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JP2016162567A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents

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JP2016162567A
JP2016162567A JP2015039645A JP2015039645A JP2016162567A JP 2016162567 A JP2016162567 A JP 2016162567A JP 2015039645 A JP2015039645 A JP 2015039645A JP 2015039645 A JP2015039645 A JP 2015039645A JP 2016162567 A JP2016162567 A JP 2016162567A
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剛正 山田
Takemasa Yamada
剛正 山田
照一郎 日高
Shoichiro Hidaka
照一郎 日高
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flat plate type solid electrolyte fuel cell having a low level of deterioration as a battery in operating conditions such as changing loads and frequently repeated start and stop in the fuel cell for a moving body.SOLUTION: Disclosed is a cell stack which is an assembly of cell units formed by oppositely arranging fuel electrode surfaces of two flat plate type cells on both end surfaces of a fuel electrode frame 02 made of a non-conducting, non-metal material so as to face inward to each other, and also arranging an air electrode frame 03 made of the non-conducting, non-metal material at the outer part of each air electrode surface of the cells.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は固体電解質形燃料電池(以下「SOFC」とも記す)に係わり、特にコンパクトで、冷態時からの急速起動が可能で、速い熱自立、高い負荷変動追従能力、及び長期間の出力安定性を有し、更に高い生産性及び整備性を有する固体電解質形燃料電池の提供に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”), which is particularly compact, capable of rapid start-up from a cold state, fast thermal self-sustaining, high load fluctuation tracking capability, and long-term output stability. The present invention relates to the provision of a solid oxide fuel cell having high productivity and higher productivity and maintainability.

産業革命以来、各々の世紀毎に、固体燃料(石炭)による蒸気機関、液体燃料(石油)による内燃機関と化石燃料とこれを動力に変換する機構は変化し、21世紀に入った現在は気体燃料による燃料電池へと変化していく過程にある。   Since the Industrial Revolution, the steam engine with solid fuel (coal), the internal combustion engine with liquid fuel (petroleum) and fossil fuel, and the mechanism for converting them into power have changed every century. It is in the process of changing to a fuel cell using fuel.

燃料電池の中でも、SOFCは燃料選択性がなく、貴金属を使用せず、発電効率も高く、且つ高い排気温度故の高い排熱利用率、更に発電に伴う排気ガスは水とCO2のみである事より他の化石燃料を使う動力機構に比べ、近い将来必要と推定される二酸化炭素貯留への適応性も高い、等の多くのメリット故に世界的な開発競争が前世紀より繰り広げられている。   Among fuel cells, SOFC has no fuel selectivity, does not use precious metals, has high power generation efficiency, has a high exhaust heat utilization rate due to high exhaust temperature, and exhaust gas accompanying power generation is only water and CO2. Compared to other power systems that use fossil fuels, global development competition has been in progress since the last century because of its many advantages such as high adaptability to carbon dioxide storage, which is estimated to be necessary in the near future.

SOFCは、酸素をイオンとして取り込む空気極、気体を通さず酸素イオンのみを移動させる固体電解質、及び燃料を取り込みイオン化する燃料極よりなる3つの発電要素の連結体を最小の発電単位であるセルとし、該セルの集合体として定義される。電気は前記3の発電要素で構成される3層界面での燃料の酸化反応により生成され、発電に当たっては、固体電解質の酸素イオンの移動速度を大きく、更に各電極での反応速度も高く保つため、SOFCの作動温度は一般的に650°Cから900°C程度とされる。
この高温に対応する為にその全発電要素にはセラミック材が使用される。SOFCの実現の為の最大の課題は、セラミック材料の、臨界応力係数が金属に比しほぼ1/100と小さい事であり、これへの対応がSOFCの基本課題である。
The SOFC is a cell, which is the smallest power generation unit, consisting of a combination of three power generation elements consisting of an air electrode that takes oxygen as ions, a solid electrolyte that moves only oxygen ions without passing through a gas, and a fuel electrode that takes fuel and ionizes it. , Defined as a collection of the cells. Electricity is generated by the oxidation reaction of the fuel at the three-layer interface composed of the above three power generation elements. In generating power, the oxygen ion migration rate of the solid electrolyte is increased, and the reaction rate at each electrode is also kept high. The operating temperature of SOFC is generally about 650 ° C to 900 ° C.
In order to cope with this high temperature, ceramic materials are used for all the power generation elements. The biggest issue for realizing SOFC is that the critical stress coefficient of ceramic materials is as small as 1/100 compared to metal, and the response to this is the basic issue of SOFC.

特許文献1にもある如く全ての燃料電池は、イオン移動膜により仕切られた2つの燃料極空間と空気極空間で形成され、SOFCにおいては大別して自身の閉じた空間を有する円筒型及び何らかの空間を閉じる要素を必用とする平板型に分類されるが、共に各セルの電気的な連結と気体のシールの為にインターコネクタが必要とされる。近年、SOFCの作動温度が800°C以下の場合は金属製のインターコネクタを用いる例も増加している。   As described in Patent Document 1, all fuel cells are formed by two fuel electrode spaces and an air electrode space partitioned by an ion transfer membrane. In SOFC, the fuel cell is roughly divided into a cylindrical type and a certain space having its own closed space. However, an interconnector is required for electrical connection of each cell and gas sealing. In recent years, when the operating temperature of SOFC is 800 ° C. or lower, an example using a metal interconnector is increasing.

全ての熱機関と同じくSOFCにおいても発電に消費される燃料の全エネルギーが動力即ち電力に変換されることは無く、未利用分の熱ネルギーは高温な排気ガスとして外部に放出される。
しかし、その熱の一部はセル及びセルを取り巻く各要素を経由して外部に伝達され、その熱流により生ずる温度差とこれに伴う熱膨張、更に漏れ防止の為の封止による部分的なセルの接着拘束等も含めて、セル内に熱応力が生じ、これが機械工学での応力腐蝕と同様の現象でセルを劣化させる要因になっていると推定される。
Like all heat engines, SOFC does not convert all the energy of fuel consumed for power generation into power, that is, electric power, and unused heat energy is released to the outside as high-temperature exhaust gas.
However, a part of the heat is transmitted to the outside via the cell and each element surrounding the cell, and the temperature difference caused by the heat flow and the resulting thermal expansion, as well as the partial cell by sealing to prevent leakage It is presumed that thermal stress is generated in the cell, including the adhesion restraint, and this is a factor that causes the cell to deteriorate due to the same phenomenon as stress corrosion in mechanical engineering.

定常運転における負荷は一定としても、場所による発電反応分布の不均一さ、更にはセル周辺部の構成部品の、材質、形状、熱容量、熱伝達率、等の不均一さによりセル内に不均一な温度分布が生じ、結果として熱応力が生ずる。
劣化現象としては、シンタリング(電極微細構造変化)、レドックス(燃料極酸化還元に伴う体積変化)、クロム被毒(クロム蒸気による抵抗増加)、あるいは硫黄被毒等があげられ、劣化の要因としては温度のみでなく、燃料利用率、セルの過電圧、あるいは酸素分圧等も総合的に判断する上での重要な因子ではあるが、温度環境が室温から600°C〜900°Cと変化する中では、不均一な温度分布とこれに伴う熱応力は劣化の大きな要因の一つと推定される。
定常運転では、これ等の場所的な不均一性に伴う熱応力も時間的には変化せず一定であるといえ、市場において、一定条件での運転では、無論膨大な研究開発の結果として、数万時間を越える耐久例が多数見られることより、内部的な温度分布は均一でなく熱応力が働くとしても、その不均一さがある値以下であれば耐久性は得られると言い得る。
一方、負荷変動と起動停止の繰り返しの運転条件では残念ながら移動体にも利用できる例は現状では見当たらない。これは、セルに供給される燃料及び空気量も時間的に大きく変化し、これに伴う発熱量の時間的変化により生ずる内部熱応力は一定条件運転に比べ、大きなものとなる。更に、スタート温度が室温からの起動においても、暖気過程における温度差が大きく、これも大きな熱応力が発生する要因である。
Even if the load during steady operation is constant, the distribution of power generation reaction is not uniform depending on the location, and because of the non-uniformity of material, shape, heat capacity, heat transfer rate, etc. of the components around the cell, it is not uniform within the cell. Temperature distribution occurs, resulting in thermal stress.
Degradation phenomena include sintering (electrode microstructure change), redox (volume change associated with fuel electrode redox), chromium poisoning (increased resistance due to chromium vapor), or sulfur poisoning. Is an important factor for comprehensively judging not only temperature but also fuel utilization, cell overvoltage, or oxygen partial pressure, but the temperature environment changes from room temperature to 600 ° C to 900 ° C. Among them, non-uniform temperature distribution and the accompanying thermal stress are presumed to be one of the major causes of deterioration.
In steady operation, it can be said that the thermal stress associated with these non-uniformities in the location is constant and does not change with time. Since many examples of durability exceeding tens of thousands of hours are seen, even if the internal temperature distribution is not uniform and thermal stress works, it can be said that if the non-uniformity is less than a certain value, durability can be obtained.
On the other hand, unfortunately, there are no examples that can be used for moving objects under repeated operating conditions of load fluctuation and start / stop. This is because the amount of fuel and air supplied to the cell also changes greatly with time, and the internal thermal stress caused by the change with time in the amount of heat generated is larger than that under constant-condition operation. Furthermore, even when the start temperature starts from room temperature, the temperature difference in the warm-up process is large, which is also a factor that generates a large thermal stress.

特許文献1による燃料電池の平板型及び円筒型の分類比較において、平板型SOFCは平らなセルで構成されその両面の燃料極面上及び空気極面上に閉じた空間を形成する必要があるが、セル単体としては生産性も高くコスト的には有利である。
また、一般の平板型SOFCにおいては複数のセルを直列に連結する為に、各セルのいずれか一つの極が全て同一方向に向くよう配置し、更に隣接する各セルに供給される空気及び燃料を相互に完全分離すると共に、電気的に連結するための導電性を有するインターコネクタを配置するが、相隣り合うインターコネクタは電気的に絶縁される必要がある。
一方円筒型は自身で閉じた空間を有し且つ、熱的な周辺条件は平板に比べるとほぼ一定と言え、セラミックの臨界係数の低さへの対応には平板型に比べ有利である。しかし安価な金属インターコネクタが使いにくい、連結した複数セルの両端の支持が難しい、などの理由で、発電面積に比べ全燃料電池の占める容積が大きくなり、変動負荷への対応の機会が少ない定置、大型高温のSOFCに使われている例が多いと推定される。
In the classification comparison of the flat type and the cylindrical type of the fuel cell according to Patent Document 1, the flat plate type SOFC is composed of flat cells, and it is necessary to form a closed space on the fuel electrode surface and the air electrode surface on both sides. As a single cell, productivity is high and it is advantageous in terms of cost.
Further, in a general flat plate type SOFC, in order to connect a plurality of cells in series, all the poles of each cell are arranged in the same direction, and air and fuel supplied to adjacent cells are further arranged. Although interconnectors having electrical conductivity for electrically connecting the two are separated from each other, the interconnectors adjacent to each other need to be electrically insulated.
On the other hand, the cylindrical type has a space closed by itself, and the thermal ambient condition is almost constant as compared with the flat plate, and it is more advantageous than the flat plate type to cope with the low critical coefficient of the ceramic. However, because it is difficult to use inexpensive metal interconnectors and it is difficult to support both ends of multiple connected cells, the volume occupied by all fuel cells is larger than the power generation area, and there are few opportunities for handling variable loads. It is estimated that there are many examples used in large-scale high-temperature SOFCs.

図22に平板型金属インターコネクタ付きSOFC005の例を示す。セル51が装着されるインターコネクタ50の各々の面には燃料連通路50−1及び空気連通路50−2が配置されそれぞれ中心に対し対称の位置にある通路とで出及び入りの対をなして内部マニホールドを形成している。
相隣り合う2つのセルの燃料極と空気極とは一つのインターコネクタで電気的に連結されているが、隣り合うインターコネクタ同士は電気的に絶縁する必要があり、この為にその接合面にはガラス系の封止材で接着されている。
FIG. 22 shows an example of SOFC005 with a flat metal interconnector. A fuel communication path 50-1 and an air communication path 50-2 are arranged on each surface of the interconnector 50 to which the cell 51 is mounted, and form a pair of exit and entry with a path that is symmetrical with respect to the center. Forming an internal manifold.
The fuel electrode and air electrode of two adjacent cells are electrically connected by one interconnector, but the adjacent interconnectors need to be electrically insulated. Is bonded with a glass-based sealing material.

本発明はコスト的にも有利と推定される平板型SOFCを基本とし、狙いとする温度領域は低温から高温までの全領域であるが、欧州も含めて開発例が多いと推定される低温から中温型の005に示した内部マニホールドを備えた金属インターコネクタ付き平板型SOFCを比較の対象とする。
以下これを「内部マニホールド付きSOFC」と称し、本発明のSOFCは、「2セル対向配置型SOFC」と称することもある。
The present invention is based on a flat-plate SOFC, which is estimated to be advantageous in terms of cost, and the target temperature range is the entire range from low temperature to high temperature, but from the low temperature where there are many development examples including Europe. A flat-plate SOFC with a metal interconnector having an internal manifold shown in 005 of the medium temperature type is used for comparison.
Hereinafter, this is referred to as “SOFC with internal manifold”, and the SOFC of the present invention may be referred to as “two-cell opposed arrangement type SOFC”.

