JP4776606B2

JP4776606B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4776606B2
Application number: JP2007277100A
Authority: JP
Inventors: 高志重久; 健児島津; 彰小梶
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2008047546A

Description

本発明は、特に起動を迅速に行うことができるとともに、発電量の低下を抑制することが可能な燃料電池に関するものである。 In particular, the present invention relates to a fuel cell that can be activated quickly and can suppress a decrease in the amount of power generation.

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。 In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.

固体電解質型燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルからなるセルスタックを収納容器内に収容して構成されており、固体電解質を用いた燃料電池は作動温度が６００〜１０００℃と高いため、この温度まで燃料電池セルを加熱する必要がある。 A solid oxide fuel cell is configured by storing a cell stack composed of a plurality of solid oxide fuel cells in a storage container, and a fuel cell using a solid electrolyte has a high operating temperature of 600 to 1000 ° C. It is necessary to heat the fuel cell to this temperature.

従来、円筒型の燃料電池セルが知られているが、この円筒型の燃料電池セルでは、その端部に非発電部が形成されているため、燃料電池セルが長くなるほど非発電部の割合が小さくなり、発電量が増大することや発電効率が高くなることなどから、燃料電池セルの長さは長い方がよいとされている。 Conventionally, a cylindrical fuel cell is known, but in this cylindrical fuel cell, since a non-power generation part is formed at an end thereof, the proportion of the non-power generation part increases as the fuel cell becomes longer. It is said that the longer the length of the fuel cell, the better because the power generation amount increases and the power generation efficiency increases.

このような長尺の円筒型燃料電池セルを用いた燃料電池においては、発電に関与しない余剰燃料（空気及び水素）を燃焼させる燃焼室を設け、この燃焼室内の燃焼ガスにより、燃料電池セルに導入される導入ガスを加熱するとともに、燃焼熱により間接的に燃料電池セルを加熱し、熱効率を高めることが行われている。 In a fuel cell using such a long cylindrical fuel cell, a combustion chamber for burning surplus fuel (air and hydrogen) not involved in power generation is provided, and the combustion gas in the combustion chamber causes the fuel cell to burn. In addition to heating the introduced gas to be introduced, the fuel cell is indirectly heated by the combustion heat to increase the thermal efficiency.

また、この手法では燃料電池セル自体が熱伝導体となり、燃焼室で発生する燃焼熱を、燃料電池セルの排出口側の端部から他端部に熱伝導させ、燃料電池セル全体が加熱されている（特許文献１参照）。
特開平４−２３７９６３号公報 In this method, the fuel cell itself becomes a heat conductor, and the combustion heat generated in the combustion chamber is conducted from the end on the discharge port side of the fuel cell to the other end to heat the entire fuel cell. (See Patent Document 1).
JP-A-4-237963

しかしながら、このような長尺の燃料電池セルを用いる燃料電池では、燃料電池セル自体を熱伝導体として燃料電池セルを加熱する効果は小さくなっている。 However, in a fuel cell using such a long fuel cell, the effect of heating the fuel cell with the fuel cell itself as a heat conductor is small.

また、燃料電池セルが大きいために、急激に加熱すると燃料電池セル内部での温度差が大きくなり、破壊に至るため、徐々に昇温する必要がある。そのため、起動時間が非常に長くなり、加熱を開始してから燃料電池が発電を開始するまでに、長時間を要する。 In addition, since the fuel cell is large, if it is heated rapidly, the temperature difference inside the fuel cell increases, leading to destruction, and it is necessary to gradually raise the temperature. Therefore, the startup time becomes very long, and it takes a long time from the start of heating until the fuel cell starts power generation.

また、頻繁に起動停止を行うような運転の形態では、発電時間に対して、起動時間の割合が自ずと増えるため、発電が行えない昇温時間が長くなり、これにより格段に発電効率を低下させることになる。 In addition, in the form of operation that frequently starts and stops, since the ratio of the start time naturally increases with respect to the power generation time, the temperature rise time during which power generation cannot be performed becomes longer, thereby significantly reducing the power generation efficiency. It will be.

一方で、燃料電池セル内に形成されたガス流路の断面積にバラツキがあった場合には、燃料電池セル間で供給されるガス量が均一とならず、燃料電池の発電量が低下するといったおそれがある。それゆえ、本発明は、起動時間を大幅に短縮できる燃料電池を提供することを目的とする。 On the other hand, when there is variation in the cross-sectional area of the gas flow path formed in the fuel cell, the amount of gas supplied between the fuel cells is not uniform, and the power generation amount of the fuel cell is reduced. There is a risk. Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can greatly shorten the startup time.

