 shows the connection between the fuel supply pipe 2 and the fuel supply pipe 4 in an enlarged manner. Fuel supply pipe 4 and fuel distributor 31
And are connected by a flexible insulating joint 32. As shown in FIG. 10, the flexible insulating joints 32 can be connected to each other by screwing. If the flexible insulating joint 32 has a flexible structure, even if the cells and the power generation module have different thermal stresses and different expansion coefficients, the sliding caused by the differences can be absorbed. The flexible insulating joint 32 is formed of an insulating material such as ceramics or Teflon, and is connected to the fuel supply pipe 4 and the fuel distributor 31.
Can be electrically isolated from each other.

【0046】図9に示されているスタックを更に直列に
接続して構成した発電モジュールの一実施形態を図11
に示す。発電モジュールには、下側から順に空気室3
4、電池反応室35、燃料極排ガス室36、フュエルデ
ィストリビューター31が設けられている。空気室34
と電池反応室35との間は空気室セパレータ板26で仕
切られており、電池反応室35と燃料極排ガス室36と
の間は排ガスセパレータ板11で仕切られている。更
に、フュエルディストリビューター31と燃料極排ガス
室36との間にはフュエルディストリビューター31を
支持するためのトッププレート37が取り付けられてい
る。
FIG. 11 shows an embodiment of the power generation module constructed by further connecting the stack shown in FIG. 9 in series.
Shown in In the power generation module, the air chamber 3
4. A battery reaction chamber 35, a fuel electrode exhaust gas chamber 36, and a fuel distributor 31 are provided. Air chamber 34
The cell reaction chamber 35 is partitioned by the air chamber separator plate 26, and the cell reaction chamber 35 and the fuel electrode exhaust gas chamber 36 are partitioned by the exhaust gas separator plate 11. Further, a top plate 37 for supporting the fuel distributor 31 is attached between the fuel distributor 31 and the fuel electrode exhaust gas chamber 36.

【0047】空気室34に入った空気は、空気室セパレ
ータ板26に設けられた孔から上方に向けて吹きだし、
電池反応室35において電池反応に寄与した後、空気極
側排気として排出される。一方、天然ガス等の燃料は、
フュエルディストリビューター31によって、各セルに
分配され、フレキシブル絶縁ジョイント32を介して各
セルの燃料供給管4に供給されて電池反応室35に入
る。燃料は電池反応室35において改質及び電池反応に
寄与した後、燃料極側排気として燃料極排ガス室36に
入る。この一部が水蒸気導入口9から吸い込まれて再び
改質反応に寄与する。その他の燃料極側排気は燃料極排
ガス室36の外に排出される。
The air entering the air chamber 34 is blown upward from a hole provided in the air chamber separator plate 26,
After contributing to the battery reaction in the battery reaction chamber 35, it is discharged as air electrode side exhaust. On the other hand, fuels such as natural gas
The fuel is distributed to each cell by the fuel distributor 31, supplied to the fuel supply pipe 4 of each cell via the flexible insulating joint 32, and enters the battery reaction chamber 35. After the fuel contributes to the reforming and the battery reaction in the cell reaction chamber 35, the fuel enters the fuel electrode exhaust gas chamber 36 as fuel electrode side exhaust. Part of this is sucked through the steam inlet 9 and again contributes to the reforming reaction. The other fuel electrode side exhaust is discharged outside the fuel electrode exhaust gas chamber 36.

【0048】燃料極排ガス室36と電池反応室35の間
では、差圧コントロールによって、燃料極排ガス室36
と電池反応室35のガス圧力差をなくするようにするの
が好ましい。圧力差をなくすことによって、排ガスセパ
レータ板11とセルの間からのガスリークによる混合燃
焼を抑えることができ、排ガスセパレータ板11とセル
上部との間に特別なシールを行わずに済む。更に、セル
上部にまで上がってきた燃料極側排気中の可燃性ガス
は、電池反応によって殆ど消費されているので微妙なリ
ークは許容される。
Between the anode exhaust gas chamber 36 and the battery reaction chamber 35, the anode exhaust gas chamber 36 is controlled by a differential pressure control.
And the gas pressure difference between the battery reaction chamber 35 and the battery reaction chamber 35 are preferably eliminated. By eliminating the pressure difference, mixed combustion due to gas leakage from between the exhaust gas separator plate 11 and the cell can be suppressed, and a special seal between the exhaust gas separator plate 11 and the upper part of the cell can be eliminated. Further, the flammable gas in the fuel electrode side exhaust gas that has risen to the upper part of the cell is almost consumed by the battery reaction, so that a slight leak is allowed.

