JP2019175595A - Solid oxide fuel cell and flow rate adjusting member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池および流量調節部材に関し、さらに詳しくは、単セルやセパレータ等の部材を用いて組み上げられた内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の内部マニホールドに配置する流量調節部材に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a flow rate adjusting member, and more particularly, to an internal manifold type solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell assembled using members such as a single cell and a separator. The present invention relates to a flow rate adjusting member disposed in an internal manifold.
平板型の固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体電解質層の両面に燃料極(アノード)および空気極(カソード)を接合した単セルを基本的な構成要素としている。SOFCにおいては、セパレータを介して複数の単セルを電気的に直列に接続したスタック構造を形成して発電装置とすることが多い。 A flat-plate solid oxide fuel cell (SOFC) has a single cell as a basic constituent element in which a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) are bonded to both surfaces of a solid electrolyte layer. In SOFC, a power generation device is often formed by forming a stack structure in which a plurality of single cells are electrically connected in series via a separator.
複数のセパレータおよび単セルを積層したこの種のSOFCにおいて、空気極への空気極ガスの供給および燃料極への燃料ガスの供給には、各セパレータに孔や平行方向の流路を設けた内部マニホールド構造が一般的に用いられている。 In this type of SOFC in which a plurality of separators and single cells are stacked, an air electrode gas is supplied to the air electrode and a fuel gas is supplied to the fuel electrode. A manifold structure is generally used.
SOFCの発電時において、空気極に供給する空気極ガスおよび燃料極に供給する燃料ガスは、流路内で順次反応して消費されるが、流路の出口側に近づく程、ガス中の酸素および水素分圧が小さくなるため、電極反応に用いることができるガス量が減少する。また、流路が分岐する際、流路ごとに異なる圧損に起因して流量のばらつきが発生しやすい。このとき、単セルは、発電量が大きいほど発熱量が大きくなる傾向があるので、単セルごとの発電状態のばらつきにより、スタック内は、単セルごとに温度分布が発生しやすくなっている。 At the time of SOFC power generation, the air electrode gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode are consumed by reacting sequentially in the flow path, but the oxygen in the gas becomes closer to the outlet side of the flow path. Also, since the hydrogen partial pressure is reduced, the amount of gas that can be used for the electrode reaction is reduced. In addition, when the flow path is branched, the flow rate is likely to vary due to the pressure loss that is different for each flow path. At this time, since the single cell tends to generate a larger amount of heat as the power generation amount increases, the temperature distribution tends to occur for each single cell in the stack due to variations in the power generation state of each single cell.
SOFCは、所定の温度範囲で運転されることが好ましいが、SOFCの運転時においては、SOFCの積層方向の中央部の温度が端部の温度よりも高くなってSOFCが正常に発電を継続できる温度範囲を超えてしまうことがある。このように、積層構造の中で部分的にSOFCが発熱する現象への対応として、SOFCの積層方向の中央部近傍に配置された中央部セパレータに設けられたガス流路の断面積が、積層方向の端部近傍に配置された端部セパレータに設けられたガス流路の断面積よりも広い構造が、例えば特許文献1に開示されている。このように、SOFCの積層方向の各部において、セパレータのガス流路の断面積に差を設ければ、各層のセパレータを介して各単セルに供給する空気極ガスおよび燃料ガスの流量の分配量を、各層で変化させることが可能ではある。
The SOFC is preferably operated in a predetermined temperature range. However, during the operation of the SOFC, the temperature of the central portion in the stacking direction of the SOFC is higher than the temperature of the end portion, so that the SOFC can continue power generation normally. The temperature range may be exceeded. Thus, as a response to the phenomenon that SOFC generates heat partially in the laminated structure, the cross-sectional area of the gas flow path provided in the central separator disposed in the vicinity of the central part in the SOFC laminating direction is For example,
しかしながら、SOFCの積層方向の各部において、セパレータのガス流路の断面積に差を設ければ、ガス流路の断面積の異なるセパレータを、SOFCの積層方向の配置箇所に応じて製造し、積層する必要がある。また、セパレータの製造時において、製造公差を低減することには限界があり、ガス流路の断面積の異なるセパレータを設計どおりのガス流路を有するように製造し、正確に積層することは困難となる場合が多い。そのため、製造公差の影響を受けにくい簡素な構造で、各層のセパレータを介して各単セルに供給する空気極ガスおよび燃料ガスの流量の分配量を設定できるSOFCを製造することが望まれる。 However, if there is a difference in the cross-sectional area of the gas flow path of the separator in each part in the stacking direction of the SOFC, separators having different cross-sectional areas of the gas flow path are manufactured according to the arrangement locations in the stacking direction of the SOFC, There is a need to. In addition, there is a limit to reducing manufacturing tolerances when manufacturing separators, and it is difficult to manufacture separators with different gas flow path cross-sectional areas so that they have gas flow paths as designed, and to accurately stack them. In many cases. Therefore, it is desired to manufacture an SOFC that has a simple structure that is not easily affected by manufacturing tolerances and that can set the distribution amount of the flow rate of the air electrode gas and the fuel gas supplied to each single cell through the separator of each layer.
本発明が解決しようとする課題は、簡素な構造で、各層のセパレータを介して各単セルに供給する空気極ガスおよび燃料ガスの流量の分配量を設定できる固体酸化物形燃料電池および流量調節部材を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is a solid oxide fuel cell capable of setting the distribution amount of the flow rate of the air electrode gas and the fuel gas supplied to each single cell through the separator of each layer and the flow rate control with a simple structure It is to provide a member.
上記課題を解決するために、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物電解質の両面に空気極と燃料極を設けた複数の燃料電池単セルと、前記空気極に導入する酸素を含有する空気極ガスおよび前記燃料極に導入する燃料ガスをそれぞれ流通可能な流路として気体流通部を有する板状の複数のセパレータと、が交互に積層されたセルスタックを有する固体酸化物形燃料電池において、前記空気極ガスおよび前記燃料ガスのいずれか少なくとも一方は、前記複数の燃料電池単セルを含む燃料電池単セルユニットおよび前記複数のセパレータを貫通する通気孔が連通して構成された内部マニホールドを介して、前記複数のセパレータのそれぞれに設けられた前記気体流通部に供給され、前記固体酸化物形燃料電池はさらに、前記内部マニホールド内に配設され、前記内部マニホールドと前記気体流通部の間を区画する仕切面を有する流量調節部材を有し、前記流量調節部材は、前記仕切面に、前記内部マニホールド内のガスを前記気体流通部のそれぞれに流通可能な複数の開口を有しており、前記複数の開口のうち少なくとも一部の開口面積は、相互に異なっていることを要旨とする。 In order to solve the above-described problems, a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a plurality of fuel cell single cells provided with an air electrode and a fuel electrode on both surfaces of a solid oxide electrolyte, and oxygen introduced into the air electrode. A solid oxide form having a cell stack in which a plurality of plate-like separators having gas flow portions as flow paths capable of flowing an air electrode gas containing gas and a fuel gas introduced into the fuel electrode are alternately laminated In the fuel cell, at least one of the air electrode gas and the fuel gas is configured such that a fuel cell single cell unit including the plurality of fuel cell single cells and a vent hole penetrating the plurality of separators communicate with each other. The solid oxide fuel cell is further supplied to the gas circulation part provided in each of the plurality of separators via an internal manifold. A flow rate adjusting member that is disposed in the hold and has a partition surface that partitions the internal manifold and the gas flow part, and the flow rate adjusting member causes the gas in the internal manifold to flow into the partition surface. It has a plurality of openings that can be circulated in each of the gas circulation portions, and at least some of the opening areas of the plurality of openings are different from each other.
また、複数の前記セパレータのうち少なくとも一部は、前記気体流通部の形状および配置が同じであるとよい。 In addition, at least some of the plurality of separators may have the same shape and arrangement of the gas circulation part.
また、前記流量調節部材は、前記内部マニホールドに供給されるガスが流通する中空部を有する筒状体であり、前記内部マニホールドに挿入されており、前記開口が設けられた前記仕切面は、前記気体流通部に対向する前記筒状体の外壁であり、前記内部マニホールドに供給されるガスが、前記中空部を流通して前記開口から前記気体流通部に流出するとよい。 Further, the flow rate adjusting member is a cylindrical body having a hollow portion through which gas supplied to the internal manifold flows, and is inserted into the internal manifold, and the partition surface provided with the opening is It is an outer wall of the said cylindrical body facing a gas distribution part, and the gas supplied to the said internal manifold is good to distribute | circulate through the said hollow part, and flows out into the said gas distribution part.
また、前記流量調節部材は、前記内部マニホールドに挿入されて、前記燃料電池単セルおよび前記セパレータに対して固定されているとよい。 The flow rate adjusting member may be inserted into the internal manifold and fixed to the single fuel cell and the separator.
また、前記流量調節部材は、前記燃料極に導入する燃料ガスが流通する前記内部マニホールド内に配設されているとよい。 The flow rate adjusting member may be disposed in the internal manifold through which the fuel gas introduced into the fuel electrode flows.