特開2012−14858号公報JP 2012-14858 A

{大きい熱慣性}
SOFCにおいて、定常負荷条件での発電は数万時間以上の耐久性を示す例は多数あるが、移動体に要求される変動する負荷条件において満足の行く走行結果が得られたとは、現状では言い難いと推定され、その理由の一つとして、セルの内部的な熱慣性が大きい事が原因と考えられる。
図22に示す如く、内部マニホールド付きSOFCは各セル間に金属インターコネクタが配置さている。この図において、セルの熱容量を1とすると周辺のインターコネクタは推定その約20倍あり、たとえセルとインターコネクタの熱膨張率を合わせたとしても速い温度変化過程では両者の熱慣性の差による温度差が生じ、これにより発生する熱応力がセルの劣化にいたる大きな一要因であると考えられる。変動負荷への対応能力を上げる為にはインターコネクタの有する熱慣性の大幅低減が必要とされる。
{High thermal inertia}
In SOFC, there are many examples of power generation under steady load conditions that show durability of tens of thousands of hours or more, but it is currently said that satisfactory running results have been obtained under varying load conditions required for moving bodies. One of the reasons is presumed that the internal thermal inertia of the cell is large.
As shown in FIG. 22, the SOFC with an internal manifold has a metal interconnector disposed between the cells. In this figure, assuming that the heat capacity of the cell is 1, the number of peripheral interconnectors is about 20 times that estimated, and even if the thermal expansion coefficients of the cells and interconnectors are combined, the temperature due to the difference in thermal inertia between the two in the fast temperature change process It is considered that the thermal stress generated due to the difference is a major factor leading to the deterioration of the cell. In order to increase the ability to cope with variable loads, it is necessary to significantly reduce the thermal inertia of the interconnector.

{通路配置による不均一な熱分布}
図22に示す如く内部マニホールド付きSOFCのインターコネクタには、その各4辺それぞれに燃料及び空気の供給及び排出路が設けられている。発電反応に伴う熱は燃料極で発生し、この熱により最も高温となるのは燃料排気通路である。この熱分布のアンバランスによるインターコネクタの熱変形により、セルにも変形が生じ、これにより発生するセル内応力も、劣化の要因となる事が考えられる。セル周辺のサポート部の温度分布の均一化が必要である。
{Uneven heat distribution due to passage arrangement}
As shown in FIG. 22, the SOFC interconnector with an internal manifold is provided with supply and discharge paths for fuel and air on each of the four sides. The heat accompanying the power generation reaction is generated at the fuel electrode, and the fuel exhaust passage has the highest temperature due to this heat. Due to the thermal deformation of the interconnector due to the imbalance of the heat distribution, the cell is also deformed, and the stress in the cell generated thereby can be a factor of deterioration. It is necessary to make the temperature distribution of the support portion around the cell uniform.

{シール材によるインターコネクタ同士の固定}
図22に示す如く内部マニにホールド付きSOFCにおいて、相隣り合うインターコネクタは電気的な絶縁と共に、インターコネクタの4通路周辺の気体の漏れ防止の為に、接着機能を有するシール材が用いられる例が多い。しかし、0013で示す如く、各通路の熱的アンバランスによる変形のために、特に温度の高い燃料の発電に伴う排気流出口近辺でのリークが懸念される。
{Fixing of interconnectors with sealing material}
As shown in FIG. 22, in an SOFC with a hold on the internal manifold, adjacent interconnectors are electrically insulated and a sealing material having an adhesive function is used to prevent gas leakage around the four passages of the interconnector. There are many. However, as indicated by 0013, there is a concern about leakage near the exhaust outlet particularly due to power generation of fuel having a high temperature due to deformation due to thermal imbalance of each passage.

{シール材によるセルとインターコネクタの封止締結}
図23に示す内部マニホールド付きSOFCにおいて、セルの表裏それぞれの燃料及び空気の空間と隣接する空気及び燃料の空間の間で漏れのない完全シールを行う為に相接しているセルとインターコネクタの接合部を接合剤により封止締結が行なわれている。
これを図23のセル接着部燃料51−1及びセル接着部空気51−2に示す。
セルとインターコネクタの熱容量は大きく異なりたとえ熱膨張率は整合できたとしても過渡状態においては温度差が生じ大きな熱応力がセル側に発生する。このシールの為の封止締結は温度変化の大きい過渡状態における劣化の要因と考えられる。
セルの内部熱応力を低減するためにはセル周辺のサポート部が固定されず、ある程度のスライド機能を有する事による熱膨張による変形を吸収できる接合面のシール方式の創出が必要である。
{Sealing and fastening of cells and interconnectors using sealing materials}
In the SOFC with an internal manifold shown in FIG. 23, the cells and interconnectors that are in contact with each other in order to provide a perfect seal without leakage between the fuel and air spaces on the front and back of the cell and the adjacent air and fuel spaces. The joint portion is sealed and fastened with a bonding agent.
This is shown in the cell adhesion part fuel 51-1 and the cell adhesion part air 51-2 in FIG.
The heat capacities of the cell and the interconnector are greatly different, and even if the thermal expansion coefficients can be matched, a temperature difference occurs in a transient state, and a large thermal stress is generated on the cell side. The seal fastening for this seal is considered to be a cause of deterioration in a transient state with a large temperature change.
In order to reduce the internal thermal stress of the cell, it is necessary to create a sealing method for the joint surface that can absorb deformation due to thermal expansion due to the fact that the support portion around the cell is not fixed and has a certain sliding function.

{クロム被毒}
クロム被毒はセル劣化の要因である。運転中のクロム蒸気の発散元である内部マニホールド付きSOFCの金属製インターコネクタの存在はクロム被毒を引き起こす。金属製インターコネクは使用しないことが必要である。
{Chromium poisoning}
Chromium poisoning is a cause of cell deterioration. The presence of an SOFC metal interconnector with an internal manifold that is the source of chromium vapor during operation causes chromium poisoning. It is necessary not to use a metal interconnect.

{生産性、整備性}
図23に示す内部マニホールド付きSOFCは個々のインターコネクタ及びセルが接着されており、生産ライン、或いは市場において、直列に連結された複数のセルの一つに問題がある場合も、電気的連結部が高温領域にあり、その特定が難しい。
更に特定できた場合でもインターコネクタ及びセルは個々に接着により結合されている為に単品交換が難しく、高額な費用を要する全セル・スタックの交換となる可能性が高い。
{Productivity, maintainability}
In the SOFC with internal manifold shown in FIG. 23, individual interconnectors and cells are bonded, and even if there is a problem with one of a plurality of cells connected in series on the production line or market, the electrical connection part Is in the high temperature region and is difficult to identify.
Even if it can be specified, since the interconnector and the cell are individually bonded together, it is difficult to replace them individually, and it is highly likely that the entire cell stack will be replaced at high cost.

本発明者等は鋭意研究の結果、前記課題を全て解決することに成功した。すなわち本願発明は、下記構成の固体電解質形燃料電池である。
(1)平板型固体電解質型燃料電池セル(以下「セル」という)の一対を、各々の燃料極面を内側に向け、かつ一定空間を隔てて対向配置し、前記一定空間を燃料層空間とし、また前記セルの各々の空気極面外方部に空間を設けてなる平板型固体電解質型燃料電池セル・ユニット(以下「セル・ユニット」という)を備えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
(2)前記(1)記載のセル・ユニットの複数個を、同セル・ユニットの空気極面同士を一定空間を隔てて対向配置して連設し、前記燃料極面同士の一定空間を燃料層空間とし、前記空気極面同士間の一定空間を空気層空間としてなる固体電解質型燃料電池セル・スタック(以下「セル・スタック」という)を備えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
(3)前記燃料極周縁部に配置される枠型形状の燃料極フレームと、前記空気極周縁部に配置される枠型形状の空気極フレームを備えてなり、各々のフレームが燃料層空間及び空気層空間を形成するシール体を構成することを特徴とする前記(2)に記載の固体電解質型燃料電池。
(4)燃料極フレームが、該フレームの外部にある燃料供給部と連通する燃料導入孔と該フレームの外部にある排気通路に連通する排気流出孔とを有してなり、また、空気極フレームが、該フレームの外部にある空気供給用の空気通路に連通する空気導入孔と、前記排気通路に連通する空気流出孔とを有してなることを特徴とする前記(2)又は(3)のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
(5)燃料導入孔が燃料供給用のマニホールドに連接されてなることを特徴とする前記(4)記載の固体電解質型燃料電池。
(6)燃料導入孔がセル・スタックを構成する燃料極フレーム及び空気極フレームに設けた燃料共穴に連通されてなることを特徴とする前記(4)記載の固体電解質型燃料電池。
(7)セル・ユニットの燃料極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を、また空気極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を各々接触配置してなることを特徴とする前記(3)〜(6)のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
(8)セル・ユニットの燃料極周縁部に、枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を、また空気極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を各々ガスシールに必要とされる押圧力を与える弾性体を介して摺動可能に圧接配置されてなることを特徴とする前記(3)〜(6)のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
(9)燃料層空間又は/及び空気層空間の中央部にバッフルプレートを挿設してなることを特徴とする前記(1)〜(8)のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
(10)セル・スタックの空気通路及び排気通路に面していない外周面及びセル・スタックの外周部に設けた空気通路及び排気通路の外周面の全体を断熱材で包被してなることを特徴とする前記(4)〜(9)のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
As a result of earnest research, the present inventors have succeeded in solving all the above problems. That is, the present invention is a solid electrolyte fuel cell having the following configuration.
(1) A pair of flat-type solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “cells”) are arranged opposite each other with a certain space facing each fuel electrode surface inward, and the certain space is defined as a fuel layer space. And a solid electrolyte type fuel cell unit (hereinafter referred to as a “cell unit”) having a space provided outside the air electrode surface of each of the cells. Fuel cell.
(2) A plurality of the cell units according to (1) are arranged in series with the air electrode surfaces of the cell units facing each other with a fixed space therebetween, and the fixed space between the fuel electrode surfaces is fueled. A solid oxide fuel cell comprising a solid electrolyte fuel cell stack (hereinafter referred to as a “cell stack”) having a layer space and a constant space between the air electrode surfaces as an air layer space .
(3) A frame-shaped fuel electrode frame disposed on the peripheral edge of the fuel electrode and a frame-shaped air electrode frame disposed on the peripheral edge of the air electrode, each frame comprising a fuel layer space and The solid oxide fuel cell as described in (2) above, which constitutes a sealing body that forms an air space.
(4) The fuel electrode frame has a fuel introduction hole communicating with a fuel supply portion outside the frame and an exhaust outflow hole communicating with an exhaust passage outside the frame. (2) or (3), characterized by having an air introduction hole communicating with an air passage for supplying air outside the frame and an air outflow hole communicating with the exhaust passage. The solid oxide fuel cell according to any one of the above.
(5) The solid oxide fuel cell as described in (4) above, wherein the fuel introduction hole is connected to a fuel supply manifold.
(6) The solid oxide fuel cell as described in (4) above, wherein the fuel introduction hole communicates with a fuel common hole provided in the fuel electrode frame and the air electrode frame constituting the cell stack.
(7) A frame-shaped conductive fuel electrode current collector is disposed at the periphery of the fuel electrode of the cell unit, and a frame-shaped conductive fuel electrode current collector is disposed in contact with the peripheral edge of the air electrode. The solid oxide fuel cell as described in any one of (3) to (6) above,
(8) A frame-shaped conductive fuel electrode current collector is provided at the fuel electrode peripheral portion of the cell unit, and a frame-shaped conductive fuel electrode current collector is provided at the air electrode peripheral portion. The solid oxide fuel cell according to any one of (3) to (6), wherein the fuel cell is slidably pressed through an elastic body that provides a pressing force required for the seal. .
(9) The solid oxide fuel cell as described in any one of (1) to (8) above, wherein a baffle plate is inserted in the center of the fuel layer space and / or the air layer space. .
(10) The outer peripheral surface not facing the air passage and the exhaust passage of the cell stack and the entire outer peripheral surface of the air passage and the exhaust passage provided in the outer peripheral portion of the cell stack are covered with a heat insulating material. The solid oxide fuel cell according to any one of (4) to (9), which is characterized in that

また、別の態様として表現すれば下記のとおりである。
(1)平板型固体電解質形燃料電池(以下「セル」という)の一対を、各々の燃料極面を内側に向け、かつ一定空間を隔てて対向配置し、前記一定空間を燃料層空間とし、また前記セルの各々の空気極面外方部にその最外端面が開かれた一定空間を設けてなる平板型固体電解質形燃料電池セル・ユニット(以下「セル・ユニット」という)を備えてなることを特徴とする固体電解質形燃料電池
(2)(1)に記載の2つのセル・ユニットを、該セル・ユニットの各々の空気極外方部に設けた一定空間の開かれた最外端面を接合してなる閉じた空気極面同士間の一定空間を空気層空間とし、複数のセル・ユニットを、前記最外端面を連接してなる、セルを介して交互に燃料層空間及び空気層空間が連成されてなる固体電解質形燃料電池セル・スタック(以下「セル・スタック」という)を備えてなることを特徴とする固体電解質形燃料電池
(3)前記燃料極周縁部に配置される枠型形状の燃料極フレーム及び前記空気極周縁部に配置される枠型形状の空気極フレームを備えてなり、燃料極フレームは燃料層空間を形成するシール体を構成し、空気極フレームは2つのセル・ユニットの接合により構成される空気層空間を形成するシール体を構成することを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の固体電解質形燃料電池。
(4)燃料極フレームが、該フレームの外部にある燃料供給部と連通する燃料導入孔と該フレームの外周部にある排気通路に連通する排気流出孔を有してなり、また、空気極フレームが、該フレームの外周部にある空気供給用の空気通路に連通する空気導入孔と、前記排気通路に連通する空気流出孔とを有してなる事を特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池。
(5)燃料導入孔がセル・スタックの外部にある燃料供給用の燃料マニホールドに連接されてなる事を特徴とする(4)に記載の固体電解質形燃料電池
(6)燃料導入孔がセル・スタックを構成する全燃料極フレーム及び空気極フレームを貫通するセル・スタックに内蔵された燃料供給用の共通孔に連通されてなる事を特徴とする(4)に記載の固体電解質形燃料電池
(7)(1)におけるセルの燃料極面周縁部に枠状の導電性を有する燃料極集電体を、更に空気極面周縁部に枠状の導電性を有する空気極集電体を配し、更にセルの燃料極面とこれに接する燃料極集電体面間は集電及びガスシールに必要とされる押圧力を与える弾性体スペーサースプリングを介して接合されることを特徴とする固体電解質形燃料電池
(8)(4)のセル・スタックの空気通路及び排気通路に面していない外周面及びセル・スタックの外周部に設けた空気通路及び排気通路の外周面を連続した断熱材で包被してなることを特徴とする固体電解質形燃料電池
(9)(4)の排気通路内の適切な位置に一個または複数個の酸化触媒を配することを特徴とする固体電解質形燃料電池。
(10)バッフルプレート燃料あるいはバッフルプレート空気をそれぞれ(2)の燃料層空間内あるいは空気層空間内の中央部に配置する事を特徴とする固体電解質形燃料電池。
(11)(4)のセル・スタックにおいて、高温気体が通過する排気通路内に空気あるいは燃料通路を配することにより、あるいは高温気体が通過する排気通路を空気あるいは燃料通路内に配する事により各気体間での熱交換を行うことを特徴とする固体電解質形燃料電池。
(12)本発明の平板2セル対向配置型固体電解質形燃料電池のレイアウトをオールセラミックとする固体電解質形燃料電池にも適用することを含むものとする固体電解質形燃料電池。
Moreover, it is as follows if it expresses as another aspect.
(1) A pair of flat-plate solid electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as “cells”) are disposed opposite each other with a fuel electrode surface facing inward and with a fixed space therebetween, and the fixed space is defined as a fuel layer space; Each cell has a flat plate type solid oxide fuel cell unit (hereinafter referred to as a “cell unit”) in which a constant space whose outermost end surface is opened is provided on the outer surface of each air electrode surface. A solid electrolyte fuel cell (2), characterized in that the two cell units according to (1) are provided on the outermost air electrode of each of the cell units. A fixed space between the closed air electrode surfaces formed by joining together is defined as an air layer space, and a plurality of cell units are connected to the outermost end surface, and the fuel layer space and the air layer are alternately arranged via the cells. Solid oxide fuel cell / cell with space (3) a frame-shaped fuel electrode frame disposed on the periphery of the fuel electrode and the periphery of the air electrode The air electrode frame includes a frame-shaped air electrode frame, the fuel electrode frame forms a seal body that forms a fuel layer space, and the air electrode frame is formed by joining two cell units. The solid electrolyte fuel cell as described in (1) or (2) above, wherein a seal body is formed.
(4) The fuel electrode frame has a fuel introduction hole communicating with a fuel supply portion outside the frame and an exhaust outflow hole communicating with an exhaust passage in an outer peripheral portion of the frame. (1) to (3), characterized in that it has an air introduction hole communicating with the air supply air passage in the outer peripheral portion of the frame and an air outflow hole communicating with the exhaust passage. The solid oxide fuel cell according to any one of the above.
(5) The solid electrolyte fuel cell as described in (4), wherein the fuel introduction hole is connected to a fuel manifold for fuel supply outside the cell stack. The solid oxide fuel cell according to (4), characterized in that it is communicated with a common hole for fuel supply built in a cell stack penetrating all fuel electrode frames and air electrode frames constituting the stack ( 7) A fuel electrode current collector having a frame-like conductivity is arranged on the periphery of the fuel electrode surface of the cell in (1), and an air electrode current collector having a frame-like conductivity is further arranged on the periphery of the air electrode surface. Further, the solid electrode type is characterized in that the fuel electrode surface of the cell and the fuel electrode current collector surface in contact with the cell are joined via an elastic spacer spring that gives a pressing force required for current collection and gas sealing. Fuel cell (8) (4) A solid body characterized by covering an outer peripheral surface not facing the air passage and the exhaust passage of the rack and an outer peripheral surface of the air passage and the exhaust passage provided on the outer peripheral portion of the cell stack with a continuous heat insulating material. A solid oxide fuel cell, wherein one or a plurality of oxidation catalysts are arranged at appropriate positions in the exhaust passage of the electrolyte fuel cells (9) and (4).
(10) A solid oxide fuel cell characterized in that baffle plate fuel or baffle plate air is disposed in the fuel layer space of (2) or in the center of the air layer space, respectively.
(11) In the cell stack of (4), by arranging an air or fuel passage in the exhaust passage through which the high temperature gas passes, or by arranging an exhaust passage through which the high temperature gas passes in the air or fuel passage. A solid oxide fuel cell characterized in that heat exchange is performed between each gas.
(12) A solid oxide fuel cell including applying the layout of the flat cell two-cell opposed solid electrolyte fuel cell of the present invention to a solid electrolyte fuel cell using all ceramics.

更に別の態様としては下記のごとくである。
本発明者は上記に鑑み鋭意研究の結果、設計的手段により課題を解決すると共に、更に将来的な移動体への応用を目指した新機構を生み出している。
前記〔0011〕に対応内部マニホールド付きSOFCの熱容量の大きいインターコネクタを廃止し、インターコネクタが存在した部分に新たにセルを配し、2つのセルの燃料極が相互に向かい合い、且つ適切な間隔を持つよう配置し、該2つの対向配置されたセル間の空間の周辺を、非導電性、非金属製の(例セラミック)材料で作られた枠型形状の燃料極フレームで閉じる事で出来る空間を燃料層空間とし、更に両サイドのセルの空気極面それぞれに接する非導電性、非金属製の枠型形状の空気極フレームを配し、これ等の要素の組み合わせをセル・ユニットとし、2つの該セル・ユニットを空気極フレームの端面を接合して出来る閉じた空間を空気層空間とする。
複数のセル・ユニットの空気極フレーム面を接合して形成される集合体をセル・スタックとし、これ等のセル・スタック内それぞれの燃料極空間及び連結により形成される空気極空間それぞれに燃料及び空気を供給する事で、従来の金属製の熱容量の大きいインターコネクタを必要とせずに発電を行う事を特徴とする固体電解質形燃料電池。
As another aspect, it is as follows.
As a result of diligent research in view of the above, the present inventor has solved a problem by means of design, and has created a new mechanism aimed at application to a mobile object in the future.
Corresponding to [0011] The interconnector with large heat capacity of SOFC with internal manifold is abolished, a new cell is arranged in the part where the interconnector exists, the fuel electrodes of the two cells face each other, and an appropriate interval is provided A space that can be formed by closing the periphery of the space between the two opposed cells with a frame-shaped fuel electrode frame made of a non-conductive, non-metallic (eg ceramic) material. Is a fuel layer space, and a non-conductive, non-metallic frame-shaped air electrode frame in contact with the air electrode surfaces of the cells on both sides is arranged, and a combination of these elements is used as a cell unit. A closed space formed by joining the two cell units at the end faces of the air electrode frame is defined as an air layer space.
An assembly formed by joining the air electrode frame surfaces of a plurality of cell units is referred to as a cell stack, and each fuel electrode space in each of these cell stacks and each of the air electrode spaces formed by connection are supplied with fuel and A solid oxide fuel cell characterized in that by supplying air, power is generated without the need for a conventional metal interconnector with a large heat capacity.

前記0012に対応複数のセル・ユニットの集合体に燃料供給系、更には空気の供給系及び排気系を加えたセル・スタックにおいて、それぞれのセル・ユニットに属する燃料極空間及び空気極空間からの排出ガスは、セル・ユニットとは分離されその周辺に配置された排気通路に排出され、大気への排出過程において、従来の内部マニホールド付き金属製インターコネクタを有するSOFCと異なり、排出されたガスが直接的にセルに熱的影響を及ぼすことが無い事を特徴とする固体電解質形燃料電池。   Corresponding to 0012, in a cell stack in which a fuel supply system, further an air supply system and an exhaust system are added to an assembly of a plurality of cell units, from the fuel electrode space and air electrode space belonging to each cell unit. The exhaust gas is separated from the cell unit and exhausted to an exhaust passage arranged around the cell unit. Unlike the conventional SOFC having a metal interconnector with an internal manifold, the exhaust gas is exhausted to the atmosphere. A solid oxide fuel cell characterized by having no direct thermal effect on the cell.

前記0013に対応複数のセル・ユニットの集合体であるセル・スタックにおいて、各セル・ユニットの燃料極フレーム内の燃料供給路に燃料マニホールドより直接燃料を供給する。この場合はセル・ユニットの各要素の接合面には燃料通路開口部は存在しない為燃料リークは生じない。
更に、各セル・ユニットを連通する燃料共通孔を使う場合は、各フレームの接合面にガスケットホールを設けここにガスケット収納する事で完全なシールが可能となる。
従来の内部マニホールド付きSOFCに必要とされる燃料及び空気の4箇所の入出通路を有するインターコネクタ間の接合面での接着剤によるシール機構は必要としない事を特徴とする固体電解質形燃料電池。
In the cell stack, which is an assembly of a plurality of cell units corresponding to 0013, fuel is directly supplied from the fuel manifold to the fuel supply path in the fuel electrode frame of each cell unit. In this case, no fuel leakage occurs because there is no fuel passage opening at the joint surface of each element of the cell unit.
Further, in the case of using a fuel common hole communicating with each cell unit, a complete seal can be achieved by providing a gasket hole in the joint surface of each frame and storing the gasket therein.
A solid oxide fuel cell characterized in that it does not require a sealing mechanism with an adhesive at a joint surface between interconnectors having four inlet and outlet passages for fuel and air required for a conventional SOFC with an internal manifold.

前記0013、0014に対応請求項1のセル・ユニットにおけるセル周りの漏れの可能性のある面は、燃料極空間における燃料極フレームと燃料極集電体及び該集電体とセルの燃料極との接合面である。これ等の接合面は請求項7に示す如くスペーサスプリングにより、集電及びシールに必要とされ且つセルの熱膨張による横方向の動きは阻害しない適切な圧接力で接合されており、完全固着ではないことより温度差による熱応力の発生は極小に抑え、且つ集電とガスシールを実現している固体電解質形燃料電池。
更に燃料極空間と空気極空間は近接した位置にあり且つ同一の排気通路に開口しており両空間の圧力差を極小とする事により燃料のリークを更に確実に抑えている。
なお、燃料極集電体と燃料極フレームはリークパス低減の為に接着することも含むものとする。
The surface of the cell unit according to claim 1, which may correspond to the above-described 0013 and 0014, may have a leakage area around the cell. The anode frame and the anode current collector in the anode space, and It is a joint surface. These joint surfaces are joined by a spacer spring as shown in claim 7 with an appropriate pressure contact force that is required for collecting and sealing and does not hinder lateral movement due to thermal expansion of the cell. A solid oxide fuel cell that minimizes the generation of thermal stress due to temperature differences and realizes current collection and gas sealing.
Further, the fuel electrode space and the air electrode space are located close to each other and open to the same exhaust passage, and the leakage of fuel is further reliably suppressed by minimizing the pressure difference between the two spaces.
Note that the anode current collector and the anode frame include bonding to reduce a leak path.

前記0015に対応0019項で述べた如くクロムを含有する金属インターコネクタを使用しない事より、クロム被毒の可能性を低減したことを特徴とする固体電解質形燃料電池。   Corresponding to the above-mentioned 0015, a solid oxide fuel cell characterized in that the possibility of chromium poisoning is reduced by not using a metal interconnector containing chromium as described in the paragraph 0019.

前記0016に対応セル・ユニットは、周辺を高温雰囲気とし、セル・ユニット内の燃料極空間に燃料を供給することで容易に単独での発電機能の確認が可能である。
よって、セル・スタックを構成するセル・ユニットの事前の機能確認によりこれ等の集合体としての製品においても高いレベルでの品質確保が可能となる。
更に市場においても問題が発生した場合も、セル・ユニット毎の容易な性能確認と必要に応じセル・ユニット単独での交換が容易に行なえ、廉価、迅速、確実な整備が可能となることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
The cell unit corresponding to 0016 can easily confirm the power generation function alone by supplying a fuel to the fuel electrode space in the cell unit with a high temperature atmosphere in the periphery.
Therefore, it is possible to ensure a high level of quality even in a product as an aggregate of these by confirming the function of the cell units constituting the cell stack in advance.
In addition, even if problems occur in the market, it is easy to check the performance of each cell unit and easily replace the cell unit as needed, making it possible to reduce the cost, speedy and reliable maintenance. Solid oxide fuel cell.

{金属製マニホールド付きインターコネクタの廃止}
本発明における請求項1、2、3における2セル対向配置型SOFCの基本要素であるセル・ユニットは、発電の為の2つのセル及び燃料層空間及び空気層空間を形成するセラミック材のフレームで構成され、これにより、従来方式に比べ大幅な軽量化と共に内部的な高い均一性が得られる。
一方、従来の金属製の内部マニホールド付きインターコネクタとセラミック製セルとの組み合わせは内部的な均一性は非常に低いとと言いうる。
ここで負荷変動に伴う発生熱量の急激な増加が起きた場合、熱容量の小さいセル温度は短時間で上昇するが、これと接続する金属製のマニホールドの温度上昇は遅く両者間に大きな温度差が生じこれにより局部的に高い熱応力が発生する。
本発明の2セル対向配置型SOFCは内部的均一性が高く、従来の不均一な温度分布に起因する熱応力による劣化が大きく軽減できると期待される。将来的な移動体への適用にはこの軽量化と内部的な均一性は必要条件である。
{Abolition of interconnector with metal manifold}
The cell unit as a basic element of the two-cell opposed SOFC according to the first, second, and third aspects of the present invention is a ceramic material frame that forms two cells for power generation, a fuel layer space, and an air layer space. Thus, it is possible to obtain a high internal uniformity with a significant weight reduction as compared with the conventional method.
On the other hand, it can be said that the internal uniformity of the combination of the conventional metal interconnector with internal manifold and the ceramic cell is very low.
Here, when a sudden increase in the amount of heat generated due to load fluctuation occurs, the cell temperature with a small heat capacity rises in a short time, but the temperature rise of the metal manifold connected to it is slow and there is a large temperature difference between the two. This creates a high thermal stress locally.
The two-cell facing SOFC of the present invention has high internal uniformity, and it is expected that deterioration due to thermal stress caused by the conventional non-uniform temperature distribution can be greatly reduced. This weight reduction and internal uniformity are a prerequisite for future mobile applications.

{クロム被毒による劣化の低減}
請求項1のセル・ユニットにおいて、クロムの発生源であった金属製マニホールド付きインターコネクタの不使用により、クロム被毒に起因する劣化の低減が期待できる。
{Reduction of deterioration due to chromium poisoning}
In the cell unit according to claim 1, it is expected that the deterioration due to chromium poisoning is reduced by the non-use of the interconnector with a metal manifold, which is a source of chromium.

{セル周辺のシール箇所の低減と関連応力の低減}
請求項1及び2のセル・ユニットにおける、燃料層空間及び空気層空間の構成において、ガスシールはセルー枚当たり最少閉じた燃料層空間周辺一箇所のみで必要とされ、空気層空間周辺はすべて接合面を介して大商気空間と接する為接合面での接触シール以上の特別なシールは不要である。
一方従来の内部マニホールド付きSOFCにおけるインターコネクタ方式では多くの接合面では電気的絶縁性も含めて接着剤による結合シールが必要とされる。この結合にはセルも含まれ、固着に伴う熱応力の発生の一因ともなっている。
{Reduction of sealing points around cells and reduction of related stress}
In the cell unit according to claim 1 and 2, in the configuration of the fuel layer space and the air layer space, the gas seal is required at only one place around the fuel layer space which is the minimum closed per cell, and all the air layer space periphery is joined. A special seal beyond the contact seal at the joint surface is unnecessary because it contacts the large commercial space through the surface.
On the other hand, in the interconnector system in the conventional SOFC with an internal manifold, many joint surfaces require a bonding seal with an adhesive including electrical insulation. This bonding also includes cells, which contributes to the generation of thermal stress accompanying sticking.

{容易な複数連結}
請求項2のセル・スタックにおいて、セル・ユニット数の増加により出力を増す事は、容易に実現が可能である。
更に請求項4の空気通路及び排気通路はセル・スタックとは分離されたその外周部に形成されるため、セル・ユニットの増加に伴う各通路の面積拡大も容易に行ない得る。
一方、従来の内部マニホールド付きSOFCにおけるセルと金属製インターコネクタの組み合わせによる発電方式では、セルを含む発電部分と気体移送のための4通路は全て金属製のインターコネクタ内に配置されており、単純にインターコネクタとセルを増やした場合も、気体通路形状の拡大、全発熱量の増加に伴う金属製のインターコネクタの熱的なバランスの再調整等が必要とされ、本インターコネクタ方式のセル数増加が可能な数には制限がある。
よって、請求項2のセル・スタックにおける、セル・ユニット数の変更による出力変更への柔軟性は本発明の2節対向配置型SOFCが高いと言える。
{Easy multiple connection}
In the cell stack of claim 2, increasing the output by increasing the number of cell units can be easily realized.
Further, since the air passage and the exhaust passage of claim 4 are formed in the outer peripheral portion separated from the cell stack, the area of each passage can be easily increased as the number of cell units increases.
On the other hand, in the conventional power generation method using a combination of a cell and a metal interconnector in an SOFC with an internal manifold, the power generation part including the cell and the four passages for gas transfer are all arranged in the metal interconnector. Even when the number of interconnectors and cells is increased, it is necessary to readjust the thermal balance of the metal interconnector due to the expansion of the gas passage shape and the increase in total heat generation. There is a limit to the number that can be increased.
Therefore, in the cell stack of claim 2, the flexibility to change the output by changing the number of cell units can be said to be high in the two-node opposed SOFC of the present invention.

{セル・スタックへの漏れのない容易な燃料供給}
請求項4、5、6においてセル・スタックにおける燃料の個々の燃料層空間への供給経路として、燃料極フレームに固定された燃料供給パイプに直結された外付けの燃料マニホールドによる場合は、セル・ユニットの各要素の接合面に燃料通路開口部が存在しない為燃料リークは生じない。
更に燃料供給経路として全セル・スタックを貫通する共通孔による場合も、各接合面の共通孔部にガスケットホールを設け、ここにガスケット燃料フローを配置する事により燃料リークの全く無い燃料供給が可能となる。
なおここで使用するガスケットは、燃料による還元性雰囲気にある事より高温雰囲気でも高いシール機能を有するグラファイト系のガスケットも利用の一例としてあげられる。
但し、共通孔使用の場合は共通孔の最大径が周辺形状によりほぼ決められるため、出力変化への対応性は低い。コスト的には共通孔が有利と推定され両者を適宜使い分ける必要がある。
{Easy fuel supply without leaking into cell stack}
In the case of using an external fuel manifold directly connected to a fuel supply pipe fixed to the fuel electrode frame as a supply path to the individual fuel layer spaces of the fuel in the cell stack according to claims 4, 5, and 6, Since there is no fuel passage opening at the joint surface of each element of the unit, no fuel leakage occurs.
Furthermore, even when using a common hole that penetrates all cells and stacks as a fuel supply path, a gasket hole is provided in the common hole of each joint surface, and a fuel flow without any fuel leakage is possible by arranging a gasket fuel flow here. It becomes.
As an example of the gasket used here, a graphite-based gasket having a high sealing function even in a high temperature atmosphere as compared with being in a reducing atmosphere by fuel can be cited.
However, in the case of using a common hole, the maximum diameter of the common hole is almost determined by the peripheral shape, so that the response to output changes is low. In terms of cost, it is estimated that a common hole is advantageous, and it is necessary to use both appropriately.

{気体通路とセルとの熱的分離}
請求項4のセル・スタックにおいて、該セル・スタック内の各セル・ユニットの占める空間の外周部に、空気通路、及び排気通路を配置する事により発電部と気体通路部が熱伝導率の低いセラミック製フレームにより分離配置される。これにより2セル対向配置型SOFCにおいては、従来の熱伝導率の高い金属製の内部マニホールド付きSOFCの発電部と気体通路部とを一体化したことによるセル周辺の気体通路からの熱的影響が抑えられ、セルの内部的な温度分布の均一性を高めることが可能となる。
{Thermal separation between gas passage and cell}
5. The cell stack according to claim 4, wherein an air passage and an exhaust passage are arranged in an outer peripheral portion of a space occupied by each cell unit in the cell stack, whereby the power generation portion and the gas passage portion have low thermal conductivity. Separated by a ceramic frame. As a result, in the two-cell opposed SOFC, the thermal influence from the gas passage around the cell due to the integration of the power generation section and gas passage section of the conventional SOFC with a metal internal manifold with high thermal conductivity is integrated. Therefore, it is possible to improve the uniformity of the internal temperature distribution of the cell.

{設計自由度の大きい気体通路}
請求項4のセル・スタックにおける個々の空気層空間への空気供給は、空気通路より空気極フレーム内の空気導入孔より行われる。また排気通路には、それぞれ燃料層空間、及ぴ空気層空間より排気流出孔及び空気流出孔よりそれぞれ高温の気体が排出される。
両通路とも、本発明の2セル対向配置型SOFCのレイアウトを有効に使い、発電の最小単位であるセル・ユニットの外周部に位置する故、そのサイズも含め設計的な自由度が大きい。
これによる広い通路は、通気抵抗が少なく、通路における流れ方向の圧力分布はほぼ一定となり、セル・スタックにおける各々のセル・ユニットの位置によらず同じ量の気体の供給及び排気が可能となる。この均一性もセルにとっては耐久的に重要なファクターである。
{Gas passage with great design freedom}
The air supply to the individual air space in the cell stack according to claim 4 is performed from the air passage through the air introduction hole in the cathode frame. In addition, high-temperature gases are discharged from the fuel layer space and the air layer space to the exhaust passage through the exhaust outlet hole and the air outlet hole, respectively.
Both passages use the layout of the two-cell opposed SOFC according to the present invention effectively and are located on the outer periphery of the cell unit, which is the minimum unit of power generation, and therefore have a high degree of design freedom including its size.
Thus, the wide passage has a small ventilation resistance, the pressure distribution in the flow direction in the passage becomes substantially constant, and the same amount of gas can be supplied and exhausted regardless of the position of each cell unit in the cell stack. This uniformity is also an important factor for the cell in terms of durability.

{全体断熱}
請求項8の空気通路及び排気通路の外周面、セル・スタックの両側面及び前後面を一体化した断熱構造体により覆う事により、該セル・アセンブル表面からの熱の移動を抑え、排熱の利用度を高めると共に、セル劣化の要因であるセル・アセンブル内部の不均一な温度分布の低減が可能となり、セルの機能向上と寿命の延長の一助となる。
{Overall insulation}
The outer peripheral surface of the air passage and the exhaust passage of claim 8, the both side surfaces of the cell stack, and the front and rear surfaces are covered with an integrated heat insulating structure to suppress heat transfer from the cell assembly surface, In addition to increasing the utilization, it is possible to reduce the uneven temperature distribution inside the cell assembly, which is the cause of cell deterioration, and this helps to improve the function of the cell and extend its life.

{酸化触媒の追加}
請求項9の排気通路への酸化触媒の追加は、未利用ガスの外部排出を防ぎ且つ酸化により生ずる熱を燃料の改質及び吸入空気の予熱に利用し発電効率を上げる一助となる。
{Addition of oxidation catalyst}
The addition of the oxidation catalyst to the exhaust passage according to claim 9 helps to prevent generation of unused gas from the outside and uses heat generated by oxidation for fuel reforming and preheating of intake air to increase power generation efficiency.

{集電体による燃料リークのない集電}
請求項7のセルからの集電は、セルの両端面周縁部に配置され、且つ空気極側に配置されたスペーサスプリングで押圧された、燃料極集電体及び空気極集電体により行われる。
該スペーサスプリング及び各集電体は、燃料極フレーム及び空気極フレーム間に形成された凹部に収納され、該凹部の合計深さは、セル両面の2つの集電体の厚さ、セルの厚さ、及びスペーサスプリングの必要圧縮代を差し引いたばね高さの合計とし、燃料極フレームと空気極フレームとが完全に相接する密着状態におけるスペーサスプリングの押し力は、セルの熱膨張によるセル周縁部の変形を大きく拘束することなく、且つ集電及び燃料リーク防止の為のセルと集電体間の押圧力が必要とされる値になるように設定されている。
これによりセル内に発生する燃料リークを抑えつつ集電を行い且つ、接合面間の微小移動が許容され熱応力の低減を実現している。
この熱膨張によるセルの変形を拘束する力の低減は内部的な応力低減効果があり、セル寿命を延ばす有効な手段となる。
更にこの集電方式は、セル・ユニットあるいはセル・スタック構成のための結合力によらず、セルに掛かる集電とシールのための押圧力は一定に保たれ、これもセルの寿命延長に有効に作用する。
なお、燃料リーク経路の減少のため、燃料極フレームと燃料極集電体との接合面は接着する場合も含むものとする。
{Current collection without current leakage by current collector}
The current collection from the cell according to claim 7 is performed by a fuel electrode current collector and an air electrode current collector which are arranged at the peripheral edge portions of both end faces of the cell and pressed by a spacer spring arranged on the air electrode side. .
The spacer spring and each current collector are housed in a recess formed between the fuel electrode frame and the air electrode frame, and the total depth of the recess is the thickness of the two current collectors on both sides of the cell, the thickness of the cell. And the total spring height after subtracting the required compression allowance of the spacer spring, and the pressing force of the spacer spring in the contact state where the fuel electrode frame and the air electrode frame are in complete contact is the peripheral edge of the cell due to the thermal expansion of the cell. Is set so that the pressing force between the current collector and the cell for collecting current and preventing fuel leakage becomes a required value.
As a result, current collection is performed while suppressing fuel leakage occurring in the cell, and minute movement between the joint surfaces is allowed, thereby reducing thermal stress.
The reduction of the force that restrains the deformation of the cell due to the thermal expansion has an internal stress reduction effect, and is an effective means for extending the cell life.
Furthermore, this current collection system keeps the current collection and sealing pressure applied to the cell constant regardless of the coupling force for the cell unit or cell stack configuration, which is also effective for extending the life of the cell. Act on.
In order to reduce the fuel leak path, the joint surface between the fuel electrode frame and the fuel electrode current collector includes a case where the fuel electrode is bonded.

{セル・ユニットの締結}
請求項3での燃料極フレーム及び空気極フレームのセル・ユニット構成の為の連結は接着あるいは機械的結合のいずれの方式も可能であり、以下に機械的結合の一例を示す。
締結バンドによるセル・ユニットの締結部は、請求項8の断熱構造体の外部にありセル・スタック内部の高温からは隔離され、且つ締結部の締結剛性は比較的低く設定されており、高温に晒される各フレームの熱膨張による変形が吸収されることにより、セル・ユニット群の寿命に影響を及ぼさず且つ緩みのない安定した締結を提供する。本機械的締結は温度的あるいは化学的に接着剤が利用できない場合の対応手段である。
{Conclusion of cell unit}
The connection for the cell unit configuration of the fuel electrode frame and the air electrode frame according to claim 3 can be either an adhesion method or a mechanical connection method. An example of the mechanical connection will be shown below.
The fastening part of the cell unit by the fastening band is outside the heat insulating structure of claim 8 and is isolated from the high temperature inside the cell stack, and the fastening rigidity of the fastening part is set to be relatively low. Absorption of deformation due to thermal expansion of each exposed frame provides stable fastening without affecting the life of the cell units and without loosening. This mechanical fastening is a means to cope with the case where the adhesive cannot be used thermally or chemically.

{断熱空間外でのセル間の電気的結合}
請求項7による集電体の他と連結する為の端子部は、セル周辺の断熱構造体に設けた微小空間を通りほぼ室温となる外部にまで延長され、各端子部の連結は高温腐食の懸念がない銅等の高い導電性を有する金属の利用が可能となり、導電部のオーム抵抗の低減による発電効率の向上が期待できる。
更にセルの出力端子部の室温並みの温度環境においては、容易な配電、あるいはセルの機能チェック、更には不具合のときのバイパス路回の追加等の高温を嫌う制御系部品の装備等も容易に行いうる。
{Electric coupling between cells outside the insulation space}
The terminal part for connecting to the other current collector according to claim 7 is extended to the outside which reaches a room temperature through a minute space provided in the heat insulating structure around the cell, and the connection of each terminal part is subjected to high temperature corrosion. It is possible to use a metal having high conductivity such as copper which is not a concern, and an improvement in power generation efficiency can be expected by reducing the ohmic resistance of the conductive portion.
Furthermore, in a temperature environment similar to the room temperature of the output terminal of the cell, it is easy to equip control system parts that dislike high temperatures such as easy power distribution, cell function check, and addition of bypass circuit in case of malfunction. Yes.

{バッフルプレート燃料}
請求項10におけるバッフルプレート燃料は、該バッフルプレート表面に設けた凹凸のあるパターンにより、それぞれの燃料極層と相対するバッフルプレート燃料の表面間の燃料流に乱れを作り、セルと燃料との接触機会を増やすと共に反応生成物質のセル表面からの分離を促進しこれにより発電出力を増すと同時に燃料利用率の向上が図りうる。
更に燃料極フレーム内の燃料導入口に連結した燃料バイパスをバッフルプレート燃料内部に設け、この燃料バイパスに連通し且つバッフルプレート燃料の外側面に開口部を持つ複数の燃料ブランチにより、発電面に対して垂直方向に且つセルに対し2次元的に燃料を供給することで、強い乱れの形成と適切な燃料分布により発電に伴う熱発生の均一化と燃料利用率の向上が得られる。
{Baffle plate fuel}
In the baffle plate fuel according to claim 10, the uneven flow pattern provided on the surface of the baffle plate creates turbulence in the fuel flow between the surfaces of the baffle plate fuel facing the respective fuel electrode layers, and the contact between the cell and the fuel. In addition to increasing opportunities, the separation of the reaction product from the cell surface is promoted, thereby increasing the power generation output and at the same time improving the fuel utilization rate.
Further, a fuel bypass connected to the fuel inlet in the fuel electrode frame is provided inside the baffle plate fuel, and a plurality of fuel branches communicating with the fuel bypass and having openings on the outer surface of the baffle plate fuel are used for the power generation surface. By supplying the fuel two-dimensionally in the vertical direction and to the cell, it is possible to obtain uniform heat generation and improve the fuel utilization rate due to power generation by forming strong turbulence and appropriate fuel distribution.

{バッフルプレート空気}
請求項10におけるバッフルプレート空気は、該バッフルプレート表面に設けた凹凸のあるパターンにより、それぞれの空気極層とこれと相対するバッフルプレート表面間の空気流に乱れを作り、セル表面への酸素供給を促進すると共に、空気の流れによる冷却効果により不均一なセルの温度分布の低減が図りうる。
更にバッフルプレート内部に設けた空気バイパス及びこれに連通し且つバッフルプレートの外側面に開口部を持つ複数の空気ブランチを、発電反応に伴う発生熱発が集まる領域に配置し、比較的低温の空気バイパスからの空気を、該領域の温度分布の不均さ低減を目的とし、2次元的な広がりを有する空気供給を行い得る。
従来の内部マニホールド付きSOFCの一次元的な空気供給に比べセル表面の温度分布を平準化しセル表面の熱応力の発生を抑えることが可能となる。
なお、燃料極空間においても同一であるが、2次元的な気体の供給は、本発明の2セル対応配置型SOFC特有のセルが相互に向き合う事及びインターコネクタがないことによる空間の有効利用の結果として可能となるものである。
{Baffle plate air}
The baffle plate air according to claim 10 causes turbulence in the air flow between each air electrode layer and the baffle plate surface facing the air electrode layer due to the uneven pattern provided on the surface of the baffle plate, thereby supplying oxygen to the cell surface. The temperature distribution of the non-uniform cells can be reduced by the cooling effect by the air flow.
Furthermore, the air bypass provided inside the baffle plate and a plurality of air branches communicating with the air baffle plate and having openings on the outer surface of the baffle plate are arranged in a region where heat generation generated by the power generation reaction is gathered, and a relatively low temperature air bypass. For the purpose of reducing the unevenness of temperature distribution in the region, air supply having a two-dimensional spread can be performed.
Compared with the conventional one-dimensional air supply of SOFC with an internal manifold, it is possible to level the temperature distribution on the cell surface and suppress the generation of thermal stress on the cell surface.
Although the same applies to the fuel electrode space, the two-dimensional gas supply is effective for the effective use of the space due to the fact that the cells unique to the two-cell arrangement type SOFC of the present invention face each other and there is no interconnector. This is possible as a result.

{集電メッシュの利用}
温度などの理由によりセル表面の通電機能が不十分な場合は、セル表面に可僥性を有し且つ通電性を有するメッシュ等を配しこれにより集電を行う場合、メッシュ上に突部を儲け、これと相対する請求項10のバッフルプレート上にボスを配置し、このボスがメッシュ上の突部をセルの発電層に向かい押圧する事によりメッシュとセルの発電層との接合力の低下を防ぎセル出力を維持することが可能となる。なお本発明の2セル対応配置型SOFC固有の対向配置されたセルの特性を生かしバッフルプレートを介さずメッシュ同士が押圧しあう例も含まれるものとする。
{Use of current collector mesh}
If the energization function on the cell surface is insufficient due to temperature or other reasons, place a projecting part on the mesh when collecting electricity by placing a flexible mesh on the cell surface. A boss is disposed on the baffle plate according to claim 10 opposite to this, and the boss presses a protrusion on the mesh toward the power generation layer of the cell, thereby lowering the bonding force between the mesh and the power generation layer of the cell. Cell output can be maintained. It should be noted that an example is also included in which meshes are pressed against each other without using a baffle plate by taking advantage of the characteristics of the opposed cells inherent to the two-cell arrangement type SOFC of the present invention.

{熱交換器}
一般的にSOFCは空気側は吸気温度の上昇による効率の向上を、また燃料側は燃料改質を目的とし、排気の熱により空気および燃料の予熱を行う。
請求項11の熱交換機は、本発明の2セル対向配置型SOFC固有の気体通路の設計的自由度が大きい事を利用したもので、高温側を排気通路、低温側を吸気及び燃料通路とし、高温側の通路内部に低温側の通路を、あるいは、低温側通路内部に高温側通路を配置する事により高温側と低温側とで熱交換を行なうを示している。
従来の内部マニホールド付きSOFCは別体の熱交換器をセル・アセンブルの外部に配置するが、本案は、各気体通路を直接熱交換の場とするため途中の移送ロスがなく、高い熱交換率が得られと共にスペース的にも非常にコンパクトな固体酸化物型燃料電池が実現できる。
更に、本レイアウトでは、セル・スタックにおいて排気通路側と空気通路側との温度差が生ずる可能性がある。これへの対応として排気通路をセル・スタックの後端部において空気通路方向に屈曲延長し、更に空気通路部分で空気通路入り口部分まで屈曲延長し、セル・スタックの空気通路周辺部をここに設けた排気通路により加熱することが挙げられ、これによりセル・スタック内部での温度勾配は大幅に低減される。
なお、図21に上記対応案に、延長された排気通路内に吸気通路を配し吸気余熱を行なうとともに、上部の排気通路で燃料加熱を行なう例を示している。
{Heat exchanger}
In general, the SOFC is intended to improve efficiency by increasing the intake air temperature on the air side, and for the purpose of fuel reforming on the fuel side, and preheats the air and fuel by the heat of the exhaust.
The heat exchanger according to claim 11 utilizes the fact that the design freedom of the gas passage unique to the two-cell opposed arrangement type SOFC of the present invention is large. The high temperature side is the exhaust passage, the low temperature side is the intake and fuel passage, It shows that heat is exchanged between the high temperature side and the low temperature side by disposing a low temperature side passage inside the high temperature side passage or a high temperature side passage inside the low temperature side passage.
The conventional SOFC with an internal manifold has a separate heat exchanger arranged outside the cell assembly. However, this plan uses a direct heat exchange for each gas passage, so there is no transfer loss in the middle and a high heat exchange rate. And a very compact solid oxide fuel cell in terms of space can be realized.
Furthermore, in this layout, a temperature difference between the exhaust passage side and the air passage side may occur in the cell stack. In response to this, the exhaust passage is bent and extended in the direction of the air passage at the rear end of the cell stack, and further bent and extended to the air passage entrance at the air passage portion, and the periphery of the air passage of the cell stack is provided here. Heating by the exhaust passage, which greatly reduces the temperature gradient inside the cell stack.
FIG. 21 shows an example in which an intake passage is arranged in the extended exhaust passage to perform intake residual heat and fuel is heated in the upper exhaust passage.

{オールセラミック化}
本発明において、請求項4の断熱構造体内部での金属部品は各集電体及びスペーサスプリングであるが、温度的には利用可能な上限がある。
しかし、高温領域における高効率なセルを目指し、各々の集電体は高温導電性を有するセラミックの適用とスライド部分は単純な接着固定に置き換えることにより、請求項8におけるオールセラミックSOFCにも本発明の基本レイアウトである2セル対向配置型SOFCに適用することは可能である。
この場合、ある程度の速い応答性は犠牲にしても、より高い効率が期待できると共に2セル対向配置型SOFCの持つ簡易な構造、コンパクト性、高い整備性と生産性などのメリットを生かすことは可能である。
なお高温部から低温部への通電は密閉されたグラファイトを介する場合を一例としてあげておく。
{All ceramics}
In the present invention, the metal parts inside the heat insulating structure of claim 4 are each current collector and spacer spring, but there is an upper limit that can be used in terms of temperature.
However, aiming at a high-efficiency cell in a high-temperature region, each current collector is applied to a ceramic having high-temperature conductivity, and the slide part is replaced with a simple adhesive fixing, so that the present invention is also applied to the all-ceramic SOFC in claim 8. It is possible to apply to the two-cell opposed arrangement type SOFC which is the basic layout of the above.
In this case, higher efficiency can be expected even at the expense of some quick response, and it is possible to take advantage of the simple structure, compactness, high maintainability and productivity of the two-cell facing SOFC. It is.
As an example, energization from the high temperature portion to the low temperature portion is performed through sealed graphite.

{分解組み立て整備性}
請求項1、請求項3においてセル・ユニツトの燃料極フレームと空気極フレームとは接着材による結合としセル・スタックでの各セル・ユニットの連結は断熱構造体の外部において、スプリング付きボルトで固定する物とする。これにより初期のセル・スタック単独での機能確認が可能となる。またセル・アセンブルの状態においても運転は可能であり、各セル・ユニットの機能のチェックと共に問題のあるセル・ユニットは単独での交換も可能であり、従来の内部マニホールド付きSOFCに比べ機能確認、分解組み立て、セル・ユニットの整備、交換は容易に行い得る。
{Disassembly and assembly maintainability}
4. The fuel electrode frame and the air electrode frame of the cell unit according to claim 1 and claim 3, wherein the cell unit is connected to each other in a cell stack by a spring-loaded bolt outside the heat insulating structure. It is assumed that This makes it possible to confirm the function of the initial cell stack alone. In addition, operation is possible even in a cell-assembled state. In addition to checking the function of each cell unit, the problematic cell unit can be replaced independently, confirming the function compared to the conventional SOFC with internal manifold, Disassembly and assembly, cell unit maintenance and replacement can be easily performed.

{セル材料}
使用材料は温度により異なるが下記の表1を参考に選択する。
{Cell material}
The materials used vary depending on the temperature, but are selected with reference to Table 1 below.

Figure 2016162567
Figure 2016162567

セル・ユニット概念図Cell unit conceptual diagram セル・スタック概念図Cell stack conceptual diagram セル・ユニット002の実体構成図Entity configuration diagram of cell unit 002 2つのセル・ユニットによる燃料層及び空気層空間の形成Formation of fuel and air space by two cell units セル・ユニットの分解斜視図Disassembled perspective view of cell unit セル・ユニット集電部及びガスシール部詳細Cell unit current collector and gas seal details セル・ユニット電気的連結Cell unit electrical connection セル・ユニットバンド締結0011の構成Configuration of cell unit band fastening 0011 セル・スタック002の構成Configuration of cell stack 002 セル・スタック内のセル・ユニットの固定方式詳細Details of fixing method of cell unit in cell stack セル・アセンブルの燃料極空間中央部断面図Cell assembling cross section of the fuel electrode space center セル・アセンブルの空気極空間中央部断面図Cross-sectional view of the cell cathode air space セル・アセンブルの外観図External view of cell assembly セル・ユニット燃料供給孔0012の構成Structure of cell unit fuel supply hole 0012 セル・ユニット燃料供給孔内臓OO12燃料極空間断面図Cell unit fuel supply hole built-in OO12 fuel electrode space sectional view バッフルプレート燃料30断面斜視図Baffle plate fuel 30 cross-sectional perspective view バッフルプレート空気31断面斜視図Baffle plate air 31 cross-sectional perspective view 集電体用メタルメッシュ詳細Metal mesh details for current collector フローコントロールによる、メタルメッシュの浮き防止例Example of prevention of metal mesh floating by flow control 排気熱による燃料改質Fuel reforming by exhaust heat 排気熱による吸気予熱Intake preheating by exhaust heat 平板型金属インターコネクタ付きSOFC分解斜視図SOFC exploded perspective view with flat metal interconnector 平板型金属インターコネクタ付きSOFC1/4カット斜視図SOFC 1/4 cut perspective view with flat metal interconnector 円筒型SOFC部分断面図Cylindrical SOFC partial cross section

{セル・ユニット概念図}
図1に請求項1に示すセル・ユニット001の概念図を示す。左右2つのセル01はそれぞれ燃料極01−2、電解質01−1、空気極01−3が積層してなり、2つのセルの燃料極面が内側に相向き合う様に配置され、これにより閉じた燃料層空間Aが形成され、両側面にある空気極面側の外側部には請求項1に示す空気極面外方部にその最端面が開かれた一定空間が形成される。
{Cell unit conceptual diagram}
FIG. 1 is a conceptual diagram of the cell unit 001 shown in claim 1. The two left and right cells 01 are each formed by laminating a fuel electrode 01-2, an electrolyte 01-1, and an air electrode 01-3, and the fuel electrode surfaces of the two cells are arranged so as to face each other. A fuel layer space A is formed, and a constant space having its end face opened on the outer side of the air electrode surface shown in claim 1 is formed on the outer side of the air electrode surface side on both side surfaces.

