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JP7001408B2 - Solid oxide fuel cell device - Google Patents

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JP7001408B2
JP7001408B2 JP2017183335A JP2017183335A JP7001408B2 JP 7001408 B2 JP7001408 B2 JP 7001408B2 JP 2017183335 A JP2017183335 A JP 2017183335A JP 2017183335 A JP2017183335 A JP 2017183335A JP 7001408 B2 JP7001408 B2 JP 7001408B2
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cell
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manifold
fuel cell
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文雄 坪井
卓哉 松尾
琢也 星子
修平 田中
晃 川上
直樹 渡邉
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Morimura SOFC Technology Co Ltd
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Morimura SOFC Technology Co Ltd
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Description

本発明は、燃料電池装置に関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device. In particular, the present invention relates to a solid oxide fuel cell device that generates power by reacting a fuel gas obtained by reforming a raw material gas with an oxidant gas.

固体酸化物形燃料電池装置(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極(燃料極)に燃料ガスを供給し、他方の電極(空気極)に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば700~1000℃程度の比較的高温で動作する。 The solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell: also referred to as "SOFC") uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, and a fuel cell with electrodes on both sides thereof is placed in a multi-module container. By disposing and supplying fuel gas to one electrode (fuel electrode) of the fuel cell and supplying oxidizing agent gas (air, oxygen, etc.) to the other electrode (air electrode), power is generated by a power generation reaction. It is a device for extracting electric power, and operates at a relatively high temperature of, for example, about 700 to 1000 ° C., as compared with other fuel cell devices such as a polymer electrolyte fuel cell device.

このような固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルとして、特許文献1に記載の扁平円筒型セル、特許文献2に記載の円筒型単セルや、特許文献3に記載の円筒横縞型などが知られている。 Examples of the fuel cell used in such a solid oxide fuel cell device include a flat cylindrical cell described in Patent Document 1, a cylindrical single cell described in Patent Document 2, and a cylindrical horizontal stripe type described in Patent Document 3. It has been known.

ところで、このような固体酸化物形燃料電池装置として、供給する燃料ガスの燃料電池セルにおける高い燃料利用率(Uf)と、高い発電効率が求められている。そこで燃料利用率及び発電効率の向上のため、特許文献4や特許文献5に記載のような燃料電池セル配列を2つのセル群に分割して燃料ガスのカスケード利用を促進した、二段構成のカスケード型燃料電池が提案されている。 By the way, as such a solid oxide fuel cell device, a high fuel utilization rate (Uf) in a fuel cell of the fuel gas to be supplied and a high power generation efficiency are required. Therefore, in order to improve the fuel utilization rate and power generation efficiency, the fuel cell arrangement as described in Patent Document 4 and Patent Document 5 is divided into two cell groups to promote the cascade utilization of fuel gas, which is a two-stage configuration. Cascade type fuel cells have been proposed.

特開2015-082389号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-082389 特許5234554号公報Japanese Patent No. 5234554 特開平7-130385号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-130385 特開2016-100136号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-100136 特開2016-100138号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-100138

しかし、このような二段構成のカスケード型燃料電池を従来の筒状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックおよび燃料電池装置に適用しようとすると、装置構成が複雑となり燃料電池装置の小型化が阻害されるなど、容易に構成することが難しい。 However, when an attempt is made to apply such a two-stage cascade type fuel cell to a fuel cell stack using a conventional tubular fuel cell and a fuel cell device, the device configuration becomes complicated and the fuel cell device becomes smaller. It is difficult to construct easily, such as being hindered.

特に、1次側のセル群の燃料電池セルの温度ムラによる発電効率の差異に起因して、燃料ガスにムラがある。このため、1次側のセル群の燃料電池セルから排出された燃料ガスをそのまま2次側のセル群の燃料電池セルに流入させると、2次側のセル群の燃料電池セルにおける発電効率にも差異が生じてしまう。 In particular, the fuel gas has unevenness due to the difference in power generation efficiency due to the temperature unevenness of the fuel cell of the cell group on the primary side. Therefore, if the fuel gas discharged from the fuel cell of the primary side cell group is directly flowed into the fuel cell of the secondary side cell group, the power generation efficiency in the fuel cell of the secondary side cell group is improved. Will also make a difference.

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、装置の煩雑化を抑制し小型化にも適用できる簡易な構成で、柱状の燃料電池セルを用いた二段構成のカスケード型の燃料電池スタック装置を提供することを目的としている。特に、2次側のセル群に流入する燃料ガスのムラを減少させることができる燃料電池スタック装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and has a simple configuration that can be applied to miniaturization by suppressing complication of the apparatus, and is a two-stage cascade type fuel cell using a columnar fuel cell. It is intended to provide a stacking device. In particular, it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack device capable of reducing unevenness of fuel gas flowing into a cell group on the secondary side.

本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを第1の方向に並置してなる第1のセルスタック及び第2のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、第1のセルスタックに接続され、第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第1のマニホールドと、第1のセルスタック及び第2のセルスタックに接続され、第1のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、第2のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに供給するための第2のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、第2のマニホールドには、第1のセルスタックが接続される第1の接続部と第2のセルスタックが接続される第2の接続部が設けられ、第2のマニホールド内には、第1の接続部が設けられた部分から第2の接続部が設けられた部分への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部が設けられており、流路抵抗部は、第1の方向に延びるように第2のマニホールド内に形成された隙間により構成され、隙間の高さは第1の接続部内の空間の高さよりも小さい、ことを特徴とする。
本発明において、好ましくは、隙間の高さは、第2の接続部内の空間の高さよりも小さい。
The fuel cell cell stack device of the present invention includes a first cell stack and a second cell stack in which a plurality of columnar fuel cell cells having a gas flow path extending in the longitudinal direction are juxtaposed in the first direction. A group of cells juxtaposed in the horizontal direction, a first manifold connected to the first cell stack and for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack, a first cell stack, and a first cell stack. A second cell that is connected to the second cell stack, recovers the fuel gas discharged from the first cell stack, and supplies the recovered fuel gas to each fuel cell of the second cell stack. A fuel cell cell stack device comprising a manifold, the second manifold being connected to a first connection to which the first cell stack is connected and a second connection to which the second cell stack is connected. A part is provided, and in the second manifold, a flow path resistance part that gives resistance to the flow of fuel gas from the part where the first connection part is provided to the part where the second connection part is provided is provided. The flow path resistance portion is composed of a gap formed in the second manifold so as to extend in the first direction, and the height of the gap is smaller than the height of the space in the first connection portion. It is characterized by that.
In the present invention, the height of the gap is preferably smaller than the height of the space in the second connection.

上記構成の本発明によれば、第1のセルスタックで使用された燃料ガスが第2のセルスタックに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。またセルの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池スタックを提供することができる。 According to the present invention having the above configuration, the fuel gas used in the first cell stack flows into the second cell stack and is further consumed, so that the fuel utilization rate can be increased. Further, since the fuel gas can be consumed in two stages without significantly changing the cell arrangement, it is possible to provide a fuel cell stack having high power generation efficiency and easy to manufacture.

上記構成の本発明によれば、第2のマニホールド内に流路抵抗部が設けられているため、第2のマニホールド内で第1のセルスタックから排出された燃料ガスが分散され、第2のセルスタックに均一な燃料ガスが供給される。 According to the present invention having the above configuration, since the flow path resistance portion is provided in the second manifold, the fuel gas discharged from the first cell stack is dispersed in the second manifold, and the second A uniform fuel gas is supplied to the cell stack.

本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第1のセルスタック及び第2のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、第1のセルスタックに接続され、第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第1のマニホールドと、第1のセルスタック及び第2のセルスタックに接続され、第1のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、第2のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに供給するための第2のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、第2のマニホールドには、第1のセルスタックが接続される第1の接続部と第2のセルスタックが接続される第2の接続部が設けられ、第2のマニホールド内には、第1の接続部が設けられた部分から第2の接続部が設けられた部分への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部が設けられており、第2のマニホールドは、第1の接続部の高さよりも、第2の接続部の高さが低くなるように構成されている。 In the fuel cell cell stack device of the present invention, a first cell stack and a second cell stack in which a plurality of columnar fuel cell stacks having a gas flow path extending in the longitudinal direction are juxtaposed are juxtaposed in the horizontal direction. A first manifold connected to the first cell stack and for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack, and a first cell stack and a second cell stack. It is provided with a second manifold for recovering the fuel gas discharged from the first cell stack and supplying the recovered fuel gas to each fuel cell of the second cell stack. In the fuel cell cell stack device, the second manifold is provided with a first connection portion to which the first cell stack is connected and a second connection portion to which the second cell stack is connected. In the second manifold, a flow path resistance portion that gives resistance to the flow of fuel gas from the portion provided with the first connection portion to the portion provided with the second connection portion is provided . The manifold 2 is configured so that the height of the second connection portion is lower than the height of the first connection portion.

上記構成の本発明によれば、第1のセルスタックに接続される第1の接続部の高さよりも、第2のセルスタックに接続される第2の接続部の高さが低くなっているため、第2のマニホールド内に容易に流路抵抗部を形成することができる。 According to the present invention of the above configuration, the height of the second connection portion connected to the second cell stack is lower than the height of the first connection portion connected to the first cell stack. Therefore, the flow path resistance portion can be easily formed in the second manifold.

本発明において、好ましくは、第2のマニホールドは、第1の接続部が形成された第1の枠体と、第2の接続部が形成され、第1の枠体と同一形状の第2の枠体と、第1の枠体及び第2の枠体が上面に固定される筐体部材と、を備え、第2の枠体は、筐体部材の上面に対し、第1の枠体よりも低い位置に固定され、流路抵抗部が、第2の枠体の下端と筐体部材の底面との間の隙間により構成されている。
上記の構成の本発明によれば、筐体部材への第1の枠体及び第2の枠体の固定する高さを調整することにより、同一形状の枠体を使用して、第2のマニホールド内に容易に流路抵抗部を形成することができる。
In the present invention, preferably, the second manifold has a first frame body in which the first connection portion is formed and a second frame body in which the second connection portion is formed and has the same shape as the first frame body. A frame body and a housing member to which the first frame body and the second frame body are fixed to the upper surface are provided, and the second frame body is from the first frame body with respect to the upper surface of the housing member. Is fixed at a low position, and the flow path resistance portion is formed by a gap between the lower end of the second frame and the bottom surface of the housing member.
According to the present invention having the above configuration, by adjusting the height at which the first frame body and the second frame body are fixed to the housing member, the frame body having the same shape is used, and the second frame body is used. A flow path resistance portion can be easily formed in the manifold.

本発明において、好ましくは、第2のマニホールドは、第1の接続部が形成された第1の枠体と、第2の接続部が形成された第2の枠体と、第1の枠体及び第2の枠体が上面に固定される筐体部材と、を備え、筐体部材の上面は、第1の枠体が固定される部分よりも、第2の枠体が固定される部分が低くなるように構成され、流路抵抗部が、第2の枠体の下端と筐体部材の底面との間の隙間により構成されている。
上記構成の本発明によれば、筐体部材の上面の第1の枠体及び第2の枠体が固定される部分の高さを変更することにより、第2のマニホールド内に容易に流路抵抗部を形成することができる。
In the present invention, preferably, the second manifold has a first frame body on which the first connection portion is formed, a second frame body on which the second connection portion is formed, and a first frame body. And a housing member to which the second frame is fixed to the upper surface, and the upper surface of the housing member is a portion to which the second frame is fixed rather than a portion to which the first frame is fixed. The flow path resistance portion is configured to be low, and the flow path resistance portion is configured by a gap between the lower end of the second frame body and the bottom surface of the housing member.
According to the present invention having the above configuration, by changing the height of the portion where the first frame body and the second frame body are fixed on the upper surface of the housing member, the flow path can be easily flown into the second manifold. A resistance portion can be formed.

本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第1のセルスタック及び第2のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、第1のセルスタックに接続され、第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第1のマニホールドと、第1のセルスタック及び第2のセルスタックに接続され、第1のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、第2のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに供給するための第2のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、第2のマニホールドには、第1のセルスタックが接続される第1の接続部と第2のセルスタックが接続される第2の接続部が設けられ、第2のマニホールド内には、第1の接続部が設けられた部分から第2の接続部が設けられた部分への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部が設けられており、さらに、第2のセルスタックの上方に配置され、原料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質し、第1のマニホールドに燃料ガスを供給する改質器を備え、第1のセルスタックの上端は、第1のマニホールドの下端部に接続され、第1のマニホールドの下端部と、改質器の下端部とは同じ高さに位置している。 In the fuel cell cell stack device of the present invention, a first cell stack and a second cell stack in which a plurality of columnar fuel cell stacks having a gas flow path extending in the longitudinal direction are juxtaposed are juxtaposed in the horizontal direction. A first manifold connected to the first cell stack and for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack, and a first cell stack and a second cell stack. It is provided with a second manifold for recovering the fuel gas discharged from the first cell stack and supplying the recovered fuel gas to each fuel cell of the second cell stack. In the fuel cell cell stack device, the second manifold is provided with a first connection portion to which the first cell stack is connected and a second connection portion to which the second cell stack is connected. In the second manifold, a flow path resistance portion that gives resistance to the flow of fuel gas from the portion provided with the first connection portion to the portion provided with the second connection portion is provided, and further. Located above the second cell stack, it is equipped with a reformer that reforms the raw material gas into a fuel gas containing hydrogen and supplies the fuel gas to the first manifold, and the upper end of the first cell stack is , It is connected to the lower end of the first manifold, and the lower end of the first manifold and the lower end of the reformer are located at the same height.