また、前記流量調節部材は、前記仕切面に複数の開口が設けられており、複数の前記燃料電池単セルと、複数の前記セパレータと、が交互に積層された方向に沿って、中央部の前記開口の開口面積が、端部の前記開口の開口面積に比べて広く設けられているとよい。 Further, the flow rate adjusting member has a plurality of openings in the partition surface, and has a central portion along a direction in which the plurality of single fuel cell cells and the plurality of separators are alternately stacked. The opening area of the opening may be provided wider than the opening area of the opening at the end.
また、前記複数の開口のうち少なくとも一部の開口において、複数の前記燃料電池単セルと、複数の前記セパレータと、が交互に積層された方向の寸法が、該方向に交差する方向に沿って、分布を有しているとよい。 In addition, in at least some of the plurality of openings, a dimension in a direction in which the plurality of single fuel cell units and the plurality of separators are alternately stacked is along a direction intersecting the direction. It is good to have a distribution.
また、前記固体酸化物形燃料電池は、複数の前記セルスタックを有し、各セルスタックの前記内部マニホールド内に配設された前記流量調節部材の開口の開口面積の総和が、相互に異なっているとよい。 The solid oxide fuel cell has a plurality of the cell stacks, and the sum of the opening areas of the flow rate adjusting members disposed in the internal manifold of each cell stack is different from each other. It is good to be.
ここで、固体酸化物電解質の両面に空気極と燃料極を設けた複数の燃料電池単セルと、前記空気極に導入する酸素を含有する空気極ガスおよび前記燃料極に導入する燃料ガスをそれぞれ流通可能な流路として気体流通部を有する板状の複数のセパレータと、が交互に積層された固体酸化物形燃料電池に設けられる流量調節部材において、前記流量調節部材は、前記複数の燃料電池単セルを含む燃料電池単セルユニットおよび前記複数のセパレータを貫通する通気孔が連通して構成された内部マニホールド内に配設され、前記内部マニホールドと前記気体流通部の間を区画する仕切面を有し、前記仕切面に、それぞれの前記気体流通部に対応する位置に設けられた複数の開口を有しており、前記複数の開口のうち少なくとも一部の開口面積は、相互に異なっていることを要旨とする。 Here, a plurality of fuel cell single cells provided with an air electrode and a fuel electrode on both surfaces of the solid oxide electrolyte, an air electrode gas containing oxygen introduced into the air electrode, and a fuel gas introduced into the fuel electrode, respectively A flow rate adjusting member provided in a solid oxide fuel cell in which a plurality of plate-shaped separators having gas flow portions as flow paths capable of flowing are alternately stacked, wherein the flow rate adjusting member is the plurality of fuel cells. A fuel cell single cell unit including a single cell and an internal manifold configured to communicate with a vent hole penetrating the plurality of separators, and a partition surface that partitions the internal manifold and the gas circulation portion And having a plurality of openings provided at positions corresponding to the respective gas circulation portions on the partition surface, and at least a part of the opening area of the plurality of openings is The gist that you have each other different.
また、前記仕切面の長手方向に対して中央部の前記開口の開口面積が、前記仕切面の長手方向に対して端部の前記開口の開口面積に比べて広く設けられているとよい。 In addition, the opening area of the opening at the center with respect to the longitudinal direction of the partition surface may be larger than the opening area of the opening at the end with respect to the longitudinal direction of the partition surface.
また、前記複数の開口のうち少なくとも一部の開口において、前記仕切面の長手方向に対する方向の寸法が、該方向に交差する方向に沿って、分布を有しているとよい。 In addition, in at least some of the plurality of openings, the dimension of the partition surface in the longitudinal direction may have a distribution along a direction intersecting the direction.
上記発明にかかる固体酸化物形燃料電池は、内部マニホールド内に配設され、内部マニホールドと気体流通部の間を区画する仕切面が設けられた流量調節部材を有し、流量調節部材は、仕切面に、内部マニホールド内のガスを気体流通部のそれぞれに流通可能な複数の開口を有しており、複数の開口のうち少なくとも一部の開口面積は、相互に異なっている。そのため、各セパレータを介して各単セルに供給する空気極ガスや燃料ガスの流量は、流量調節部材の仕切面に設ける開口の開口面積によって規定され、複数の燃料電池単セルと、複数のセパレータと、が交互に積層された方向に沿って、層間で相互に異なったものとなる。 The solid oxide fuel cell according to the present invention includes a flow rate adjusting member provided in the internal manifold and provided with a partition surface that partitions the internal manifold and the gas flow part. The surface has a plurality of openings through which the gas in the internal manifold can flow to each of the gas flow portions, and at least some of the opening areas of the plurality of openings are different from each other. Therefore, the flow rate of the air electrode gas or fuel gas supplied to each single cell through each separator is defined by the opening area of the opening provided in the partition surface of the flow rate adjusting member, and the plurality of fuel cell single cells and the plurality of separators Are different from each other in the layers along the direction in which the layers are alternately stacked.
このように、流量調節部材の仕切面に設ける開口の開口面積を、対応するセパレータの位置に応じて調節することで、各セパレータを介して各単セルに供給するガスの分配量を、自由に設定することができる。その結果、発電に利用することができるガスの量、また、発電中の各単セルにガスが接触することによる燃料利用率や空気利用率を、積層構造における位置に応じて制御し、各単セルの発電時の状態を制御することができる。その結果、例えば、単セル間の発電時の状態のばらつきを抑制することや、単セル間の発電状態に意図的に分布を設けることが可能となる。これにより、固体酸化物形燃料電池の発電分布を均一化することができ、固体酸化物形燃料電池の発電効率を向上させることができる。 Thus, by adjusting the opening area of the opening provided on the partition surface of the flow rate adjusting member according to the position of the corresponding separator, the distribution amount of the gas supplied to each single cell via each separator can be freely set. Can be set. As a result, the amount of gas that can be used for power generation, and the fuel utilization rate and air utilization rate due to gas contact with each single cell during power generation are controlled according to the position in the laminated structure, and each unit is controlled. The state of the cell during power generation can be controlled. As a result, for example, it is possible to suppress variation in state during power generation between single cells, or to intentionally provide a distribution in the power generation state between single cells. Thereby, the power generation distribution of the solid oxide fuel cell can be made uniform, and the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell can be improved.
また、流量調節部材の仕切面に設けた開口の開口面積を調整するだけで、各セパレータに供給するガスの流量を調整できるので、ガス流量の調整を目的として、各セパレータの気体流通部を、精密に設計、製造する必要がなくなる。また、気体流通部の形状や配置の異なるセパレータを多数製造する必要もなくなる。よって、固体酸化物形燃料電池の構成を、簡素なものとすることができる。 Moreover, since the flow rate of the gas supplied to each separator can be adjusted simply by adjusting the opening area of the opening provided on the partition surface of the flow rate adjusting member, for the purpose of adjusting the gas flow rate, Eliminates the need for precise design and manufacture. Moreover, it is not necessary to manufacture a large number of separators having different shapes and arrangements of the gas flow portions. Therefore, the configuration of the solid oxide fuel cell can be simplified.
また、複数のセパレータのうち少なくとも一部が、気体流通部の形状および配置が同じである場合には、気体流通部の形状および配置が同じである複数のセパレータにおいても、流量調節部材の仕切面に設けた開口の開口面積を調整することにより、ガスの流量を層間で相互に異ならせることができる。また、気体流通部の形状や配置が異なるセパレータを複数種製造する必要がなく、固体酸化物形燃料電池の製造コストを抑制できる。 Further, when at least a part of the plurality of separators has the same shape and arrangement of the gas circulation part, the partition surface of the flow rate adjusting member also in the plurality of separators having the same shape and arrangement of the gas circulation part By adjusting the opening area of the opening provided in the gas flow rate, the gas flow rate can be made different between the layers. Moreover, it is not necessary to manufacture a plurality of types of separators having different shapes and arrangements of the gas flow parts, and the manufacturing cost of the solid oxide fuel cell can be suppressed.