本発明の燃料電池は、収納容器内に、一方側が供給口とされ、他方側が排出口とされたガス流路が長手方向に形成されるとともに、固体電解質が燃料極及び空気極で挟持された発電部を有する柱状の燃料電池セルを、所定間隔をおいて複数並設した燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルをその側方から加熱する加熱体とを収納してなり、前記ガス流路の排出口より排出される燃料ガスを燃焼させるように構成してなる燃料電池であって、前記燃料電池セルの前記排出口側の端部に、ガス流路のガス流通量を抑制するガス排出抑制孔を有する蓋状部材が設けられていることを特徴とする。 In the fuel cell according to the present invention, a gas flow path having a supply port on one side and a discharge port on the other side is formed in the longitudinal direction in the storage container, and the solid electrolyte is sandwiched between the fuel electrode and the air electrode. The gas flow path comprises a fuel cell stack in which a plurality of columnar fuel cells having a power generation section are arranged in parallel at predetermined intervals, and a heating body that heats the fuel cells from the side thereof. A fuel cell configured to combust fuel gas discharged from a discharge port of the fuel cell, wherein a gas discharge that suppresses a gas flow rate of a gas flow path at an end of the fuel cell in the discharge port side A lid-like member having a suppression hole is provided.

このような燃料電池では、燃料電池セルの排出口側の端部近傍で燃料ガスと酸素含有ガスとを混合させ、燃焼させるように構成していることから、燃料ガスの燃焼により燃焼熱を発生させることができる。 In such a fuel cell, the fuel gas and the oxygen-containing gas are mixed and burnt near the end of the fuel cell at the discharge port side, so that combustion heat is generated by the combustion of the fuel gas. Can be made.

この燃焼熱を、燃料電池セル自身を熱伝導体として、燃料電池セルの排出口側の端部と逆の端部にまで伝導することで、燃料電池の起動時間を大幅に短縮できる。 By conducting this combustion heat to the end opposite to the end on the discharge port side of the fuel cell using the fuel cell itself as a heat conductor, the start-up time of the fuel cell can be greatly shortened.

また、収納容器内に、上記燃料電池セルを所定間隔をおいて複数並設した燃料電池セルスタックを収納することにより、燃料電池の起動時間を大幅に短縮できる。 Further, by storing a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are arranged in parallel at a predetermined interval in the storage container, the start-up time of the fuel cell can be greatly reduced.

また、このような燃料電池では、燃料電池セルの排出口側の端部からの熱伝導による加熱に加え、収納容器内に燃料電池セルを直接加熱する加熱体を設けることで、さらに、燃料電池セルが発電可能な温度に達するまでの時間が短縮され、起動時間を短縮することができる。 In addition, in such a fuel cell, in addition to heating by heat conduction from the end on the discharge port side of the fuel cell, a heating body that directly heats the fuel cell is provided in the storage container, and further, the fuel cell The time until the cell reaches a temperature at which power can be generated is shortened, and the startup time can be shortened.

さらに、このような燃料電池は、仮に、燃料電池セル内に形成されたガス流路の断面積にばらつきがあったとしても、燃料電池セルのガス排出口側の端部に、燃料電池セルの内部に設けられたガス流路のガス流通量を抑制し、流体抵抗を増大させるガス排出抑制孔を有する蓋状部材を設けることで、燃料電池セルに供給されるガス量は、燃料電池セルのガス流路の断面積に影響されず、ガス排出抑制孔を有する蓋状部材によって制御される。 Furthermore, even if such a fuel cell has a variation in the cross-sectional area of the gas flow path formed in the fuel cell, the end of the fuel cell on the gas outlet side of the fuel cell By providing a lid-like member having a gas discharge suppression hole that suppresses the gas flow rate of the gas flow path provided inside and increases fluid resistance, the amount of gas supplied to the fuel cell can be It is not affected by the cross-sectional area of the gas flow path and is controlled by a lid-like member having a gas discharge suppression hole.

そのため、複数の燃料電池セルにそれぞれ供給されるガス量を容易に均一にすることができ、容易に各燃料電池セルの発電量のばらつきを抑制することができるため、発電量の低下や、発電効率の低下、燃料電池セルの破壊を防止できる。 Therefore, the amount of gas supplied to each of the plurality of fuel cells can be easily made uniform, and variations in the amount of power generated by each fuel cell can be easily suppressed. Reduction in efficiency and destruction of fuel cell can be prevented.

また、蓋状部材を、耐熱性、耐熱衝撃性、強度に優れ、酸化雰囲気、還元雰囲気で安定な部材とすることで、急激な加熱によっても燃料電池セルが破壊されることがなくなる。 Further, by making the lid-like member a member that is excellent in heat resistance, thermal shock resistance, and strength and is stable in an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere, the fuel cell is not destroyed even by rapid heating.