【0049】(2)燃料をセル下部から供給する形式の
インターコネクタレスセルを用いた場合 次に、本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モジュ
ールの一実施形態について、図12に示されている単セ
ルを使用する場合を例にとって説明する。図12は固体
電解質型燃料電池のセル構造の一例を示している。この
セルは、外側から順に空気極、固体電解質、燃料極が配
置された円筒形セルである。円筒形の空気極51、電解
質52、燃料極53が同軸で内側に積層されており、燃
料極53の内側には、天然ガス及び水蒸気を供給するた
めの導電性チューブ54が挿入されている。導電性チュ
ーブ54と燃料極53との間には、導電性フェルト55
(例えば、ニッケルフェルト等)が詰められており、燃
料極53と導電性チューブ54とを電気的に接続してい
る。セルの陽極には空気極51、陰極には導電性チュー
ブ54が用いられる。
(2) In the case where an interconnector-less cell of a type in which fuel is supplied from the lower part of the cell is used. Next, an embodiment of a solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention is shown in FIG. An example in which a single cell is used will be described. FIG. 12 shows an example of a cell structure of a solid oxide fuel cell. This cell is a cylindrical cell in which an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode are sequentially arranged from the outside. A cylindrical air electrode 51, an electrolyte 52, and a fuel electrode 53 are coaxially laminated on the inside, and a conductive tube 54 for supplying natural gas and water vapor is inserted inside the fuel electrode 53. A conductive felt 55 is provided between the conductive tube 54 and the anode 53.
(For example, nickel felt or the like), and electrically connects the fuel electrode 53 and the conductive tube 54. An air electrode 51 is used for the anode of the cell, and a conductive tube 54 is used for the cathode.

【0050】導電性チューブ54は、一部が断面十字の
二重構造になっており、内側に天然ガスが供給され、外
側には水蒸気が供給される。導電性チューブ54に供給
された天然ガス及び水蒸気は、導電性チューブ54に設
けられた多数の細孔から外側に向けて吹き出して導電性
フェルト55内に入る。ここで、天然ガス(メタンを主
成分とする)と水蒸気は、電池反応に寄与する燃料に改
質される。
The conductive tube 54 has a double structure with a cross-section in part, and natural gas is supplied to the inside and steam is supplied to the outside. The natural gas and water vapor supplied to the conductive tube 54 are blown outward from a number of pores provided in the conductive tube 54 and enter the conductive felt 55. Here, natural gas (mainly composed of methane) and steam are reformed into a fuel that contributes to the cell reaction.

【0051】一方、セルの外側には、空気が供給されて
おり、空気中の酸素は空気極51で電子を受け取ってイ
オン化する(反応式A)。空気極51で発生した酸化物
イオンは、電解質52中を通って燃料極53に到達す
る。燃料極53においては、電解質52中を通って供給
される酸化物イオンと、改質により生成された水素及び
一酸化炭素とが反応して電子を放出する(反応式B及び
C)。
On the other hand, air is supplied outside the cell, and oxygen in the air receives electrons at the air electrode 51 and is ionized (reaction formula A). Oxide ions generated at the air electrode 51 reach the fuel electrode 53 through the electrolyte 52. At the fuel electrode 53, oxide ions supplied through the electrolyte 52 react with hydrogen and carbon monoxide generated by reforming to release electrons (reaction formulas B and C).

【0052】H2の電池反応により燃料極53で発生した
H2O(水蒸気)と、改質及びCOの電池反応(反応式C)
によりできたCO2と、未反応のまま残ったH2は、セルの
上部からセル外に排出される。尚、改質によりできた燃
料COは、ほぼ全部が電池反応(反応式C)に寄与するた
め、排気中に殆ど含まれない。
[0052] generated in the fuel electrode 53 by cell reaction H 2
Battery reaction between H 2 O (steam), reforming and CO (reaction formula C)
And CO 2 made by, while remaining of H 2 unreacted is discharged from the top of the cell outside the cell. It should be noted that almost all of the fuel CO produced by the reforming contributes to the cell reaction (reaction formula C), and thus is scarcely contained in the exhaust gas.