また、流量調節部材が、内部マニホールドに供給されるガスが流通する中空部を有する筒状体であり、内部マニホールドに挿入されており、開口が設けられた仕切面は、気体流通部に対向する筒状体の外壁であり、内部マニホールドに供給されるガスが、中空部を流通して開口から気体流通部に流出する場合には、筒状の部材の外壁に、所望の開口面積を有する開口を形成するだけの簡素な構成で、流量調節部材を形成することができる。また、各セパレータおよび各燃料電池単セルに設けた通気孔を連通させてなる内部マニホールドの筒状の内部空間の中に、筒状の流量調節部材を配置するだけで、流量調節部材の内部空間と内部マニホールドの間の気密性を確保しながら、各セパレータの気体流通部に、各開口の開口面積に応じた流量のガスを供給することが可能となる。また、燃料電池単セルとセパレータよりなる積層構造を組み上げるに際し、単セルおよびセパレータを1層ずつ順に、それぞれの通気孔に筒状の流量調節部材を挿通しながら配置することで、各単セルおよびセパレータの相互間の位置決め、また単セルとセパレータの積層構造と流量調節部材との間の位置決めを、簡便に達成することができる。 The flow rate adjusting member is a cylindrical body having a hollow portion through which the gas supplied to the internal manifold flows, and the partition surface provided with the opening is opposed to the gas flow portion. When the gas supplied to the internal manifold flows through the hollow portion and flows out from the opening to the gas circulation portion, an opening having a desired opening area is formed on the outer wall of the tubular member. The flow rate adjusting member can be formed with a simple configuration that only forms Further, the internal space of the flow rate adjusting member can be obtained simply by disposing the cylindrical flow rate adjusting member in the cylindrical internal space of the internal manifold formed by communicating the vent holes provided in each separator and each fuel cell single cell. It is possible to supply a gas having a flow rate corresponding to the opening area of each opening to the gas circulation portion of each separator while ensuring airtightness between the opening and the internal manifold. Further, when assembling a laminated structure composed of a fuel cell single cell and a separator, the single cell and the separator are arranged one layer at a time in order by inserting a cylindrical flow rate adjusting member through each vent hole, Positioning between the separators and positioning between the single cell / separator stacked structure and the flow rate adjusting member can be easily achieved.
また、流量調節部材が内部マニホールドに挿入されて、燃料電池単セルおよびセパレータに対して固定されている場合には、流量調節部材を含む固体酸化物形燃料電池の構造を、強固なものとすることができる。また、各セパレータを介して各燃料電池単セルに供給するガスの分配量を、長期にわたり、設計通りに維持することができる。よって、経時変化によらない発電状態のばらつきを抑制する等の目的で、恒常的にガスの分配量に分布を形成する用途に、特に好適に適用することができる。 Further, when the flow rate adjusting member is inserted into the internal manifold and fixed to the fuel cell unit cell and the separator, the structure of the solid oxide fuel cell including the flow rate adjusting member is strengthened. be able to. Moreover, the distribution amount of the gas supplied to each fuel cell single cell via each separator can be maintained as designed over a long period of time. Therefore, the present invention can be particularly suitably applied to applications in which a distribution is constantly formed in the distribution amount of gas for the purpose of suppressing variations in the power generation state that does not change with time.
また、流量調節部材が、燃料極に導入する燃料ガスが流通する内部マニホールド内に配設されている場合には、燃料極に導入する燃料ガスの流量の分配量を設定することにより、燃料極における電極反応の状態を制御することで、複数の燃料電池単セルと、複数のセパレータと、が交互に積層された方向に沿った各層のSOFC単セルにおける発電状態を制御することができる。そのため、燃料ガスの利用率を改善して、発熱のインフレーションを抑制することができる。これにより、燃料電池単セルの劣化を抑制することができる。 Further, when the flow rate adjusting member is disposed in the internal manifold through which the fuel gas introduced into the fuel electrode flows, by setting the distribution amount of the flow rate of the fuel gas introduced into the fuel electrode, the fuel electrode is set. By controlling the state of the electrode reaction in, it is possible to control the power generation state in the SOFC single cell of each layer along the direction in which the plurality of fuel cell single cells and the plurality of separators are alternately stacked. Therefore, it is possible to improve the utilization rate of the fuel gas and suppress the inflation of heat generation. Thereby, deterioration of a fuel cell single cell can be suppressed.
また、流量調節部材が、仕切面に複数の開口が設けられており、複数の燃料電池単セルと、複数のセパレータと、が交互に積層された方向に沿って、中央部の開口の開口面積が、端部の開口の開口面積に比べて広く設けられている場合には、積層構造の中央部に供給するガスの流量の分配量を、積層構造の端部に供給するガスの流量の分配量に比べて、増やすことができる。 Further, the flow rate adjusting member has a plurality of openings in the partition surface, and the opening area of the opening in the central portion along the direction in which the plurality of fuel cell single cells and the plurality of separators are alternately stacked. However, when the opening area of the opening at the end portion is wide, the distribution amount of the gas flow supplied to the center portion of the stacked structure is divided into the distribution of the flow rate of the gas supplied to the end portion of the stacked structure. It can be increased compared to the amount.
固体酸化物形燃料電池の積層方向の中央部の層は、端部の層に比べて、発電状態による発熱が層の内部に籠る傾向にある。そのため、積層構造の中央部に供給するガスの流量の分配量を、積層構造の端部に供給するガスの流量の分配量に比べて、増やすことにより、積層構造の中央部の層を、端部の層に比べて、燃料利用率や空気利用率を下げ、高温による負荷を低減して、固体酸化物形燃料電池の発電分布を均一化することができる。これらにより、固体酸化物形燃料電池の発電効率を向上させることができる。 Compared with the end layer, the layer at the center in the stacking direction of the solid oxide fuel cell tends to generate heat due to the power generation state inside the layer. Therefore, by increasing the distribution amount of the gas flow rate supplied to the central portion of the stacked structure as compared with the distribution amount of the gas flow rate supplied to the end portion of the stacked structure, the layer at the central portion of the stacked structure is reduced. Compared with the part layer, the fuel utilization rate and the air utilization rate can be lowered, the load due to high temperature can be reduced, and the power generation distribution of the solid oxide fuel cell can be made uniform. As a result, the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell can be improved.
また、複数の開口のうち少なくとも一部の開口において、複数の燃料電池単セルと、複数のセパレータと、が交互に積層された方向の寸法が、該方向に交差する方向に沿って、分布を有している場合には、固体酸化物形燃料電池の積層方向に沿った各層において、1つの燃料電池単セル内の場所ごとに、供給するガスの量を調節することができる。それにより、各単セル内の場所ごとの発電時の状態を制御することができる。その結果、例えば、単セル内の場所ごとの発電時の状態のばらつきを抑制することや、単セル内の場所ごとの発電状態に意図的に分布を設けることが可能となる。これにより、単セル内の場所ごとの発電分布を均一化することができ、単セルの発電効率を向上させることができる。 In addition, in at least some of the plurality of openings, the dimension in the direction in which the plurality of fuel cell single cells and the plurality of separators are alternately stacked is distributed along the direction intersecting the direction. If it is provided, the amount of gas to be supplied can be adjusted for each location in one fuel cell unit cell in each layer along the stacking direction of the solid oxide fuel cell. Thereby, the state at the time of the electric power generation for every place in each single cell can be controlled. As a result, for example, it is possible to suppress variations in state during power generation for each location in the single cell, and to intentionally provide a distribution in the power generation status for each location in the single cell. Thereby, the power generation distribution for each place in the single cell can be made uniform, and the power generation efficiency of the single cell can be improved.
また、固体酸化物形燃料電池が、複数のセルスタックを有し、各セルスタックの内部マニホールド内に配設された流量調節部材の開口の開口面積の総和が、相互に異なっている場合には、セルスタックごとに、供給するガスの総量を調節することができる。例えば、ガスが容易に流通するセルスタックには開口面積の総和が小さい流量調節部材を配設し、ガスが流通することが困難であるセルスタックには開口面積の総和が大きい流量調節部材を配設することができる。これにより、多数のセルスタックにより発電モジュールを構成する場合において、複数のセルスタックの相互配置や、他の装置との配置関係、また、多数のセルスタックにガスを供給する供給路の構成等に起因して生じる可能性があるセルスタック間での発電状態や発熱量の差を、緩和することができる。 Further, when the solid oxide fuel cell has a plurality of cell stacks and the sum of the opening areas of the flow rate adjusting members disposed in the internal manifold of each cell stack is different from each other. The total amount of gas to be supplied can be adjusted for each cell stack. For example, a flow control member with a small sum of opening areas is arranged in a cell stack in which gas easily circulates, and a flow control member with a large sum of opening areas is arranged in a cell stack in which gas is difficult to circulate. Can be set. As a result, when a power generation module is configured with a large number of cell stacks, the mutual arrangement of a plurality of cell stacks, the positional relationship with other devices, the configuration of a supply path for supplying gas to the large number of cell stacks, etc. Differences in the power generation state and the amount of heat generated between the cell stacks that may be caused can be mitigated.