本発明の燃料電池では、収納容器内に、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを所定間隔をおいて複数並設した燃料電池セルスタックと、燃料電池セルをその側方から加熱する加熱体とを収納してなり、ガス流路の排出口より排出される燃料ガスを燃焼させるように構成するとともに、燃料電池セルの排出側の端部に、ガス流路のガス流通量を抑制するガス排出抑制孔を有する蓋状部材を設けることにより、燃料電池セルの加熱に要する時間を大幅に短縮することが可能となり、起動時間を大幅に短縮できるとともに、各燃料電池セルの発電量のばらつきを抑制することができる。 In the fuel cell according to the present invention, a fuel cell stack in which a plurality of columnar fuel cells each having a gas flow path therein are arranged in parallel at a predetermined interval in the storage container, and the fuel cells are heated from the side. Contained with a heating element and configured to burn the fuel gas discharged from the outlet of the gas flow path, and suppress the gas flow rate of the gas flow path at the end of the discharge side of the fuel cell By providing a lid-like member having a gas discharge suppression hole, it is possible to significantly reduce the time required for heating the fuel cell, greatly reducing the startup time, and reducing the amount of power generated by each fuel cell. Variations can be suppressed.

図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号１は断熱構造を有する収納容器を示している。 FIG. 1 shows an embodiment of a fuel cell according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a storage container having a heat insulating structure.

収納容器１は、耐熱性金属からなる枠体（図示せず）と、この枠体の内面に設けられた断熱材（図示せず）とから構成されている。 The storage container 1 includes a frame body (not shown) made of a heat-resistant metal and a heat insulating material (not shown) provided on the inner surface of the frame body.

この収納容器１の内部には、複数の燃料電池セル２が集合した燃料電池セルスタック３が複数収納され、燃料電池セルスタック３を構成する燃料電池セル２の下端部は、燃料電池セル２の支持体を兼ねた燃料ガスタンク５の上蓋６に支持固定され、上端部は仕切り板７に支持固定されている。 A plurality of fuel battery cell stacks 3 in which a plurality of fuel battery cells 2 are assembled are housed inside the storage container 1, and the lower end portion of the fuel battery cells 2 constituting the fuel battery cell stack 3 is connected to the fuel battery cell 2. The fuel gas tank 5 also serving as a support is supported and fixed to the upper lid 6, and the upper end portion is supported and fixed to the partition plate 7.

この仕切り板７により、収納容器１内に発電室９と燃焼室１１が形成されている。また、この仕切り板７には酸素含有ガスを発電室９から燃焼室１１に導入する酸素含有ガス排出孔１３が形成されている。 A power generation chamber 9 and a combustion chamber 11 are formed in the storage container 1 by the partition plate 7. The partition plate 7 is formed with an oxygen-containing gas discharge hole 13 for introducing an oxygen-containing gas from the power generation chamber 9 to the combustion chamber 11.

この燃焼室１１に突出した燃料電池セル２の排出口側の端部近傍で、余剰の燃料ガスを燃焼させ、発生した燃焼熱を燃料電池セル２の加熱に利用する。この燃焼室１１に突出した燃料電池セル２の排出口側の端部には、燃料電池セル２内のガス流通量を制御し、燃料電池セル２を急激な加熱から保護する蓋状部材１４が設けられている。なお、燃焼室１１には、起動時に着火するための着火源（図示せず）が設けられている。 Excess fuel gas is combusted in the vicinity of the end on the discharge port side of the fuel cell 2 projecting into the combustion chamber 11, and the generated combustion heat is used for heating the fuel cell 2. At the end of the fuel cell 2 projecting into the combustion chamber 11 on the discharge port side, there is a lid-like member 14 that controls the amount of gas flow in the fuel cell 2 and protects the fuel cell 2 from sudden heating. Is provided. The combustion chamber 11 is provided with an ignition source (not shown) for igniting at startup.

また、燃料ガスタンク５の上蓋６ａと底板６ｂ並びに側板６ｃとで、燃料ガスタンク室１５を構成しており、この燃料ガスタンク室１５には燃料電池セル２の発電に要する燃料ガスを導入する燃料ガス導入管１７が接合されている。 The fuel gas tank 5 includes an upper cover 6a, a bottom plate 6b, and side plates 6c that form a fuel gas tank chamber 15. The fuel gas tank 15 introduces a fuel gas for introducing fuel gas required for power generation of the fuel cell 2. A tube 17 is joined.