【0053】セルの先端側(上部)では電池反応(反応
式A及びB)によって生じた水蒸気が再び改質反応に寄
与するため、セルの基端側(底部)から先端側(上部)
間で均一に水蒸気を供給すると、先端側では過剰とな
り、基端側では不足する。導電性チューブ54の基端側
の一部のみを二重構造とすることにより燃料濃度を均一
にして電池性能を高めることができる。
On the top side (top) of the cell, the steam generated by the battery reaction (reaction formulas A and B) again contributes to the reforming reaction, and therefore, from the base side (bottom) to the top side (top) of the cell.
If the water vapor is supplied uniformly between them, the water vapor becomes excessive on the distal side and insufficient on the proximal side. By making only a part of the base end side of the conductive tube 54 a double structure, the fuel concentration can be made uniform and the cell performance can be improved.

【0054】図13は、このようなセルを使用した固体
電解質型燃料電池発電モジュールを示している。セル5
6はケーシング57内に収納されている。ケーシング5
7の上端付近(上部)には、セル56の上方にある燃料
極排ガス室58と、セルの下端付近(底部)から上端付
近(上部)までにわたってセルの周りに存在する電池反
応室59とを分離する排ガスセパレータ板60が設けら
れている。
FIG. 13 shows a solid oxide fuel cell power generation module using such cells. Cell 5
6 is accommodated in a casing 57. Casing 5
Near the upper end (upper part) of the fuel cell 7, an anode exhaust gas chamber 58 above the cell 56, and a battery reaction chamber 59 existing around the cell from near the lower end (bottom) to near the upper end (upper part) of the cell. An exhaust gas separator plate 60 to be separated is provided.

【0055】図13に示されているように、ケーシング
57の上部には燃料極側排気口61が設けられており、
更にケーシング57の側壁には、セル56の直ぐ下方の
高さに、空気供給口62、排ガスセパレータ板60の直
ぐ下方に空気極側排気口63が設けられている。空気供
給口62から入った空気は、空気室セパレータ板64の
空気吹出口から上方に向けて吹き出される。空気中の酸
素は電池反応室59で電池反応に寄与して消費され、残
った酸素は空気中の他の成分と共に空気極側排気口63
から発電モジュール65の外に排出される。
As shown in FIG. 13, a fuel electrode side exhaust port 61 is provided at an upper portion of the casing 57.
Further, on the side wall of the casing 57, an air supply port 62 is provided at a height immediately below the cell 56, and an air electrode side exhaust port 63 is provided immediately below the exhaust gas separator plate 60. The air that has entered through the air supply port 62 is blown upward from the air outlet of the air chamber separator plate 64. Oxygen in the air contributes to the battery reaction in the battery reaction chamber 59 and is consumed, and the remaining oxygen is used together with other components in the air in the air electrode side exhaust port 63.
From the power generation module 65.

【0056】一方、天然ガス供給路66、水蒸気供給路
67から供給された天然ガス及び水蒸気は、フュエルデ
ィストリビューター68によって各セル56に分配さ
れ、各セル56内で改質された後、電池反応に寄与す
る。その後、電池反応に寄与しなかった水素、電池反応
によりできた水蒸気、及び改質によりできた二酸化炭素
は、セル56の上端から燃料極排ガス室58に入り燃料
極側排気口61からケーシング57の外に排出される。
On the other hand, the natural gas and the steam supplied from the natural gas supply passage 66 and the steam supply passage 67 are distributed to each cell 56 by the fuel distributor 68, reformed in each cell 56, and then subjected to the battery reaction. To contribute. Thereafter, the hydrogen not contributing to the cell reaction, the water vapor generated by the cell reaction, and the carbon dioxide generated by the reforming enter the anode exhaust gas chamber 58 from the upper end of the cell 56, and enter the casing 57 through the anode-side exhaust port 61. It is discharged outside.

【0057】燃料極側排気の一部は、ポンプ69及び流
量調整器70を介して水蒸気供給路67に再循環され
る。燃料極側排気には多量の純粋な水蒸気が含まれてい
るので、燃料極側排気の一部をそのまま水蒸気供給路6
7に戻している。
A part of the fuel electrode side exhaust gas is recirculated to the steam supply passage 67 via the pump 69 and the flow controller 70. Since the fuel electrode side exhaust contains a large amount of pure steam, a part of the fuel electrode side exhaust is
It has been returned to 7.