第2のマニホールドは、第1のセルスタックに接続される第1の接続部の高さよりも、第2のセルスタックに接続される第2の接続部の高さが低くなるように構成されているため、第2のセルスタックの上端は第1のセルスタックの上端よりも下方に位置する。このため、上記構成の本発明のように、第1のマニホールドの下端部と、改質器の下端部とは同じ高さに配置しても、改質器の下方と第2の接続部との間に燃焼部を設ける空間を確保することができる。 The second manifold is configured such that the height of the second connection connected to the second cell stack is lower than the height of the first connection connected to the first cell stack. Therefore, the upper end of the second cell stack is located below the upper end of the first cell stack. Therefore, as in the present invention having the above configuration, even if the lower end of the first manifold and the lower end of the reformer are arranged at the same height, the lower portion of the reformer and the second connection portion are connected. It is possible to secure a space for providing a combustion part between the two.

本発明によれば、装置の煩雑化を抑制し小型化にも適用できる簡易な構成で、柱状の燃料電池セルを用いた二段構成のカスケード型の燃料電池スタック及び燃料電池装置を提供することができる。 According to the present invention, a two-stage cascade type fuel cell stack and a fuel cell device using a columnar fuel cell are provided with a simple configuration that can be applied to miniaturization by suppressing the complexity of the device. Can be done.

特に、2次側のセル群に流入する燃料ガスのムラを減少させることができる燃料電池スタック装置を提供することができる。 In particular, it is possible to provide a fuel cell stack device capable of reducing unevenness of the fuel gas flowing into the cell group on the secondary side.

本発明の燃料電池スタックの基本構成を説明するための側面図である。It is a side view for demonstrating the basic structure of the fuel cell stack of this invention. 本発明の燃料電池スタックの燃料消費を説明する図である。It is a figure explaining the fuel consumption of the fuel cell stack of this invention. 本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第1のセルスタック側から見た斜視図である。It is a perspective view which saw from the 1st cell stack side which shows the fuel cell cell stack apparatus by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の上面図である。It is a top view of the fuel cell stacking apparatus according to 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置を構成する第1のセルスタックの部分水平断面図である。It is a partial horizontal sectional view of the 1st cell stack which constitutes the fuel cell cell stack apparatus according to 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の鉛直断面図である。It is a vertical sectional view of the fuel cell stacking apparatus according to 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の第1のマニホールドの鉛直断面図である。It is a vertical sectional view of the 1st manifold of the fuel cell stacking apparatus according to 1st Embodiment of this invention. 発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の第2のマニホールドの拡大鉛直断面図である。It is an enlarged vertical sectional view of the 2nd manifold of the fuel cell stacking apparatus according to 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の第2のマニホールドの変形例を示す鉛直断面図である。It is a vertical sectional view which shows the modification of the 2nd manifold of the fuel cell stack device by 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による燃料電池セルを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell according to the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による燃料電池セルを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell according to the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による燃料電池スタックを示す側面図である。It is a side view which shows the fuel cell stack by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による燃料電池スタックを示す側面図である。It is a side view which shows the fuel cell stack by 2nd Embodiment of this invention.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更することができる。 Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the drawings. From the following description, many improvements and other embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art. Therefore, the following description should be construed as an example only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best embodiments of the present invention. The details of its structure and / or function can be substantially modified without departing from the spirit of the present invention.

まず、本発明の基本構成について説明する。図1は本発明の燃料電池スタック100の基本構成を説明するための側面図である。図1に示すように、燃料電池スタック100は、ガス流路が内部に設けられた複数の柱状のセル1と、マニホールド2bと、マニホールド2aとから構成される。セル1は、一端側(図1においては下端側)を一つのマニホールド2bにすべて立設して支持固定されている。ここで複数のセル1は、他端側(図1においては上端側)にマニホールド2aが設置され、このマニホールド2aに固定されるセル群10aと、マニホールド2aとは接続されずに他端側が開放されているセル群10bとに分かれて構成される。複数のセル1は、電気的に直列になるようにそれぞれが接続されている(図示せず)。 First, the basic configuration of the present invention will be described. FIG. 1 is a side view for explaining the basic configuration of the fuel cell stack 100 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 100 is composed of a plurality of columnar cells 1 having a gas flow path inside, a manifold 2b, and a manifold 2a. The cell 1 is supported and fixed with one end side (lower end side in FIG. 1) standing upright on one manifold 2b. Here, in the plurality of cells 1, a manifold 2a is installed on the other end side (upper end side in FIG. 1), and the cell group 10a fixed to the manifold 2a and the other end side are open without being connected to the manifold 2a. It is divided into the cell group 10b and the cell group 10b. The plurality of cells 1 are connected to each other so as to be electrically connected in series (not shown).

マニホールド2aの内部に燃料ガスが供給されると、セル群10aを他端側から一端側に燃料ガスが流通し、マニホールド2b内へ流れ込んだ燃料ガスはマニホールド2b内で分散され、セル群10bの一端側から他端側に向かって流れた後に、セル群10bの他端側から燃料電池スタック100の外部へ排出される。 When the fuel gas is supplied to the inside of the manifold 2a, the fuel gas flows from the other end side to the one end side of the cell group 10a, and the fuel gas flowing into the manifold 2b is dispersed in the manifold 2b, and the cell group 10b After flowing from one end side to the other end side, the fuel cell group 10b is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 from the other end side.

ここで燃料の消費について、図2(A)及び図2(B)を用いて説明する。 Here, fuel consumption will be described with reference to FIGS. 2 (A) and 2 (B).

燃料ガスを図2(A)に記載のように、セル群10a及びセル群10bとの二段階で消費させて発電する場合、マニホールド2aに供給される改質ガスを含む燃料ガスを100とし、セル群10aで消費される量を40とすると、セル群10aは40÷100=0.4と計算されるから燃料利用率(Uf)は40%となる。さらに、セル群10aから排出される未使用の燃料ガスは60であり、これがセル群10bに供給される。セル群10bで消費される量をセル群10aと同じ40とすると、セル群10bにおける燃料利用率は、40÷60=0.667・・・であるから、燃料利用率は約67%となる。 As shown in FIG. 2A, when the fuel gas is consumed in two stages of the cell group 10a and the cell group 10b to generate power, the fuel gas including the reformed gas supplied to the manifold 2a is set to 100. Assuming that the amount consumed by the cell group 10a is 40, the fuel utilization rate (Uf) is 40% because the cell group 10a is calculated as 40 ÷ 100 = 0.4. Further, the unused fuel gas discharged from the cell group 10a is 60, which is supplied to the cell group 10b. Assuming that the amount consumed by the cell group 10b is 40, which is the same as the cell group 10a, the fuel utilization rate in the cell group 10b is 40 ÷ 60 = 0.667 ..., So the fuel utilization rate is about 67%. ..

これに対して二段階で発電しない場合、すなわち一段階で発電する場合は、同様に燃料を100とし、セル群で消費される量を一段階で消費するので80とすると、80÷100=0.8と計算され、燃料利用率Ufは80%となる。 On the other hand, when power is not generated in two stages, that is, when power is generated in one stage, the fuel is similarly 100, and the amount consumed by the cell group is consumed in one stage, so if it is 80, 80 ÷ 100 = 0. Calculated as 0.8, the fuel utilization rate Uf is 80%.

燃料利用率が80%以上になると、水蒸気分圧が高くなりすぎることでセルの起電力が低下してしまう。すなわち、ネルンストロスの影響を受けるので電位が低下傾向を示し、発電効率が下がってしまう。また燃料利用率が高くなりすぎると、セルの電極の酸化に対するリスクが高まり、セルの耐久性が悪化する。 When the fuel utilization rate is 80% or more, the partial pressure of water vapor becomes too high and the electromotive force of the cell decreases. That is, because it is affected by Nernstros, the potential tends to decrease, and the power generation efficiency decreases. Further, if the fuel utilization rate becomes too high, the risk of oxidation of the electrode of the cell increases, and the durability of the cell deteriorates.

以上の点から、複数のセルを二段階となるようにセル群10a及びセル群10bとで構成して発電反応させることにより、各セル群については燃料利用率を低く維持するとともに、燃料電池スタック全体としては燃料利用率(すなわち発電効率)を高くすることができる。 From the above points, by forming a plurality of cells into a cell group 10a and a cell group 10b so as to have two stages and causing a power generation reaction, the fuel utilization rate of each cell group is maintained low and the fuel cell stack is maintained. As a whole, the fuel utilization rate (that is, power generation efficiency) can be increased.

なお本明細書において、燃料ガスのカスケード利用を実現するために二段構成に分離したセル群のうち上流側のセル群10aを、「1段目セル群」、「第1のセルスタック」、又は「1次側セル群」とよび、下流側のセル群10bを「2段目セル群」、「第2のセルスタック」又は「2次側セル群」とよぶ場合があるが、いずれも同義である。 In the present specification, the cell group 10a on the upstream side of the cell group separated into two stages in order to realize the cascade use of fuel gas is referred to as "first stage cell group", "first cell stack", and "first cell stack". Alternatively, it may be called a "primary cell group", and the downstream cell group 10b may be called a "second stage cell group", a "second cell stack", or a "secondary cell group", but both of them may be called. It is synonymous.

以上のように、他端側のマニホールドから燃料ガスを流入させ、一端側のマニホールドで未使用ガスを集約し、開放側のセル群へ供給するとのセル群の二段構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。 As described above, a plurality of cells are configured by allowing fuel gas to flow in from the manifold on the other end side, collecting unused gas in the manifold on the one end side, and supplying it to the cell group on the open side. Conventional fuel by simply adjusting the number of cells on the upstream side and the downstream side without significantly restricting or hindering the arrangement of cells, the electrical series connection between cells, the flow of air for power generation, etc. It is possible to provide a fuel cell stack having a high fuel utilization rate to which the structure of the battery module can be applied as it is.

また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、1kw程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。 Further, by arranging the reformer or the evaporator in the combustion region where the off gas discharged from the fuel cell stack is burned, it is possible to apply the same arrangement configuration as the conventional fuel cell module. Therefore, it is possible to support a small fuel cell device having an output performance of about 1 kW, and to provide a highly efficient and highly durable fuel cell system.

以下、本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置を説明する。図3は、本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第1のセルスタック側から見た斜視図である。図4は、本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の上面図である。図5は、本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置を構成する第1のセルスタックの部分水平断面図である。図6は、本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の鉛直断面図である。図7は、本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の第1のマニホールドの鉛直断面図である。図8は、本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の第2のマニホールドの拡大鉛直断面図である。なお、図3及び図4では仕切り板を省略している。 Hereinafter, the fuel cell stacking device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a perspective view showing the fuel cell cell stack device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the first cell stack side. FIG. 4 is a top view of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a partial horizontal sectional view of a first cell stack constituting the fuel cell cell stack device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a vertical sectional view of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a vertical sectional view of a first manifold of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is an enlarged vertical sectional view of a second manifold of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. The partition plate is omitted in FIGS. 3 and 4.

図3~図6に示すように、燃料電池セルスタック装置100は、第1のセルスタック10aと、複数の柱状の燃料電池セル1により構成された第2のセルスタック10bと、第1のセルスタック10aの上方に設けられた第1のマニホールド2aと、第1のセルスタック10a及び第2のセルスタック10bの下方に設けられたマニホールド2bと、第2のセルスタック10bの上方に設けられ、改質触媒が充填された改質部Bを有する改質器12と、から構成される。改質器12と第1のマニホールド2aとは接続部14を介して流体接続されている。また、第1のセルスタック10aと、第2のセルスタック10bとの間には、仕切り板60が設けられている。 As shown in FIGS. 3 to 6, the fuel cell stack device 100 includes a first cell stack 10a, a second cell stack 10b composed of a plurality of columnar fuel cell cells 1, and a first cell. A first manifold 2a provided above the stack 10a, a manifold 2b provided below the first cell stack 10a and the second cell stack 10b, and above the second cell stack 10b. It is composed of a reformer 12 having a reforming unit B filled with a reforming catalyst. The reformer 12 and the first manifold 2a are fluidly connected via a connecting portion 14. Further, a partition plate 60 is provided between the first cell stack 10a and the second cell stack 10b.

図6に示すように、燃料電池セルスタック装置100は断熱材90により包囲されている。断熱材90の外周には内側ハウジング92が設けられており、さらに、内側ハウジング92の外周には外側ハウジング94が取り付けらえている。内側ハウジング92と断熱材90との間には排ガス流路96が形成されている。また、内側ハウジング92と外側ハウジング94との間には空気流路98が形成されている。仕切り板60の上端は内側ハウジング92に接続されている。内側ハウジング92の下面に排ガス流路96と連通し、外側ハウジング94の外部まで延びる排ガス排出孔92aが形成されている。また、外側ハウジング94の下面には、空気流路98と連通し、外側ハウジング94の外部まで延びる空気流入孔(図示せず)が形成されている。 As shown in FIG. 6, the fuel cell stack device 100 is surrounded by the heat insulating material 90. An inner housing 92 is provided on the outer periphery of the heat insulating material 90, and an outer housing 94 is attached to the outer periphery of the inner housing 92. An exhaust gas flow path 96 is formed between the inner housing 92 and the heat insulating material 90. Further, an air flow path 98 is formed between the inner housing 92 and the outer housing 94. The upper end of the partition plate 60 is connected to the inner housing 92. An exhaust gas discharge hole 92a that communicates with the exhaust gas flow path 96 and extends to the outside of the outer housing 94 is formed on the lower surface of the inner housing 92. Further, on the lower surface of the outer housing 94, an air inflow hole (not shown) that communicates with the air flow path 98 and extends to the outside of the outer housing 94 is formed.

第1のセルスタック10aは、内部に軸方向に延びるガス流路が形成された複数の柱状の燃料電池セル1aが水平方向(横方向)に一列に配列されてなる。また、第2のセルスタック10bも、第1のセルスタック10aと同様に、内部に軸方向に延びるガス流路が形成された複数の柱状の燃料電池セル1bが水平方向(横方向)に一列に配列されてなる。 The first cell stack 10a is formed by arranging a plurality of columnar fuel cell cells 1a having a gas flow path extending in the axial direction inside in a row in the horizontal direction (horizontal direction). Further, in the second cell stack 10b, similarly to the first cell stack 10a, a plurality of columnar fuel cell cells 1b having a gas flow path extending in the axial direction inside are arranged in a horizontal direction (horizontal direction). It is arranged in.

第1のセルスタック10aを構成するそれぞれの燃料電池セル1aの上端は、第1のマニホールド2aに流体接続されている。また、第1のセルスタック10aを構成するそれぞれの燃料電池セル1aの下端は、第2のマニホールド2bの短辺方向一側に流体接続されている。第2のセルスタック10bを構成するそれぞれの燃料電池セル1bの下端は、第2のマニホールド2bの短辺方向他側に流体接続されている。第2のセルスタック10bを構成するそれぞれの燃料電池セル1bの上端は開放されており、第2のセルスタック10の上端と、改質器12との間には、第2のセルスタック10bから放出されたガスが燃焼される燃焼部18が形成されている。 The upper end of each fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a is fluidly connected to the first manifold 2a. Further, the lower end of each fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a is fluidly connected to one side in the short side direction of the second manifold 2b. The lower end of each fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b is fluidly connected to the other side in the short side direction of the second manifold 2b. The upper end of each fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b is open, and the upper end of the second cell stack 10 and the reformer 12 are separated from the second cell stack 10b. A combustion unit 18 is formed in which the released gas is burned.

改質器12には、原料ガス及び水(又は水蒸気)が供給される。改質器12は、燃焼部18の熱により供給された燃料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する。改質器12により改質された燃料ガスは、接続部14を介して第1のマニホールド2aに供給される。第1のマニホールド2aに供給された燃料ガスは、第1のセルスタック10aを構成する燃料電池セル1aに送られ、燃料電池セル1aの内部流路に下方に向かって流れる。この際、第1のセルスタック10aの燃料電池セル1aにより発電がおこなわれる。 Raw material gas and water (or steam) are supplied to the reformer 12. The reformer 12 reforms the fuel gas supplied by the heat of the combustion unit 18 into a fuel gas containing hydrogen. The fuel gas reformed by the reformer 12 is supplied to the first manifold 2a via the connecting portion 14. The fuel gas supplied to the first manifold 2a is sent to the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a and flows downward into the internal flow path of the fuel cell 1a. At this time, power is generated by the fuel cell 1a of the first cell stack 10a.

第1のセルスタック10aの燃料電池セル1aから排出された燃料ガスは、第2のマニホールド2bにより回収される。第2のマニホールド2bにより回収された燃料ガスは、第2のセルスタック10bを構成する燃料電池セル1bの内部流路に供給され、内部流路を上方に向かって流れる。この際、第2のセルスタック10bの燃料電池セル1bにより発電がおこなわれる。 The fuel gas discharged from the fuel cell 1a of the first cell stack 10a is recovered by the second manifold 2b. The fuel gas recovered by the second manifold 2b is supplied to the internal flow path of the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b, and flows upward in the internal flow path. At this time, power is generated by the fuel cell 1b of the second cell stack 10b.

第2のセルスタック10bの燃料電池セル1bを通過した燃料ガスは、第2のセルスタック10bの上方の燃焼部18に排出される。そして、燃焼部18に排出された発電に使用されなかった燃料ガスは着火され燃焼される。なお、本実施形態では、セル群は1つの第1のセルスタック10aと、1つの第2のセルスタック10bのみを含んで構成されている。しかしながら、第1のセルスタックを2つ以上設けてもよく、第2のセルスタックを2つ以上設けてもよく、第2のセルスタックの下流に第3のセルスタックを設けてもよい。 The fuel gas that has passed through the fuel cell 1b of the second cell stack 10b is discharged to the combustion unit 18 above the second cell stack 10b. Then, the fuel gas discharged to the combustion unit 18 and not used for power generation is ignited and burned. In this embodiment, the cell group includes only one first cell stack 10a and one second cell stack 10b. However, two or more first cell stacks may be provided, two or more second cell stacks may be provided, and a third cell stack may be provided downstream of the second cell stack.

図5に示すように、第1のセルスタック10aは、複数の燃料電池セル1aが一列に間隔をあけて並置されており、隣接する燃料電池セル1aの間に集電部材30が配置されて構成されている。これにより、複数の燃料電池セル1aは直列に電気的に接続されている。また、第1のセルスタック10aの最も外側に位置する燃料電池セル1aに端部集電部材30aが接着されている。また、これと同様に、第2のセルスタック10bの最も外側に位置する燃料電池セル1bに端部集電部材30bが接着されている。燃料電池セルスタック装置100の一方の側において、第1のセルスタック10aの端部集電部材30aは、第2のセルスタック10bの端部集電部材30bと連結集電部材32を介して接続されている。これにより、第1のセルスタック10aを構成する燃料電池セル1aと、第2のセルスタック10bを構成する燃料電池セル1bとは直列接続される。そして、燃料電池セルスタック装置100の他方の側の第1のセルスタック10aの端部集電部材30aと、第2のセルスタック10bの端部集電部材30bとから発電された電流が取り出される。なお、本実施形態では、第1のセルスタック10aを構成する燃料電池セル1aと、第2のセルスタック10bを構成する燃料電池セル1bとは直列接続されているが、並列接続とすることも可能である。
各燃料電池セル1aの内部には、一端から他端へ貫通するガス流路が形成されている。
As shown in FIG. 5, in the first cell stack 10a, a plurality of fuel cell cells 1a are arranged side by side at intervals in a row, and a current collector member 30 is arranged between adjacent fuel cell cells 1a. It is configured. As a result, the plurality of fuel cell cells 1a are electrically connected in series. Further, the end current collector member 30a is adhered to the fuel cell 1a located on the outermost side of the first cell stack 10a. Similarly to this, the end current collector member 30b is adhered to the fuel cell 1b located on the outermost side of the second cell stack 10b. On one side of the fuel cell cell stack device 100, the end current collector 30a of the first cell stack 10a is connected to the end current collector 30b of the second cell stack 10b via a connected current collector 32. Has been done. As a result, the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a and the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b are connected in series. Then, the current generated from the end current collecting member 30a of the first cell stack 10a on the other side of the fuel cell cell stack device 100 and the end current collecting member 30b of the second cell stack 10b is taken out. .. In the present embodiment, the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a and the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b are connected in series, but may be connected in parallel. It is possible.
Inside each fuel cell 1a, a gas flow path penetrating from one end to the other is formed.

燃料電池セル1aは、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板34と、支持基板34の一方の平坦面上に形成された燃料側電極層36と、燃料側電極層36の外面に形成された固体電解質層38と、固体電解質層38の外面に形成された空気側電極層40と、からなる。また、燃料電池セル1aの他方の平坦面上にはインターコネクタ42が設けられている。 The fuel cell 1a has a columnar conductive support substrate 34 having a pair of facing flat surfaces, a fuel side electrode layer 36 formed on one flat surface of the support substrate 34, and an outer surface of the fuel side electrode layer 36. It is composed of a solid electrolyte layer 38 formed in the solid electrolyte layer 38 and an air side electrode layer 40 formed on the outer surface of the solid electrolyte layer 38. Further, an interconnector 42 is provided on the other flat surface of the fuel cell 1a.

支持基板34の内部には、軸方向に燃料ガスを流すためのガス流路34Aが両端部の間にわたって形成されている。インターコネクタ42の外面にはP型半導体層44が設けられている。インターコネクタ42は、P型半導体層44を介して、集電部材30に接続させている。 Inside the support substrate 34, a gas flow path 34A for flowing fuel gas in the axial direction is formed between both ends. A P-type semiconductor layer 44 is provided on the outer surface of the interconnector 42. The interconnector 42 is connected to the current collector member 30 via the P-type semiconductor layer 44.

燃料側電極層36は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。 The fuel side electrode layer 36 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, Ni, and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. A mixture of Ni and a lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe and Cu.

固体電解質層38は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。 The solid electrolyte layer 38 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, and lanthanum gallate doped with at least one selected from ceria, Sr, and Mg doped with at least one selected from rare earth elements. , Formed from at least one of.

空気側電極層40は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。 The air-side electrode layer 40 is, for example, a lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, a lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe and Ni. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite, silver, etc. doped with at least one selected from Cu.

支持基板34としては、燃料ガスが燃料側電極層36まで透過するようにガス透過性を有するように、開口率の高い導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。なお、支持基板34の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。 As the support substrate 34, conductive ceramics or cermet having a high aperture ratio can be used so that the fuel gas has gas permeability so as to penetrate to the fuel side electrode layer 36. The shape of the support substrate 34 may be columnar or cylindrical.

P型半導体層44としては、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。 As the P-type semiconductor layer 44, for example, P-type semiconductor ceramics composed of at least one such as LaMnO3-based oxide, LaFeO3-based oxide, and LaCoO3-based oxide in which Mn, Fe, Co, etc. are present at the B site are used. Can be done.

インターコネクタ11は、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物(LaSrTiO3系酸化物)等を用いることができる。 As the interconnector 11, a lanthanum romite-based perovskite-type oxide (LaCrO3-based oxide), a lanthanum strontium titanium-based perovskite-type oxide (LaSrTiO3-based oxide), or the like can be used.

第1のセルスタック10aの構成と、第2のセルスタック10bの構成は同一である。図3に示すように、第1のセルスタック10aと、第2のセルスタック10bとは、それぞれの燃料電池セル1a、1bの配列方向が平行になるように配置されている。なお、以下の説明では、この燃料電池セル1a、1bの配列方向を単に配列方向という。 The configuration of the first cell stack 10a and the configuration of the second cell stack 10b are the same. As shown in FIG. 3, the first cell stack 10a and the second cell stack 10b are arranged so that the arrangement directions of the fuel cell cells 1a and 1b are parallel to each other. In the following description, the arrangement direction of the fuel cell cells 1a and 1b is simply referred to as the arrangement direction.

第2のセルスタック10bを構成する燃料電池セル1bの上方は開放されており、第2のセルスタック10bの上方には燃焼部18が形成されている。燃焼部18では、発電に使用されなかった燃料ガスが燃焼される。 The upper part of the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b is open, and the combustion unit 18 is formed above the second cell stack 10b. In the combustion unit 18, fuel gas that has not been used for power generation is burned.

図3、図4に示すように、改質器12は、蒸発部12Aと、改質部12Bとを備える。改質器12へは、外部から原料ガスと水又は水蒸気が供給管13A,13Bを通じて供給される。蒸発部12Aは、燃焼部18の燃焼熱により水を加熱して水蒸気を生じさせる。 As shown in FIGS. 3 and 4, the reformer 12 includes an evaporation unit 12A and a reformer unit 12B. Raw material gas and water or steam are supplied to the reformer 12 from the outside through supply pipes 13A and 13B. The evaporation unit 12A heats water by the combustion heat of the combustion unit 18 to generate steam.

改質部12Bには、混合ガスを改質するための改質触媒が充填されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。改質部12Bは、燃焼部18の燃焼熱により供給された原料ガスを水蒸気により改質して、水素を含む燃料ガスに改質する。図3及び図6に示すように、改質部12Bは、第1セルスタック10aの上方には位置せず、第2のセルスタック10bの上方のみに位置している。さらには、本実施形態では、改質器12全体が、第1セルスタック10aの上方には位置せず、第2のセルスタック10bの上方のみに覆うようにして位置している(すなわち、蒸発部12Aや周囲のフランジ等も第2のセルスタック10bの上方のみに位置している)。改質器12は底面が水平になるように保持されている。改質器12の底面(下端部)は、第1のマニホールド2aの底面(下端部)と同じ高さに位置している。 The reforming section 12B is filled with a reforming catalyst for reforming the mixed gas. As the reforming catalyst, a catalyst in which nickel is added to the surface of an alumina sphere or a catalyst in which ruthenium is added to the surface of an alumina sphere is appropriately used. The reforming unit 12B reforms the raw material gas supplied by the combustion heat of the combustion unit 18 with steam to reform it into a fuel gas containing hydrogen. As shown in FIGS. 3 and 6, the reforming unit 12B is not located above the first cell stack 10a, but is located only above the second cell stack 10b. Further, in the present embodiment, the entire reformer 12 is not located above the first cell stack 10a, but is positioned so as to cover only above the second cell stack 10b (that is, evaporation). The portion 12A, the peripheral flange, and the like are also located only above the second cell stack 10b). The reformer 12 is held so that the bottom surface is horizontal. The bottom surface (lower end portion) of the reformer 12 is located at the same height as the bottom surface (lower end portion) of the first manifold 2a.

図7に示すように、第1のマニホールド2aは、筐体22と、枠体24と、分配管20とを備える。筐体22は中空に構成されており、下端面に枠体24の形状と略同形状の開口22Aが形成されている。第1のマニホールド2aは筐体22の底面が水平になるように保持されている。 As shown in FIG. 7, the first manifold 2a includes a housing 22, a frame body 24, and a distribution pipe 20. The housing 22 is hollow, and an opening 22A having substantially the same shape as the frame body 24 is formed on the lower end surface. The first manifold 2a is held so that the bottom surface of the housing 22 is horizontal.

枠体24には、第1セルスタック10aを構成する燃料電池セル1aの断面形状と略同形状の複数の開口24Aが形成されている。第1セルスタック10aを構成する全ての燃料電池セル1aの上端は、枠体24に形成された開口24Aに接続されている。枠体24は、筐体22に形成された開口22Aに取り付けられている。なお、第1のマニホールド2aの筐体22と枠体24との接続構造を含む第1のマニホールド2aと燃料電池セル1aの上端部との接続構造は、第2のマニホールド2bと燃料電池セル1aの下端部の接続構造と同様であり、後に詳述する。 The frame body 24 is formed with a plurality of openings 24A having substantially the same cross-sectional shape as the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a. The upper ends of all the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a are connected to the opening 24A formed in the frame body 24. The frame body 24 is attached to the opening 22A formed in the housing 22. The connection structure between the first manifold 2a including the connection structure between the housing 22 of the first manifold 2a and the frame body 24 and the upper end portion of the fuel cell 1a is the second manifold 2b and the fuel cell 1a. It is the same as the connection structure at the lower end of the above, and will be described in detail later.

分配管20の上流端部は接続部14に流体接続されており、改質された燃料ガスが供給される。分配管20には、複数の開口20Aが長手方向に間をあけて形成されている。複数の開口20Aは、上流側ほど開口面積が大きくなっている。これにより、第1のマニホールド2aの下流側端部まで燃料ガスが均等に分配され、第1セルスタック10aを構成する各燃料電池セル1aに均等に燃料ガスが供給される。すなわち、分配管20は、第1の燃料電池セル1aに均等に燃料ガスを供給するための分配機構として機能する。なお、分配機構としては、本実施形態の構成に限らず、例えば、第1のマニホールド2a内に、内部流路を塞ぐように複数の仕切り板を設け、これら複数の仕切り板に先端に向かって大きくなるような開口を設ける構成なども採用できる。 The upstream end of the distribution pipe 20 is fluidly connected to the connection portion 14, and the reformed fuel gas is supplied. A plurality of openings 20A are formed in the distribution pipe 20 with a gap in the longitudinal direction. The opening area of the plurality of openings 20A is larger toward the upstream side. As a result, the fuel gas is evenly distributed to the downstream end of the first manifold 2a, and the fuel gas is evenly supplied to each fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a. That is, the distribution pipe 20 functions as a distribution mechanism for evenly supplying the fuel gas to the first fuel cell 1a. The distribution mechanism is not limited to the configuration of the present embodiment. For example, a plurality of partition plates are provided in the first manifold 2a so as to block the internal flow path, and the plurality of partition plates are provided toward the tip thereof. It is also possible to adopt a configuration in which an opening is provided so as to be large.

接続部14は、改質器12及び第1のマニホールド2aと継ぎ目なく一体に構成されており、互いの内部流路が流体接続されている。また、接続部14は改質器12から第1のマニホールド2aに向かって湾曲する形状を有している。 The connecting portion 14 is seamlessly integrally configured with the reformer 12 and the first manifold 2a, and the internal flow paths of the reformer 12 and the first manifold 2a are fluidly connected to each other. Further, the connecting portion 14 has a shape curved from the reformer 12 toward the first manifold 2a.

図8に示すように、第2のマニホールド2bは、筐体部材50と、第1の枠体52と、第1の枠体52と同一形状の第2の枠体54とを備える。筐体部材50は、略長方形状の底板50aと、底板50aの周囲に立設された側板50bと、側板50bの上方を塞ぐ、筐体部材50の上面である天板50cとを備える。天板50cには、幅方向両側に長手方向に延びるように第1の開口50dと、第2の開口50eとが幅方向に並ぶように平行に形成されている。筐体部材50の第1の開口50dには、ガラスシール56bにより第1の枠体52が取り付けられており、第2の開口50eにはガラスシール57bにより第2の枠体54が取り付けられている。 As shown in FIG. 8, the second manifold 2b includes a housing member 50, a first frame body 52, and a second frame body 54 having the same shape as the first frame body 52. The housing member 50 includes a substantially rectangular bottom plate 50a, a side plate 50b erected around the bottom plate 50a, and a top plate 50c which is an upper surface of the housing member 50 and closes above the side plate 50b. The top plate 50c is formed in parallel so that the first opening 50d and the second opening 50e are aligned in the width direction so as to extend in the longitudinal direction on both sides in the width direction. The first frame 52 is attached to the first opening 50d of the housing member 50 by the glass seal 56b, and the second frame 54 is attached to the second opening 50e by the glass seal 57b. There is.

第1の枠体52は、天板52bと、天板52bの周囲から下方に向けて延びる側板52cとを備え、下方が開口するようなコの字状の断面形状を有する。第1の枠体52の天板52bには、第1セルスタック10aを構成する燃料電池セル1aの断面形状と略同形状の複数の開口52aが形成されている。従って、第1の枠体52の天板52bは、第1のセルスタック10aが接続される第1の接続部を構成する。第1セルスタック10aを構成する複数の燃料電池セル1aの下端は、ガラスシール56aにより第1の枠体52に形成された開口52aに接続されている。 The first frame body 52 includes a top plate 52b and a side plate 52c extending downward from the periphery of the top plate 52b, and has a U-shaped cross-sectional shape such that the lower side is open. The top plate 52b of the first frame 52 is formed with a plurality of openings 52a having substantially the same cross-sectional shape as the fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a. Therefore, the top plate 52b of the first frame body 52 constitutes a first connection portion to which the first cell stack 10a is connected. The lower ends of the plurality of fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a are connected to the opening 52a formed in the first frame 52 by the glass seal 56a.

また、第2の枠体54は、天板54bと、天板54bの周囲から下方に向けて延びる側板54cとを備え、下方が開口するようなコの字状の断面形状を有する。第2の枠体54の天板54bには、第2セルスタック10bを構成する燃料電池セル1bの断面形状と略同形状の複数の開口54aが形成されている。従って、第2の枠体54の天板54bは、第2のセルスタック10bが接続される第2の接続部を構成する。第2セルスタック10bを構成する複数の燃料電池セル1bの下端は、ガラスシール57aにより第2の枠体54に形成された開口54aに接続されている。 Further, the second frame body 54 includes a top plate 54b and a side plate 54c extending downward from the periphery of the top plate 54b, and has a U-shaped cross-sectional shape such that the lower side is open. The top plate 54b of the second frame body 54 is formed with a plurality of openings 54a having substantially the same cross-sectional shape as the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b. Therefore, the top plate 54b of the second frame body 54 constitutes a second connection portion to which the second cell stack 10b is connected. The lower ends of the plurality of fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b are connected to the opening 54a formed in the second frame 54 by the glass seal 57a.

第1の枠体52は、側板52cの下端部近傍が筐体部材50の第1の開口50dに取り付けられている。これに対して、第2の枠体54は、側板54cの上端部近傍が筐体部材50の第2の開口50eに取り付けられている。これにより、第1の枠体52は第2の枠体54のよりも高い位置に配置されている。また、第2のセルスタック10bの燃料電池セルスタック1bと第2の枠体54の間の第2の接続部の高さは、第1のセルスタック10aの燃料電池セルスタック1aと第1の枠体52の間の第1の接続部の高さよりも低くなっている。 In the first frame body 52, the vicinity of the lower end portion of the side plate 52c is attached to the first opening 50d of the housing member 50. On the other hand, in the second frame body 54, the vicinity of the upper end portion of the side plate 54c is attached to the second opening 50e of the housing member 50. As a result, the first frame 52 is arranged at a higher position than the second frame 54. Further, the height of the second connection portion between the fuel cell stack 1b of the second cell stack 10b and the second frame 54 is such that the fuel cell stack 1a and the first cell stack 10a of the first cell stack 10a have different heights. It is lower than the height of the first connection between the frames 52.

このように、本実施形態では、第2のマニホールド2bにおいて、第2の枠体54は、その天板54bが、第1の枠体52の天板52bよりも低くなるように筐体部材50の天板50cに固定されている。このような構成により、第2の枠体54の下端と筐体部材50の底面との間に狭い隙間が形成される。この隙間が、第2のマニホールド2b内において、第1のセルスタック10aが接続される第1の接続部から、第2のセルスタック10bが接続される第2の接続部への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部として作用する。 As described above, in the present embodiment, in the second manifold 2b, the housing member 50 of the second frame body 54 has its top plate 54b lower than the top plate 52b of the first frame body 52. It is fixed to the top plate 50c of. With such a configuration, a narrow gap is formed between the lower end of the second frame 54 and the bottom surface of the housing member 50. This gap is the flow of fuel gas in the second manifold 2b from the first connection portion to which the first cell stack 10a is connected to the second connection portion to which the second cell stack 10b is connected. Acts as a flow path resistance part that gives resistance to.

仕切り板60は、例えば、ステンレス等の耐熱性を有する中空の板材からなり、内部に空気を供給するために空気流通路60aが形成されている。仕切り板60の上端は内側ハウジング92の上面に接続されており、空気流通路60aは空気流路98と連通している。これにより、空気流通路60aには、空気流路98を介して上端から発電用空気が供給される。仕切り板60は、改質器12よりも上方の高さ位置から下端が第1のセルスタック10a及び第2のセルスタック10bの下端部近傍まで上下方向に延びている。これにより、仕切り板60は、第1のマニホールド2aと第1のセルスタック10aとの接続部と、燃焼部18との間を仕切り、熱影響を低減することができる。 The partition plate 60 is made of a hollow plate material having heat resistance such as stainless steel, and an air flow passage 60a is formed to supply air to the inside. The upper end of the partition plate 60 is connected to the upper surface of the inner housing 92, and the air flow passage 60a communicates with the air passage 98. As a result, power generation air is supplied to the air flow passage 60a from the upper end via the air flow passage 98. The lower end of the partition plate 60 extends in the vertical direction from a height position above the reformer 12 to the vicinity of the lower ends of the first cell stack 10a and the second cell stack 10b. As a result, the partition plate 60 can partition the connection portion between the first manifold 2a and the first cell stack 10a and the combustion portion 18 to reduce the influence of heat.

仕切り板60には、対向する表面60A、60Bの間を貫通する上部貫通孔60bと、下部貫通孔60cとが形成されている。上部貫通孔60bは、燃焼部18よりも上方の高さ位置に形成されている。また、下部貫通孔60cは、燃焼部18よりも下方であって、第1のセルスタック10a及び第2のセルスタック10bの中間の高さ位置辺りに形成されている。上部貫通孔60b及び下部貫通孔60cを通じて、第1のセルスタック10aの側の空間と、第2のセルスタック10bの側の空間とが連通している。 The partition plate 60 is formed with an upper through hole 60b penetrating between the facing surfaces 60A and 60B and a lower through hole 60c. The upper through hole 60b is formed at a height above the combustion portion 18. Further, the lower through hole 60c is formed below the combustion portion 18 and is formed at an intermediate height position between the first cell stack 10a and the second cell stack 10b. Through the upper through hole 60b and the lower through hole 60c, the space on the side of the first cell stack 10a and the space on the side of the second cell stack 10b communicate with each other.

また、仕切り板60の下端部には下端噴出孔60dが形成されている。仕切り板60の第1のセルスタック10a側の表面60Aには、第1の空気噴出孔60eが形成されており、仕切り板60の第2のセルスタック10b側の表面60Bには、第2の空気噴出孔60fが形成されている。第1の空気噴出孔60eは、第1のセルスタック10aの下部に当たる高さ位置に形成されている。第2の空気噴出孔60fは第2のセルスタック10bの下部に当たる高さ位置に形成されている。これら第1及び第2の空気噴出孔60e、60fは複数の開口としてもよいし、単一の開口としてもよい。第2のセルスタック10b側の表面60Bに形成された第2の空気噴出孔60fの総面積は、第1のセルスタック10a側の表面60Aに形成された第1の空気噴出孔60eの総面積よりも大きくなっている。仕切り板60の空気流通路60aに供給された空気は、第1のセルスタック10aよりも第2のセルスタック10bに向けて大量に噴出される。 Further, a lower end ejection hole 60d is formed at the lower end portion of the partition plate 60. A first air ejection hole 60e is formed on the surface 60A on the first cell stack 10a side of the partition plate 60, and a second air ejection hole 60e is formed on the surface 60B on the second cell stack 10b side of the partition plate 60. An air ejection hole 60f is formed. The first air ejection hole 60e is formed at a height position corresponding to the lower part of the first cell stack 10a. The second air ejection hole 60f is formed at a height position corresponding to the lower part of the second cell stack 10b. The first and second air ejection holes 60e and 60f may be a plurality of openings or a single opening. The total area of the second air ejection holes 60f formed on the surface 60B on the second cell stack 10b side is the total area of the first air ejection holes 60e formed on the surface 60A on the first cell stack 10a side. Is bigger than. A large amount of air supplied to the air flow passage 60a of the partition plate 60 is ejected toward the second cell stack 10b rather than the first cell stack 10a.

さらに、仕切り板60の第2のセルスタック10b側の表面60Bには、燃焼部18に向けて第3の空気噴出孔60gが形成されている。第3の空気噴出孔60gは、燃焼部18に相当する高さ位置に形成されている。これにより、仕切り板60の空気流通路60aに供給された空気は、第3の空気噴出孔60gを通じて、燃焼部18に向けて噴出される。 Further, a third air ejection hole 60g is formed on the surface 60B of the partition plate 60 on the second cell stack 10b side toward the combustion portion 18. The third air ejection hole 60 g is formed at a height position corresponding to the combustion portion 18. As a result, the air supplied to the air flow passage 60a of the partition plate 60 is ejected toward the combustion portion 18 through the third air ejection hole 60g.

なお、本実施形態では、仕切り板60の対向する表面60A、60Bの両方に空気噴出孔60e、60fを設けているが、これに限らず、第2のセルスタック10b側の表面60Bのみに設けてもよい。 In the present embodiment, the air ejection holes 60e and 60f are provided on both the facing surfaces 60A and 60B of the partition plate 60, but the present invention is not limited to this, and the air ejection holes 60e and 60f are provided only on the surface 60B on the second cell stack 10b side. You may.

以下、本実施形態の燃料電池セルスタック装置100における燃料ガス及び水(水蒸気)と、発電用空気の流れについて説明する。
原料ガス及び水(水蒸気)は、燃料電池セルスタック装置100に供給管13A,13Bを通じて外部から改質器12に供給される。改質器12に供給された水は改質器12の蒸発部12Aにおいて燃焼部18の熱により蒸発される。そして、原料ガス及び水蒸気は改質部12Bへ送られる。原料ガス及び水蒸気は、改質部12Bにおいて燃焼部18の熱により、水素を含む燃料ガスに改質される。
Hereinafter, the fuel gas and water (steam) in the fuel cell stack device 100 of the present embodiment and the flow of air for power generation will be described.
The raw material gas and water (steam) are supplied to the fuel cell stack device 100 from the outside through the supply pipes 13A and 13B to the reformer 12. The water supplied to the reformer 12 is evaporated by the heat of the combustion unit 18 in the evaporation unit 12A of the reformer 12. Then, the raw material gas and steam are sent to the reforming unit 12B. The raw material gas and steam are reformed into a fuel gas containing hydrogen by the heat of the combustion unit 18 in the reforming unit 12B.

改質器12において改質された燃料ガスは、接続部14を介して第1のマニホールド2aの分配管20に供給される。分配管20に供給された燃料ガスは、開口20Aを通じて筐体22内に噴出される。ここで、開口20Aは、上流側ほど開口面積が大きくなっているため、筐体22内に均一に燃料ガスが噴出される。そして、筐体22内に噴出された燃料ガスは、第1のセルスタック10aを構成するそれぞれの燃料電池セル1aの内部流路に上端から送り込まれる。燃料ガスは、燃料電池セル1aの上端から下端に向かって流通し、下端から第2のマニホールド2b内に放出される。この際、それぞれの燃料電池セル1aは発電を行う。 The reformed fuel gas in the reformer 12 is supplied to the distribution pipe 20 of the first manifold 2a via the connecting portion 14. The fuel gas supplied to the distribution pipe 20 is ejected into the housing 22 through the opening 20A. Here, since the opening area of the opening 20A is larger toward the upstream side, the fuel gas is uniformly ejected into the housing 22. Then, the fuel gas ejected into the housing 22 is sent from the upper end to the internal flow path of each fuel cell 1a constituting the first cell stack 10a. The fuel gas flows from the upper end to the lower end of the fuel cell 1a and is discharged from the lower end into the second manifold 2b. At this time, each fuel cell 1a generates electricity.

上記のように、第2のマニホールド2bの第2の枠体54は、その天板54bが、第1の枠体52の天板52bよりも低くなるように筐体部材50の天板50cに固定されている。このため、第2の枠体54の下端と筐体部材50の底面との間に狭い隙間が形成され、第1のセルスタック10aが接続された第1の接続部から、第2のセルスタック10bが接続された第2の接続部への燃料ガスの流れに抵抗が与えられる。これにより、第2のマニホールド2bに放出された燃料ガスは、第2のマニホールド2bの、第1の接続部が設けられた上流側の室2b1において分散され、その後、第2の接続部が設けられた下流側の室2b2に流れ込む。 As described above, the second frame body 54 of the second manifold 2b is attached to the top plate 50c of the housing member 50 so that the top plate 54b thereof is lower than the top plate 52b of the first frame body 52. It is fixed. Therefore, a narrow gap is formed between the lower end of the second frame 54 and the bottom surface of the housing member 50, and the second cell stack is connected to the first cell stack 10a from the first connection portion. Resistance is given to the flow of fuel gas to the second connection to which 10b is connected. As a result, the fuel gas released to the second manifold 2b is dispersed in the room 2b1 on the upstream side of the second manifold 2b where the first connection portion is provided, and then the second connection portion is provided. It flows into the room 2b2 on the downstream side.

室2b2に流れ込んだ燃料ガスは、第2のセルスタック10bを構成する燃料電池セル1bの内部流路に下端から送られる。燃料電池セル1bに送り込まれた燃料ガスは内部流路内を下端から上端に向かって流れる。この際、それぞれの燃料電池セル1bは発電を行う。 The fuel gas that has flowed into the chamber 2b2 is sent from the lower end to the internal flow path of the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b. The fuel gas sent to the fuel cell 1b flows in the internal flow path from the lower end to the upper end. At this time, each fuel cell 1b generates electricity.

第2のセルスタック10bを構成する燃料電池セル1bを通過した、発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料電池セル1bの上端から燃焼部18に放出される。燃焼部18に放出された燃料ガスは燃焼され、その際に発生する熱は改質器12を加熱するのに用いられる。 The fuel gas that has passed through the fuel cell 1b constituting the second cell stack 10b and has not been used for power generation is discharged from the upper end of the fuel cell 1b to the combustion unit 18. The fuel gas released to the combustion unit 18 is burned, and the heat generated at that time is used to heat the reformer 12.

燃料ガスを燃焼部18で燃焼して発生した排ガスは上方に向かって上昇する。この際、仕切り板60に上部貫通孔60bが形成されていることにより、第1のセルスタック10a側と第2のセルスタック10b側とで排ガスが拡散され、第1のセルスタック10a側と第2のセルスタック10b側との排ガスの温度差が小さくなる。そして、排ガスは、排ガス流路96を下方に向かって流れる。この際、排ガス流路96を流れる排ガスと、空気流路98を流れる発電用空気との間で熱交換が行われ、発電用空気を加熱することができる。そして、排ガスは排ガス排出孔92aから外側ハウジング94の外部に排出される。 The exhaust gas generated by burning the fuel gas in the combustion unit 18 rises upward. At this time, since the upper through hole 60b is formed in the partition plate 60, the exhaust gas is diffused between the first cell stack 10a side and the second cell stack 10b side, and the first cell stack 10a side and the first cell stack 10a side. The temperature difference of the exhaust gas from the cell stack 10b side of 2 becomes small. Then, the exhaust gas flows downward in the exhaust gas flow path 96. At this time, heat exchange is performed between the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path 96 and the power generation air flowing through the air flow path 98, and the power generation air can be heated. Then, the exhaust gas is discharged to the outside of the outer housing 94 from the exhaust gas discharge hole 92a.

次に、発電用空気は、外部から空気流入孔を通じて空気流路98に送り込まれる。空気流路98内に送り込まれた空気は空気流路98を上方に向かって流れる。この際、排ガス流路96を流れる排ガスと熱交換が行われ、空気は加熱される。空気流路98の上部まで到達した空気は、仕切り板60の上端から空気流通路60aに送られる。 Next, the power generation air is sent from the outside to the air flow path 98 through the air inflow hole. The air sent into the air flow path 98 flows upward in the air flow path 98. At this time, heat exchange is performed with the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path 96, and the air is heated. The air that has reached the upper part of the air flow path 98 is sent from the upper end of the partition plate 60 to the air flow passage 60a.

空気流通路60aに送り込まれた発電用空気は、第1及び第2の空気噴出孔60e、60f及び下端噴出孔60dを通じて、第1のセルスタック10a及び第2のセルスタック10bに向かって噴出される。この際、第2のセルスタック10b側の表面60Bに形成された第2の空気噴出孔60fの総面積は、第1のセルスタック10a側の表面60Aに形成された第1の空気噴出孔60eの総面積よりも大きくなっているため、第2のセルスタック10bに向かって、第1のセルスタック10aよりも大量の空気が噴出される。 The power generation air sent into the air flow passage 60a is ejected toward the first cell stack 10a and the second cell stack 10b through the first and second air ejection holes 60e and 60f and the lower end ejection holes 60d. To. At this time, the total area of the second air ejection holes 60f formed on the surface 60B on the second cell stack 10b side is the first air ejection holes 60e formed on the surface 60A on the first cell stack 10a side. Since it is larger than the total area of the cell stack 10b, a larger amount of air is ejected toward the second cell stack 10b than in the first cell stack 10a.

ここで、仕切り板60には下部貫通孔60cが形成されているため、第1のセルスタック10a側の空気と、第2のセルスタック10b側の空気とが混ざり合う。これにより、発電用空気の温度むらが発生するのを抑制できる。 Here, since the lower through hole 60c is formed in the partition plate 60, the air on the first cell stack 10a side and the air on the second cell stack 10b side are mixed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of temperature unevenness in the air for power generation.

また、空気流通路60aに送り込まれた発電用空気は、第3の空気噴出孔60gから燃焼部18に向かって噴出される。これにより、燃焼部18において発電に使用されなかった燃料ガスを完全燃焼させることができる。 Further, the power generation air sent into the air flow passage 60a is ejected from the third air ejection hole 60g toward the combustion portion 18. As a result, the fuel gas that has not been used for power generation can be completely burned in the combustion unit 18.

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の作用効果が奏される。
本実施形態によれば、第1のセルスタック10aで使用された燃料ガスが第2のセルスタック10bに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。また、燃料電池セル1a、1bの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects are exhibited.
According to the present embodiment, the fuel gas used in the first cell stack 10a flows into the second cell stack 10b and is further consumed, so that the fuel utilization rate can be increased. Further, since the fuel gas can be consumed in two stages without significantly changing the arrangement of the fuel cell cells 1a and 1b, it is possible to provide a fuel cell stack device having high power generation efficiency and easy to manufacture. can.

また、本実施形態によれば、第2のマニホールド2b内に流路抵抗部が設けられているため、第1のセルスタック10aから第2のマニホールド2b内に排出された燃料ガスが分散され、第2のセルスタック10bに均一な燃料ガスが供給される。 Further, according to the present embodiment, since the flow path resistance portion is provided in the second manifold 2b, the fuel gas discharged from the first cell stack 10a into the second manifold 2b is dispersed. A uniform fuel gas is supplied to the second cell stack 10b.

なお、第2のマニホールド2bの構成は上記説明した構成に限られない。図9は、本発明の第1実施形態による燃料電池セルスタック装置の第2のマニホールドの変形例を示す鉛直断面図である。なお、図8を参照して説明した実施例と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。 The configuration of the second manifold 2b is not limited to the configuration described above. FIG. 9 is a vertical sectional view showing a modified example of the second manifold of the fuel cell stack device according to the first embodiment of the present invention. The same components as those in the embodiment described with reference to FIG. 8 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

図9に示すように、第2のマニホールド102bは、筐体部材150と、第1の枠体52と、第2の枠体54とを備える。筐体部材150は、略長方形状の底板150aと、底板150aの周囲に立設された側板150bと、側板150bの上方を塞ぐ筐体部材150の上面である天板150cとを備える。天板150cは、第1のセルスタック10aの接続される側の水平に延びる第1の天板部150c1と、第2のセルスタック10bの接続される側の水平に延びる第2の天板部150c2と、第1の天板部150c1と第2の天板部150c2との間を連結する鉛直に延びる連結部150c3とを備える。第1の天板部150c1は、第2の天板部150c2よりも高い位置に設けられている。 As shown in FIG. 9, the second manifold 102b includes a housing member 150, a first frame body 52, and a second frame body 54. The housing member 150 includes a substantially rectangular bottom plate 150a, a side plate 150b erected around the bottom plate 150a, and a top plate 150c which is an upper surface of the housing member 150 that closes the upper side of the side plate 150b. The top plate 150c has a first top plate portion 150c1 extending horizontally on the connected side of the first cell stack 10a and a second top plate portion 150c extending horizontally on the connected side of the second cell stack 10b. It includes 150c2 and a vertically extending connecting portion 150c3 that connects between the first top plate portion 150c1 and the second top plate portion 150c2. The first top plate portion 150c1 is provided at a position higher than the second top plate portion 150c2.

天板150cの第1の天板部150c1には、幅方向両側に長手方向に延びるように第1の開口150dが形成されている。天板150cの第2の天板部150c2には、第2の開口50eが形成されている。筐体部材150の第1の開口150dには、ガラスシール56bにより第1の枠体52が取り付けられており、第2の開口150eにはガラスシール57bにより第2の枠体54が取り付けられている。 The first top plate portion 150c1 of the top plate 150c is formed with a first opening 150d so as to extend in the longitudinal direction on both sides in the width direction. A second opening 50e is formed in the second top plate portion 150c2 of the top plate 150c. The first frame 52 is attached to the first opening 150d of the housing member 150 by the glass seal 56b, and the second frame 54 is attached to the second opening 150e by the glass seal 57b. There is.

第1の枠体52は、側板52cの下端部近傍が筐体部材150の第1の開口150dに取り付けられている。また、第2の枠体54は、側板54cの下端部近傍が筐体部材150の第2の開口150eに取り付けられている。 In the first frame body 52, the vicinity of the lower end portion of the side plate 52c is attached to the first opening 150d of the housing member 150. Further, in the second frame body 54, the vicinity of the lower end portion of the side plate 54c is attached to the second opening 150e of the housing member 150.

第1の天板部150c1は、第2の天板部150c2よりも高い位置に設けられているため、第1の枠体52は第2の枠体54のよりも高い位置に配置されている。また、第2のセルスタック10bの燃料電池セルスタック1bと第2の枠体54との間の第2の接続部の高さは、第1のセルスタック10aの燃料電池セルスタック1aと第1の枠体52との間の第1の接続部の高さよりも低くなっている。 Since the first top plate portion 150c1 is provided at a position higher than the second top plate portion 150c2, the first frame body 52 is arranged at a higher position than the second frame body 54. .. Further, the height of the second connection portion between the fuel cell stack 1b of the second cell stack 10b and the second frame 54 is such that the fuel cell stack 1a and the first cell stack 10a of the first cell stack 10a have a height of the second connection portion. It is lower than the height of the first connection portion with the frame body 52 of.

このように、本実施形態では、第2のマニホールド102bにおいて、第2の枠体54は、その天板54bが、第1の枠体52の天板52bよりも低くなるように筐体部材150の天板150cに固定されている。このような構成により、第2の枠体54の下端と筐体部材150の底面との間に狭い隙間が形成される。この隙間が、第2のマニホールド2b内において、第1のセルスタック10aが接続される第1の接続部から、第2のセルスタック10bが接続される第2の接続部への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部として作用する。 As described above, in the present embodiment, in the second manifold 102b, the housing member 150 of the second frame body 54 has its top plate 54b lower than the top plate 52b of the first frame body 52. It is fixed to the top plate 150c of. With such a configuration, a narrow gap is formed between the lower end of the second frame 54 and the bottom surface of the housing member 150. This gap is the flow of fuel gas in the second manifold 2b from the first connection portion to which the first cell stack 10a is connected to the second connection portion to which the second cell stack 10b is connected. Acts as a flow path resistance part that gives resistance to.

また、図8、図9を参照して説明した実施例では、第2のマニホールドの底板と第2の枠体54の下端との間に狭い隙間を形成することにより流路抵抗部を形成したが、これに限らず、例えば、第2のマニホールドの底板に凸部等を形成して流路面積が狭い部分を設け、これを流路抵抗部としてもよい。 Further, in the embodiment described with reference to FIGS. 8 and 9, a flow path resistance portion is formed by forming a narrow gap between the bottom plate of the second manifold and the lower end of the second frame body 54. However, the present invention is not limited to this, and for example, a convex portion or the like may be formed on the bottom plate of the second manifold to provide a portion having a narrow flow path area, and this may be used as the flow path resistance portion.

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の作用効果が奏される。
本実施形態によれば、第1のセルスタック10aで使用された燃料ガスが第2のセルスタック10bに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。また、燃料電池セル1a、1bの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects are exhibited.
According to the present embodiment, the fuel gas used in the first cell stack 10a flows into the second cell stack 10b and is further consumed, so that the fuel utilization rate can be increased. Further, since the fuel gas can be consumed in two stages without significantly changing the arrangement of the fuel cell cells 1a and 1b, it is possible to provide a fuel cell stack device having high power generation efficiency and easy to manufacture. can.

また、本実施形態によれば、第2のマニホールド2b内に流路抵抗部が設けられているため、第2のマニホールド2b内で第1のセルスタック10aから排出された燃料ガスが分散され、第2のセルスタック10bに均一な燃料ガスが供給される。 Further, according to the present embodiment, since the flow path resistance portion is provided in the second manifold 2b, the fuel gas discharged from the first cell stack 10a is dispersed in the second manifold 2b. A uniform fuel gas is supplied to the second cell stack 10b.

また、本実施形態によれば、第1のセルスタック10aが接続される第1の接続部の高さよりも、第2のセルスタック10bが接続される第2の接続部の高さが低くなっており、この高さの違いに基づいて第2のマニホールド2b内に流路面積が狭い流路抵抗部を形成することができる。 Further, according to the present embodiment, the height of the second connection portion to which the second cell stack 10b is connected is lower than the height of the first connection portion to which the first cell stack 10a is connected. Based on this difference in height, a flow path resistance portion having a narrow flow path area can be formed in the second manifold 2b.

また、本実施形態の図8に示す実施例では、第1の枠体52及び第2の枠体54は、第1の枠体52の高さよりも、第2の枠体54の高さが低くなるように、筐体部材50に固定されている。このように、筐体部材50への第1の枠体52及び第2の枠体54の固定する高さを調整することにより、第2のマニホールド2b内に流路抵抗部を形成することができる。 Further, in the embodiment shown in FIG. 8 of the present embodiment, the height of the second frame body 54 is higher than the height of the first frame body 52 in the first frame body 52 and the second frame body 54. It is fixed to the housing member 50 so as to be low. In this way, by adjusting the height at which the first frame body 52 and the second frame body 54 are fixed to the housing member 50, the flow path resistance portion can be formed in the second manifold 2b. can.

また、本実施形態の図9に示す実施例では、筐体部材150は、筐体部材150の第1の枠体52が固定される第1の天板部150c1の高さよりも、筐体部材150の第2の枠体54が固定される第2の天板部150c2の高さが低くなるように構成されている。このように、筐体部材150の第1の枠体52及び第2の枠体54が固定される部分の高さを変更することにより、第2のマニホールド102b内に流路抵抗部を形成することができる。 Further, in the embodiment shown in FIG. 9 of the present embodiment, the housing member 150 is the housing member rather than the height of the first top plate portion 150c1 to which the first frame body 52 of the housing member 150 is fixed. The height of the second top plate portion 150c2 to which the second frame body 54 of the 150 is fixed is set to be low. In this way, by changing the height of the portion where the first frame body 52 and the second frame body 54 of the housing member 150 are fixed, the flow path resistance portion is formed in the second manifold 102b. be able to.

また、上述の通り、本実施形態では、第2のマニホールド2bは、第1のセルスタック10aに接続される接続部の高さよりも、第2のセルスタック10bに接続される接続部の高さが低くなるように構成されているため、第2のセルスタック10bの上端は第1のセルスタック10aの上端よりも下方に位置する。このため、本実施形態のように、第1のマニホールド2aの下端部と、改質器12の下端部とは同じ高さに配置しても、改質器12の下方と第2の接続部との間に燃焼部18を設ける空間を確保することができる。 Further, as described above, in the present embodiment, the second manifold 2b is the height of the connection portion connected to the second cell stack 10b rather than the height of the connection portion connected to the first cell stack 10a. Is configured to be low, so that the upper end of the second cell stack 10b is located below the upper end of the first cell stack 10a. Therefore, even if the lower end portion of the first manifold 2a and the lower end portion of the reformer 12 are arranged at the same height as in the present embodiment, the lower portion of the reformer 12 and the second connection portion are connected. It is possible to secure a space for providing the combustion unit 18 between the and.

次に、本発明の第2実施形態による燃料電池セルスタック装置を説明する。
まず、本発明の第2実施形態で用いる燃料電池セルについて図10及び図11を参照して説明する。
Next, the fuel cell stack device according to the second embodiment of the present invention will be described.
First, the fuel cell used in the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 and 11.

(燃料電池セル)
図10は、本発明の第2実施形態におけるセルスタックを構成するセルを示す図である。図11は、セル端部の拡大断面図である。
(Fuel cell)
FIG. 10 is a diagram showing cells constituting the cell stack according to the second embodiment of the present invention. FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of the end of the cell.

図10に示すように、セル1001は、セル本体1101と、このセル本体1101の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ1102(金属キャップともいう)とを備えている。 As shown in FIG. 10, the cell 1001 includes a cell main body 1101 and a cap 1102 (also referred to as a metal cap) which is a connection electrode portion connected to both ends of the cell main body 1101.

図11に示すように、支持体として導電支持体を有する場合のセル本体1101は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路1103(内部流路ともいう)を形成する円筒形の燃料極層である内側電極層1104と、内側電極層1104の外周に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層1105と、電解質層1105の外周に設けられた円筒形の空気極(酸化剤ガス極)層である外側電極層1106と、を備えている。この内側電極層1104は、セル本体1101を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。内側電極層1104は燃料極であり、(-)極となり、一方、外側電極層1106は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。 As shown in FIG. 11, the cell body 1101 having a conductive support as a support is a tubular structure extending in the vertical direction, and is a fuel gas flow path 1103 (also referred to as an internal flow path) which is a gas passage inside. The inner electrode layer 1104, which is a cylindrical fuel electrode layer, the electrolyte layer 1105, which is a cylindrical solid electrolyte layer provided on the outer periphery of the inner electrode layer 1104, and the cylinder provided on the outer periphery of the electrolyte layer 1105. It includes an outer electrode layer 1106, which is an air electrode (oxidant gas electrode) layer of the shape. The inner electrode layer 1104 is a porous body that functions as a support constituting the cell body 1101 and also constitutes a gas passage through which fuel gas flows. The inner electrode layer 1104 is a fuel electrode and has a (−) pole, while the outer electrode layer 1106 is an air electrode in contact with air and has a (+) pole.

内側電極層1104は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極層1104は、Ni/YSZからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。
The inner electrode layer 1104 is composed of, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. It is formed from at least one of a mixture of Ni and a lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe and Cu. In this embodiment, the inner electrode layer 1104 is made of Ni / YSZ.
A porous insulating support can also be used as the support, and in this case, a fuel electrode layer is formed as an inner electrode layer on the outer side of the insulating support.

電解質層1105は、内側電極層1104の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極層1104の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極層1104の上端よりも下方で終端している。電解質層1105は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。 The electrolyte layer 1105 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the inner electrode layer 1104, the lower end is terminated above the lower end of the inner electrode layer 1104, and the upper end is below the upper end of the inner electrode layer 1104. It is terminated. The electrolyte layer 1105 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg. Formed from at least one of the.

外側電極層1106は、電解質層1105の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層1105の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層1105の上端よりも下方で終端している。外側電極層1106は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。 The outer electrode layer 1106 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the electrolyte layer 1105, and the lower end is terminated above the lower end of the electrolyte layer 1105 and the upper end is terminated below the upper end of the electrolyte layer 1105. ing. The outer electrode layer 1106 is, for example, a lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, and a lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lantern cobaltite, silver, etc. doped with at least one selected from.

次に、キャップ1102について説明するが、セル本体1101の上端側と下端側に取り付けられたキャップ1102は、同一構造であるため、ここでは、セル本体1101の下端側に取り付けられたキャップ1102について具体的に説明する。 Next, the cap 1102 will be described. Since the cap 1102 attached to the upper end side and the lower end side of the cell body 1101 has the same structure, the cap 1102 attached to the lower end side of the cell body 1101 is specifically described here. To explain.