燃料ガスタンク５の上蓋６にはガス通路（貫通孔）が形成され（図示せず）、このガス通路は燃料電池セル２のガス流路に連通しており、燃料ガスは、燃料ガス導入管１７、燃料ガスタンク室１５を介し、ガス通路、燃料電池セル２のガス流路を通過し、燃料電池セル２の排出口側の端部に設けられた蓋状部材１４のガス排出抑制孔から、燃焼室１１へと導入される。 A gas passage (through hole) is formed in the upper cover 6 of the fuel gas tank 5 (not shown). The gas passage communicates with the gas flow path of the fuel cell 2, and the fuel gas is supplied to the fuel gas introduction pipe 17. The fuel gas tank chamber 15 passes through the gas passage, the gas flow path of the fuel cell 2 and burns from the gas discharge suppression hole of the lid-like member 14 provided at the end of the fuel cell 2 on the discharge port side. It is introduced into the chamber 11.

そして、本発明の燃料電池では、例えば、燃料電池セル２の側方、すなわち、燃料電池セル２の側面と所定間隔をおいて燃料電池セル２を加熱する加熱体１９が配置されている。加熱体１９には、加熱体１９に加熱用ガスを供給する加熱用ガス導入管２１が接合されている。加熱体１９に供給される加熱用ガスは、少なくとも燃料電池セル２に酸素を供給するために、酸素を含有し、さらに、加熱体１９を燃焼バーナーとして用いる場合には可燃性ガスを含有する。発電や燃焼に用いられた排気ガスは燃焼室１１の側方に設けられたガス排気管２３より燃料電池外へ廃棄される。 In the fuel cell of the present invention, for example, a heating body 19 that heats the fuel cell 2 is disposed at a predetermined distance from the side of the fuel cell 2, that is, the side surface of the fuel cell 2. A heating gas introduction pipe 21 for supplying a heating gas to the heating body 19 is joined to the heating body 19. The heating gas supplied to the heating element 19 contains oxygen in order to supply oxygen to at least the fuel cell 2, and further contains a combustible gas when the heating element 19 is used as a combustion burner. Exhaust gas used for power generation and combustion is discarded outside the fuel cell through a gas exhaust pipe 23 provided on the side of the combustion chamber 11.

燃料電池セルスタック３は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル２を２列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル２の電極同士が導電部材２５で接続され、これにより２列に整列した複数の燃料電池セル２が電気的に直列に接続されている。 For example, as shown in FIG. 2, the fuel cell stack 3 includes a plurality of fuel cells 2 aligned in two rows, and the electrodes of the two outermost fuel cells 2 arranged adjacent to each other are electrically conductive members 25. Thus, a plurality of fuel cells 2 arranged in two rows are electrically connected in series.

一方の燃料電池セル２と、他方の燃料電池セル２との間には、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材２７を介在させ、一方の燃料電池セル２の燃料極２ｂを、支持体２ａに設けられたインターコネクタ２ｅ、集電部材２７を介して他方の燃料電池セル２の空気極２ｄに電気的に接続して、セルスタック３が構成されている。 A current collecting member 27 made of a metal felt and / or a metal plate is interposed between one fuel cell 2 and the other fuel cell 2 to support the fuel electrode 2b of the one fuel cell 2. A cell stack 3 is configured by being electrically connected to the air electrode 2d of the other fuel cell 2 via an interconnector 2e provided on the body 2a and a current collecting member 27.

図３は燃料電池セル２の構造を具体的に説明するもので、燃料電池セル２は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、弧状部ｍと、平坦部ｎがあり、その内部には複数のガス流路２９が長手方向に形成されている。すなわち、この燃料電池セル２は、ガス流路２９方向に長い形状である。 FIG. 3 specifically illustrates the structure of the fuel battery cell 2. The fuel battery cell 2 has a flat cross section and an overall elliptical cylindrical shape, and has an arcuate part m and a flat part n. In the interior, a plurality of gas flow paths 29 are formed in the longitudinal direction. That is, the fuel battery cell 2 has a shape that is long in the direction of the gas flow path 29.

この燃料電池セル２は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な支持体２ａの外面に、金属を主成分とする多孔質な燃料極２ｂ、緻密質な固体電解質２ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる空気極２ｄを順次積層し、支持体２ａ上の空気極２ｄが形成されていない領域にインターコネクタ２ｅを形成して構成されている。 This fuel cell 2 has a flat cross section, and an outer surface of a porous support body 2a having an elliptic cylinder shape as a whole, a porous fuel electrode 2b mainly composed of metal, and a dense solid electrolyte 2c. The air electrode 2d made of porous conductive ceramics is sequentially laminated, and the interconnector 2e is formed in a region on the support 2a where the air electrode 2d is not formed.