ここで、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池の流量調節部材は、SOFCの内部マニホールドと気体流通部の間を区画する仕切面を有し、仕切面に、それぞれの気体流通部に対応する位置に設けられた複数の開口を有しており、複数の開口のうち少なくとも一部の開口面積は、相互に異なっている。そのため、固体酸化物形燃料電池の内部マニホールド内に配設された際に、各層のセパレータを介して各単セルに供給する空気極ガスや燃料ガスの流量は、開口の開口面積によって規定される。このように、流量調節部材の仕切面に設ける開口の開口面積を、対応するセパレータの位置に応じて調節することで、各セパレータを介して各単セルに供給するガスの分配量を、自由に設定することができる。その結果、発電に利用することができる空気極ガスおよび/または燃料ガスの量、また、発電中の各単セルにガスが接触することによる燃料利用率や空気利用率を、積層構造における位置に応じて制御し、各単セルの発電時の状態を制御して、固体酸化物形燃料電池の発電分布を均一化することができる。これらにより、固体酸化物形燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、ガス分配量を積層構造において調整するために、内部マニホールドに配置する部材を用いることで、セパレータの流量の設計等による場合よりも、ガス分配量の調整を簡便に達成することができる。 Here, the flow rate adjusting member of the solid oxide fuel cell according to the present invention has a partition surface that partitions between the internal manifold of the SOFC and the gas circulation part, and the partition surface corresponds to each gas circulation part. It has the some opening provided in the position, The opening area of at least one part among several opening differs mutually. Therefore, when disposed in the internal manifold of the solid oxide fuel cell, the flow rate of the air electrode gas or the fuel gas supplied to each single cell through the separator of each layer is defined by the opening area of the opening. . Thus, by adjusting the opening area of the opening provided on the partition surface of the flow rate adjusting member according to the position of the corresponding separator, the distribution amount of the gas supplied to each single cell via each separator can be freely set. Can be set. As a result, the amount of cathode gas and / or fuel gas that can be used for power generation, as well as the fuel utilization rate and air utilization rate due to gas contact with each single cell during power generation, are positioned in the laminated structure. The power generation distribution of the solid oxide fuel cell can be made uniform by controlling accordingly and controlling the power generation state of each single cell. As a result, the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell can be improved. Moreover, in order to adjust the gas distribution amount in the laminated structure, by using a member arranged in the internal manifold, the adjustment of the gas distribution amount can be achieved more easily than in the case of designing the flow rate of the separator.
また、仕切面の長手方向に対して中央部の開口の開口面積が、仕切面の長手方向に対して端部の開口の開口面積に比べて広く設けられている場合には、仕切面の長手方向に対して中央部に供給するガスの分配量を、仕切面の長手方向に対して端部に供給するガスの分配量に比べて、増やすことができる。そのため、流量調節部材を内部マニホールド内に配設することにより、積層構造の中央部の層を、端部の層に比べて、燃料利用率や空気利用率を下げ、高温による負荷を低減して、固体酸化物形燃料電池の発電分布を均一化することができる。また、発電中の燃料電池単セルに低温のガスが接触することにより、積層構造の中央部の層を、端部の層に比べて、より冷却することができる。これらにより、固体酸化物形燃料電池の発電効率を向上させることができる。 In addition, when the opening area of the central opening with respect to the longitudinal direction of the partition surface is wider than the opening area of the end opening with respect to the longitudinal direction of the partition surface, the length of the partition surface The distribution amount of the gas supplied to the central portion with respect to the direction can be increased as compared with the distribution amount of the gas supplied to the end portion with respect to the longitudinal direction of the partition surface. Therefore, by disposing the flow rate adjusting member in the internal manifold, the fuel utilization rate and air utilization rate are reduced in the central layer of the laminated structure compared to the end layer, and the load due to high temperatures is reduced. The power generation distribution of the solid oxide fuel cell can be made uniform. In addition, when the low-temperature gas comes into contact with the fuel cell single cell during power generation, the central layer of the laminated structure can be cooled more than the end layer. As a result, the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell can be improved.
また、複数の開口のうち少なくとも一部の開口において、仕切面の長手方向に対する方向の寸法が、該方向に交差する方向に沿って、分布を有している場合には、仕切面の長手方向に沿った各開口において、1つの燃料電池単セル内の場所ごとに、供給するガスの量を調節することができる。それにより、各単セル内の場所ごとの発電時の状態を制御することができる。その結果、例えば、単セル内の場所ごとの発電時の状態のばらつきを抑制することや、単セル内の場所ごとの発電状態に意図的に分布を設けることが可能となる。これにより、単セル内の場所ごとの発電分布を均一化することができ、単セルの発電効率を向上させることができる。 Further, in at least some of the plurality of openings, when the dimension in the direction with respect to the longitudinal direction of the partition surface is distributed along the direction intersecting the direction, the longitudinal direction of the partition surface In each opening along the line, the amount of gas to be supplied can be adjusted for each place in one fuel cell single cell. Thereby, the state at the time of the electric power generation for every place in each single cell can be controlled. As a result, for example, it is possible to suppress variations in state during power generation for each location in the single cell, and to intentionally provide a distribution in the power generation status for each location in the single cell. Thereby, the power generation distribution for each place in the single cell can be made uniform, and the power generation efficiency of the single cell can be improved.
以下に、本発明の一実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池(SOFC)について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態にかかるSOFCの断面を示す模式図である。また、図2は、図1のSOFCを構成するSOFC単セルおよびセパレータを示す分解斜視図である。 Hereinafter, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of an SOFC according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view showing the SOFC single cell and the separator constituting the SOFC of FIG.
[固体酸化物形燃料電池の概略]
本発明の一実施形態にかかるSOFCを構成するセルスタック1は、図1に示すように、複数のセパレータ4と、複数の燃料電池単セルユニットであるSOFC単セルユニット3と、が交互に積み重ねられており、セパレータ4を介して複数のSOFC単セルユニット3が、直列に積層、電気接続されている。また、セルスタック1は、接地部1bに載置されており、最上部のセパレータ4の上面にはカバー1cが設けられている。
[Outline of solid oxide fuel cell]
As shown in FIG. 1, a
また、セルスタック1には、内部マニホールドとして構成された供給路2a,2bが設けられており、流量調節部材6が供給路2a内に挿入されている。ここで、流量調節部材6は、各層のセパレータ4を介して各燃料電池単セルである各単セル30に供給する燃料ガスG2の流量の分配量を設定するための部材である。流量調節部材6については後で詳しく説明する。
The
SOFC単セルユニット3は、図2に示すように、単セル30および絶縁フレーム50を有する。単セル30は、固体酸化物電解質よりなる平板状の電解質層31と、電解質層31の一方面に接合された空気極32と、他方面に接合された燃料極33とを有している。ここで、電解質層31および両電極32,33を構成する材料は、公知のSOFCにおいて用いられる材料から適宜選択すればよい。
The SOFC
絶縁フレーム50は、SOFCの運転温度での使用に耐える耐熱性を有した絶縁体よりなる。絶縁フレーム50は、単セル30の側面を取り囲むように単セル30を収容した状態で、複数のセパレータ4の間に配置され、複数のセパレータ4の間の絶縁を確保しながら、複数のセパレータ4の間隔を規定する役割を果たす。そして、絶縁フレーム50によって、後述するセパレータ4の燃料ガス流路71を流通する燃料ガスG2と空気流路81を流通する空気極ガスG1とが、相互に混合が生じない状態で、相互に隔離される。また、絶縁フレーム50には、貫通孔として、空気通過孔10と燃料ガス通過孔9が1対ずつ設けられている。
The insulating
セパレータ4は、ステンレス鋼等、耐熱性を備えた金属材料よりなる平板状の部材である。セパレータ4は、外周部にフレーム部4aを一体に備え、空気極32に導入する酸素を含有する空気などの空気極ガスG1、および燃料極33に導入する水素、メタンなどの燃料ガスG2を各々独立して通過させる通気孔である空気通過孔8および燃料ガス通過孔7が、フレーム部4aに設けられている。空気通過孔8および燃料ガス通過孔7は、セパレータ4のフレーム部4aの面を貫通して設けられている。
The
また、セパレータ4においては、フレーム部4aの上面に囲まれた内側の領域に、燃料ガスG2を流通可能な流路として平行に走る溝部が複数設けられており、燃料ガス流路71として機能する。また、フレーム部4aの下面に囲まれた内側の領域に、空気極ガスG1を流通可能な流路として平行に走る溝部が複数設けられており、空気流路81として機能する。燃料ガス流路71と空気流路81が、セパレータ4の気体流通部を構成している。空気流路81は、燃料ガス流路71と直交する方向に設けられている。また、燃料ガス流路71は、燃料ガス通過孔7と連通しており、空気流路81は、空気通過孔8と連通している。そして、空気通過孔8および燃料ガス通過孔7は、絶縁フレーム50に設けられた空気通過孔10と燃料ガス通過孔9と対応して、つまり、セパレータ4とSOFC単セルユニット3を積層した際に、セパレータ4の空気通過孔8と絶縁フレーム50の空気通過孔10が重なるように、また、セパレータ4の燃料ガス通過孔7と絶縁フレーム50の燃料ガス通過孔9が重なるように、それぞれの位置および形状が設定されている。
In the
セルスタック1を構成する全てのセパレータ4は、設計において、外形が同じであり、空気極ガスG1が流通する空気流路81の形状および配置が同じとなるように設けられている。また、燃料ガスG2が流通する燃料ガス流路71の形状および配置が同じとなるように設けられている。つまり、同じ設計形状を有している。また、全ての単セル30も同一構造に設計されている。なお、本実施形態においては、全てのセパレータ4を同じ設計形状としているが、必ずしもすべてのセパレータ4の設計形状が同じである必要はなく、セルスタック1の設計目的に応じて、複数のセパレータ4の少なくとも一部のセパレータ4の設計形状が同じとなっていればよい。
All the
図1,2に示すように、セルスタック1においては、複数のセパレータ4と、複数のSOFC単セルユニット3が、積層方向Xに沿って交互に積層されている。セパレータ4は、燃料ガス流路71が、単セル30の燃料極33と、空気流路81が単セル30の空気極32と、それぞれ対向するように配置されている。セパレータ4と、SOFC単セルユニット3とは、耐熱性接着剤によって、気密に接合され、一体的な構造として形成されている。セルスタック1の内部においても、燃料ガスG2が流通する経路と、空気極ガスG1が流通する経路の間が、耐熱性接着剤を用いて相互に隔離されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
セルスタック1においては、各セパレータ4に設けられた燃料ガス通過孔7と、各SOFC単セルユニット3に設けられた燃料ガス通過孔9とが、直線的に連通し、筒状の内部空間を有する供給路2a,2bを構成している。供給路2a,2bは、各セパレータ4の燃料ガス流路71を挟んで対向して、2つの平行な経路を有しており、それぞれ燃料ガスG2の往路および復路として機能する。供給路2aおよび供給路2bは、各セパレータ4の一端および他端で、それぞれ燃料ガス流路71に連通しており、供給路2aから各セパレータ4の燃料ガス流路71を通り、供給路2bに至る燃料ガスG2の経路が形成される。同様に、各セパレータ4に設けられた空気通過孔8と、各SOFC単セルユニット3に設けられた空気通過孔10とが、直線的に連通し、筒状の内部空間を有する供給路1a,1bを構成している。供給路1a,1bは、各セパレータ4の空気流路81を挟んで対向して、2つの平行な経路を有しており、それぞれ空気極ガスG1の往路および復路として機能する。供給路1aおよび供給路1bは、各セパレータ4の一端および他端で、それぞれ空気流路81に連通しており、供給路1aから各セパレータ4の空気流路81を通り、供給路1bに至る空気極ガスG1の経路が形成される。
In the
ここで、セルスタック1における燃料ガスG2および空気極ガスG1の経路について具体的に説明する。セルスタック1においては、供給路2aの内部空間に流量調節部材6が配置され、燃料ガスG2は流量調節部材6を介して導入されるが、まず、流量調節部材6を省略して燃料ガスG2の経路について説明する。
Here, the paths of the fuel gas G2 and the air electrode gas G1 in the
燃料ガスG2は、図2の実線矢印に示すように、セパレータ4の燃料ガス通過孔7、および絶縁フレーム50の燃料ガス通過孔9が連続してなる供給路2aに導入される。また、空気極ガスG1は、図2の点線矢印に示すように、セパレータ4の空気通過孔8、および絶縁フレーム50の通気孔である空気通過孔10が連続してなる供給路1aに導入される。
The fuel gas G2 is introduced into the
燃料ガスG2は、図1の矢印Aに示すように、供給路2aを流通して、供給路2aに連通した各セパレータ4の燃料ガス流路71に導入される。そして、燃料ガスG2は、各セパレータ4の燃料ガス流路71を流通しながら、単セル30の燃料極33に接触する。各セパレータ4の燃料ガス流路71を流通した燃料ガスG2は、供給路2bにて合流し、矢印Bに示すように、供給路2bを通って、セルスタック1の外部に導かれる。図示は省略するが、空気極ガスG1も同様に、供給路1aを流通して、供給路1aに連通した各セパレータ4の空気流路81に導入される。そして、空気極ガスG1は、各セパレータ4の空気流路81を流通しながら、SOFC空気極32に接触する。各セパレータ4の空気流路81を流通した空気極ガスG1は、供給路1bにて合流し、セルスタック1の外部に導かれる。
As shown by an arrow A in FIG. 1, the fuel gas G2 flows through the
このように、空気極ガスG1および燃料ガスG2は、供給路1a,2aを流通して、さらに、供給路1a,2aに連通した各セパレータ4の空気流路81、燃料ガス流路71に分岐することにより、それぞれのSOFC単セルユニット3の単セル30の空気極32および燃料極33に供給される。そして、単セル30は、空気流路81を流通して空気極32に供給された空気極ガスG1、および燃料ガス流路71を流通して燃料極33に供給された燃料ガスG2を用いて、空気極32および燃料極33のそれぞれにおいて電極反応を起こし、発電を行う。
As described above, the air electrode gas G1 and the fuel gas G2 flow through the
ここで、上記のとおり、実際のセルスタック1においては、次に詳しく説明する流量調節部材6が、燃料ガスG2が流通する供給路2a内に配設されており、セルスタック1に供給される燃料ガスG2は、直接、供給路2aの内部空間に導入されるのではなく、流量調節部材6を介して、燃料ガス流路71に導入され、燃料極33に供給される。なお、本実施形態においては、空気極ガスG1を導入する供給路1aには同様の流量調節部材を配置しておらず、セルスタック1内に供給される空気極ガスG1は、図2に示す供給路1a内を直接、流通して、空気流路81に導入され、空気極32に供給される。
Here, as described above, in the
[流量調節部材]
次に、上記セルスタック1に配設する本発明の一実施形態にかかる流量調節部材6について、図面を参照しながら説明する。図3は、本発明の一実施形態にかかる流量調節部材を示す斜視図である。
[Flow control member]
Next, the flow
流量調節部材6は、セルスタック1において、燃料ガスG2を導入する供給路2aの内部空間に配置され、複数のSOFC単セルユニット3と複数のセパレータ4と、が交互に積層された方向Xに沿った各層において、セパレータ4を介して単セル30の燃料極33に供給する燃料ガスG2の流量を、規定できる部材である。
The flow
流量調節部材6は、図3に示すように、中空部6bを有する角筒状の部材である。流量調節部材6は、外形の角筒形状の長手方向に直交する断面が、セルスタック1の供給路2aの内部空間のX方向に交差する断面よりも、一回り小さい略長方形となるように形成されている。流量調節部材6は、長手方向に直交する断面の長方形の長辺に対応する側壁面として、仕切面6cを有している。仕切面6cは、流量調節部材6を供給路2aに配設した際に、セルスタック1の中央側を向く面、つまり、セルスタック1を構成するセパレータ4の燃料ガス流路71に面する面となる。仕切面6cには、仕切面6cの板面を貫通する開口として、複数のスリット60,60aが設けられている。複数のスリット60,60aは、それぞれ各辺が仕切面6cの辺に平行になった長方形の形状を有しており、流量調節部材6の長手方向に沿って、複数が、略等間隔かつ略平行に配置されている。仕切面6cにおけるスリット60の数および位置は、セルスタック1の供給路2aに流量調節部材6を配置した状態において、各層のセパレータ4の燃料ガス流路71の数および位置に対応するものとなっている。流量調節部材6は、ステンレス鋼等、耐熱性を備えた金属材料よりなる。
As shown in FIG. 3, the flow
また、流量調節部材6は、仕切面6cの長手方向に沿って中央部のスリット60aの開口面積が、仕切面6cの長手方向に沿って一方端側のスリット60および他方端側のスリット60の開口面積に比べて、広く設けられている。ここでは、仕切面6cの長手方向に沿った各スリット60の辺の長さ(高さh)を異ならせることで、各スリット60の開口面積を変化させている。図示した形態では、長手方向の中央のスリット60aの開口面積が最も大きく、長手方向の両端に向かうに従って、漸次、スリット60の開口面積が小さくなっている。各スリット60の開口面積は、中央のスリット60aから両端部に向かって対称となっている。なお、スリット60の開口面積は、最も広いものでも、セパレータ4の燃料ガス流路71の溝部が走る方向に直交する断面積よりも、小さくなっている。
Further, in the flow
図1に示すように、流量調節部材6は、セルスタック1において、燃料極33に導入する燃料ガスG2が流通する供給路2a内に配設される。この際、流量調節部材6は、セルスタック1の供給路2aの燃料ガスG2の流通方向に長手方向を沿わせて挿入される。流量調節部材6を供給路2aの内部空間に配置するに際し、流量調節部材6は、各スリット60が図2に示す燃料ガス流路71のそれぞれに対向するように、供給路2aの内部空間への挿入位置が規定される。流量調節部材6は、耐熱性接着剤により、セルスタック1を構成する単セル30およびセパレータ4に固定されており、セルスタック1は、流量調節部材6を固定した一体的な構造として設けられている。
As shown in FIG. 1, the flow
このように、流量調節部材6を供給路2aの内部空間に配置し、流量調節部材6の筒形状の中空部6b内に、長手方向一端(図1,3の下端)から燃料ガスG2を導入すると、燃料ガスG2は、スリット60を通って、中空部6bから各セパレータ4の燃料ガス流路71に流出する。ここで、流量調節部材6を構成する角筒体の外壁面の内外で、気密性が確保されており、燃料ガスG2は、スリット60のみからセパレータ4の燃料ガス流路71に供給される。これにより、セルスタック1の複数の単セル30と複数のセパレータ4とが交互に積層された方向Xに沿った上流から下流にわたる各層において、各セパレータ4の燃料ガス流路71を介して、各単セル30の燃料極33に燃料ガスG2が供給される。
In this way, the flow
この際、上記のように、各スリット60の開口面積が、セパレータ4の燃料ガス流路71の断面積よりも小さく設定されていることにより、各セパレータ4の燃料ガス流路71に供給される燃料ガスG2の流量は、対応する各スリット60の開口面積に応じて規定される。つまり、各スリット60の開口面積が大きいほど、対応するセパレータ4の燃料ガス流路71に供給される燃料ガスG2の流量が大きくなり、燃料ガスG2の流量は、スリット60の開口面積に略比例する。上記のように、流量調節部材6の仕切面6cに設けられたスリット60の開口面積は、相互に異なっている。そのため、単セル30とセパレータ4が積層された方向Xに沿って、各層のセパレータ4の燃料ガス流路71に、スリット60を介して供給される燃料ガスG2の流量は、各層において異なることになる。つまり、方向Xに沿って、開口面積の大きいスリット60が設けられた位置ほど、対応するセパレータ4の燃料ガス流路71に導入される燃料ガスG2の流量が大きくなる。
At this time, as described above, the opening area of each slit 60 is set to be smaller than the cross-sectional area of the
このように、セルスタック1において、各セパレータ4を介して各単セル30に供給する燃料ガスG2の分配量を、流量調節部材6に設けたスリット60の開口面積に応じて、設定することができる。そして、各スリット60の開口面積を異ならせることで、各セパレータ4を介して各単セル30に供給する燃料ガスG2の流量に、単セル30ごとの分布を形成することができる。図3に示したような、仕切面6cの長手方向に対して中央部のスリット60aの開口面積が、仕切面6cの長手方向に対して上方のスリット60および下方のスリット60の開口面積に比べて、広く設けられている流量調節部材6を用いることにより、積層方向Xに沿って、供給路2aの流路の中央部に供給する燃料ガスG2の流量の分配量が、供給路2aの流路の上方および下方に供給する燃料ガスG2の流量の分配量に比べて、大きくなる。
As described above, in the
各単セル30に供給する燃料ガスG2の流量を調整することで、各単セル30の発電時の状態を制御することができる。よって、流量調節部材6に設ける各スリット60の開口面積を異ならせることで、単セル30ごとに、発電時の状態を制御することが可能となる。例えば、各単セル30への燃料ガスG2の供給量に分布を形成することで、単セル30間に発電時に発生する意図しない状態のばらつき、例えば、発電量のばらつきや温度のばらつき等を抑制することにより、セルスタック1の発電効率を高めることができる。あるいは、単セル30間の発電時の状態に、意図的に不均等な分布を形成することもできる。
By adjusting the flow rate of the fuel gas G2 supplied to each
上記で説明した本実施形態にかかるセルスタック1においては、セルスタック1におけるX方向に沿った位置の差によって生じうる発電時の発熱量の差を、単セル30への燃料ガスG2の分配量に分布を形成することで、緩和するものである。セルスタック1に流量調節部材6を設けないとすれば、供給路2aに導入された燃料ガスG2は、供給路2aから直接、燃料ガス流路71に流通して、単セル30の燃料極33に供給される。セルスタック1において、単セル30に供給する燃料ガスG2を、燃料極33における反応ガスとして用い、セルスタック1を構成する各単セル30において、発電が行われる。このとき、セルスタック1の積層方向Xに沿った中央部の単セル30においては、積層方向Xに沿った上方および下方の単セル30に比べて、発電による発熱が内部に籠る。よって、積層方向Xに沿って中央部の単セル30の温度は、上方および下方の単セル30の温度よりも高くなりやすい。発電時の単セル30の温度が高くなると、単セル30の劣化につながる。
In the
また、単セル30やセパレータ4の温度が高くなると、燃料ガス流路71を流れる燃料ガスG2の気体粘性が高くなり、燃料極33に燃料ガスG2が供給されにくくなる。すると、燃料ガスG2の量が少ない状態で単セル30が発電を行わなければならなくなる。各単セル30に供給する燃料ガスG2の流量が、発電量との比において小さくなると、燃料利用率が低下するが、燃料利用率が低い条件で発電を行うほど、単セル30が過酷な環境にさらされることになり、劣化が起こりやすくなる。加えて、ある単セル30が、燃料ガスG2の少ない状態で発電を行うと、その単セル30の内部抵抗が上昇し、発電量が低下することになる。セルスタック1を構成する各単セル30は、直列に電気接続されており、全単セル30を流れる電気量が同じになっているため、一部の単セル30において内部抵抗の増大が起こり、発電量が小さくなると、全単セル30の発電量が、その単セル30に合わせて制限されてしまうことになる。よって、発熱による燃料ガスG2の気体粘性の増大の結果として、積層構造の中央部の単セル30の内部抵抗が上昇すると、その単セル30だけでなく、セルスタック1を構成する全単セル30の発電量が制限されてしまうことになり、セルスタック1全体で、発電量が低下してしまう。
Further, when the temperature of the
さらに、単セル30の内部抵抗の高くなった状態で発電を行うと、単セル30の発熱量はますます増加する。その結果、セルスタック1の中央部の温度がますます高くなり、気体粘性の上昇と、それに伴う単セル30の内部抵抗の増大や劣化、セルスタック1全体における発電量の低下が、加速的に進行する可能性もある。
Furthermore, if power generation is performed with the internal resistance of the
そこで、スリット60の開口面積が、長手方向中央部において大きく、端部において小さくなった流量調節部材6を、セルスタック1の供給路2aに挿入することで、セルスタック1の積層方向Xに沿った中央部の単セル30に供給する燃料ガスG2の流量の分配量を、上方および下方の単セル30に供給する燃料ガスG2の流量の分配量に比べて、増やすことにより、高温によって気体粘性の上昇しやすい、積層方向Xに沿った中央部の単セル30にも、燃料ガスG2が供給されやすくなり、実質的な燃料ガスG2の流量(実際に燃料ガス流路71を流れて発電に利用できる燃料ガスG2の量)の均一性を、積層構造全体において、高めることができる。これにより、セルスタック1を構成する各単セル30の発電量のばらつきを低減することができ、高温による気体粘性上昇が起こりやすい積層方向Xの中央部の単セル30によって、直列に電気接続された各単セル30の発電量が制限される事態を、緩和することができる。その結果、セルスタック1全体として、発電効率を上昇させることができる。
Therefore, by inserting the flow
また、中央部の単セル30において、燃料極33に供給される燃料ガスG2の量を増やし、燃料利用率を下げることで、中央部の単セル30において、内部抵抗を低減し、発熱を抑制することができる。その結果、中央部での温度上昇自体を抑え、高温による気体粘性の上昇を起こりにくくすることができる。すると、積層構造中央部の単セル30に制限されて、積層構造全体の発電量が制限されるという事態が発生しにくくなる。また、発熱によって過酷な環境にさらされやすい積層方向の中央部の単セル30において、燃料利用率の高さによって劣化が促進されるのを抑制することができ、セルスタック1の発電効率を長期にわたって維持しやすくなる。
Further, in the
このように、セルスタック1の積層構造の中央部での発熱によって生じうる、中央部の単セル30の劣化や、セルスタック1全体の発熱効率の低下を、中央部でスリット60の開口面積の大きくなった流量調節部材6を燃料ガスG2の供給路2aに配置することで、緩和し、セルスタック1の耐久性および発電効率を向上させることができる。なお、積層構造中央部の単セル30の燃料極33に供給する燃料ガスG2の量を多くしすぎても、発電量の増大によって、単セル30の発熱がかえって促進される場合がある。よって、中央部のスリット60aの開口面積は、そのような発電量の増大による発熱の促進を起こすことなく、実質的な燃料ガスG2の流量の均一化の効果や、燃料利用率の上昇による内部抵抗の低減の効果が得られる範囲に、とどめておくことが好ましい。
As described above, the deterioration of the
セルスタック1における位置に応じて生じうる単セル30の発電時の状態の差を、開口面積の異なるスリット60を有する流量調節部材6を用いて緩和する他の形態として、後にも「その他の実施形態」として説明するように、供給路2aを流れる燃料ガスG2の圧力の分布に起因する発電状態を緩和する形態を挙げることができる。単セル30の発電時の状態は、発熱量と、供給路2aにおける燃料ガスG2の圧力の両方に依存し、いずれによる影響の緩和に着目するかによって、流量調節部材6のスリット60の開口面積を位置に応じてどのように設定すべきかは変化しうる。セルスタック1の具体的な構成や具体的な発電条件に応じて、いずれか大きい方の影響を緩和できるように、あるいは両方の影響を緩和できるように、各スリット60の開口面積を設定すればよい。
As another form of mitigating the difference in the power generation state of the
以上のように、開口面積の異なるスリット60を有する流量調節部材6を用いて、各セパレータ4を介して各単セル30に供給する燃料ガスG2の流量を調節することにより、特許文献1に記載されるように、セパレータ4における燃料ガス流路71の設計によらなくても、燃料ガスG2の流量を調節することができる。また、セルスタック1を構成するセパレータ4の少なくとも一部、好ましくは全てを、同じ形状および配置の燃料ガス流路71を有する、同じ設計のセパレータ4として構成することができる。よって、燃料ガス流路71の形状や配置の異なる多数のセパレータ4を高精度で設計し製造するようなことを行わなくても、各セパレータ4の燃料ガス流路71を介して単セル30に供給する燃料ガスG2の流量を、多様に調節することが可能となる。また、筒状体の壁面にスリット60を有する簡素な構成の流量調節部材6を、セルスタック1の供給路2aの内部空間に挿入するだけで、そのような流量調整を達成することができる。よって、燃料ガスG2の流量の分配の自由な設定を行えるセルスタック1を、簡素な構成により、また、低コストで、製造することができる。
As described above, the flow
以上で説明した形態においては、流量調節部材6は、燃料極33に導入する燃料ガスG2が流通する供給路2aの内壁面20に固定されている。よって、流量調節部材6およびセルスタック1の設計時に設定した各単セル30への燃料ガスG2の流量配分の比率は、時間を経ても維持される。これにより、上記で説明した積層構造のX方向の中央部において両端部よりも大きくなる発熱量の分布のように、経時変化の少ない発電状態の分布の影響を定常的に緩和することができる。
In the embodiment described above, the flow
流量調節部材6は、供給路2aと各セパレータ4の燃料ガス流路71の間を区画し、両者の間の燃料ガスG2の流通を遮断する仕切面6cを有し、その仕切面6cに開口面積の異なるスリット60を複数有するものであれば、具体的な構造は特に限定されない。しかし、上記で説明したように、筒状体の壁面の一部として仕切面6cを構成することで、簡素な構成を有し、簡便に製造でき、また簡便にセルスタック1の供給路2aの内部空間に挿入して、配置することができる流量調節部材6とすることができる。そして、流量調節部材6の内部空間に対する供給路2aの中空部内の気密性を確保しながら、各セパレータ4の燃料ガス流路71に、各スリット60の開口面積に応じた流量の燃料ガスG2を供給することが可能となる。また、そのように、筒状部材として流量調節部材6を構成することで、セルスタック1の組み付けの精度および簡便性を高めることができる。つまり、SOFC単セルユニット3とセパレータ4よりなる積層構造を組み上げるに際し、SOFC単セルユニット3およびセパレータ4を1層ずつ順に、燃料ガス通過孔7,9に筒状の流量調節部材6を挿通しながら配置することで、各単セル30およびセパレータ4の相互間の位置決め、またSOFC単セルユニット3とセパレータ4の積層構造と流量調節部材6との間の位置決めを、簡便に達成することができる。
The flow
なお、上記の実施形態においては、流量調節部材6は、供給路2aに配置しているが、供給路2aの代わりに、あるいは供給路2aに加えて、供給路2bに配置することもできる。また、セルスタック1に燃料ガスG2を供給する供給路2a,2bの代わりに、あるいは燃料ガスG2を供給する供給路2a,2bに加えて、流量調節部材6を空気極ガスG1を供給する供給路1a,1bに配設することもできる。流量調節部材6を空気極ガスG1を供給する供給路1a,1bに配設する場合には、セルスタック1の積層方向Xに沿った各層のセパレータ4の空気流路81を介して各単セル30の空気極32に供給すべき空気極ガスG1の流量に応じて、流量調節部材6のスリット60の開口面積を設定することにより、セルスタック1の積層方向Xに沿って、各層のセパレータ4を介して各単セル30に供給する空気極ガスG1の流量の分配量を設定することができる。これにより、各層単セル30における温度分布や空気極ガスG1の圧力分布等に起因する発電状態を、制御することができる。
In the above-described embodiment, the flow
特に、空気極ガスG1は、発電中の単セル30の冷却に、効果的に用いることができる。つまり、上記のセルスタック1の積層方向Xの中央部の単セル30のように、高温になりやすい箇所に、空気極ガスG1を多量に供給できるように、空気極ガスG1の供給路1a,1bに設ける流量調節部材6のスリット60の開口面積を設定しておくことで、そのような箇所の高温化を抑制することができる。ただし、上記のように、セルスタック1の積層方向Xに沿って中央部で大きくなる発熱量の分布を緩和する目的に、流量調節部材6を設ける場合には、燃料ガスG2が流通する供給路2a,2bに流量調節部材6を設ける方が、空気極ガスG1が流通する供給路1a,1bに設けるよりも、発熱量の分布を緩和する効果に優れる。
In particular, the air electrode gas G1 can be effectively used for cooling the
[その他の実施形態]
上記の実施形態以外にも、セルスタック1の具体的な構成や配置、使用条件に応じて、流量調節部材6のスリット60の開口面積の設定により、単セル30の発電状態のばらつきによる影響を緩和することができる。以下、複数の形態について簡単に説明する。上記実施形態と共通する構成については説明を省略する。
[Other Embodiments]
In addition to the above embodiment, depending on the specific configuration, arrangement, and use conditions of the
(1)圧損による影響の緩和
細長い供給路2aの一端から燃料ガスG2を導入し、他端に到達させる場合に、動圧および/または静圧により、供給路2aの上流と下流を結ぶ方向に沿った位置に応じて、燃料ガスG2の圧力に不均一な分布が生じる。もし、流量調節部材6を用いず、全て同じ断面積を有する各セパレータ4の燃料ガス流路71に供給路2aから直接燃料ガスG2を供給するとすれば、供給路2a内の燃料ガスG2の圧力が高い位置において、燃料ガス流路71に流出し、単セル30での発電に用いられる燃料ガスG2の流量が大きくなる。そこで、上記のように、スリット60の開口面積を、長手方向に沿って、供給路2a,2b内の燃料ガスG2の圧力が高くなる位置において小さく、圧力が低くなる位置において大きくなった流量調節部材6を用いればよい。これにより、供給路2aの上流と下流を結ぶ位置に応じた燃料ガスG2の圧力の不均一な分布を緩和することができ、セルスタック1において、燃料ガスG2の圧力の分布に起因する発電時の単セル30の状態における差を緩和することができる。
(1) Mitigation of the effect of pressure loss When fuel gas G2 is introduced from one end of the
例えば、セルスタック1が、セルスタック1の積層方向Xに沿って上方に比べて下方になる層ほど燃料ガスG2が流通しにくい高圧損の状態となっている場合には、流量調節部材6のスリット60の開口面積を、スリット60の長手方向に沿った上方に比べて下方になるほど広く設けることが考えられる。つまり、圧損が低い上方の層に流通する流量調節部材6のスリット60の開口面積を狭く設け、圧損が高い下方の層に流通するスリット60の開口面積を広く設けることになる。このように、スリット60の開口面積を、セルスタック1の積層方向Xに沿って下方になる層ほど広く設けることにより、セルスタック1の積層方向Xに沿って下方の単セル30においても、上方の単セル30と同様に、燃料極33に実質的に供給される燃料ガスG2の量を確保し、セルスタック1全体において、燃料ガスG2の供給量の均一性を高めることができる。空気極ガスG1についても、同様にして、圧損による各単セル30への供給量の不均一性を緩和することができる。
For example, when the
(2)燃料電池単セル内での不均一性の緩和
ここまでは、多数の単セル30が積層されたセルスタック1において、積層方向Xに沿った各層の間で生じうる発電状態や発熱量の不均一性を、流量調節部材6のスリット60の開口面積の設定によって燃料ガスG2や空気極ガスG1の流量配分を調整することで緩和する形態について説明した。そのような層間の不均一性に加え、セルスタック1の各層を構成する各単セル30の中でも、発電状態や発熱量に場所ごとの不均一性が生じる可能性があり、そのような層内の不均一性も、スリット60を有する流量調節部材6によって、緩和することが可能である。このような、層内の発電状態の不均一性の緩和は、流量調節部材6のそれぞれのスリット60の開口形状を、上記実施形態のような長方形から変更し、層内の各部位における開口寸法に分布を設けることで、達成することができる。例えば、それぞれのスリット60の中で、位置ごとに高さhに変化を設ければよい。
(2) Mitigation of non-uniformity in a single fuel cell So far, in the
セルスタック1の積層方向Xに沿った各層において、平行に並んだ多数の溝状の燃料ガス流路71のうち、単セル30の中央部の燃料ガス流路71ばかりを燃料ガスG2が流通して、単セル30の端部の燃料ガス流路71には燃料ガスG2が流通することが困難になる場合が起こりうる。この場合には、各スリット60の開口の形状を、長方形ではなく、スリット60の幅方向(高さ方向hに直交する方向)に沿って、中央部に比べて、幅方向に沿って両端部になるほど開口高さhが大きくなるように設けることができる。つまり、スリット60の高さhが、スリット60の幅方向に沿った両端部に比べて中央部に近づくほど低くなった略鼓型の開口形状を設けることができる。これにより、単セル30の中央部に比べて、単セル30の端部に多量の燃料ガスG2を供給することができる。そのため、セルスタック1の積層方向Xに沿った各層において、単セル30内の場所ごとの燃料ガスG2の流量分布を緩和することができる。
In each layer along the stacking direction X of the
空気極ガスG1についても、空気極ガスG1の供給路1a,1bに配置する流量調節部材6の各スリット60の開口形状によって、各層の単セル30の空気極32への供給量を、単セル30内の位置に応じて調整することができる。例えば、上記のように、セルスタック1の積層構造の中央部が高温化しやすいのと同様に、1つの単セル30の中でも、単セル30の面の端部(外周部)よりも、中央部において、熱を発散しにくく、高温になりやすい。そこで、単セル30の中央部に、端部よりも多量の空気極ガスG1を供給するようにし、単セル30の中央部において、端部よりも、空気極ガスG1による冷却効果を大きく得られるようにすることが、考えられる。この場合には、空気極ガスG1の供給路1a,1bに配置する流量調節部材6のスリット60のそれぞれの開口形状を、幅方向に沿った中央部で、端部よりも高さhが大きくなるようにしておけばよい。つまり、各スリット60を、幅方向に沿って両端部から中央部に近づくほど高さhが大きくなった、両凸レンズのような形状に形成しておけばよい。これにより、単セル30に端部に比べて、中央部に多量の空気極ガスG1が流通され、発熱しやすい単セル30中央部を効率的に冷却することができる。
Also for the air electrode gas G1, the supply amount to the
(3)複数の燃料電池単セル間での発電状態等の不均一性の緩和
また、多数のセルスタック1、改質器、燃料器等の高温制御部を断熱材で覆った発電モジュールを構成する場合がある。この際に、複数のセルスタック1の相互配置や、他の装置との配置関係、また、多数のセルスタック1に燃料ガスG2や空気極ガスG1を供給する供給路の構成等に起因して、セルスタック1間で、発電状態や発熱量に差が生じる可能性がある。このようなセルスタック1間での発電状態や発熱量の差も、各セルスタック1に設ける流量調節部材6によって、緩和することができる。
(3) Mitigation of non-uniformity of the power generation state among a plurality of fuel cell single cells In addition, a power generation module is constructed in which a high temperature control unit such as a large number of