キャップ1102(金属キャップ)は、セル本体1101の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、セル本体1101の内側電極層1104と電気的に接続され、内側電極層1104を外部に引き出す接続電極として機能する。図11に示すように、セル本体1101の下端に設けられたキャップ1102は、円筒状の第1円筒部1102aと、第1円筒部1102aの上端かから外方に向かって延びる円環状の円環部1102bと、円環部1102bの外周から上方に向かって延びる第2円筒部1102cとを有する。キャップ1102の第1円筒部1102aの中心部には、内側電極層1104の燃料ガス流路1103と連通する燃料ガス流路1107が形成されている。燃料ガス流路1107は、キャップ1102の中心からセル本体1101の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。 The cap 1102 (metal cap) is provided so as to surround the upper and lower ends of the cell body 1101, and is electrically connected to the inner electrode layer 1104 of the cell body 1101 as a connection electrode for pulling out the inner electrode layer 1104 to the outside. Function. As shown in FIG. 11, the cap 1102 provided at the lower end of the cell body 1101 has a cylindrical first cylindrical portion 1102a and an annular ring extending outward from the upper end of the first cylindrical portion 1102a. It has a portion 1102b and a second cylindrical portion 1102c extending upward from the outer periphery of the annular portion 1102b. At the center of the first cylindrical portion 1102a of the cap 1102, a fuel gas flow path 1107 communicating with the fuel gas flow path 1103 of the inner electrode layer 1104 is formed. The fuel gas flow path 1107 is an elongated pipeline provided so as to extend in the axial direction of the cell body 1101 from the center of the cap 1102.

キャップ1102は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物(本実施形態では、Cr23)がコーティングされ、さらに、外周面には、MnCo24がコーティングされている。加えて、コーティングされたMnCo24層の外周面にはAg集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ag集電膜は、キャップ1102の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。 The cap 1102 is coated with chromium oxide (Cr 2 O 3 in this embodiment) on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the main body made of ferritic stainless steel or austenitic stainless steel, and further, the outer peripheral surface is MnCo 2 O. 4 is coated. In addition, an Ag current collector film is provided on the outer peripheral surface of the coated MnCo 2 O 4 layer. In the present embodiment, the Ag current collector film is provided over the entire outer peripheral surface of the cap 1102, but it may be provided only on a part of the outer peripheral surface.

キャップ1102の第2円筒部1102cの内側と、セル本体1101の内側電極層1104の端部外周面との間の空間には銀ペースト1108が配置されている。セル1100の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト1108が焼結され、内側電極層1104とキャップ1102が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ1102の第2円筒部1102cの内周面と、電解質層1105の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール1109が設けられている。このガラスシール1109により、キャップ1102と内側電極層1104との間の空間は、セル1100の外部の空間に対して気密密封されている。 The silver paste 1108 is arranged in the space between the inside of the second cylindrical portion 1102c of the cap 1102 and the outer peripheral surface of the end portion of the inner electrode layer 1104 of the cell body 1101. By firing after assembling the cell 1100, the silver paste 1108 is sintered and the inner electrode layer 1104 and the cap 1102 are electrically and mechanically bonded. Further, a glass seal 1109 made of a glass material is provided between the inner peripheral surface of the second cylindrical portion 1102c of the cap 1102 and the outer peripheral surface of the lower end portion of the electrolyte layer 1105. By this glass seal 1109, the space between the cap 1102 and the inner electrode layer 1104 is airtightly sealed with respect to the space outside the cell 1100.

(燃料電池スタック)
図12(A)及び図12(B)は本実施形態における燃料電池スタックを示したものである。上述した図1の燃料電池セルスタック1100のセル群配列の構成について、燃料電池スタック1100の幅方向(短辺方向)にセル群1010a、セル群1010b、セル群1010aの順に区画して配列させたもので、図12(A)において右側のセル群1010aと左側のセル群1010aとは図12の紙面奥手においてつながっている。このため、セル群1010aに配置の複数のセル1001が接続固定されるマニホールド1002bは、上面視において「コ」字状の形状である(図12(B))。
(Fuel cell stack)
12 (A) and 12 (B) show the fuel cell stack in this embodiment. Regarding the configuration of the cell group arrangement of the fuel cell stack 1100 in FIG. 1 described above, the cell group 1010a, the cell group 1010b, and the cell group 1010a are arranged in this order in the width direction (short side direction) of the fuel cell stack 1100. In FIG. 12A, the cell group 1010a on the right side and the cell group 1010a on the left side are connected to each other in the back of the paper in FIG. Therefore, the manifold 1002b to which the plurality of cells 1001 arranged in the cell group 1010a are connected and fixed has a "U" shape in the top view (FIG. 12 (B)).

セル1001は円筒形状であり、燃料極1003の両端に電気的に接続された金属キャップ1004を備え、金属キャップ1004はセル1001とガラス材料1005(図11~図13では図示せず)によってシールされている。セル1001は絶縁性支持部材1006(ブッシュともいう)を介してマニホールド1002bに、立設され、ガラスリング1007により気密固定される。またセル1001の一部は、上面視において「コ」字状のマニホールド1002aの下方に、絶縁性支持部材1006を介して他端側が配置され、ガラスリング1007によって気密接合されている。 The cell 1001 has a cylindrical shape and includes metal caps 1004 electrically connected to both ends of the fuel electrode 1003, and the metal cap 1004 is sealed by the cell 1001 and the glass material 1005 (not shown in FIGS. 11 to 13). ing. The cell 1001 is erected on the manifold 1002b via the insulating support member 1006 (also referred to as a bush), and is airtightly fixed by the glass ring 1007. A part of the cell 1001 is arranged on the other end side of the cell 1001 below the "U" -shaped manifold 1002a via the insulating support member 1006, and is airtightly joined by a glass ring 1007.

複数のセル1001同士の電気的接続は、金属キャップ1004と空気極1008の端部とを集電体1009を介して電気的に直列となるように接続されている。ここで、セル1001内の電流分布を考慮すると、燃料ガスの流れる方向に対してセル1001の下流側に集電体を設置するのが望ましい。そのため、他端側から一端側へ(図12(A)において上端側から下端側に向かって)燃料ガスが流れるセル群1010aにおいては、一端側(下端側)に集電体1009を設けることが好ましい。一方、一端側から他端側の方向(図12(A)において下端側から上端側への方向)に燃料ガスが流れるセル群1010bにおいては、他端側に集電体1009を設けることが好ましい。またセル群1010aとセル群1010bとの電気的接続は、セル群1010aに配置のセル1001の一端側とセル群1010bに配置のセル1001の他端側との接続が必要となるため、一端側から他端側にわたる長距離の集電体による接続が必要となるため、セル1001への短絡防止という観点で、セル群1010aとセル群1010bとのセル間を離間させると良い。 The electrical connection between the plurality of cells 1001 is such that the metal cap 1004 and the end of the air electrode 1008 are electrically connected in series via the current collector 1009. Here, considering the current distribution in the cell 1001, it is desirable to install the current collector on the downstream side of the cell 1001 with respect to the flow direction of the fuel gas. Therefore, in the cell group 1010a in which the fuel gas flows from the other end side to the one end side (from the upper end side to the lower end side in FIG. 12A), the current collector 1009 may be provided on the one end side (lower end side). preferable. On the other hand, in the cell group 1010b in which the fuel gas flows in the direction from one end side to the other end side (direction from the lower end side to the upper end side in FIG. 12A), it is preferable to provide the current collector 1009 on the other end side. .. Further, the electrical connection between the cell group 1010a and the cell group 1010b requires a connection between one end side of the cell 1001 arranged in the cell group 1010a and the other end side of the cell 1001 arranged in the cell group 1010b. Since it is necessary to connect by a long-distance current collector extending from the other end to the other end, it is preferable to separate the cells of the cell group 1010a and the cell group 1010b from the viewpoint of preventing a short circuit to the cell 1001.

改質器1011で改質された燃料ガスは、図12(B)に示すように、上面視「コ」字状のマニホールド1002aの燃料ガス供給管1020から供給され、「コ」字状のマニホールド1002aの内部で分散し、「コ」字状のマニホールド1002aと連通するように接続された上流側のセル群1010aのガス流路を他端側から一端側へ流れる。セル群1010aから排出された発電に未使用の燃料ガスは、マニホールド1002bにおいて集約され、他端側が開放された下流側のセル群1010bのガス流路を一端側から他端側へ向かって流れ、セル群1010bの上端から排出される。 As shown in FIG. 12B, the fuel gas reformed by the reformer 1011 is supplied from the fuel gas supply pipe 1020 of the “U” -shaped manifold 1002a in the top view, and the “U” -shaped manifold is supplied. The gas flow path of the cell group 1010a on the upstream side, which is dispersed inside the 1002a and is connected so as to communicate with the "U" -shaped manifold 1002a, flows from the other end side to one end side. The fuel gas discharged from the cell group 1010a and unused for power generation is collected in the manifold 1002b and flows through the gas flow path of the cell group 1010b on the downstream side where the other end side is open from one end side to the other end side. It is discharged from the upper end of the cell group 1010b.

また、図12(C)に示すように、直方体形状のマニホールド1002aを2つに分割して他端側に配置した構成としてもよい。改質器1011から導出される燃料ガスを分配して、マニホールド2bの燃料ガス供給管1020にそれぞれ供給されることで、セル群1010aから下流側のセル群1010bへ順に燃料ガスを供給することができる。 Further, as shown in FIG. 12C, the rectangular parallelepiped shape manifold 1002a may be divided into two and arranged on the other end side. By distributing the fuel gas derived from the reformer 1011 and supplying it to the fuel gas supply pipe 1020 of the manifold 2b, the fuel gas can be sequentially supplied from the cell group 1010a to the cell group 1010b on the downstream side. can.

一方発電用の空気は、セル群1010aまたはセル群1010bとして立設される複数の円筒状のセル1001の側面に、セル1001の下方より供給される(図12(A)の点線矢印)。供給された発電用の空気はセル1001の一端側から他端側に向かって流れ、他端側が開放された下流側のセル群1010bの上端部において未使用ガスと混合し、燃焼される。 On the other hand, the air for power generation is supplied from below the cell 1001 to the side surface of the plurality of cylindrical cells 1001 erected as the cell group 1010a or the cell group 1010b (dotted line arrow in FIG. 12A). The supplied air for power generation flows from one end side to the other end side of the cell 1001, mixes with the unused gas at the upper end portion of the cell group 1010b on the downstream side where the other end side is open, and is burned.

ここで、他端側にマニホールド1002aが設置される上流側のセル群1010aを構成する複数のセル1001の隙間には発電用の空気が流れにくくなるため、空気の流れを考慮して、上流側のセル群1010aと下流側のセル群1010bとを所定距離だけ離間させることが好ましい。 Here, since it becomes difficult for air for power generation to flow in the gaps between the plurality of cells 1001 constituting the cell group 1010a on the upstream side where the manifold 1002a is installed on the other end side, the air flow on the upstream side is taken into consideration. It is preferable that the cell group 1010a on the downstream side and the cell group 1010b on the downstream side are separated by a predetermined distance.

また上面視において、図12(D)の点線矢印に示すように、「コ」字状のマニホールド2bにおいて燃料電池スタックの短辺方向に延びる領域直下においては発電用の空気が流れにくいため、複数のセル1001に発電用の空気を供給するための空気供給孔は燃料電池セルスタックの長辺側だけとせず、短辺側にも設置して発電用の空気の供給を行うことが好ましい。 Further, in the top view, as shown by the dotted arrow in FIG. 12 (D), since it is difficult for air for power generation to flow directly under the region extending in the short side direction of the fuel cell stack in the “U” -shaped manifold 2b, a plurality of them. It is preferable that the air supply hole for supplying the air for power generation to the cell 1001 is installed not only on the long side side of the fuel cell stack but also on the short side side to supply the air for power generation.

燃料ガスはマニホールド1002aを通過し、上流側のセル群1010aにおいて発電反応のために消費される。発電反応によって消費されずに残存する未使用ガスは、マニホールド1002bを通って下流側のセル群1010bに供給され、さらに下流側のセル群1010bにおいて発電反応により消費される。 The fuel gas passes through the manifold 1002a and is consumed for the power generation reaction in the cell group 1010a on the upstream side. The unused gas that remains unconsumed by the power generation reaction is supplied to the downstream cell group 1010b through the manifold 1002b, and is further consumed by the power generation reaction in the downstream cell group 1010b.

また、図13に示すように、直方体形状のマニホールド1002aを上面視中央の他端側に配置する構成としてもよい。改質器1011から導出される燃料ガスを分配して、マニホールド1002aの燃料ガス供給管1020にそれぞれ供給されることで、セル群1010aから下流側のセル群1010bへ順に燃料ガスを供給することができる。 Further, as shown in FIG. 13, a rectangular parallelepiped shape manifold 1002a may be arranged on the other end side of the center of the top view. By distributing the fuel gas derived from the reformer 1011 and supplying the fuel gas to the fuel gas supply pipe 1020 of the manifold 1002a, the fuel gas can be sequentially supplied from the cell group 1010a to the cell group 1010b on the downstream side. can.

以上のように、他端側のマニホールドから燃料ガスを流入させ、一端側のマニホールドで未使用ガスを集約し、開放側のセル群へ供給するとのセル群の二段構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。 As described above, a plurality of cells are configured by allowing fuel gas to flow in from the manifold on the other end side, collecting unused gas in the manifold on the one end side, and supplying it to the cell group on the open side. Conventional fuel by simply adjusting the number of cells on the upstream side and the downstream side without significantly restricting or hindering the arrangement of cells, the electrical series connection between cells, the flow of air for power generation, etc. It is possible to provide a fuel cell stack having a high fuel utilization rate to which the structure of the battery module can be applied as it is.

また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、1kw程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。 Further, by arranging the reformer or the evaporator in the combustion region where the off gas discharged from the fuel cell stack is burned, it is possible to apply the same arrangement configuration as the conventional fuel cell module. Therefore, it is possible to support a small fuel cell device having an output performance of about 1 kW, and to provide a highly efficient and highly durable fuel cell system.

1 燃料電池セル(セル)
1a 燃料電池セル
1b 燃料電池セル
2a (第1の)マニホールド
2b (第2の)マニホールド
2b1 室
2b2 室
10a 第1のセルスタック(セル群)
10b 第2のセルスタック(セル群)
12 改質器
12A 蒸発部
12B 改質部
13A 供給管
13B 供給管
14 接続部
18 燃焼部
20 分配管
20A 開口
22 筐体
22A 開口
24 枠体
24A 開口
30 集電部材
30a 端部集電部材
30b 端部集電部材
32 連結集電部材
34 導電性支持基板
34A ガス流路
36 燃料側電極層
38 固体電解質層
40 空気側電極層
42 インターコネクタ
44 P型半導体層
46 断熱材
50 筐体部材
50a 底板
50b 側板
50c 天板
50d 第1の開口
50e 第2の開口
52 第1の枠体
52a 開口
52b 天板
52c 側板
54 第2の枠体
54a 開口
54b 天板
54c 側板
56a ガラスシール
56b ガラスシール
57a ガラスシール
57b ガラスシール
60 仕切り板
60A 表面
60B 表面
60a 空気流通路
60b 上部貫通孔
60c 下部貫通孔
60d 下端噴出孔
60e 第1の空気噴出孔
60f 第2の空気噴出孔
90 断熱材
92 内側ハウジング
92a 排ガス排出孔
94 外側ハウジング
96 排ガス流路
98 空気流路
100 燃料電池セルスタック(装置)
150 筐体部材
150a 底板
150b 側板
150c 天板
150c1 第1の天板部
150c2 第2の天板部
150c3 連結部
150d 開口
150e 開口
1001 セル
1002a マニホールド
1002b マニホールド
1003 燃料極
1004 金属キャップ
1005 ガラス材料
1006 絶縁性支持部材
1007 ガラスリング
1008 空気極
1009 集電体
1010a セル群
1010b セル群
1011 改質器
1020 燃料ガス供給管
1100 燃料電池セルスタック
1101 セル本体
1102 キャップ
1102b 円環部
1103 燃料ガス流路
1104 内側電極層
1105 電解質層
1106 外側電極層
1107 燃料ガス流路
1108 銀ペースト
1109 ガラスシール
1 Fuel cell (cell)
1a Fuel cell 1b Fuel cell 2a (1st) Manifold 2b (2nd) Manifold 2b1 Room 2b2 Room 10a 1st cell stack (cell group)
10b Second cell stack (cell group)
12 Reformer 12A Evaporation part 12B Remodeling part 13A Supply pipe 13B Supply pipe 14 Connection part 18 Burning part 20 minutes Piping 20A Opening 22 Housing 22A Opening 24 Frame body 24A Opening 30 Current collecting member 30a End part Current collecting member 30b End Part Current collecting member 32 Connecting current collecting member 34 Conductive support substrate 34A Gas flow path 36 Fuel side electrode layer 38 Solid electrolyte layer 40 Air side electrode layer 42 Interconnector 44 P-type semiconductor layer 46 Insulation material 50 Housing member 50a Bottom plate 50b Side plate 50c Top plate 50d First opening 50e Second opening 52 First frame 52a Opening 52b Top plate 52c Side plate 54 Second frame 54a Opening 54b Top plate 54c Side plate 56a Glass seal 56b Glass seal 57a Glass seal 57b Glass seal 60 Partition plate 60A Surface 60B Surface 60a Air flow passage 60b Upper through hole 60c Lower through hole 60d Lower end ejection hole 60e First air ejection hole 60f Second air ejection hole 90 Insulation material 92 Inner housing 92a Exhaust exhaust hole 94 Outer housing 96 Exhaust flow path 98 Air flow path 100 Fuel cell cell stack (device)
150 Housing member 150a Bottom plate 150b Side plate 150c Top plate 150c1 First top plate part 150c2 Second top plate part 150c3 Connecting part 150d Opening 150e Opening 1001 Cell 1002a Manifold 1002b Manifold 1003 Fuel pole 1004 Metal cap 1005 Glass material 1006 Insulation Support member 1007 Glass ring 1008 Air electrode 1009 Current collector 1010a Cell group 1010b Cell group 1011 Reformer 1020 Fuel gas supply pipe 1100 Fuel cell cell stack 1101 Cell body 1102 Cap 1102b Circular portion 1103 Fuel gas flow path 1104 Inner electrode layer 1105 Electrolyte layer 1106 Outer electrode layer 1107 Fuel gas flow path 1108 Silver paste 1109 Glass seal

Claims (6)

内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを第1の方向に並置してなる第1のセルスタック及び第2のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、
前記第1のセルスタックに接続され、前記第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第1のマニホールドと、
前記第1のセルスタック及び前記第2のセルスタックに接続され、前記第1のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、前記第2のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに供給するための第2のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、
前記第2のマニホールドには、前記第1のセルスタックが接続される第1の接続部と前記第2のセルスタックが接続される第2の接続部が設けられ、前記第2のマニホールド内には、前記第1の接続部が設けられた部分から前記第2の接続部が設けられた部分への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部が設けられており、
前記流路抵抗部は、前記第1の方向に延びるように前記第2のマニホールド内に形成された隙間により構成され、前記隙間の高さは前記第1の接続部内の空間の高さよりも小さい、ことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
A first cell stack in which a plurality of columnar fuel cell cells having a gas flow path extending in the longitudinal direction are juxtaposed in the first direction, a cell group in which the second cell stack is juxtaposed in the horizontal direction, and a cell group.
A first manifold connected to the first cell stack and for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack.
The fuel gas connected to the first cell stack and the second cell stack and discharged from the first cell stack is recovered, and the recovered fuel gas is used as the fuel for each of the second cell stacks. A fuel cell stacking device comprising a second manifold for supplying a battery cell.
The second manifold is provided with a first connection portion to which the first cell stack is connected and a second connection portion to which the second cell stack is connected, and is provided in the second manifold. Is provided with a flow path resistance portion that gives resistance to the flow of fuel gas from the portion provided with the first connection portion to the portion provided with the second connection portion .
The flow path resistance portion is composed of a gap formed in the second manifold so as to extend in the first direction, and the height of the gap is smaller than the height of the space in the first connection portion. , A fuel cell stacking device characterized by that.
前記隙間の高さは、前記第2の接続部内の空間の高さよりも小さい、The height of the gap is smaller than the height of the space in the second connection.
請求項1に記載の燃料電池セルスタック装置。 The fuel cell stack device according to claim 1.
内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第1のセルスタック及び第2のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、
前記第1のセルスタックに接続され、前記第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第1のマニホールドと、
前記第1のセルスタック及び前記第2のセルスタックに接続され、前記第1のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、前記第2のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに供給するための第2のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、
前記第2のマニホールドには、前記第1のセルスタックが接続される第1の接続部と前記第2のセルスタックが接続される第2の接続部が設けられ、前記第2のマニホールド内には、前記第1の接続部が設けられた部分から前記第2の接続部が設けられた部分への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部が設けられており、
前記第2のマニホールドは、前記第1の接続部の高さよりも、前記第2の接続部の高さが低くなるように構成されている、ことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
A first cell stack in which a plurality of columnar fuel cell cells having a gas flow path extending in the longitudinal direction are juxtaposed inside, a cell group in which a second cell stack is juxtaposed in the horizontal direction, and a cell group.
A first manifold connected to the first cell stack and for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack.
The fuel gas connected to the first cell stack and the second cell stack and discharged from the first cell stack is recovered, and the recovered fuel gas is used as the fuel for each of the second cell stacks. A fuel cell stacking device comprising a second manifold for supplying a battery cell.
The second manifold is provided with a first connection portion to which the first cell stack is connected and a second connection portion to which the second cell stack is connected, and is provided in the second manifold. Is provided with a flow path resistance portion that gives resistance to the flow of fuel gas from the portion provided with the first connection portion to the portion provided with the second connection portion.
The fuel cell stack device is characterized in that the second manifold is configured so that the height of the second connection portion is lower than the height of the first connection portion.
前記第2のマニホールドは、
前記第1の接続部が形成された第1の枠体と、
前記第2の接続部が形成され、前記第1の枠体と同一形状の第2の枠体と、
前記第1の枠体及び前記第2の枠体が上面に固定される筐体部材と、を備え、
前記第2の枠体は、前記筐体部材の前記上面に対し、前記第1の枠体よりも低い位置に固定され、前記流路抵抗部が、前記第2の枠体の下端と前記筐体部材の底面との間の隙間により構成されている、請求項に記載の燃料電池セルスタック装置。
The second manifold is
With the first frame body on which the first connection portion is formed,
The second frame body having the same shape as the first frame body and the second frame body in which the second connection portion is formed
The first frame body and the housing member to which the second frame body is fixed to the upper surface are provided.
The second frame is fixed at a position lower than the first frame with respect to the upper surface of the housing member, and the flow path resistance portion is the lower end of the second frame and the housing. The fuel cell stack device according to claim 3 , which is composed of a gap between the bottom surface of the body member and the body member.
前記第2のマニホールドは、
前記第1の接続部が形成された第1の枠体と、
前記第2の接続部が形成された第2の枠体と、
前記第1の枠体及び前記第2の枠体が上面に固定される筐体部材と、を備え、
前記筐体部材の前記上面は、前記第1の枠体が固定される部分よりも、前記第2の枠体が固定される部分が低くなるように構成され、前記流路抵抗部が、前記第2の枠体の下端と前記筐体部材の底面との間の隙間により構成されている、請求項に記載の燃料電池セルスタック装置。
The second manifold is
With the first frame body on which the first connection portion is formed,
With the second frame body in which the second connection portion was formed,
The first frame body and the housing member to which the second frame body is fixed to the upper surface are provided.
The upper surface of the housing member is configured such that the portion where the second frame is fixed is lower than the portion where the first frame is fixed, and the flow path resistance portion is the portion. The fuel cell stack device according to claim 3 , further comprising a gap between the lower end of the second frame and the bottom surface of the housing member.
内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第1のセルスタック及び第2のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、
前記第1のセルスタックに接続され、前記第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第1のマニホールドと、
前記第1のセルスタック及び前記第2のセルスタックに接続され、前記第1のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、前記第2のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに供給するための第2のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、
前記第2のマニホールドには、前記第1のセルスタックが接続される第1の接続部と前記第2のセルスタックが接続される第2の接続部が設けられ、前記第2のマニホールド内には、前記第1の接続部が設けられた部分から前記第2の接続部が設けられた部分への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部が設けられており、
さらに、
前記第2のセルスタックの上方に配置され、原料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質し、前記第1のマニホールドに前記燃料ガスを供給する改質器を備え、
前記第1のセルスタックの上端は、前記第1のマニホールドの下端部に接続され、
前記第1のマニホールドの下端部と、前記改質器の下端部とは同じ高さに位置している、ことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
A first cell stack in which a plurality of columnar fuel cell cells having a gas flow path extending in the longitudinal direction are juxtaposed inside, a cell group in which a second cell stack is juxtaposed in the horizontal direction, and a cell group.
A first manifold connected to the first cell stack and for supplying fuel gas to each fuel cell of the first cell stack.
The fuel gas connected to the first cell stack and the second cell stack and discharged from the first cell stack is recovered, and the recovered fuel gas is used as the fuel for each of the second cell stacks. A fuel cell stacking device comprising a second manifold for supplying a battery cell.
The second manifold is provided with a first connection portion to which the first cell stack is connected and a second connection portion to which the second cell stack is connected, and is provided in the second manifold. Is provided with a flow path resistance portion that gives resistance to the flow of fuel gas from the portion provided with the first connection portion to the portion provided with the second connection portion.
Moreover,
A reformer, which is arranged above the second cell stack, reforms the raw material gas into a fuel gas containing hydrogen, and supplies the fuel gas to the first manifold.
The upper end of the first cell stack is connected to the lower end of the first manifold.
A fuel cell stack device, characterized in that the lower end of the first manifold and the lower end of the reformer are located at the same height.
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