また、同時に、支持体２ａは多孔質であることが必要であり、また、支持体２ａの熱膨張係数を固体電解質２ｃなどと合わせる必要があるため、Ｎｉと熱膨張係数の小さい無機粉末とを混合して支持体２ａを作製する必要がある。なお、例えば、Ｎｉ等を多く含有させることにより、熱伝導率が大きい支持体２ａを形成することもできる。 At the same time, the support 2a needs to be porous, and the thermal expansion coefficient of the support 2a needs to be matched with that of the solid electrolyte 2c. Therefore, Ni and an inorganic powder having a low thermal expansion coefficient are combined. It is necessary to mix and produce the support body 2a. In addition, for example, the support body 2a with high heat conductivity can also be formed by containing many Ni etc.

従来、無機粉末としてＹ_２Ｏ_３を固溶したＺｒＯ_２が用いられているが、例えば、これに変えて熱膨張係数の低いＹ_２Ｏ_３を無機粉末として用いることで、支持体２ａのＮｉ量を増加させることができ、支持体２ａの熱伝導率を大きくすることができる。このように、燃料電池セル２の大部分を占める支持体２ａの熱伝導率を大きくすることで燃料電池セル２の長手方向の熱伝導率を大きくすることができる。また、高熱伝導率を有する支持体２ａが燃料電池セル２で占める割合を増やすことで、燃料電池セル２の長手方向の熱伝導率を大きくすることができる。 Conventionally, ZrO _{2 in} which Y ₂ O ₃ is dissolved as an inorganic powder has been used. For example, instead of this, Y ₂ O ₃ having a low thermal expansion coefficient is used as the inorganic powder, so that Ni of the support 2a can be used. The amount can be increased, and the thermal conductivity of the support 2a can be increased. Thus, the thermal conductivity of the fuel cell 2 in the longitudinal direction can be increased by increasing the thermal conductivity of the support 2a occupying most of the fuel cell 2. Moreover, the heat conductivity of the longitudinal direction of the fuel cell 2 can be enlarged by increasing the ratio which the support body 2a which has high heat conductivity occupies in the fuel cell 2.

燃料電池セル２において燃料極２ｂ、固体電解質２ｃ、空気極２ｄが重畳した部分が発電する部分である。 In the fuel cell 2, a portion where the fuel electrode 2b, the solid electrolyte 2c, and the air electrode 2d are superimposed is a portion that generates power.

燃料電池セル２の燃料極２ｂ、固体電解質２ｃ、空気極２ｄが重畳した部分は、発電室９の中央部に存在し、燃料電池セル２の両端部は、固体電解質２ｃの上面に空気極２ｄが形成されていない領域が形成されており、燃料電池セル２の両端部は発電に寄与していない。この空気極２ｄが形成されていない燃料電池セル２の両端部が燃料ガスタンク５の上蓋６および仕切り板７にそれぞれ支持されている。また、緻密な固体電解質２ｃにより、発電室９内における固体電解質２ｃの内外のガス混合を防止している。 A portion where the fuel electrode 2b, the solid electrolyte 2c, and the air electrode 2d of the fuel cell 2 are superimposed is present at the center of the power generation chamber 9, and both ends of the fuel cell 2 are on the upper surface of the solid electrolyte 2c. A region where no is formed is formed, and both end portions of the fuel cell 2 do not contribute to power generation. Both ends of the fuel cell 2 where the air electrode 2d is not formed are supported by the upper lid 6 and the partition plate 7 of the fuel gas tank 5, respectively. The dense solid electrolyte 2c prevents gas mixing inside and outside the solid electrolyte 2c in the power generation chamber 9.

図４は、排出口側の端部に蓋状部材１４を具備した燃料電池セル２を具体的に説明する斜視図である。蓋状部材１４により、燃料電池セル２のガス流量を制御することができ、燃料電池セル２間のガス流量のばらつきを防止できる。また、燃料電池セル２を急激な加熱から保護できる。 FIG. 4 is a perspective view for specifically explaining the fuel battery cell 2 having the lid-like member 14 at the end on the discharge port side. The lid member 14 can control the gas flow rate of the fuel cells 2 and can prevent variations in the gas flow rate between the fuel cells 2. Further, the fuel battery cell 2 can be protected from sudden heating.

この蓋状部材１４はキャップ形状をしており、ガス排出抑制孔３１が形成された遮蔽板１４ａ、燃料電池セル２に外嵌する環状体１４ｂとから構成されている。 The lid-like member 14 has a cap shape, and includes a shielding plate 14 a in which a gas discharge suppression hole 31 is formed, and an annular body 14 b that is externally fitted to the fuel cell 2.

