JP4288919B2

JP4288919B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4288919B2
Application number: JP2002284022A
Authority: JP
Inventors: 俊哉阿部; 正宏黒石; 進相川; 健斎藤; 弘明竹内; 幸作藤永; 賢太郎鈴木
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP2004119297A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は円筒形固体電解質型燃料電池に関し、特に仕切り板により発電室と燃焼室を形成した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池とは、異なった成分のセラミック材料を空気極、電解質および燃料極として積層して作られた燃料電池セルから成るり、約７００℃から１０００℃で最も効率的に発電するタイプの燃料電池で、特に燃料電池セルの形状が円筒形の物を円筒形固体電解質形燃料電池という。従来の代表的な円筒形固体電解質形燃料電池の一例を図１０に示す。ガスシール容器４の内部に複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池セル集合体３を配し、燃料電池セル１の開口部付近に設けられた仕切り板６により燃料電池セル集合体３側を発電室８、燃料電池セル開口部側を燃焼室９としている。燃料供給配管１１により供給された燃料ガスは燃料電池セル集合体３の下方に位置する燃料分配室７により効果的に分散され各燃料電池セル１の外表面に接触する。一方、酸化剤は酸化剤供給配管１２により酸化剤分配器１３により効果的に分散され、燃料電池セル１の内側に挿入された導入管２を通じて酸化剤として空気が導入され燃料電池セル１の内表面に接触する。このように構成された固体電解質型燃料電池を作動温度約７００℃から１０００℃まで昇温すると、燃料電池セル１の内側の空気極側から燃料電池セル１の外側の燃料極側にＯ^2-イオンが移動して電気化学的反応が起こり、発電が行われる。発電の際に生成された水蒸気および未反応燃料ガスはある適正な通気機能を持った仕切り板６を通り抜けて燃焼室９に入り、ここで燃料電池セル1の内側で未反応となった酸化剤と混合され、着火燃焼後排ガス配管１０から排出される。
【０００３】
このような従来の燃料電池の構成では、燃料電池セル１および導入管２はセラミック系材料、ガスシール容器４および排ガス配管１０などの配管類、酸化剤分配器１３はインコネル（登録商標）またはステンレスなどの耐熱合金金属材料および仕切り板６はアルミナ繊維などのセラミック系材料を使用することが一般的である。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
前述したように仕切り板６は適正な通気機能が持たせてあるが、これは、発電室の内圧が燃焼室の内圧より高まることで燃焼室から酸化剤の進入を防ぐ目的と、発電室の燃料の流れを均一化し全ての燃料電池セル１の発電性能を最大に活用することを目的としている。
よって、仕切り板６の通気機能を発揮するためには仕切り板６と燃料電池セル１の境界部分および仕切り板６とガスシール容器４の境界部分の気密性確保は非常に重要であり、燃料電池システムの発電性能に大きく影響を及ぼす。
従来の燃料電池システムでは、仕切り板６と燃料電池セル１の間および仕切り板６とガスシール容器４の間に繊維状のセラミックを充填することにより気密性を確保している。（例えば、特許文献２参照）
【特許文献１】
特開２００１−５０７５０１号公報（第１４−３１頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−１６２４９８号公報（第１−６頁、第１−６図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の燃料電池の組立作業は常温下で行われる。その後、固体電解質型燃料電池の作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温されるがその過程において仕切り板６とガスシール容器４との線膨張係数の違いにより寸法差が生じてしまい、仕切り板外周部とガスシール容器４との間に隙間を生じてしまう。例えばガスシール容器４を構成する金属材料の線膨張係数はインコネル（登録商標）の場合約１６μ／Ｋであり仕切り板６の線膨張係数６μ／Ｋよりかなり大きい。これはガスシール容器４の幅方向内寸が５００ｍｍの場合、１０００℃作動時にガスシール容器４と仕切り板６との間に片側２．５ｍｍの隙間が生じる計算となる。当然ながら燃料電池システムの発電容量を大型化するにつれてガスシール容器の幅が大きくなり、前述したガスシール容器４と仕切り板６との隙間が増加してしまう。
【０００６】
従来の燃料電池システムで行われている仕切り板６と燃料電池セル１の間および仕切り板６とガスシール容器４の間に繊維状のセラミックを充填する方策では、ガスシール容器４の幅寸法が比較的小さい場合は繊維状セラミックの弾力性によりガスシール容器４の膨張に追随し、仕切り板６の外周とガスシール容器４の間の気密性をある程度確保できるが、燃料電池システムの発電容量を大型化するためにガスシール容器４の幅を大きくするにつれて、繊維状セラミックの弾力性では追随できなくなり仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまう。あるいは、繊維状セラミックの弾力性によるガスシール容器４への押付け力が不足し、発電室内圧に打ち勝てず繊維状セラミックが発電室内燃料ガスに押し広げられて仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまう。
仕切り板６は、燃料電池セル１の開口端から燃焼室９に放出された酸化剤が発電室８に侵入し発電室８内の燃料と反応して燃焼することによる燃料濃度の低下と局部的な温度上昇を防ぐ役割と発電室８内の燃料が平面方向で均一に流れ燃焼室９に送る役割を持っており、仕切り板６には予め適正でかつ平面方向で均一な通気抵抗を持っており発電室の内圧が燃焼室の内圧より高くなるように設計されている。