{セル・スタック概念図}
図2に複数のセル・ユニット001を請求項1の空気極面外方部一定空間の最端面が相互に接する様配列する事により形成される請求項2のセル・スタック002の基本構成図を示す。隣接する前記空気極面外方部一定空間は連接に伴い合体し両側面を空気極面とする閉じた空間、空気層空間Bを形成する。
これにより、それぞれにセル01を介して交互に複数の燃料層空間及び空気層空間が連成された、本発明の主題である平板2セル対向配置型固体電解質形燃料電池が形成される。
{Conceptual diagram of cell stack}
FIG. 2 shows a basic configuration diagram of the cell stack 002 according to claim 2, which is formed by arranging a plurality of cell units 001 so that the outermost end surfaces of the constant space outside the air electrode surface of claim 1 are in contact with each other. Show. The adjacent constant space outside the air electrode surface adjacent to each other is joined together to form a closed space, an air layer space B, in which both side surfaces are air electrode surfaces.
As a result, a flat two-cell opposed arrangement solid electrolyte fuel cell, which is the subject of the present invention, is formed, in which a plurality of fuel layer spaces and air layer spaces are alternately coupled via the cells 01.

{セル・ユニット001の一実施例}
図3は請求項3に示す周辺にシール機能を有する燃料極フレーム02を請求項1で示す燃料層空間内に配置し、更に請求項3のシール機能を有する空気極フレーム03を、2つのセルのそれぞれの空気極面上に外方に向けて配置することによりセル・ユニット001を形成する一例を示す。なお、ユニット内の各フレーム間の接合は機械的な結合をのぞき接着で行なう事を基本とする。
{One Example of Cell Unit 001}
FIG. 3 shows a fuel electrode frame 02 having a sealing function in the periphery shown in claim 3 in the fuel layer space shown in claim 1, and the air electrode frame 03 having a sealing function in claim 3 is arranged in two cells. An example in which the cell unit 001 is formed by disposing outwardly on each air electrode surface is shown. In addition, joining between the frames in the unit is basically performed by bonding except for mechanical joining.

{空気層空間の形成}
図4に2つのセル・ユニット001の接合による空気層空間Bの一形成例を示す。
内容的には図2と同じである。2つのセル・ユニット001の相向きあい接合された2つの空気極フレーム03により形成され、且つその両端面はそれぞれのセルの空気極面とする閉じた空間を空気層空間Bとする。
{Formation of air space}
FIG. 4 shows an example of formation of the air space B by joining two cell units 001.
The contents are the same as those in FIG. The closed space formed by the two air electrode frames 03 of the two cell units 001 facing each other and having both ends thereof as the air electrode surface of each cell is defined as an air layer space B.

{燃料及び空気の供給}
請求項4における気体の流入、流出に関する一実施例を図4に示す。燃料極フレーム02内の燃料層空間Aへの燃料は、外部の燃料供給部より適切な圧に調整された後、燃料極フレーム02に設けた適切なオリフィス効果を有する燃料導入孔02−1より供給される。また燃料層空間内の発電反応生成物及び残留燃料は適切なオリフィス効果を有する排気流出孔02−2より該フレーム外周部にある排気通路に排出される。
また空気層空間Bへの空気は、外部の空気供給部より適切な圧に調整された後、空気極フレーム03の外周部にある空気通路より、該空気層空間を構成する2つの連接した空気極フレーム03で形成され且つ内部に適切なオリフィス効果を有する空気導入孔03−1より供給され、未反応空気は同じく2つの連接した空気極フレーム03で形成され適切なオリフィス効果を有する空気流出孔03−2より前記排気通路に排出される。
{Supply of fuel and air}
An embodiment relating to inflow and outflow of gas in claim 4 is shown in FIG. The fuel to the fuel layer space A in the fuel electrode frame 02 is adjusted to an appropriate pressure from an external fuel supply unit, and then the fuel introduction hole 02-1 having an appropriate orifice effect provided in the fuel electrode frame 02. Supplied. Further, the power generation reaction product and the residual fuel in the fuel layer space are discharged from the exhaust outlet hole 02-2 having an appropriate orifice effect to the exhaust passage in the outer periphery of the frame.
The air to the air layer space B is adjusted to an appropriate pressure from an external air supply unit, and then is connected to two connected airs that form the air layer space from the air passage in the outer peripheral portion of the air electrode frame 03. An air outlet hole formed by the pole frame 03 and supplied from an air introduction hole 03-1 having an appropriate orifice effect therein, and unreacted air is also formed by two connected air electrode frames 03 and having an appropriate orifice effect. It is discharged into the exhaust passage from 03-2.

{セル・ユニット分解図}
図5にセル・ユニット001の一実施例の分解図を示す。ここには図3に示す燃料極フレーム02及び空気極フレーム03及び2つのセル01に加え、それぞれのセルの燃料極面に接する燃料極集電体04、空気極面に接する空気極集電体05、及び空気極集電体のセルの空気極フレーム面に接するよう配置されスプリング作用を有するスペーサ・スプリング06を示す。セルを含むこれ等は、燃料極フレーム凹部02−3、及び空気極フレーム凹部03−3で形成される空間内に配置される(各フレームに設けた凹部は一方のフレームのみに形成される場合も含むものとする)。
{Cell unit exploded view}
FIG. 5 shows an exploded view of one embodiment of the cell unit 001. Here, in addition to the fuel electrode frame 02 and the air electrode frame 03 and the two cells 01 shown in FIG. 3, the fuel electrode current collector 04 in contact with the fuel electrode surface of each cell, and the air electrode current collector in contact with the air electrode surface 05, and a spacer spring 06 having a spring action, which is disposed in contact with the air electrode frame surface of the cell of the air electrode current collector. These including the cells are arranged in the space formed by the fuel electrode frame recess 02-3 and the air electrode frame recess 03-3 (when the recess provided in each frame is formed only in one frame) Also included).

{セル・ユニット集電及びガスシール部詳細}
図6に請求項7に示すセル・ユニット001の集電とガスシールの一例を示す。ここには図5の分解図が示す燃料極凹部02−3および空気極凹部03−3で形成される空間内に燃料極集電体04、セル01、空気極集電体05及びスペーサ・スプリング06が配置された例を示す。
前記空間内に配置される各要素の厚み方向合計幅は、該空間の幅より大きく設定されており、両幅の差分だだけ各要素の装着に伴いスペーサ・スプリング06が圧縮され各要素の接合面に押圧力を生じさせる。
この押圧力により、セルの各々の発電層と対応する各集電体間は電気的に連結され、且つ燃料リーク経路となる燃料極集電体04と燃料極フレーム01の接合面及びセル01の燃料極層との接合面からのリークが防止される。
{Cell unit current collector and gas seal details}
FIG. 6 shows an example of current collection and gas sealing of the cell unit 001 shown in claim 7. Here, in the space formed by the fuel electrode recess 02-3 and the air electrode recess 03-3 shown in the exploded view of FIG. 5, the fuel electrode current collector 04, the cell 01, the air electrode current collector 05, and the spacer spring. An example in which 06 is arranged is shown.
The total width in the thickness direction of each element arranged in the space is set to be larger than the width of the space, and the spacer spring 06 is compressed by the attachment of each element by the difference between both widths, and the elements are joined. A pressing force is generated on the surface.
Due to this pressing force, each current collector corresponding to each power generation layer of the cell is electrically connected, and the joining surface of the fuel electrode current collector 04 and the fuel electrode frame 01 serving as a fuel leak path and the cell 01 Leakage from the interface with the fuel electrode layer is prevented.

図7にセル・ユニット001の電気的な連結の一例を示す。セル・ユニット001内の燃料極集電体端子04−1及び空気極集電体端子05−1はユニット内部コネクタ07により連結され、他の連結されていないセル01それぞれの空気極集電体端子及び燃料極集電体端子は、左右に隣接するそれぞれのセル・ユニット001の燃料極集電体端子及び空気極集電体端子にユニット外部コネクタ08により連結される。これにより各セル・ユットは直列に結合される。
なお、図中下端にあるの燃料供給パイプ09は、燃料導入孔02−1の入り口に接着固定されており、請求項5に対応した外部配置された燃料マニホールド16と連結され、燃料極空間に燃料を供給する。
FIG. 7 shows an example of electrical connection of the cell unit 001. The fuel electrode current collector terminal 04-1 and the air electrode current collector terminal 05-1 in the cell unit 001 are connected by the unit internal connector 07, and the air electrode current collector terminals of each of the other unconnected cells 01 are connected. The anode current collector terminal is connected to the anode current collector terminal and the air cathode current collector terminal of each cell unit 001 adjacent to the left and right by a unit external connector 08. As a result, each cell unit is coupled in series.
The fuel supply pipe 09 at the lower end in the figure is fixedly bonded to the inlet of the fuel introduction hole 02-1 and is connected to the fuel manifold 16 arranged outside corresponding to claim 5 so as to enter the fuel electrode space. Supply fuel.

{セル・ユニット要素結合方式}
セル・ユニット001の燃料極フレーム01及び両サイドの空気極フレーム03との結合は機械的結合を利用しない場合は耐熱性接着材によるものとする。
{Cell unit element coupling method}
The cell unit 001 is bonded to the fuel electrode frame 01 and the air electrode frames 03 on both sides by a heat-resistant adhesive when mechanical connection is not used.

{セル・ユニット要素の機械的結合}
図8に燃料極及び空気極の2種のフレームを機械的に結合する例の一つとして、セル;ユニット・バンド締結0011を示す。これは生産工程における温度的な条件で耐熱性接着剤の利用が困難な場合等において、セル・ユニットの締結を機械的に行うことを目的としている。
本セル・ユニット・バンド締結0011は、図8に示す如く両側面中央部に燃料極締結ボス021−1を有する燃料極フレーム・バンド締結021、及び両側面中央部に空気極締結ボス031−1を有する空気極フレーム・バンド締結031を締結バンド10により締結する。これにより本セル・ユニット・バンド締結0011はセル・ユニット001と同じ機能を有する。
{Mechanical coupling of cell unit elements}
FIG. 8 shows a cell; unit band fastening 0011 as an example of mechanically coupling two types of frames of a fuel electrode and an air electrode. The purpose of this is to mechanically fasten the cell unit when it is difficult to use a heat-resistant adhesive under temperature conditions in the production process.
As shown in FIG. 8, the cell unit band fastening 0011 includes a fuel electrode frame / band fastening 021 having a fuel electrode fastening boss 021-1 at the center of both sides and an air electrode fastening boss 031-1 at the center of both sides. The air electrode frame / band fastening 031 having the above is fastened by the fastening band 10. Thus, the present cell unit band fastening 0011 has the same function as the cell unit 001.

{セル・スタック002の構成}
図9に請求項2のセル・スタック002の例として10個のセル・ユニット001を連結した場合を示す。積層されたセル・ユニット001の前部にエンドプレートf11を、後部にエンドプレートr12を配置し、スプリング付きボルト13により4箇所で締結されている。
セル・スタック002においては燃料層空間及び空気層空間が交互に並び、セル・スタック両端面の空気層空間は、それぞれエンドプレートf11およびエンドプレートr12により完全に閉鎖される。
本図での燃料供給は、請求項5に示すもので、各セル・ユニット001の燃料極フレーム02に固定された図7の燃料供給パイプ09にセル・ユニットの外部に配置された燃料マニホールド16を連結することで行われる。
本燃料マニホールドは配管途中にフレキシブルなベローズを有し燃料供給パイプの微妙な寸法誤差等に伴う配管にかかる曲げ応力の発生を防止している。
{Configuration of cell stack 002}
FIG. 9 shows a case where 10 cell units 001 are connected as an example of the cell stack 002 of claim 2. An end plate f11 is disposed at the front of the stacked cell unit 001, and an end plate r12 is disposed at the rear. The cell unit 001 is fastened at four places by bolts 13 with springs.
In the cell stack 002, the fuel layer spaces and the air layer spaces are alternately arranged, and the air layer spaces at both end surfaces of the cell stack are completely closed by the end plate f11 and the end plate r12, respectively.
The fuel supply in this figure is as shown in claim 5, and the fuel manifold 16 disposed outside the cell unit in the fuel supply pipe 09 of FIG. 7 fixed to the fuel electrode frame 02 of each cell unit 001. It is done by concatenating.
This fuel manifold has a flexible bellows in the middle of the piping to prevent bending stress from being applied to the piping due to subtle dimensional errors in the fuel supply pipe.

{セル・スタック内のセル・ユニットの固定方式詳細}
図10にセル・ユニット001の固定方法の一実施例を示す。図中、参考に配置された一つのセル・ユニット001が示す如く、各セルユニットはその下辺に配置されている2つのセル・ロアサポート14により支えられている。またこのセル・ロアサポート14はその内部を貫通しているスプリング付きボルト13により支持されている。
4本のスプリング付きボルト13により全セル・ニットは締結固定されており、その締結力はスプリング付きボルト13のスプリングにより、セル・ユニットの熱変形等による寸法変化の吸収も含めて常に必要とされる値に維持されている。
なお、セル・スタック002におけるセル・ユニット001間の接合は両端のエンドプレートも含めスプリング付きボルト13締結力によるもののみとし特に必要とされる場合を除き接着材は使用しないものとする。
セル・ロアサポート14の全長は、全セル・ユニットの全長より短く設定されており、スプリング付きボルト13の締結力は全てセル・ユニットに働く。セル・ロアサポート14と2つのエンドプレート間の間隙は柔軟性のあるガスケット・セルサポート15により埋められている。
{Details of fixing method of cell unit in cell stack}
FIG. 10 shows an embodiment of a fixing method of the cell unit 001. In the drawing, as shown by one cell unit 001 arranged for reference, each cell unit is supported by two cell lower supports 14 arranged on the lower side thereof. The cell lower support 14 is supported by a spring-loaded bolt 13 penetrating the cell lower support 14.
All the cells and knits are fastened and fixed by four bolts 13 with springs, and the fastening force is always required by the springs of the bolts 13 with springs, including absorption of dimensional changes due to thermal deformation of the cell unit. Value is maintained.
It should be noted that the cell unit 001 in the cell stack 002 is joined only by the fastening force of the bolt 13 with the spring including the end plates at both ends, and no adhesive is used unless particularly required.
The total length of the cell lower support 14 is set to be shorter than the total length of all the cell units, and all the fastening force of the spring-loaded bolt 13 acts on the cell unit. The gap between the cell lower support 14 and the two end plates is filled with a flexible gasket cell support 15.

{セル・アセンブル}
図11は請求項4に、5又は6、7〜11を含む例をセル・アセンブルとしその縦断面図を示す。図11で表示された断面はセル・ユニットの燃料極フレーム02の中心を通っており、図中セルの発電部は燃料層空間Aを示す。
セル・アセンブルには請求項4のセル・スタックに、燃料極集電体04、空気極集電体05、極空気通路17、及び排気通路18が、更に、最外周面には請求項8の空気通路断熱材19、排気通路断熱材20、セルサイド断熱材121、セルサイド断熱材r22を含み、燃料マニホールド断熱材23が必要に応じ追加される。
燃料は燃料マニホールド16、燃料供給パイプ09、燃料フレーム02に設けた燃料導入孔02−1を経由して燃料層空間に導入される。発電反応に伴う生成物及び未反応ガスは、排気流出孔02−2より排気通路18に排出される。
請求項8の各断熱材は外部への特定箇所からの放熱による熱分布の不均一化を抑えたセルの熱応力の低減、及び排気熱の有効利用による発電効率向上等を目的としてる。
{Cell assembly}
FIG. 11 is a vertical sectional view of an example including 5 or 6, 7 to 11 as cell assembly. The cross section displayed in FIG. 11 passes through the center of the fuel electrode frame 02 of the cell unit, and the power generation part of the cell in the drawing indicates the fuel layer space A.
The cell assembly includes a fuel cell current collector 04, an air electrode current collector 05, a polar air passage 17, and an exhaust passage 18 in the cell stack according to claim 4, and an outermost peripheral surface according to claim 8. Including air passage heat insulating material 19, exhaust passage heat insulating material 20, cell side heat insulating material 121, cell side heat insulating material r22, fuel manifold heat insulating material 23 is added as necessary.
The fuel is introduced into the fuel layer space via the fuel manifold 16, the fuel supply pipe 09, and the fuel introduction hole 02-1 provided in the fuel frame 02. Products and unreacted gas accompanying the power generation reaction are discharged to the exhaust passage 18 from the exhaust outlet hole 02-2.
Each heat insulating material of Claim 8 aims at the reduction of the thermal stress of the cell which suppressed the nonuniformity of the heat distribution by the heat radiation from the specific location to the exterior, the improvement of the electric power generation efficiency by the effective use of exhaust heat, etc.

図12に前項0058のセル・アセンブル内のセル・ユニットの空気層空間中央部での断面図を示す。発電用の空気は下部の空気通路17より空気極フレーム03の空気導入孔03−1より空気層空間Bに導入され、反応後の残留空気は上部の空気流出孔03−2より18の排気通路に排出される。   FIG. 12 is a cross-sectional view of the cell unit in the cell assembly of the previous item 0058 at the center of the air layer space. The air for power generation is introduced into the air layer space B through the air introduction hole 03-1 of the air electrode frame 03 from the lower air passage 17, and the residual air after the reaction is exhausted from the upper air outflow hole 03-2 to the 18 exhaust passages. To be discharged.

図13に前項0058のセル・アセンブルの外観の一例を示す。本図の燃料供給はマニホールド方式であり供給は燃料供給口24、空気供給は空気供給口25、より行われ、残余の燃料、空気及び発電による生成気体はまとめて排出口26より排出される。
図中燃料極集電体端子04−1及び空気極集電体端子05−1は共に周辺の断熱材に設けた細孔を通過し断熱材の外部にまで延長されており、高温を避けたほぼ室温に近い空間において、各端子部は内部コネクタ07及び外部コネクタ08により連結される。
FIG. 13 shows an example of the appearance of the cell assembly of the previous item 0058. The fuel supply in this figure is a manifold system, and the supply is performed from the fuel supply port 24 and the air supply is performed from the air supply port 25, and the remaining fuel, air, and generated gas generated by power generation are collectively discharged from the discharge port 26.
In the figure, both the fuel electrode current collector terminal 04-1 and the air electrode current collector terminal 05-1 pass through the pores provided in the peripheral heat insulating material and extend to the outside of the heat insulating material, avoiding high temperatures. In a space close to room temperature, each terminal portion is connected by an internal connector 07 and an external connector 08.

図14に請求項6の燃料供給孔が内蔵型のセル・ユニット燃料供給孔内蔵0012の例を示す。燃料極フレーム・内蔵022に設けた燃料極・共通孔022−1、及び両サイドの空気極フレーム・内蔵032に設けた空気極・共通孔032−1は、各フレームを連結したセル・ユニットを形成する事により連通した燃料供給路を形成する。
セル・ユニットにおける各フレームの結合方式が接着あるいは機械的な固定のいずれの場合も、燃料極及び空気極フレームの接合面には図14に示す如く、ガスケットホール28−1内にガスケット・燃料フロー28を配置する。
FIG. 14 shows an example of a built-in cell unit fuel supply hole 0012 having a fuel supply hole according to claim 6. The fuel electrode / common hole 022-1 provided in the fuel electrode frame / built-in 022 and the air electrode frame / common hole 032-1 provided in the air electrode frame / built-in 032 on both sides are formed by connecting the cells / units to each other. By forming, a fuel supply path communicating with each other is formed.
Even if the frame is bonded or mechanically fixed in the cell unit, the gasket / fuel flow is formed in the gasket hole 28-1, as shown in FIG. 28 is arranged.

図15に請求項6のセル・ユニット0012燃料供給孔内蔵の燃料極フレーム・内蔵022の燃料層空間の中央部でセル・ユニット0012の断面図を示す。燃料は燃料極・共通孔022−1より、図で横方向に伸び且つ空気層空間に連通した燃料導入孔02−1を経由して燃料極空間Aに入り、発電後は02−2の排気流出孔より排出される。なお燃料導入孔02−1の後端はプラグ・燃料29により閉じられている。   FIG. 15 is a cross-sectional view of the cell unit 0012 at the center of the fuel layer space of the fuel electrode frame / built-in 022 with a built-in fuel supply hole in the cell unit 0012 of claim 6. The fuel enters the fuel electrode space A from the fuel electrode / common hole 022-1 through the fuel introduction hole 02-1, which extends in the horizontal direction in the drawing and communicates with the air space, and exhausts 02-2 after power generation. It is discharged from the outflow hole. The rear end of the fuel introduction hole 02-1 is closed by a plug / fuel 29.

図16にバッフルプレート燃料30の断面斜視図を示す。本例は、バッフルプレートは燃料極空間の中央に配置され、バッフルプレート両側面に設けた燃料凹凸面30−1によりセルの燃料極面とバッフルプレートで形成される燃料通路内の燃料流に乱れを作り発電反応の促進を図る。
更にバッフルプレート内部に、燃料極空間に燃料を供給する燃料極フレーム02内の燃料導入口02−1に連通する燃料バイパス30−2を設け、これと連結し且つ先の燃料通路に開口した複数の通路面積が異なる燃料パスブランチ30−3により、発電が行われる燃料極層に、その場所に応じた適切な量の燃料が供給される。
なお、本方式は、内部燃料バイパスは用いず、流れの制御としてバッフルプレートにより分流した流れの凹凸面による乱れのみとする場合も含まれるものとする。
なお図中ボス燃料30−4は集電にメタルメッシュ32を利用する場合のメタルメッシュ32のセル表面からの分離を防止するものである。
FIG. 16 is a sectional perspective view of the baffle plate fuel 30. In this example, the baffle plate is disposed in the center of the fuel electrode space, and the fuel flow in the fuel passage formed by the fuel electrode surface of the cell and the baffle plate is disturbed by the fuel uneven surface 30-1 provided on both sides of the baffle plate. To promote power generation reaction.
Further, a fuel bypass 30-2 communicating with the fuel introduction port 02-1 in the fuel electrode frame 02 for supplying fuel to the fuel electrode space is provided inside the baffle plate, and a plurality of fuel bypasses 30-2 connected to this and opened to the previous fuel passage are provided. By the fuel path branch 30-3 having different passage areas, an appropriate amount of fuel corresponding to the location is supplied to the fuel electrode layer where power generation is performed.
Note that this method includes a case where the internal fuel bypass is not used and the flow is controlled only by the turbulence caused by the uneven surface of the flow divided by the baffle plate.
In the figure, the boss fuel 30-4 prevents separation of the metal mesh 32 from the cell surface when the metal mesh 32 is used for current collection.

図17にバッフルプレート空気31の一実施例を示す。バッフルプレート燃料30と同様にセルの空気層とバッフルプレート上の空気凹凸面31−1による流れの乱れにより空気極層への活発な酸素補給を行う。
更にパッフルプレート空気31内に空気極フレーム03の空気導入孔03−1の上部に開口部を持つ空気バイパス31−2を設け、該空気バイパス上部に設けた空気極空間と連通する複数の空気パスブランチ31−3によるバイパス回路によりセル表面に2次元的な広がりを有する空気供給を行なう。
なお図中ボス空気31−4は集電にメタルメッシュ32を利用する場合のメタルメッシュ32のセル表面からの分離を防止するものである。
FIG. 17 shows an example of the baffle plate air 31. Similarly to the baffle plate fuel 30, active oxygen supply to the air electrode layer is performed by the flow disturbance due to the air layer of the cell and the air uneven surface 31-1 on the baffle plate.
Further, an air bypass 31-2 having an opening at the upper portion of the air introduction hole 03-1 of the air electrode frame 03 is provided in the puff plate air 31 and a plurality of airs communicated with the air electrode space provided at the upper portion of the air bypass. Air supply having a two-dimensional spread on the cell surface is performed by the bypass circuit of the pass branch 31-3.
In the figure, the boss air 31-4 prevents separation of the metal mesh 32 from the cell surface when the metal mesh 32 is used for current collection.

図18に金属集電体、メタルメッシュ32を利用する一例を示す。比較的低温でセル表面の導電機能が充分期待できない場合には金属製のメッシュによる集電を行う。図18はメッシュなしの図3にメタルメッシュ32を追加したものである。メタルメッシュ32の集電面はそれぞれのセルの燃料あるいは空気極面に接するよう、またその周縁部分はそれぞれの集電体のセル01との接触面の反対側に接するよう配置される。メタルメッシュ32周縁部の集電体と接しないもう一方の面は燃料極では燃料極フレームに、空気極側ではスペーサースプリングと接するよう配置される。
メタルメッシュ32利用の場合は、燃料漏れ防止の為、燃料極集電体とメタルメッシュは事前に溶接などにより電気的な結合体とし、メッシュ部を埋め込む形で燃料極フレーム接着するものとする。
FIG. 18 shows an example in which a metal current collector and a metal mesh 32 are used. When the conductive function of the cell surface cannot be expected sufficiently at a relatively low temperature, current collection is performed using a metal mesh. FIG. 18 is obtained by adding a metal mesh 32 to FIG. 3 without a mesh. The current collecting surface of the metal mesh 32 is disposed so as to be in contact with the fuel or air electrode surface of each cell, and the peripheral portion thereof is disposed so as to be in contact with the opposite side of the contact surface with the cell 01 of each current collector. The other surface not in contact with the current collector at the peripheral edge of the metal mesh 32 is arranged to contact the fuel electrode frame at the fuel electrode and to the spacer spring on the air electrode side.
In the case of using the metal mesh 32, in order to prevent fuel leakage, the anode current collector and the metal mesh are electrically connected in advance by welding or the like, and the anode electrode frame is bonded in such a manner that the mesh portion is embedded.

図19にメタルメッシュ32の浮き防止の一例を示す。各メタルメッシュ32のメッシュ突部32−1は、それぞれ相対するバッフルプレート燃料あるいは空気のボス燃料30−4あるいはボス空気31−4によりセルと離れる方向の動きは規制され、長期間使用にともなう浮き上がりを防止している。   FIG. 19 shows an example of preventing the metal mesh 32 from floating. The mesh protrusions 32-1 of each metal mesh 32 are controlled to move away from the cells by the baffle plate fuel or air boss fuel 30-4 or boss air 31-4, which are opposed to each other. Is preventing.

{燃料改質}
図20に燃料を排気通路18内の排気熱により加熱することで改質を行う一例を示す。燃料は燃料供給口改質24−1より熱交換器改質33に導かれ、排気通路改質18−1内の高温ガスにより加熱改質が行われる。改質器を構成するパイプは排気通路内でUターンをし、入り口のある燃料供給口側より燃料マニホールド16に連結される。
{Fuel reforming}
FIG. 20 shows an example in which reforming is performed by heating the fuel with exhaust heat in the exhaust passage 18. The fuel is led from the fuel supply port reforming 24-1 to the heat exchanger reforming 33, and is heated and reformed by the high-temperature gas in the exhaust passage reforming 18-1. The pipes constituting the reformer make a U-turn in the exhaust passage and are connected to the fuel manifold 16 from the fuel supply port side where the inlet is located.

図21に上記0061に述べた燃料改質と同時に吸入空気の排気熱による予熱を行う一例を示す。セル上部の排気通路内の高温ガスを下部の吸気通路に送り吸気を加熱する方式である。
排気通路改質18−1内の排気ガスは排気通路下降18−2より下方にある排気通路予熱18−3に入り熱交換器予熱34内の空気を加熱しつつ終端の排気通路横移動18−4を経て排気口予熱26−1より外部に排出される。
空気は空気供給口予熱25−1より熱交換器予熱34の熱交換器を形成するパイプ内の空気通路熱交換17−1に入りここで加熱された後、空気通路予熱17−2に入り、加熱された空気として空気極フレーム03の空気流入孔03−1より個々の空気層空間に供給される。
空気通路予熱17−2と排気通路予熱18−3とはセパレータプレート35で完全に分割されているが、このセパレートプレートを介しても空気側に熱が伝達され更に熱交換率を高めることが可能となる。また、排気側に比べて温度の低い空気、燃料を含めた気体の流入側に熱交換器を配置し高温ガスを通過させる事により、全体的な温度分布の均一化が図りうる。
FIG. 21 shows an example in which preheating is performed by exhaust heat of intake air simultaneously with fuel reform described in the above-mentioned 0061. This is a system in which high-temperature gas in the exhaust passage at the upper part of the cell is sent to the lower intake passage to heat the intake air.
Exhaust gas in the exhaust passage reformer 18-1 enters the exhaust passage preheat 18-3 below the exhaust passage lowering 18-2 and heats the air in the heat exchanger preheat 34 while ending the exhaust passage lateral movement 18- 4 is discharged to the outside through the exhaust port preheat 26-1.
The air enters the air passage heat exchanger 17-1 in the pipe forming the heat exchanger of the heat exchanger preheat 34 from the air supply port preheat 25-1, is heated here, and then enters the air passage preheat 17-2. Heated air is supplied to each air layer space from the air inlet hole 03-1 of the air electrode frame 03.
The air passage preheating 17-2 and the exhaust passage preheating 18-3 are completely divided by the separator plate 35. However, heat can be transmitted to the air side via this separate plate and the heat exchange rate can be further increased. It becomes. Further, by arranging a heat exchanger on the inflow side of gas including air and fuel having a lower temperature than the exhaust side and allowing the high temperature gas to pass therethrough, it is possible to make the entire temperature distribution uniform.

なお、本発明に利用するセラミック部品は形状的に単純なスタンプ方式での形成が難しい場合は部品の複数分割成型と接着剤あるいはレーザによる結合、あるいはマシなブルセラミックによる加工によるものとする。   When it is difficult to form the ceramic part used in the present invention by a simple stamp method, it is assumed that the part is formed by multiple division molding and bonding with an adhesive or a laser, or processing with a fine bull ceramic.

A 燃料層空間
B 空気層空間
001 セル・ユニット
0011 セル・ユニットバンド締結
0012 セル・ユニット燃料供給孔内蔵
002 セル・スタック
003 セル・アセンブル
005 平板型金属インターコネクタ付きSOFC
006 円筒型SOFC
01 セル
01−1 電解質
01−2 燃料極
01−3 空気極
02 燃料極フレーム
02−1 燃料導入孔
02−2 排気流出孔
02−3 燃料極フレーム凹部
021 燃料極フレーム・バンド締結
021−1 燃料極締結ボス
022 燃料極フレーム・内蔵
022−1 燃料極・共通孔
03 空気極フレーム
03−1 空気導入孔
03−2 空気流出孔
03−3 空気極フレーム凹部
031 空気極フレーム・バンド締結
031−1 空気極締結ボス
032 空気極フレーム・内蔵
032−1 空気極・共通孔
04 燃料極集電体
04−1 燃料極集電体端子
05 空気極集電体
05−1 空気極集電体端子
06 スペーサ・スプリング
07 ユニット内部コネクタ
08 ユニット外部コネクタ
09 燃料供給パイプ
10 締結バンド
11 エンドプレートf
12 エンドプレートr
13 スプリング付きボルト
14 セル・ロアサポート
15 ガスケット・セルサポート
16 燃料マニホールド
17 空気通路
17−1 空気通路熱交換
17−2 空気通路予熱
18 排気通路
18−1 排気通路改質
18−2 排気通路下降
18−3 排気通路予熱
18−4 排気通路横移動
19 空気通路断熱材
20 排気通路断熱材
20−1 排気通路断熱材改質
20−2 排気通路断熱材予熱
21 セルサイド断熱材1
22 セルサイド断熱材r
23 燃料マニホールド断熱材
24 燃料供給口
24−1 燃料供給口改質
25 空気供給口
25−1 空気供給口予熱
26 排気口
26−1 排気口予熱
27 出力端子
28 ガスケット・燃料フロー
28−1 ガスケットホール
29 プラグ・燃料
30 バッフルプレート燃料
30−1 燃料凹凸面
30−2 燃料バイパス
30−3 燃料パスブランチ
30−4 ボス燃料
31 バッフルプレート空気
31−1 空気凹凸面
31−2 空気バイパス
31−3 空気パスブランチ
31−4 ボス空気
32 メタルメッシュ
32−1 メッシュ突部
33 熱交換器改質
34 熱交換器予熱
35 セパレータプレート
36 フロント断熱材
37 リヤ断熱材
50 金属インターコネクタ
50−1 燃料通路
50−2 空気通路
51 金属インターコネクタ用セル
51−1 セル接着部燃料
51−2 セル接着部空気
60 円筒型電解質
61 円筒型燃料極
62 円筒型空気極
63 円筒型セラミックインターコネクタ

A Fuel layer space B Air layer space 001 Cell unit 0011 Cell unit band fastening 0012 Cell unit fuel supply hole built-in 002 Cell stack 003 Cell assembly 005 SOFC with flat metal interconnector
006 Cylindrical SOFC
01 Cell 01-1 Electrolyte 01-2 Fuel electrode 01-3 Air electrode 02 Fuel electrode frame 02-1 Fuel introduction hole 02-2 Exhaust outlet hole 02-3 Fuel electrode frame recess 021 Fuel electrode frame / band fastening 021-1 Fuel Electrode fastening boss 022 Fuel electrode frame / built-in 022-1 Fuel electrode / common hole 03 Air electrode frame 03-1 Air introduction hole 03-3 Air outflow hole 03-3 Air electrode frame recess 031 Air electrode frame / band fastening 031-1 Air electrode fastening boss 032 Air electrode frame / built-in 032-1 Air electrode / common hole 04 Fuel electrode current collector 04-1 Fuel electrode current collector terminal 05 Air electrode current collector 05-1 Air electrode current collector terminal 06 Spacer Spring 07 Unit internal connector 08 Unit external connector 09 Fuel supply pipe 10 Fastening band 11 End plate f
12 End plate r
13 Bolt with Spring 14 Cell Lower Support 15 Gasket Cell Support 16 Fuel Manifold 17 Air Passage 17-1 Air Passage Heat Exchange 17-2 Air Passage Preheating 18 Exhaust Passage 18-1 Exhaust Passage Reform 18-2 Exhaust Passage Down 18 -3 Exhaust passage preheating 18-4 Exhaust passage lateral movement 19 Air passage insulation 20 Exhaust passage insulation 20-1 Exhaust passage insulation reform 20-2 Exhaust passage insulation preheat 21 Cell side insulation 1
22 Cell side insulation
23 Fuel manifold insulating material 24 Fuel supply port 24-1 Fuel supply port reforming 25 Air supply port 25-1 Air supply port preheating 26 Exhaust port 26-1 Exhaust port preheating 27 Output terminal 28 Gasket / fuel flow 28-1 Gasket hole 29 Plug and fuel 30 Baffle plate fuel 30-1 Fuel uneven surface 30-2 Fuel bypass 30-3 Fuel path branch 30-4 Boss fuel 31 Baffle plate air 31-1 Air uneven surface 31-2 Air bypass 31-3 Air path Branch 31-4 Boss air 32 Metal mesh 32-1 Mesh protrusion 33 Heat exchanger reforming 34 Heat exchanger preheating 35 Separator plate 36 Front heat insulating material 37 Rear heat insulating material 50 Metal interconnector 50-1 Fuel passage 50-2 Air Passage 51 Metal Interconnector Cell 51-1 Cell Adhesive Portion Fuel 51 2 cell adhesion portion air 60 cylindrical electrolyte 61 cylindrical fuel electrode 62 cylindrical air electrode 63 cylindrical ceramic interconnector

Claims (10)

平板型固体電解質型燃料電池セル(以下「セル」という)の一対を、各々の燃料極面を内側に向け、かつ一定空間を隔てて対向配置し、前記一定空間を燃料層空間とし、また前記セルの各々の空気極面外方部に空間を設けてなる平板型固体電解質型燃料電池セル・ユニット(以下「セル・ユニット」という)を備えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。   A pair of flat-type solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “cells”) are disposed opposite each other with a fuel electrode surface facing inward and with a fixed space therebetween, and the fixed space is defined as a fuel layer space, and A solid oxide fuel cell comprising a flat solid electrolyte fuel cell unit (hereinafter referred to as a “cell unit”) having a space provided on the outside of the air electrode surface of each cell. 請求項1記載のセル・ユニットの複数個を、同セル・ユニットの空気極面同士を一定空間を隔てて対向配置して連設し、前記燃料極面同士の一定空間を燃料層空間とし、前記空気極面同士間の一定空間を空気層空間としてなる固体電解質型燃料電池セル・スタック(以下「セル・スタック」という)を備えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。   A plurality of the cell units according to claim 1, wherein the air electrode surfaces of the cell units are arranged to face each other with a constant space therebetween, and the constant space between the fuel electrode surfaces is defined as a fuel layer space, A solid oxide fuel cell comprising a solid oxide fuel cell stack (hereinafter referred to as “cell stack”) in which a constant space between the air electrode surfaces is an air layer space. 前記燃料極周縁部に配置される枠型形状の燃料極フレームと、前記空気極周縁部に配置される枠型形状の空気極フレームを備えてなり、各々のフレームが燃料層空間及び空気層空間を形成するシール体を構成することを特徴とする請求項2に記載の固体電解質型燃料電池。   A frame-shaped fuel electrode frame disposed at the peripheral edge of the fuel electrode, and a frame-shaped air electrode frame disposed at the peripheral edge of the air electrode, each frame comprising a fuel layer space and an air layer space The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein a seal body is formed. 燃料極フレームが、該フレームの外部にある燃料供給部と連通する燃料導入孔と該フレームの外部にある排気通路に連通する排気流出孔とを有してなり、
また、空気極フレームが、該フレームの外部にある空気供給用の空気通路に連通する空気導入孔と、前記排気通路に連通する空気流出孔とを有してなることを特徴とする請求項2又は3のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
The fuel electrode frame has a fuel introduction hole that communicates with a fuel supply portion outside the frame, and an exhaust outflow hole that communicates with an exhaust passage outside the frame,
The air electrode frame has an air introduction hole communicating with an air passage for supplying air outside the frame and an air outflow hole communicating with the exhaust passage. 4. The solid oxide fuel cell according to any one of 3 or 3.
燃料導入孔が燃料供給用のマニホールドに連接されてなることを特徴とする請求項4記載の固体電解質型燃料電池。   5. The solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein the fuel introduction hole is connected to a manifold for fuel supply. 燃料導入孔がセル・スタックを構成する燃料極フレーム及び
空気極フレームに設けた燃料共穴に連通されてなることを特徴とする請求項4記載の固体電解質型燃料電池。
5. The solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein the fuel introduction hole communicates with a fuel common hole provided in the fuel electrode frame and the air electrode frame constituting the cell stack.
セル・ユニットの燃料極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を、また空気極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を各々接触配置してなることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。   A frame-shaped conductive anode current collector is disposed in contact with the periphery of the fuel electrode of the cell unit, and a frame-shaped conductive anode current collector is disposed in contact with the peripheral edge of the air electrode. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 3 to 6, wherein: セル・ユニットの燃料極周縁部に、枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を、また空気極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を各々ガスシールに必要とされる押圧力を与える弾性体を介して摺動可能に圧接配置されてなることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。   The gas seal requires a frame-shaped conductive anode current collector at the cell electrode periphery, and a frame-shaped conductive anode current collector at the air electrode periphery. 7. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the fuel cell is slidably pressed through an elastic body that gives a pressing force. 燃料層空間又は/及び空気層空間の中央部にバッフルプレートを挿設してなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein a baffle plate is inserted in a central portion of the fuel layer space and / or the air layer space. セル・スタックの空気通路及び排気通路に面していない外周面及びセル・スタックの外周部に設けた空気通路及び排気通路の外周面の全体を断熱材で包被してなることを特徴とする請求項4〜9のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
The outer peripheral surface not facing the air passage and the exhaust passage of the cell stack and the entire outer peripheral surface of the air passage and the exhaust passage provided on the outer peripheral portion of the cell stack are covered with a heat insulating material. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 4 to 9.
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