この蓋状部材１４を用いることで、仮に、燃料電池セル２内に形成されたガス流路２９の形状が複数の燃料電池セル２間でばらついても、各燃料電池セル２に供給されるガス量を均一にすることができ、燃料電池の発電能力を向上させることができ、また、燃料枯れに伴い発生する金属成分の酸化による燃料電池セル２の電気的抵抗の増大や、空気枯れに伴い発生する固体電解質２ｃと空気極２ｄとの剥離による燃料電池セル２の破壊を防止できる。また、蓋状部材１４を設けることで燃料電池セル２のガス流通量を抑制できるため、燃料利用率を高くすることができる。 By using this lid-like member 14, even if the shape of the gas flow path 29 formed in the fuel cell 2 varies between the plurality of fuel cells 2, the gas supplied to each fuel cell 2 The amount can be made uniform, the power generation capacity of the fuel cell can be improved, the electrical resistance of the fuel cell 2 is increased by the oxidation of the metal component generated with the fuel withering, and with the air withering It is possible to prevent the fuel cell 2 from being broken due to separation between the generated solid electrolyte 2c and the air electrode 2d. Moreover, since the gas flow rate of the fuel cell 2 can be suppressed by providing the lid-like member 14, the fuel utilization rate can be increased.

図５は、排出口側の端部に蓋状部材１４を具備した燃料電池セル２を具体的に説明する端面図である。 FIG. 5 is an end view for specifically explaining the fuel cell 2 having the lid-like member 14 at the end on the discharge port side.

燃料電池セル２の排出口側の端面３３と、蓋状部材１４のガス排出抑制孔３１が設けられた遮蔽板１４ａ間には共通ガス室３５が形成されている。このように燃料電池セル２の排出口側の端面３３と遮蔽板１４ａ間に共通ガス室３５を設けることで、複数のガス流路２９を通過するガスは一旦、共通ガス室３５で合流するため、ガス排出抑制孔３１は例えば一つだけでもよい。 A common gas chamber 35 is formed between the end surface 33 on the discharge port side of the fuel cell 2 and the shielding plate 14 a provided with the gas discharge suppression hole 31 of the lid-like member 14. As described above, by providing the common gas chamber 35 between the end surface 33 on the discharge port side of the fuel cell 2 and the shielding plate 14 a, the gases passing through the plurality of gas flow paths 29 once merge in the common gas chamber 35. The gas discharge suppression hole 31 may be only one, for example.

燃料電池セル２内部に供給されるガスは、燃料電池セル２の排出口側の端部とは逆側の端部からガス流路２９に導入され、共通ガス室３５を経て、蓋状部材１４に設けられたガス排出抑制孔３１を通過し、燃料電池セル２外に排出される。また、燃料電池セル２の外部には、他のガスが供給され、多孔質の燃料極２ｂ、緻密質の固体電解質２ｃ、多孔質の空気極２ｄが積層された発電部で、燃料極２ｂと空気極２ｄ間の酸素濃度差に基づく発電が行われる。 The gas supplied to the inside of the fuel cell 2 is introduced into the gas flow path 29 from the end opposite to the end on the discharge port side of the fuel cell 2, passes through the common gas chamber 35, and then the lid-like member 14. It passes through the gas discharge suppression hole 31 provided in the fuel cell 2 and is discharged out of the fuel cell 2. In addition, another gas is supplied to the outside of the fuel battery cell 2, and in the power generation unit in which the porous fuel electrode 2b, the dense solid electrolyte 2c, and the porous air electrode 2d are stacked, the fuel electrode 2b Power generation based on the oxygen concentration difference between the air electrodes 2d is performed.

蓋状部材１４は、余剰のガスの燃焼により急激に加熱される燃料電池セル２の排出口側の端部を保護する機能も併せ持つため、急激な加熱に伴う燃料電池セル２の破壊を防止することができる。 Since the lid-like member 14 also has a function of protecting the end portion on the discharge port side of the fuel cell 2 that is rapidly heated by the combustion of excess gas, it prevents the fuel cell 2 from being destroyed due to rapid heating. be able to.