前述のように仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまうと、発電室８から燃焼室９への通気抵抗が低下し燃焼室９内の酸化剤が発電室８内に侵入する可能性があり、また通気抵抗の小さい仕切り板６の外周とガスシール容器４の間の隙間から優先的に燃料が流出するため発電室８内の燃料の流れが偏ってしまい、燃料の流れの悪い箇所の燃料電池セル１の能力を十分できない上、燃料の流れの良し悪しによって大きな温度分布がついてしまい、燃料電池システム全体の効率を著しく低下させてしまう。
本発明は、上記課題を解決し、効率的で安定した運転が可能な固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
第一の発明においては、複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記セル集合体を覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、
前記ガスシール容器と、前記仕切り板との隙間を覆い隠す隔壁板を設けた燃料電池システムを提供する。
これにより、常温で組みたてられた燃料電池を作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の隙間を隔壁板が覆い隠し、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密性を高めることができる。よって前記仕切り板外周部からのガスの漏洩を著しく減少することができ、前記燃焼室は予め設計された前記仕切り板の通気機能によってガスが流れ、これにより発電室の内圧が燃焼室の内圧より高まることで燃焼室から酸化剤の進入を防ぎ、発電室の燃料の流れを均一化し全ての前記燃料電池セルの発電性能を最大に活用することで、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【０００８】
第二の発明においては、前記隔壁板は前記仕切り板２枚に挟みこまれた構造を備えた燃料電池システムを提供する。
これにより常温において前記隔壁板と前記仕切り板を密着させて組立てられた燃料電池システムは、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の寸法差を前記隔壁板が前記仕切り板に密着したまま水平方向にスライドすることで、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を維持することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【０００９】
第三の発明においては、前記隔壁板は前記仕切り板の表面に押付けられた構造を備えた燃料電池システムを提供する。
これにより常温において前記隔壁板を前記仕切り板に板バネ状に押付けた状態で組立てられた燃料電池システムは、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向および垂直方向の寸法差を前記隔壁板がその弾性力で前記仕切り板に押付けたまま水平方向にスライドすることで、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を維持することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１０】
第四の発明においては、前記隔壁板は表面の平滑な金属板またはセラミック板を間に介して前記仕切り板と密着させた燃料電池システムを提供する。
常温において組立てられた燃料電池システムが、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時および運転停止により常温に降温する時に、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の寸法差を前記隔壁板が水平方向にスライドすることで吸収するが、前記仕切り板が多孔質である場合、前記隔壁板と前記仕切り板との間の滑り抵抗が大きくまた表面が粗いためスムーズにスライドしにくく、前記隔壁板または前記仕切り板を損傷する可能性がある。特に常温に降温する際に前記隔壁板が燃料電池システム中央に向かってスライドするが、この過程で前記仕切り板の表面の凹凸にひっかかる可能性が高い。
ここで言う表面が平滑であるとは、前記隔壁板が表面を密着しながらスライドする時に引っかかったり、滑り抵抗が大きすぎてスライド動作を阻害しない程度に十分に表面が平滑であることである。表面が平滑金属板またはセラミック板を前記隔壁板と前記仕切り板との間に介して前記仕切り板と密着させることで、前記仕切り板が前記仕切り板面をスムースにスライドできる。
【００１１】
第五の発明においては、前記隔壁板は繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を間に介して前記仕切り板と密着させた燃料電池システムを提供する。
これにより、燃料電池の製造上において生じる前記隔壁板と仕切り板との位置寸法、平面精度などの寸法誤差を繊維状のセラミックまたは繊維状の金属が吸収することで前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を確実に実現することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
図１にあるように、ガスシール容器４の内部に、複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池セル集合体３を配し発電室８としている。燃料電池セル集合体３の下方には適正寸法のガス導通孔が明いている燃料分配室７があり燃料供給配管１１と接続されている。燃料電池セル集合体３の上方には適正なガス導通穴または気孔率を持つ仕切り板６によって区切られた燃焼室９があり、発電室内の燃料は仕切り板６が持つ圧力損失を経て燃焼室９に至るよう設計される。隔壁板１４はガスシール容器４の内壁周囲から壁面に対して垂直あるいは斜めにシール接合されており仕切り板６に密着するよう配置させている。燃焼室９の中には酸化剤分配器１３とそれに接続された酸化剤供給配管１２が配されている。酸化剤分配器１３からは導入管２が燃料電池セル１の本数分接続されており、燃料電池セル１の内側に挿入されるように配置されている。また燃焼室９からは排ガス配管１０が断熱ボード５に明けられた孔を通じてガスシール容器４の外側まで伸びており排ガス配管はガスシール容器４にシール溶接で固定されている。燃料電池セル１は性質の異なる導電性セラミックの円筒積層構造体、断熱ボード５はアルミナ短繊維を圧縮成形したもの、仕切り板６はアルミナ繊維を連続的に積層しブランケット状にしたもの、導入管２はアルミナ系セラミックの緻密体、酸化剤分配器３・ガスシール容器４・隔壁板１４・排ガス配管１０などの各配管はインコネル（登録商標）やステンレスなどの耐熱合金で作られている。