例えば、発電モジュール内で、各セルスタック1に燃料ガスG2を供給する供給路2a,2bの配管構成等に起因して、発電モジュール内の複数のセルスタック1において、燃料ガスG2が容易に流通するセルスタック1と、燃料ガスG2が流通することが困難であるセルスタック1が出現する場合がある。具体的には、燃料ガスG2の供給路2a,2bの入口側に近いセルスタック1ほど燃料ガスG2が入り易く、燃料ガスG2の出口側に近いセルスタック1ほど燃料ガスG2が入りにくいケースが考えられる。この場合には、各スリット60の開口面積の総和が異なる複数種類の流量調節部材6を用いて、燃料ガスG2が容易に流通するセルスタック1には開口面積の総和が小さい流量調節部材6を配設し、燃料ガスG2が流通することが困難であるセルスタック1には開口面積の総和が大きい流量調節部材6を配設することができる。これにより、発電モジュールを構成する各セルスタック1間における燃料ガスG2の流通分布を緩和し、各セルスタック1の発電効率を均一化させて、発電モジュール全体としての発電効率を向上することができる。
For example, in the power generation module, the fuel gas G2 easily circulates in the plurality of
また、複数のセルスタック1のうち、他のセルスタック1に周囲を囲まれたセルスタック1や、改質器等、他の発熱する構成部材の近傍に配置されたセルスタック1は、その他のセルスタック1よりも、熱を発散しにくく、高温になりやすい。そこで、そのような高温になりやすいセルスタック1において、高温になりにくいセルスタック1よりも、スリット60の開口面積の総和を大きくした流量調節部材6を、空気極ガスG1の供給路1a,1bに配置するようにすればよい。これにより、配置に起因して高温になりやすいセルスタック1を、効率的に冷却することができる。
Among the plurality of
本発明は上記実施形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1 セルスタック(固体酸化物形燃料電池)
1a,1b 供給路(内部マニホールド)
2a,2b 供給路(内部マニホールド)
3 SOFC単セルユニット(燃料電池単セルユニット)
4 セパレータ
6 流量調節部材
6b 流量調節部材6の中空部
6c 流量調節部材6の仕切面
7 燃料ガス通過孔(通気孔)
8 空気通過孔(通気孔)
9 燃料ガス通過孔(通気孔)
10 空気通過孔(通気孔)
20 内壁面
30 単セル(燃料電池単セル)
31 電解質層(固体酸化物電解質)
32 空気極
33 燃料極
60,60a スリット(開口)
71 燃料ガス流路(気体流通部)
81 空気流路(気体流通部)
G1 空気極ガス
G2 燃料ガス
1 Cell stack (solid oxide fuel cell)
1a, 1b Supply path (internal manifold)
2a, 2b Supply path (internal manifold)
3 SOFC single cell unit (fuel cell single cell unit)
4
8 Air passage hole (vent hole)
9 Fuel gas passage hole (vent hole)
10 Air passage hole (vent hole)
20
31 Electrolyte layer (solid oxide electrolyte)
32
71 Fuel gas flow path (gas flow part)
81 Air flow path (gas flow part)
G1 Air electrode gas G2 Fuel gas
Claims (11)
前記空気極に導入する酸素を含有する空気極ガスおよび前記燃料極に導入する燃料ガスをそれぞれ流通可能な流路として気体流通部を有する板状の複数のセパレータと、が交互に積層されたセルスタックを有する固体酸化物形燃料電池において、
前記空気極ガスおよび前記燃料ガスのいずれか少なくとも一方は、前記複数の燃料電池単セルを含む燃料電池単セルユニットおよび前記複数のセパレータを貫通する通気孔が連通して構成された内部マニホールドを介して、前記複数のセパレータのそれぞれに設けられた前記気体流通部に供給され、
前記固体酸化物形燃料電池はさらに、前記内部マニホールド内に配設され、前記内部マニホールドと前記気体流通部の間を区画する仕切面を有する流量調節部材を有し、
前記流量調節部材は、前記仕切面に、前記内部マニホールド内のガスを前記気体流通部のそれぞれに流通可能な複数の開口を有しており、前記複数の開口のうち少なくとも一部の開口面積は、相互に異なっていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A plurality of fuel cell single cells provided with an air electrode and a fuel electrode on both sides of the solid oxide electrolyte;
A cell in which an air electrode gas containing oxygen to be introduced into the air electrode and a plurality of plate-like separators having gas circulation portions as flow paths through which the fuel gas introduced into the fuel electrode can be circulated are alternately stacked. In a solid oxide fuel cell having a stack,
At least one of the air electrode gas and the fuel gas passes through an internal manifold in which a fuel cell single cell unit including the plurality of fuel cell single cells and a vent hole penetrating the plurality of separators are communicated. And supplied to the gas circulation part provided in each of the plurality of separators,
The solid oxide fuel cell further includes a flow rate adjusting member that is disposed in the internal manifold and has a partition surface that partitions the internal manifold and the gas flow part.
The flow rate adjusting member has a plurality of openings through which the gas in the internal manifold can be circulated to each of the gas circulation portions on the partition surface, and at least a part of the opening area of the plurality of openings is Solid oxide fuel cells, which are different from each other.
前記開口が設けられた前記仕切面は、前記気体流通部に対向する前記筒状体の外壁であり、前記内部マニホールドに供給されるガスが、前記中空部を流通して前記開口から前記気体流通部に流出することを特徴とする請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池。 The flow rate adjusting member is a cylindrical body having a hollow portion through which gas supplied to the internal manifold flows, and is inserted into the internal manifold,
The partition surface provided with the opening is an outer wall of the cylindrical body facing the gas circulation part, and the gas supplied to the internal manifold circulates through the hollow part and flows through the gas from the opening. 3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell flows out to a portion.
前記流量調節部材は、前記複数の燃料電池単セルを含む燃料電池単セルユニットおよび前記複数のセパレータを貫通する通気孔が連通して構成された内部マニホールド内に配設され、前記内部マニホールドと前記気体流通部の間を区画する仕切面を有し、前記仕切面に、それぞれの前記気体流通部に対応する位置に設けられた複数の開口を有しており、前記複数の開口のうち少なくとも一部の開口面積は、相互に異なっていることを特徴とする流量調節部材。 A plurality of fuel cell single cells each provided with an air electrode and a fuel electrode on both surfaces of a solid oxide electrolyte, an air electrode gas containing oxygen introduced into the air electrode, and a fuel gas introduced into the fuel electrode can be circulated. In a flow rate adjusting member provided in a solid oxide fuel cell in which a plurality of plate-like separators having gas flow portions as flow paths are alternately stacked,
The flow rate adjusting member is disposed in an internal manifold formed by communicating a fuel cell single cell unit including the plurality of fuel cell single cells and a vent hole penetrating the separators, and the internal manifold and the A partition surface for partitioning between the gas flow portions, the partition surface having a plurality of openings provided at positions corresponding to the gas flow portions, and at least one of the plurality of openings. The opening area of each part is different from each other.
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