【0058】図14は図12に示されているセルを複数
本束ねた基本バンドル構造を示している。各セルの導電
性チューブ54はフレキシブルジョイント71を介して
フュエルディストリビュータ68に連結されている。フ
レキシブルジョイント71及びフュエルディストリビュ
ータ68は、例えば、鉄、銅、ニッケル、ステンレス、
インコネル等の導電性材料で形成されており、各セルの
陰極である導電性チューブ54が電気的に並列に接続さ
れている。フュエルディストリビュータ72の基端側に
は絶縁ジョイント72が施されている。導電性チューブ
の先端側からは燃料極側パワーリード73が引き出され
ている。
FIG. 14 shows a basic bundle structure in which a plurality of cells shown in FIG. 12 are bundled. The conductive tube 54 of each cell is connected to a fuel distributor 68 via a flexible joint 71. The flexible joint 71 and the fuel distributor 68 are, for example, iron, copper, nickel, stainless steel,
It is formed of a conductive material such as Inconel, and a conductive tube 54 serving as a cathode of each cell is electrically connected in parallel. An insulating joint 72 is provided on the base end side of the fuel distributor 72. A fuel electrode-side power lead 73 is drawn out from the distal end side of the conductive tube.

【0059】セルとセルの間には図1に示されているカ
ソード集電体21が挿入されており、空気極側パワーリ
ード74に接続されている。各空気極側パワーリード7
4は、隣接するバンドルの燃料極側パワーリード73に
接続されている。従って、この実施形態では、各バンド
ルの6本のセルが並列に接続され、各バンドル間は直列
に接続されていることになる。
The cathode current collector 21 shown in FIG. 1 is inserted between the cells, and is connected to the air electrode side power lead 74. Power lead 7 for each air electrode
4 is connected to the fuel electrode side power lead 73 of the adjacent bundle. Therefore, in this embodiment, six cells of each bundle are connected in parallel, and each bundle is connected in series.

【0060】図15は、図14に示されているバンドル
構造を複数配置してスタック化したものを示している。
スタックは各バンドルの空気極側パワーリード74と燃
料極側パワーリード73とを直列に接続して構成されて
いる。この図では見易さの点から排ガスセパレータ板6
0を省略している。図15に示されているスタックを複
数配置して、図13に示されている発電モジュールが構
成される。
FIG. 15 shows a stack in which a plurality of the bundle structures shown in FIG. 14 are arranged.
The stack is configured by connecting the air electrode side power lead 74 and the fuel electrode side power lead 73 of each bundle in series. In this figure, the exhaust gas separator plate 6
0 is omitted. The power generation module shown in FIG. 13 is configured by arranging a plurality of stacks shown in FIG.

【0061】[0061]

【発明の効果】本発明にかかるカソード集電構造及び該
カソード集電構造を用いた固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールは上記のような構成を有するので、以下の効果
を有する。
The cathode current collecting structure according to the present invention and the solid oxide fuel cell power generation module using the cathode current collecting structure have the above-described structure, and therefore have the following effects.

【0062】本発明にかかるカソード集電構造は、セル
の電流が隣接する他のセルを経由しないので集電効率が
高く、また、高温酸化雰囲気中にある空気極に流れる電
流を還元雰囲気中に引き出すので、空気極側パワーリー
ドの材質として従来の高導電性金属を使用することがで
きるようになる。
The cathode current collecting structure according to the present invention has a high current collecting efficiency because the current of the cell does not pass through another adjacent cell, and the current flowing through the air electrode in a high-temperature oxidizing atmosphere is reduced in a reducing atmosphere. Since it is pulled out, a conventional highly conductive metal can be used as the material of the air electrode side power lead.

【0063】また、カソード集電体と空気極との間に集
電補助剤又は集電補助リングをコーティングすれば、更
に集電効果を上げることができる。
Further, if a current collecting auxiliary or a current collecting auxiliary ring is coated between the cathode current collector and the air electrode, the current collecting effect can be further improved.

【0064】次に、本発明にかかる固体電解質型燃料電
池発電モジュールは上記の効果を有するカソード集電構
造を利用しているので、集電効率が高く、また、空気極
側パワーリード及び燃料極側パワーリードとも、還元雰
囲気中で接続されているので、従来の高導電性金属材料
でパワーリードを構成することができ、接触抵抗の増大
や電極の劣化の問題からも開放される。
Next, since the solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention utilizes the cathode current collecting structure having the above-mentioned effects, the current collecting efficiency is high, and the air electrode side power lead and the fuel electrode Since the side power leads are also connected in a reducing atmosphere, the power leads can be made of a conventional highly conductive metal material, and are free from the problems of increased contact resistance and electrode deterioration.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明にかかるカソード集電構造の一実施形態
を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a cathode current collecting structure according to the present invention.

【図2】図1に示されているカソード集電構造を用いて
隣接するセルを接続した状態を示す平面図である。
FIG. 2 is a plan view showing a state where adjacent cells are connected using the cathode current collecting structure shown in FIG.

【図3】図1に示されているカソード集電構造を利用で
きるセルの一例を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a cell that can use the cathode current collecting structure shown in FIG.

【図4】図3に示されているセルの燃料供給管及び水蒸
気細管を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a fuel supply pipe and a steam capillary of the cell shown in FIG. 3;

【図5】図1に示されているカソード集電構造及び図3
に示されているセルで構成したバンドルの一例を示す斜
視図である。
FIG. 5 shows a cathode current collecting structure shown in FIG. 1 and FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing an example of a bundle constituted by the cells shown in FIG.

【図6】図5に示されているバンドルを複数並べた状態
を示す平面図である。
FIG. 6 is a plan view showing a state where a plurality of bundles shown in FIG. 5 are arranged.

【図7】図1に示されているカソード集電構造を用いて
図3に示されているセルの電極を接続する構造を示す斜
視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing a structure for connecting the electrodes of the cell shown in FIG. 3 using the cathode current collecting structure shown in FIG. 1;

【図8】図5に示されているバンドル間の電極接続を示
す斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view showing electrode connections between the bundles shown in FIG. 5;

【図9】図5に示されているバンドルを複数並べて構成
したスタックの一例を示す斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view illustrating an example of a stack configured by arranging a plurality of bundles illustrated in FIG. 5;

【図10】図9に示されているフレキシブル絶縁ジョイ
ントを拡大して示した斜視図である。
FIG. 10 is an enlarged perspective view of the flexible insulating joint shown in FIG. 9;

【図11】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールの一実施形態を示す断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing one embodiment of a solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention.

【図12】図1に示されているカソード集電構造を利用
できるセルの他の一例を示す断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing another example of a cell in which the cathode current collecting structure shown in FIG. 1 can be used.

【図13】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールの他の実施形態を示す断面図である。
FIG. 13 is a sectional view showing another embodiment of the solid oxide fuel cell power generation module according to the present invention.

【図14】図1に示されているカソード集電構造及び図
12に示されているセルを用いて構成したバンドルの一
例を示す斜視図である。
14 is a perspective view showing an example of a bundle formed by using the cathode current collecting structure shown in FIG. 1 and the cell shown in FIG.

【図15】図14に示されているバンドルを複数並べて
構成したスタックの一例を示す斜視図である。
15 is a perspective view showing an example of a stack in which a plurality of bundles shown in FIG. 14 are arranged.

【図16】従来の縦縞円筒方式の固体電解質型燃料電池
を示す斜視図である。
FIG. 16 is a perspective view showing a conventional vertical stripe cylindrical solid electrolyte fuel cell.

【図17】図16に示されているセルの設置状態を示す
斜視図である。
FIG. 17 is a perspective view showing an installed state of the cell shown in FIG. 16;

【図18】従来の縦縞円筒方式のセルにおける電極の接
続構造を示す平面図である。
FIG. 18 is a plan view showing a connection structure of electrodes in a conventional vertical stripe cylindrical cell.

【図19】インターコネクタレス方式の固体電解質型燃
料電池を示す斜視図である。
FIG. 19 is a perspective view showing an interconnectorless solid oxide fuel cell.

【図20】インターコネクタレス方式のセルの従来の電
極接続構造を示す平面図である。
FIG. 20 is a plan view showing a conventional electrode connection structure of an interconnectorless cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、51、81、91 空気極 2、52、82、92 電解質 3、53、83、93 燃料極 4 燃料供給管 5、55、95 導電性フェルト 6 水蒸気細管 11、60 排ガスセパレータ板 21 カソード集電体 22 リード部材 23 集電補助剤 24 集電補助リング 76 被覆層 25 カソードスペーサ 29、73 燃料極側パワーリード 30、74 空気極側パワーリード 35、59 電池反応室 36、58 燃料極側排ガス室 1, 51, 81, 91 Air electrode 2, 52, 82, 92 Electrolyte 3, 53, 83, 93 Fuel electrode 4 Fuel supply pipe 5, 55, 95 Conductive felt 6 Steam thin tube 11, 60 Exhaust gas separator plate 21 Cathode collection Electric body 22 Lead member 23 Current collecting auxiliary agent 24 Current collecting auxiliary ring 76 Coating layer 25 Cathode spacer 29, 73 Fuel electrode side power lead 30, 74 Air electrode side power lead 35, 59 Battery reaction chamber 36, 58 Fuel electrode side exhaust gas Room