なお、この蓋状部材１４は、耐熱性、耐熱衝撃性、強度に優れ、酸化雰囲気、還元雰囲気で安定なアルミナやジルコニア、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニアなどが好適に用いられる。また、ガス排出抑制孔３１は穴状であっても、スリット状であってもよいが、作製が容易であり、より精度よくガス量を制御できる点から、スリット状であることが望ましい。また、ガス排出抑制孔３１は一つであっても、複数であってもよい。 The lid member 14 is preferably made of alumina, zirconia, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, etc. that are excellent in heat resistance, thermal shock resistance, and strength and are stable in an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. Further, the gas discharge suppression hole 31 may be a hole shape or a slit shape. However, the gas discharge suppression hole 31 is preferably a slit shape because it can be easily manufactured and the gas amount can be controlled more accurately. Moreover, the gas discharge suppression hole 31 may be one or plural.

以上のように構成された燃料電池では、定常運転時には、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を加熱用ガス導入管２１により、加熱体１９を通じ、発電室９の燃料電池セル２間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス導入管１７により、燃料ガスタンク室１５を介し、燃料電池セル２のガス流路２９内に供給し、発電室９における燃料電池セル２において発電させる。 In the fuel cell configured as described above, during normal operation, an oxygen-containing gas (for example, air) from the outside is ejected between the fuel cells 2 in the power generation chamber 9 through the heating body 19 through the heating gas introduction pipe 21. At the same time, fuel gas (for example, hydrogen) is supplied into the gas flow path 29 of the fuel cell 2 through the fuel gas tank chamber 15 through the fuel gas introduction pipe 17, and power is generated in the fuel cell 2 in the power generation chamber 9.

発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは、ガス流路２９の上端から蓋状部材１４のガス排出抑制孔３１を介して燃焼室１１内に噴出し、発電に用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、酸素含有ガス排出孔１３から燃焼室１１内に噴出し、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて、燃料電池セル２の排出口側の端部近傍で燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスは燃焼室１１の側方に設けられたガス排気管２３から排出される。 Excess fuel gas that has not been used for power generation is ejected from the upper end of the gas flow path 29 into the combustion chamber 11 through the gas discharge suppression hole 31 of the lid-like member 14, and contains excess oxygen that has not been used for power generation. The gas is ejected from the oxygen-containing gas discharge hole 13 into the combustion chamber 11, and the surplus fuel gas and the surplus oxygen-containing gas are reacted to burn near the end of the fuel cell 2 on the discharge port side. Gas is generated, and this combustion gas is discharged from a gas exhaust pipe 23 provided on the side of the combustion chamber 11.

このような構造を有する燃料電池では、燃焼室１１の燃料電池セル２の排出口側の端部近傍で発生した燃焼熱が、燃料電池セル２自身を熱伝導媒体として、燃料電池セル２を加熱できる。 In the fuel cell having such a structure, the combustion heat generated near the end of the combustion chamber 11 on the discharge port side of the fuel cell 2 heats the fuel cell 2 using the fuel cell 2 itself as a heat conduction medium. it can.

また、起動時には外部からの酸素含有ガス（例えば空気）と可燃性ガスとを加熱用ガス導入管２１により、加熱体１９を通じ、発電室９の燃料電池セル２間に噴出させ、加熱体１９の表面で燃焼させ、燃料電池セル２を燃料電池セル２の側面から直接加熱し、余剰の酸素含有ガスは、酸素含有ガス排出孔１３から燃焼室１１内に噴出する。さらに、燃料ガス導入管１７により、燃料ガスタンク室１５を介し、燃料電池セル２のガス流路２９内を通過し、さらに、蓋状部材１４に設けられたガス排出抑制孔３１を通過し、燃焼室１１に噴出した燃料ガスと、余剰の酸素含有ガスとは燃焼室１１で燃焼し、燃料電池セル２を燃料電池セル２の燃焼室１１側の排出口側の端部から加熱し、さらに起動時間を短縮できる。 Further, at the time of start-up, an oxygen-containing gas (for example, air) and a combustible gas from the outside are jetted between the fuel cells 2 of the power generation chamber 9 through the heating body 19 through the heating gas introduction pipe 21, The fuel cell 2 is directly heated from the side surface of the fuel cell 2 by burning on the surface, and surplus oxygen-containing gas is jetted into the combustion chamber 11 from the oxygen-containing gas discharge hole 13. Furthermore, the fuel gas introduction pipe 17 passes through the gas flow passage 29 of the fuel cell 2 through the fuel gas tank chamber 15, and further passes through the gas discharge suppression hole 31 provided in the lid-like member 14 to burn. The fuel gas ejected into the chamber 11 and the surplus oxygen-containing gas are combusted in the combustion chamber 11, the fuel cell 2 is heated from the end of the fuel cell 2 on the side of the combustion chamber 11, and further activated. You can save time.