【００１６】
このように構成された固体電解質型燃料電池を、作動温度約７００℃〜１０００℃まで昇温すると図１に示すように、内部の仕切り板６より線膨張係数の大きいガスシール容器４は仕切り板６よりも大きく膨張し、ガスシール容器４と仕切り板６の間に隙間が生じるが、隔壁板１４が仕切り板６と密着した状態を維持したままスライドしながら膨張することによりガスシール容器４と仕切り板６の間の隙間を遮断するので、発電室８内の燃料は仕切り板６の持つガス導通穴または気孔以外のところから燃焼室９に入ることはなく、予め設計された仕切り板６を通過してのみ燃焼室９に入ることができる。
【００１７】
図２は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
図２にあるように隔壁板１４は仕切り板６が２枚上下から挟み込む構造を持たせ、隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００１８】
図３は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは、隔壁板１４は弾力性のある薄板金属板であり、外周部分はガスシール容器４の内壁にシール接合されており、内周部分は隔壁板１４のもつ曲げ弾性力により仕切り板６に押し付けられるように配置されている。このように隔壁板は常温から作動温度まで常に仕切り板６に押し付けられる構造となっており隔壁板１４と仕切り板６との密着性を維持できる。また、図４のように隔壁板１４を仕切り板６の上下に配して、隔壁板１４のもつ曲げ弾性力により仕切り板６を挟み込むようにすることもできる。
【００１９】
図５は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは、隔壁板１４と仕切り板６の間に表面の平滑な滑り板１５を挟み、隔壁板１４が昇降温の過程でひっかかることなく小さい滑り抵抗でスムースに水平方向に移動することができるようにしている。滑り板６の材質としては作動温度である７００℃から１０００℃においても著しい劣化を起こさない材質でかつ表面が平滑な材質であることが望まれる。例えば耐熱耐酸化性の高いフェライト系のステンレスやインコネル（登録商標）あるいはアルミナ系セラミックの焼結体を使用することが望ましい。
【００２０】
図６は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは図２と同様、隔壁板１４は仕切り板６が２枚上下から挟み込む構造を持たせているが、さらに隔壁板１４と仕切り板６との間にパッキン６挟んでいる。パッキン６の材質としては高温に耐えられかつ適当な弾力性を有する繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を挟んでいる。繊維状の金属はステンレスまたはニッケルをフェルト状に加工されたものが使用されるが、適当な弾力性と耐熱性があれば他の材質を使用することもできる。一般に金属材料は酸化雰囲気に曝されると酸化腐食による弾力性能低下が著しいため使用する場合は隔壁板１４と発電室側の仕切り板６との間に配するのが望ましい。一方、繊維状のセラミックに関してはその成分に珪素が含まれると燃料電池セル１の燃料極を被毒させるため、アルミナを主成分とし、珪素成分が３０％以下のセラミック繊維を使用するかあるいは隔壁板１４と燃焼室側の仕切り板６との間に配するのが望ましい。
これにより燃料電池の製造上において生じる隔壁板１４と仕切り板６との位置寸法、平面精度などの寸法誤差を繊維状のセラミックまたは繊維状の金属が吸収することで隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２１】
図７は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは図５と同様、隔壁板１４と仕切り板６の間に表面の平滑な滑り板１５を挟み、隔壁板１４が昇降温の過程でひっかかることなく小さい滑り抵抗でスムースに水平方向に移動することができるようにしているが、さらに隔壁板１４と仕切り板６との間にパッキン６挟んでいる。パッキン６の材質としては高温に耐えられかつ適当な弾力性を有する繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を挟んでいる。
【００２２】
図８は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。ここでは、ガスシール容器４の内部に断熱ボード５を配した燃料電池についての実施例であり、隔壁板１４を仕切り板６と断熱ボード５との間に挟み込む構造を持たせている。こうすることにより隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２３】
ここまで前述した隔壁板１４はガスシール容器４の内壁にシール接合されておりこの状態を常温から作動温度まで確実に維持するためには、隔壁板１４の線膨張係数がガスシール容器４の線膨張係数と同一の材料とすることが望ましい。例えば、ガスシール容器４の材質に耐高温酸化性および耐高温強度の高いインコネル（登録商標）６０１を使用する場合、隔壁板１４の材質もインコネル（登録商標）６０１にする。
【００２４】
あるいは隔壁板１４の線膨張係数がガスシール容器４の線膨張係数と略同一の線膨張係数をもつ材質を選定することもできる。例えば、図３のような形状を隔壁板１４に持たせた場合、ガスシール容器４の材質を線膨張係数１６．７μ／Ｋであるインコネル（登録商標）６０１とし、隔壁板１４の材質を線膨張係数１６．２μ／Ｋであるインコネル（登録商標）Ｘ−７５０とすることができる。ここではガスシール容器の要求性能として耐高温酸化性と耐高温強度の高いインコネル（登録商標）６０１が選定され、隔壁板１４の要求性能として耐高温酸化性と耐高温強度が高くかつ耐力が高く弾性性能の高いインコネル（登録商標）Ｘ−７５０を選定している。これにより、隔壁板１４が仕切り板６に対して適正な押し付け力を発生させ、隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２５】
また、前述した例は円筒内側が空気極、円筒外側が燃料極である縦縞円筒形固体電解質型燃料電池の実施例を示しているが、反対に円筒内側が燃料極、円筒外側が空気極である横縞円筒形固体電解質型燃料電池においても前述文中、燃料と酸化剤を置き換えて本発明を適用することができる。
【００２６】
またさらに、図９に示すように、両端開放型の円筒形固体電解質型燃料電池の場合においては、前述の例と同様発電室８と燃焼室９を仕切る仕切り板９に密着させるように隔壁板１４を配置するだけでなく、発電室８と空気分配室１７を仕切る仕切り板１８に密着させるように隔壁板１９を配置することで発電室８と空気分配室１７との気密性を適正に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図３】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図５】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図７】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図８】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図９】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図１０】従来の固体電解質型燃料電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１燃料電池セル
２導入管
３燃料電池セル集合体
４ガスシール容器
５断熱ボード
６仕切り板
７燃料分配室
８発電室
９燃焼室
１０排ガス配管
１１燃料供給配管
１２酸化剤供給配管
１３酸化剤分配器
１４隔壁板
１５滑り板
１６パッキン
１７空気分配室
１８仕切り板
１９隔壁板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cylindrical solid oxide fuel cell, and more particularly to a fuel cell in which a power generation chamber and a combustion chamber are formed by partition plates.
[0002]
[Prior art]
A solid oxide fuel cell is a type of fuel cell that is made by laminating ceramic materials of different components as an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode, or that generates electricity most efficiently at about 700 ° C to 1000 ° C. In particular, a fuel cell having a cylindrical shape is called a cylindrical solid electrolyte fuel cell. An example of a conventional typical cylindrical solid electrolyte fuel cell is shown in FIG. Inside the gas seal container 4, a fuel cell assembly 3 that is an assembly formed by electrically connecting a plurality of fuel cells 1 is arranged, and fuel is separated by a partition plate 6 provided in the vicinity of the opening of the fuel cell 1. The battery cell assembly 3 side is a power generation chamber 8 and the fuel battery cell opening side is a combustion chamber 9. The fuel gas supplied by the fuel supply pipe 11 is effectively dispersed by the fuel distribution chamber 7 located below the fuel cell assembly 3 and contacts the outer surface of each fuel cell 1. On the other hand, the oxidant is effectively dispersed by the oxidant distributor 13 through the oxidant supply pipe 12, and air is introduced as an oxidant through the introduction pipe 2 inserted inside the fuel battery cell 1. Contact the surface. When the solid oxide fuel cell thus configured is heated from an operating temperature of about 700 ° C. to 1000 ° C., O ^{2 −} from the air electrode side inside the fuel cell 1 to the fuel electrode side outside the fuel cell 1. The ions move and an electrochemical reaction takes place, generating electricity. Water vapor and unreacted fuel gas generated during power generation pass through a partition plate 6 having an appropriate ventilation function and enter the combustion chamber 9, where the oxidant becomes unreacted inside the fuel cell 1. And is discharged from the exhaust gas pipe 10 after ignition and combustion.
[0003]
In such a conventional fuel cell configuration, the fuel cell 1 and the introduction pipe 2 are ceramic materials, the gas seal container 4 and the exhaust gas pipe 10 and the like, and the oxidant distributor 13 is Inconel (registered trademark) or stainless steel. The heat-resistant alloy metal material and the partition plate 6 are generally made of a ceramic material such as alumina fiber. (For example, see Patent Document 1)
[0004]
As described above, the partition plate 6 has an appropriate ventilation function. This is because the internal pressure of the power generation chamber is higher than the internal pressure of the combustion chamber to prevent the oxidant from entering the combustion chamber. The purpose is to make the flow of fuel uniform and maximize the power generation performance of all the fuel cells 1.
Therefore, in order to exhibit the ventilation function of the partition plate 6, it is very important to ensure the airtightness of the boundary portion between the partition plate 6 and the fuel cell 1 and the boundary portion between the partition plate 6 and the gas seal container 4. It greatly affects the power generation performance of the system.
In the conventional fuel cell system, airtightness is ensured by filling fibrous ceramics between the partition plate 6 and the fuel cell 1 and between the partition plate 6 and the gas seal container 4. (For example, see Patent Document 2)
[Patent Document 1]
JP 2001-507501 A (pages 14-31, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-11-162498 (page 1-6, FIG. 1-6)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The fuel cell assembly operation described above is performed at room temperature. Thereafter, the temperature is raised to about 700 ° C. to 1000 ° C., which is the operating temperature of the solid oxide fuel cell, but in the process, a dimensional difference occurs due to a difference in linear expansion coefficient between the partition plate 6 and the gas seal container 4. A gap is generated between the outer peripheral portion of the partition plate and the gas seal container 4. For example, the linear expansion coefficient of the metal material constituting the gas seal container 4 is about 16 μ / K in the case of Inconel (registered trademark) , which is considerably larger than the linear expansion coefficient 6 μ / K of the partition plate 6. When the inner dimension in the width direction of the gas seal container 4 is 500 mm, the calculation results in a gap of 2.5 mm on one side between the gas seal container 4 and the partition plate 6 when operated at 1000 ° C. Naturally, as the power generation capacity of the fuel cell system is increased, the width of the gas seal container is increased, and the gap between the gas seal container 4 and the partition plate 6 is increased.
[0006]
In the method of filling the fibrous ceramic between the partition plate 6 and the fuel cell 1 and between the partition plate 6 and the gas seal container 4 performed in the conventional fuel cell system, the width dimension of the gas seal container 4 is If it is relatively small, the elasticity of the fibrous ceramic can follow the expansion of the gas seal container 4 to ensure a certain degree of airtightness between the outer periphery of the partition plate 6 and the gas seal container 4, but the power generation capacity of the fuel cell system is reduced. As the width of the gas seal container 4 is increased to increase the size, the elasticity of the fibrous ceramic cannot follow and a gap is formed between the outer periphery of the partition plate 6 and the gas seal container 4. Alternatively, the pressing force to the gas seal container 4 due to the elasticity of the fibrous ceramic is insufficient, and the fibrous ceramic is pushed over the fuel gas in the power generation chamber without overcoming the pressure in the power generation chamber, and the outer periphery of the partition plate 6 and the gas seal container 4 There will be a gap between the two.
The partition plate 6 lowers the concentration of the fuel when the oxidizer released from the open end of the fuel cell 1 enters the power generation chamber 8 and reacts with the fuel in the power generation chamber 8 to burn. It has the role of preventing the temperature from rising and the fuel in the power generation chamber 8 flowing uniformly in the plane direction and sending it to the combustion chamber 9, and the partition plate 6 has a proper and uniform ventilation resistance in the plane direction in advance. The internal pressure of the cage power generation chamber is designed to be higher than the internal pressure of the combustion chamber.
If a gap is generated between the outer periphery of the partition plate 6 and the gas seal container 4 as described above, the ventilation resistance from the power generation chamber 8 to the combustion chamber 9 is reduced, and the oxidant in the combustion chamber 9 is contained in the power generation chamber 8. Fuel flows out preferentially from the gap between the outer periphery of the partition plate 6 and the gas seal container 4 having a low airflow resistance, and the flow of fuel in the power generation chamber 8 is biased. In addition, the capacity of the fuel cell 1 at a location where the flow of the fuel is poor cannot be sufficiently obtained, and a large temperature distribution is attached due to the good or bad flow of the fuel, thereby significantly reducing the efficiency of the entire fuel cell system.
An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell module that solves the above-described problems and is capable of efficient and stable operation.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problem,
In the first invention, a fuel cell assembly in which a plurality of fuel cells are connected, a gas seal container that covers and surrounds the cell assembly, and at least blocks fuel gas and combustion gas from the outside, and the gas seal container A fuel cell system having a power generation chamber on the power generation unit side of the cell assembly partitioned by a partition plate provided in the vicinity of the opening of the cell assembly, and a combustion chamber on the opening side,
Provided is a fuel cell system provided with a partition plate that covers a gap between the gas seal container and the partition plate.
Thereby, when the temperature of the fuel cell assembled at room temperature is raised to about 700 ° C. to 1000 ° C., which is the operating temperature, the horizontal direction caused by the difference in linear expansion coefficient between the partition plate and the gas seal container The partition plate covers and conceals the gap between the partition plate outer periphery and the gas seal container. Accordingly, the leakage of gas from the outer peripheral portion of the partition plate can be remarkably reduced, and the gas flows in the combustion chamber by the previously designed ventilation function of the partition plate, so that the internal pressure of the power generation chamber is greater than the internal pressure of the combustion chamber. By preventing the oxidant from entering from the combustion chamber, the fuel flow in the power generation chamber is made uniform, and the power generation performance of all the fuel cells is maximized, thereby stabilizing the efficient operation of the fuel cell. It can be carried out.
[0008]
In a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system having a structure in which the partition plate is sandwiched between the two partition plates.
Accordingly, when the fuel cell system assembled with the partition plate and the partition plate in close contact with each other at normal temperature is heated to about 700 ° C. to 1000 ° C. which is an operating temperature, the partition plate, the gas seal container, It is possible to maintain the airtightness between the outer periphery of the partition plate and the gas seal container by sliding the horizontal dimension difference caused by the difference in linear expansion coefficient in the horizontal direction while the partition plate is in close contact with the partition plate. And efficient operation of the fuel cell can be performed stably.
[0009]
In a third aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system having a structure in which the partition plate is pressed against the surface of the partition plate.
Accordingly, when the fuel cell system assembled with the partition plate pressed against the partition plate at room temperature is heated to about 700 ° C. to about 1000 ° C., which is the operating temperature, The partition plate slides in the horizontal direction while the partition plate is pressed against the partition plate by its elastic force due to the difference in linear expansion coefficient from the gas seal container, thereby causing the outer periphery of the partition plate to Airtightness with the gas seal container can be maintained, and efficient fuel cell operation can be performed stably.
[0010]
In a fourth aspect of the invention, there is provided a fuel cell system in which the partition plate is in close contact with the partition plate with a metal plate or ceramic plate having a smooth surface interposed therebetween.
The linear expansion coefficient between the partition plate and the gas seal container when the fuel cell system assembled at room temperature is raised to an operating temperature of about 700 ° C. to about 1000 ° C. However, when the partition plate is porous, the sliding resistance between the partition plate and the partition plate is large. Further, since the surface is rough, it is difficult to slide smoothly, and the partition plate or the partition plate may be damaged. In particular, when the temperature is lowered to normal temperature, the partition plate slides toward the center of the fuel cell system. In this process, there is a high possibility that the partition plate will be caught on the surface irregularities of the partition plate.
The term “smooth surface” as used herein means that the surface is sufficiently smooth so that it does not get caught when the partition plate slides while closely contacting the surface, or the sliding resistance is too high to inhibit the sliding operation. When the surface is brought into close contact with the partition plate between the partition plate and the partition plate with a smooth metal plate or ceramic plate, the partition plate can smoothly slide the partition plate surface.
[0011]
In a fifth aspect of the invention, there is provided a fuel cell system wherein the partition plate is in close contact with the partition plate with a fibrous ceramic or a fibrous metal interposed therebetween.
As a result, the outer periphery of the partition plate and the gas seal are absorbed by the fibrous ceramic or the fibrous metal by absorbing dimensional errors such as positional dimensions and planar accuracy between the partition plate and the partition plate that occur in the manufacture of the fuel cell. Airtightness with the container can be reliably realized, and efficient fuel cell operation can be stably performed.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a cylindrical solid oxide fuel cell at the time of temperature elevation schematically showing an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a fuel cell assembly 3 that is an assembly obtained by electrically connecting a plurality of fuel cells 1 is arranged inside a gas seal container 4 to form a power generation chamber 8. Below the fuel cell assembly 3, there is a fuel distribution chamber 7 having a gas conduction hole of an appropriate size and connected to a fuel supply pipe 11. Above the fuel cell assembly 3 is a combustion chamber 9 partitioned by a partition plate 6 having an appropriate gas conduction hole or porosity, and the fuel in the power generation chamber passes through the pressure loss of the partition plate 6 and the combustion chamber 9 Designed to reach The partition plate 14 is sealed and bonded perpendicularly or obliquely to the wall surface from the periphery of the inner wall of the gas seal container 4 and is disposed so as to be in close contact with the partition plate 6. An oxidant distributor 13 and an oxidant supply pipe 12 connected to the oxidant distributor 13 are disposed in the combustion chamber 9. From the oxidizer distributor 13, the introduction pipes 2 are connected by the number of the fuel cells 1 and are arranged so as to be inserted inside the fuel cells 1. An exhaust gas pipe 10 extends from the combustion chamber 9 to the outside of the gas seal container 4 through a hole opened in the heat insulation board 5, and the exhaust gas pipe is fixed to the gas seal container 4 by seal welding. The fuel battery cell 1 is a cylindrical laminated structure of conductive ceramics having different properties, the heat insulation board 5 is compression-molded alumina short fibers, the partition plate 6 is continuously laminated alumina fibers into a blanket shape, and an introduction pipe Reference numeral 2 denotes a dense body of alumina ceramic, and each pipe such as the oxidizer distributor 3, the gas seal container 4, the partition plate 14 and the exhaust gas pipe 10 is made of a heat-resistant alloy such as Inconel (registered trademark) or stainless steel.
[0016]
When the solid oxide fuel cell configured as described above is heated to an operating temperature of about 700 ° C. to 1000 ° C., as shown in FIG. 1, the gas seal container 4 having a larger linear expansion coefficient than the internal partition plate 6 has a partition plate. 6, and a gap is generated between the gas seal container 4 and the partition plate 6, but the partition plate 14 expands while sliding while maintaining a close contact with the partition plate 6. Since the gap between the partition plates 6 is cut off, the fuel in the power generation chamber 8 does not enter the combustion chamber 9 from places other than the gas conduction holes or pores of the partition plate 6, and the partition plate 6 designed in advance is used. It can enter the combustion chamber 9 only through it.
[0017]
FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of a cylindrical solid oxide fuel cell at the time of temperature elevation schematically showing an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, the partition plate 14 has a structure in which the two partition plates 6 are sandwiched from above and below, and the adhesion between the partition plate 14 and the partition plate 6 can be increased and ensured.
[0018]
FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional view of a cylindrical solid oxide fuel cell at the time of temperature elevation schematically showing an embodiment of the present invention.
Here, the partition plate 14 is an elastic thin metal plate, the outer peripheral portion is sealed and joined to the inner wall of the gas seal container 4, and the inner peripheral portion is attached to the partition plate 6 by the bending elastic force of the partition plate 14. It is arranged to be pressed. Thus, the partition plate is always pressed against the partition plate 6 from the normal temperature to the operating temperature, and the adhesion between the partition plate 14 and the partition plate 6 can be maintained. Further, as shown in FIG. 4, the partition plates 14 may be arranged above and below the partition plate 6 so that the partition plate 6 is sandwiched by the bending elastic force of the partition plate 14.
[0019]
FIG. 5 is a longitudinal cross-sectional view of a cylindrical solid oxide fuel cell at the time of temperature elevation schematically showing an embodiment of the present invention.
Here, a smooth sliding plate 15 is sandwiched between the partition plate 14 and the partition plate 6 so that the partition plate 14 can move smoothly in the horizontal direction with a small sliding resistance without being caught in the process of raising and lowering the temperature. I have to. The material of the sliding plate 6 is desirably a material that does not cause significant deterioration even at an operating temperature of 700 ° C. to 1000 ° C. and that has a smooth surface. For example, it is desirable to use a sintered body of ferritic stainless steel, Inconel (registered trademark) or alumina ceramic having high heat resistance and oxidation resistance.
[0020]
FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of a cylindrical solid oxide fuel cell at the time of temperature elevation schematically showing an embodiment of the present invention.
Here, as in FIG. 2, the partition plate 14 has a structure in which two partition plates 6 are sandwiched from above and below, but a packing 6 is sandwiched between the partition plate 14 and the partition plate 6. As a material of the packing 6, a fibrous ceramic or a fibrous metal that can withstand high temperatures and has an appropriate elasticity is sandwiched. As the fibrous metal, stainless steel or nickel processed into a felt shape is used, but other materials can be used as long as they have appropriate elasticity and heat resistance. In general, when a metal material is exposed to an oxidizing atmosphere, the elastic performance is significantly deteriorated due to oxidative corrosion. Therefore, when used, it is desirable to arrange it between the partition plate 14 and the partition plate 6 on the power generation chamber side. On the other hand, in the case of fibrous ceramics, if silicon is contained in the component, the fuel electrode of the fuel cell 1 is poisoned. Therefore, ceramic fibers containing alumina as a main component and having a silicon component of 30% or less are used. It is desirable to arrange between the plate 14 and the partition plate 6 on the combustion chamber side.
As a result, the fibrous ceramic or the fibrous metal absorbs the dimensional errors such as the positional dimension and the plane accuracy between the partition plate 14 and the partition plate 6 that occur in the manufacture of the fuel cell, so that the partition plate 14 and the partition plate 6 It is possible to improve the adhesion of the material and ensure it.
[0021]
FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional view of a cylindrical solid oxide fuel cell at the time of temperature elevation schematically showing an embodiment of the present invention.
Here, as in FIG. 5, a smooth sliding plate 15 is sandwiched between the partition plate 14 and the partition plate 6, and the partition plate 14 moves smoothly in the horizontal direction with a small slip resistance without being caught in the process of raising and lowering the temperature. The packing 6 is further sandwiched between the partition plate 14 and the partition plate 6. As the material of the packing 6, a fibrous ceramic or a fibrous metal that can withstand high temperatures and has an appropriate elasticity is sandwiched.
[0022]
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a cylindrical solid oxide fuel cell schematically illustrating an embodiment of the present invention when the temperature is raised. Here, it is an embodiment of a fuel cell in which a heat insulation board 5 is arranged inside the gas seal container 4, and a structure is provided in which the partition plate 14 is sandwiched between the partition plate 6 and the heat insulation board 5. By doing so, the adhesion between the partition plate 14 and the partition plate 6 can be increased and ensured.
[0023]
The partition plate 14 described so far is sealed and joined to the inner wall of the gas seal container 4, and in order to reliably maintain this state from the normal temperature to the operating temperature, the linear expansion coefficient of the partition plate 14 is the line of the gas seal container 4. It is desirable to use the same material as the expansion coefficient. For example, when Inconel (registered trademark) 601 having high resistance to high temperature oxidation and high temperature resistance is used as the material of the gas seal container 4, the material of the partition plate 14 is also set to Inconel (registered trademark) 601.
[0024]
Alternatively, a material having a linear expansion coefficient of the partition plate 14 that is substantially the same as the linear expansion coefficient of the gas seal container 4 can be selected. For example, when the partition plate 14 has a shape as shown in FIG. 3, the material of the gas seal container 4 is Inconel (registered trademark) 601 having a linear expansion coefficient of 16.7 μ / K, and the material of the partition plate 14 is a wire. Inconel (registered trademark) X-750 having an expansion coefficient of 16.2 μ / K can be used. Here, Inconel (registered trademark) 601 having high resistance to high-temperature oxidation and high resistance to high temperature is selected as the required performance of the gas seal container, and high performance of high-temperature oxidation resistance, high-temperature resistance and high strength is required as the required performance of the partition plate 14. Inconel (registered trademark) X-750 having high elastic performance is selected. Thereby, the partition plate 14 can generate an appropriate pressing force against the partition plate 6, and the adhesion between the partition plate 14 and the partition plate 6 can be increased and ensured.
[0025]
In addition, the above-described example shows an example of a vertically-striped cylindrical solid oxide fuel cell in which the inside of the cylinder is an air electrode and the outside of the cylinder is a fuel electrode. Conversely, the inside of the cylinder is a fuel electrode, and the outside of the cylinder is an air electrode. The present invention can also be applied to a certain horizontal-striped cylindrical solid oxide fuel cell by replacing the fuel and the oxidant in the above sentence.
[0026]
Furthermore, as shown in FIG. 9, in the case of a cylindrical solid electrolyte fuel cell with both ends open, the partition plate is in close contact with the partition plate 9 that partitions the power generation chamber 8 and the combustion chamber 9 as in the previous example. 14 is disposed, and the partition plate 19 is disposed so as to be in close contact with the partition plate 18 that partitions the power generation chamber 8 and the air distribution chamber 17, thereby appropriately ensuring the airtightness between the power generation chamber 8 and the air distribution chamber 17. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention when the temperature is raised.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a conventional solid oxide fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Introduction pipe 3 Fuel cell assembly 4 Gas seal container 5 Heat insulation board 6 Partition plate 7 Fuel distribution chamber 8 Power generation chamber 9 Combustion chamber 10 Exhaust gas piping 11 Fuel supply piping 12 Oxidant supply piping 13 Oxidant distributor 14 Partition plate 15 Sliding plate 16 Packing 17 Air distribution chamber 18 Partition plate 19 Partition plate

Claims

A fuel cell assembly in which a plurality of fuel cells are connected; a gas seal container that covers and surrounds the cell assembly; and at least fuel gas and combustion gas are externally blocked; and the cell assembly in the gas seal container. A fuel cell system having a power generation chamber on the power generation section side of the cell assembly and a combustion chamber on the opening section partitioned by a partition plate provided in the vicinity of the opening, the gas seal container, and the partition plate Cell system, characterized in that a partition plate is provided to cover the gap between

The fuel cell system according to claim 1, wherein the partition plate has a structure sandwiched between the two partition plates.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the partition plate has a structure pressed against a surface of the partition plate.

The fuel cell system according to any one of the partition plate from the 請 Motomeko 1 you, characterized in that is brought into close contact with the partition plate through between the smooth metal plate or ceramic plate surface 3

The partition plate is a fuel cell system according to any one of 3 from 請 Motomeko 1 you, characterized in that is brought into close contact with the partition plate through between the metal ceramic or fibrous fibrous