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 外側から順に空気極、固体電解質、燃料
極が円筒状に積層されたインターコネクタレス方式の固
体電解質型燃料電池の空気極電流を取り出すためのカソ
ード集電構造であって、 上下方向に延びるように配置された前記円筒状燃料電池
の前記空気極の上端部において空気極側排ガスと燃料極
側排ガスとを仕切る排ガスセパレータと、前記円筒状燃
料電池に対し軸線方向に密着され前記排ガスセパレータ
より上方まで延びたカソード集電体とを備えていること
を特徴とするカソード集電構造。
1. A cathode current collecting structure for extracting an air electrode current of an interconnector-less type solid electrolyte fuel cell in which an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode are sequentially stacked from the outside in a cylindrical shape, An exhaust gas separator that separates an air electrode-side exhaust gas and a fuel electrode-side exhaust gas at the upper end of the air electrode of the cylindrical fuel cell that is disposed so as to extend in the axial direction; And a cathode current collector extending above the exhaust gas separator.
【請求項2】 前記カソード集電体が、燃料電池反応の
ための高温酸化雰囲気に接触する前記排ガスセパレータ
より下方の部分が該雰囲気に対する耐性を有する導電性
材料で被覆されていることを特徴とする請求項1記載の
カソード集電構造。
2. The cathode current collector according to claim 1, wherein a portion below the exhaust gas separator in contact with a high-temperature oxidizing atmosphere for a fuel cell reaction is coated with a conductive material having resistance to the atmosphere. The cathode current collecting structure according to claim 1, wherein
【請求項3】 前記カソード集電体と空気極との間に設
けられる集電補助剤を更に備えており、 該集電補助剤は、燃料電池反応のための高温酸化雰囲気
中で安定であり、且つ、運転温度において空気極の導電
率よりも高い導電率を有する物質で形成されていること
を特徴とする請求項1又は2記載のカソード集電構造。
3. The fuel cell system further comprises a current collecting auxiliary provided between the cathode current collector and the air electrode, wherein the current collecting auxiliary is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere for a fuel cell reaction. 3. The cathode current collecting structure according to claim 1, wherein the cathode current collecting structure is formed of a substance having a higher conductivity than an air electrode at an operating temperature.
【請求項4】 外側の一部で前記カソード集電体に接触
し内側で空気極に接触するようにして空気極の周りに設
けられる1又は2以上の集電補助リングを更に備えてお
り、 該集電補助リングは、燃料電池反応のための高温酸化雰
囲気中で安定であり、且つ、運転温度において空気極の
導電率よりも高い導電率を有する物質で形成されている
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のカ
ソード集電構造。
4. The device further comprises one or more current collection auxiliary rings provided around the air electrode so as to contact the cathode current collector at a part of an outer side and to contact the air electrode at an inner side, The current collection auxiliary ring is characterized by being formed of a material that is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere for a fuel cell reaction and has a conductivity higher than that of an air electrode at an operating temperature. The cathode current collecting structure according to claim 1.
【請求項5】 請求項1から4のいずれかに記載された
カソード集電構造を用いた固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールであって、前記固体電解質型燃料電池を相互に
平行に複数配列した固体電解質型燃料電池発電モジュー
ルにおいて、 前記排ガスセパレータ板と、 前記燃料電池の燃料供給管に燃料を分配するフュエルデ
ィストリビューターと、 前記排ガスセパレータ板より上の位置で、1又は2以上
の燃料供給管に接続されている燃料極側パワーリード
と、 前記排ガスセパレータ板より上の位置で、1又は2以上
のリード部材に接続された空気極側パワーリードとを備
えていることを特徴とする固体電解質型燃料電池発電モ
ジュール。
5. A solid oxide fuel cell power generation module using the cathode current collecting structure according to claim 1, wherein a plurality of the solid oxide fuel cells are arranged in parallel with each other. In the electrolyte fuel cell power generation module, the exhaust gas separator plate, a fuel distributor that distributes fuel to a fuel supply pipe of the fuel cell, and one or more fuel supply pipes at a position above the exhaust gas separator plate. A solid electrolyte type comprising: a fuel electrode side power lead connected thereto; and an air electrode side power lead connected to one or more lead members at a position above the exhaust gas separator plate. Fuel cell power generation module.
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