なお加熱体１９は、電気式のヒーターでも、ガス燃焼式のバーナーでもよい。エネルギー効率を重視する場合、ガス燃焼式のバーナーを用いることが望ましい。また、電気式のヒーターは、制御が容易という点で望ましい。これらの加熱体１９は、燃料電池セル２近傍に配置し、燃料電池セル２を直接加熱できるようにすることが望ましい。 The heating element 19 may be an electric heater or a gas combustion burner. When considering energy efficiency, it is desirable to use a gas combustion type burner. An electric heater is desirable in terms of easy control. These heating elements 19 are desirably arranged in the vicinity of the fuel cell 2 so that the fuel cell 2 can be directly heated.

また、加熱体１９は面状の加熱体１９であることが望ましい。加熱体１９を面状加熱体とし、燃料電池セル２の側面に対向して配置することで、燃料電池セル２の側面の大部分を同時に加熱することが可能となるため、燃料電池セルの温度差による破壊を防ぐことができると同時に、急速な加熱が可能となり、さらに、起動時間を短縮できる。 The heating body 19 is preferably a planar heating body 19. Since the heating element 19 is a planar heating element and disposed opposite to the side surface of the fuel cell 2, most of the side surface of the fuel cell 2 can be simultaneously heated. Breakage due to the difference can be prevented, and at the same time, rapid heating is possible, and the start-up time can be shortened.

また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスの燃焼熱を、熱交換器などを利用し、導入ガスの加熱に用いることも可能であり、これにより、さらに起動時間を短縮できる。例えば、収納容器１内の燃焼室１１に熱交換器を設け、この熱交換器に加熱用ガス導入管２１と、加熱体１９を接続する。排出される燃焼ガスと、発電に用いられる酸素含有ガスとを熱交換器で熱交換し、酸素含有ガスを予熱する。予熱された酸素含有ガスを加熱体１９に導入し、酸素含有ガスを燃料電池セル２に供給する。このような構造では、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。 In addition, the combustion heat of surplus fuel gas and oxygen-containing gas that did not contribute to power generation can be used for heating the introduced gas by using a heat exchanger or the like, which can further shorten the startup time. . For example, a heat exchanger is provided in the combustion chamber 11 in the storage container 1, and a heating gas introduction pipe 21 and a heating body 19 are connected to the heat exchanger. The exhaust gas and the oxygen-containing gas used for power generation are heat-exchanged with a heat exchanger, and the oxygen-containing gas is preheated. The preheated oxygen-containing gas is introduced into the heating body 19, and the oxygen-containing gas is supplied to the fuel cell 2. In such a structure, it is not necessary to separately provide a burner for preheating the oxygen-containing gas, the size can be reduced, and the combustion gas can be used effectively.

なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図２に示したような楕円柱状で複数のガス流路２９を有する燃料電池セル２を用いてセルスタック３を構成した例について説明したが、燃料電池セル２は円筒状で、ガス流路２９が一つであっても良く、燃料電池セル２の形状は特に限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, in the above embodiment, the example in which the cell stack 3 is configured using the fuel cell 2 having the elliptical column shape and the plurality of gas flow paths 29 as illustrated in FIG. 2 is described. However, the fuel cell 2 is cylindrical. Thus, the number of gas flow paths 29 may be one, and the shape of the fuel cell 2 is not particularly limited.

本発明の燃料電池を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the fuel cell of this invention. 図１のセルスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the cell stack of FIG. 図１の燃料電池セルを示す横断面斜視図である。It is a cross-sectional perspective view which shows the fuel battery cell of FIG. 本発明の燃料電池セルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel battery cell of this invention. 図４の燃料電池セルを示す端面図である。It is an end view which shows the fuel battery cell of FIG.

Explanation of symbols

１・・・収納容器
２・・・燃料電池セル
２ｂ・・・燃料極
２ｃ・・・固体電解質
２ｄ・・・空気極
１４・・・蓋状部材
１９・・・加熱体
２９・・・ガス流路
３１・・・ガス排出抑制孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Storage container 2 ... Fuel cell 2b ... Fuel electrode 2c ... Solid electrolyte 2d ... Air electrode 14 ... Lid-like member 19 ... Heating body 29 ... Gas flow Path 31 ... Gas discharge suppression hole

Claims

A columnar fuel having a power generation part in which a solid electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a gas flow channel having a supply port on one side and a discharge port on the other side is formed in the longitudinal direction in the storage container A fuel cell stack in which a plurality of battery cells are arranged side by side at a predetermined interval and a heating body that heats the fuel cell from the side are housed, and discharged from an outlet of the gas flow path. A fuel cell configured to burn fuel gas, wherein the lid member has a gas discharge suppression hole at the end on the discharge port side of the fuel cell that suppresses the gas flow rate of the gas flow path. A fuel cell comprising: