JP7563013B2 - solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell.
固体酸化物燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell。以下、単に「SOFC」という。)は、アノード層とカソード層との間に電解質層を挟持した電極セルを有する。電極セルに十分な燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率的に供給するために、ガスを電極セルの発電面の流路に均一に流すことが求められる。特許文献1に開示されたSOFCは、入口側マニホールド部から出口側マニホールド部に向かう方向に対して直交する方向に複数の発電セルが並列に配列されている。このSOFCにおいては、ガスの分配を均一にするため、流路の上流側および下流側の開空間においてガスを分配するディフューザの長さを確保したり、複数個の入口側マニホールド部および複数個の出口側マニホールド部を配置したりしている。さらに、発電セル内の流速分布を均一化するために圧力損失を調節する機構を配置し、発電セルの端部を流れるガスの流れ(脇流れ)を抑えている。 A solid oxide fuel cell (SOFC) has an electrode cell with an electrolyte layer sandwiched between an anode layer and a cathode layer. In order to efficiently supply sufficient fuel gas and oxidant gas to the electrode cell, it is necessary to uniformly flow the gas through the flow path on the power generation surface of the electrode cell. In the SOFC disclosed in Patent Document 1, multiple power generation cells are arranged in parallel in a direction perpendicular to the direction from the inlet manifold to the outlet manifold. In this SOFC, in order to uniformly distribute the gas, the length of the diffuser that distributes the gas in the open space on the upstream and downstream sides of the flow path is ensured, and multiple inlet manifolds and multiple outlet manifolds are arranged. Furthermore, a mechanism for adjusting pressure loss is arranged to uniformize the flow velocity distribution in the power generation cell, and the flow of gas (side flow) flowing through the end of the power generation cell is suppressed.
特許文献1に記載された技術は、ガスの分配を均一にできるものの、マニホールド部の個数の増加に伴ってSOFCが大型化する恐れがある。また、脇流れを抑える圧力損失を調節する機構を配置することによっても、SOFCが大型化する恐れがある。 The technology described in Patent Document 1 can distribute gas evenly, but there is a risk that the SOFC will become larger as the number of manifold sections increases. In addition, the placement of a mechanism for adjusting the pressure loss to suppress side flows can also result in the SOFC becoming larger.
そこで、本発明は、ガスの分配を均一にしつつ、小型化を図ることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供することにある。 Therefore, the present invention aims to provide a solid oxide fuel cell that can be made compact while achieving uniform gas distribution.
上記目的を達成するための本発明は、少なくとも電解質層と一対の電極層とを有する複数の発電セルと、複数の前記発電セルを保持するセルフレームと、複数の前記発電セルと対向して燃料流路および酸化剤流路を形成する少なくとも一対のセパレータと、を有する固体酸化物形燃料電池である。前記セルフレームは、前記発電セルに供給されるガスが流れる入口側マニホールド部と、前記発電セルから排出されたガスが流れる出口側マニホールド部と、を有する。前記セルフレームは、前記入口側マニホールド部から前記出口側マニホールド部に向かう方向に沿って直列に配列される状態に複数の前記発電セルのそれぞれの外周を保持する複数の保持部を有する。前記セルフレームは、前記入口側マニホールド部に形成され前記入口側マニホールド部を流れるガスを流入させる流入部と、前記流入部から流入させたガスを直列に配列された複数の前記発電セルのそれぞれに向けて分岐して導く供給通路と、を有する。前記セルフレームは、前記供給通路から複数の前記発電セルのそれぞれにガスを供給する供給部と、複数の前記発電セルのそれぞれからガスを排出する排出部と、を有する。前記セルフレームは、前記排出部から排出されたガスを前記出口側マニホールド部に向けて導く排出通路と、前記出口側マニホールド部に形成され前記排出通路を流れるガスを前記出口側マニホールド部に流出させる流出部と、を有する。前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくとも一方の流路において、前記排出通路は、直列に配列された複数の前記発電セルのうち前記流出部に最も近い位置に配置された前記発電セルから排出されるガスのみが流れる。 In order to achieve the above object, the present invention provides a solid oxide fuel cell including a plurality of power generating cells each having at least an electrolyte layer and a pair of electrode layers, a cell frame for holding the plurality of power generating cells, and at least a pair of separators for forming a fuel flow path and an oxidant flow path opposite the plurality of power generating cells. The cell frame includes an inlet-side manifold section through which gas supplied to the power generating cells flows, and an outlet-side manifold section through which gas discharged from the power generating cells flows. The cell frame includes a plurality of holding sections for holding the outer peripheries of the plurality of power generating cells in a state in which the plurality of power generating cells are arranged in series along a direction from the inlet-side manifold section toward the outlet-side manifold section. The cell frame includes an inlet section formed in the inlet-side manifold section for introducing gas flowing through the inlet-side manifold section, and a supply passage for branching and directing the gas introduced from the inlet section toward each of the plurality of power generating cells arranged in series. The cell frame includes a supply section for supplying gas from the supply passage to each of the plurality of power generating cells, and a discharge section for discharging gas from each of the plurality of power generating cells. The cell frame has an exhaust passage that guides the gas exhausted from the exhaust portion toward the outlet-side manifold portion, and an outlet portion that is formed in the outlet-side manifold portion and that allows the gas flowing through the exhaust passage to flow out to the outlet-side manifold portion. In at least one of the fuel flow path and the oxidizer flow path, only the gas exhausted from the power generation cell that is closest to the outlet portion among the plurality of power generation cells arranged in series flows through the exhaust passage.
本発明によれば、セルフレーム内に供給通路や供給部などを備えることによって、入口側マニホールド部から流入させたガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を分岐させて、直列に配列された複数の発電セルのそれぞれに供給できる。このため、複数の発電セルのそれぞれに流れるガス流量を低減でき、セルユニット全体の圧力損失を低減でき、ガスの分配を均一にできる。さらに、入口側マニホールド部および出口側マニホールド部と発電セルとの間の省スペース化を図ることができ、各ガス用の入口側マニホールド部および出口側マニホールド部をそれぞれ1個にできるので、スタックの小型化を図ることが可能となる。よって、ガスの分配を均一にしつつ、小型化を図ることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供できる。 According to the present invention, by providing a supply passage and a supply section within the cell frame, the gas (fuel gas and oxidant gas) flowing in from the inlet manifold section can be branched and supplied to each of the multiple power generation cells arranged in series. This makes it possible to reduce the gas flow rate flowing to each of the multiple power generation cells, reduce the pressure loss of the entire cell unit, and make the gas distribution uniform. Furthermore, it is possible to save space between the inlet manifold section and the outlet manifold section and the power generation cells, and since there can be only one inlet manifold section and one outlet manifold section for each gas, it is possible to make the stack smaller. Thus, it is possible to provide a solid oxide fuel cell that can be made smaller while still achieving uniform gas distribution.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. Note that the following description does not limit the technical scope or the meaning of the terms described in the claims. Also, the dimensional ratios in the drawings have been exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
図を参照しつつ、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)について説明する。以下の説明の便宜のため、XYZ直交座標系を図中に示す。X軸およびY軸は水平方向、Z軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。 A solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment will be described with reference to the figure. For ease of explanation, an XYZ Cartesian coordinate system is shown in the figure. The X-axis and Y-axis are parallel to the horizontal direction, and the Z-axis is parallel to the vertical direction.
図1は、実施形態に係るSOFCのセルユニット10を、セパレータ20、発電セル31、32、およびセルフレーム40に分解して示す斜視図である。図2Aは、セルユニット10を示す平面図である。図2Bは、図2Aの2B-2B線に沿う断面図、図2Cは、図2Aの2C-2C線に沿う断面図である。図2Dは、図2Bの2D部の拡大断面図、図2Eは、図2Cの2E部の拡大断面図である。図3Aは、セルフレーム40を示す平面図である。図3B、図3C、図3D、図3E、および図3Fは、それぞれ、図3Aの3B-3B線、3C-3C線、3D-3D線、3E-3E線、および3F-3F線に沿う断面図である。 Figure 1 is a perspective view showing a cell unit 10 of an SOFC according to an embodiment, disassembled into a separator 20, power generation cells 31 and 32, and a cell frame 40. Figure 2A is a plan view showing the cell unit 10. Figure 2B is a cross-sectional view taken along line 2B-2B in Figure 2A, and Figure 2C is a cross-sectional view taken along line 2C-2C in Figure 2A. Figure 2D is an enlarged cross-sectional view of part 2D in Figure 2B, and Figure 2E is an enlarged cross-sectional view of part 2E in Figure 2C. Figure 3A is a plan view showing a cell frame 40. Figures 3B, 3C, 3D, 3E, and 3F are cross-sectional views taken along lines 3B-3B, 3C-3C, 3D-3D, 3E-3E, and 3F-3F in Figure 3A, respectively.
SOFCのスタックは、図1に示されるセルユニット10を複数積層して構成される。以下、図中にZ軸で示す上下方向を「積層方向」とも称する。また、セルユニット10を構成する各層の面方向は、XY面方向に相当する。 The SOFC stack is constructed by stacking multiple cell units 10 shown in FIG. 1. Hereinafter, the vertical direction indicated by the Z axis in the figure will also be referred to as the "stacking direction." The surface direction of each layer constituting the cell unit 10 corresponds to the XY surface direction.
図1、図2A、図2B、図2C、図2D、および図2Eに示すように、セルユニット10は、複数(図示例では2個)の発電セル31、32と、複数の発電セル31、32を保持するセルフレーム40と、セルフレーム40に封止固定されるセパレータ20と、を有する。発電セル31、32は、少なくとも電解質層と一対の電極層とを有する。セルフレーム40とセパレータ20との間には、複数の隔壁によって区画された中空部が形成される。SOFCは、セルユニット10が積層されることによって、少なくとも一対のセパレータ20が、複数の発電セル31、32と対向して燃料流路61および酸化剤流路62を形成する(図2D、図2Eを参照)。説明の便宜上、2個の発電セル31、32を上流側から順に、第1発電セル31、第2発電セル32ともいう。 1, 2A, 2B, 2C, 2D, and 2E, the cell unit 10 has a plurality of (two in the illustrated example) power generation cells 31, 32, a cell frame 40 that holds the plurality of power generation cells 31, 32, and a separator 20 that is sealed and fixed to the cell frame 40. The power generation cells 31, 32 have at least an electrolyte layer and a pair of electrode layers. A hollow portion partitioned by a plurality of partition walls is formed between the cell frame 40 and the separator 20. In the SOFC, the cell units 10 are stacked, and at least a pair of separators 20 face the plurality of power generation cells 31, 32 to form a fuel flow path 61 and an oxidant flow path 62 (see FIG. 2D and FIG. 2E). For convenience of explanation, the two power generation cells 31, 32 are also referred to as the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32, in order from the upstream side.
発電セル31、32は、アノード層と、カソード層と、電解質層と、を有する。電解質層は、アノード層とカソード層との間に挟持される。カソード層は、酸化剤極であって、酸化剤ガス(例えば空気に含まれる酸素)と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード層の形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。電解質層は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能を有する。電解質層は、カソード層からアノード層に向かって酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質層の形成材料は、特に限定されないが、例えば、希土類酸化物(例えば、Y2O3、Sc2O3、Gd2O3、Sm2O3、Yb2O3、Nd2O3等から選択される1種または2種以上)をドープした安定化ジルコニア、セリア系固溶体、ペロブスカイト型酸化物(例えば、SrCeO3、BaCeO3、CaZrO3、SrZrO3等)等の固体酸化物セラミックスなどが挙げられる。アノード層は、燃料極であって、燃料ガス(例えば水素)と酸化物イオンを反応させて、燃料ガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード層の形成材料としては、例えば、NiやFe等の金属や、該金属と上記電解質層の形成材料として挙げたセラミックスとのサーメットなどが挙げられる。アノード層は、複数の空孔が形成された多孔体である。アノード層内の空孔には、触媒が含浸される。アノード層の触媒としては、例えば、NiやCu等の金属触媒を用いることができる。 The power generation cells 31 and 32 each have an anode layer, a cathode layer, and an electrolyte layer. The electrolyte layer is sandwiched between the anode layer and the cathode layer. The cathode layer is an oxidizer electrode that reacts an oxidizer gas (e.g., oxygen contained in air) with electrons to convert oxygen molecules into oxide ions. Examples of materials that form the cathode layer include oxides made of lanthanum, strontium, manganese, cobalt, and the like. The electrolyte layer has a function of separating the fuel gas and the oxidizer gas. The electrolyte layer allows oxide ions to pass from the cathode layer to the anode layer, but does not allow gas and electrons to pass through. The material for forming the electrolyte layer is not particularly limited, and examples thereof include solid oxide ceramics such as stabilized zirconia doped with rare earth oxides (e.g., one or more selected from Y2O3, Sc2O3 , Gd2O3 , Sm2O3 , Yb2O3 , Nd2O3 , etc.), ceria-based solid solutions, and perovskite oxides (e.g., SrCeO3 , BaCeO3 , CaZrO3, SrZrO3 , etc.). The anode layer is a fuel electrode that reacts a fuel gas (e.g., hydrogen) with oxide ions to generate an oxide of the fuel gas and extract electrons. Examples of the material for forming the anode layer include metals such as Ni and Fe, and thermets of the metals and the ceramics listed as the material for forming the electrolyte layer. The anode layer is a porous body in which a plurality of pores are formed. The pores in the anode layer are impregnated with a catalyst, which may be, for example, a metal catalyst such as Ni or Cu.
図3A、図3B、図3C、図3D、図3E、および図3Fにも示すように、セルフレーム40は、発電セル31、32に供給されるガスが流れる入口側マニホールド部110a、110cと、発電セル31、32から排出されたガスが流れる出口側マニホールド部120a、120cと、を有する。入口側マニホールド部110aは、燃料ガスが流れ、入口側マニホールド部110cは、酸化剤ガスが流れる。出口側マニホールド部120aは、燃料ガスが流れ、出口側マニホールド部120cは、酸化剤ガスが流れる。入口側マニホールド部110aは、セルフレーム40のX負方向の端部側においてY正方向側に配置される。入口側マニホールド部110cは、入口側マニホールド部110aのY負方向側に配置される。出口側マニホールド部120aは、セルフレーム40のX正方向の端部側においてY正方向側に配置される。出口側マニホールド部120cは、出口側マニホールド部120aのY負方向側に配置される。 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, and 3F, the cell frame 40 has inlet side manifold sections 110a and 110c through which gas supplied to the power generation cells 31 and 32 flows, and outlet side manifold sections 120a and 120c through which gas discharged from the power generation cells 31 and 32 flows. Fuel gas flows through the inlet side manifold section 110a, and oxidizer gas flows through the inlet side manifold section 110c. Fuel gas flows through the outlet side manifold section 120a, and oxidizer gas flows through the outlet side manifold section 120c. The inlet side manifold section 110a is disposed on the Y positive side at the end side of the cell frame 40 in the X negative direction. The inlet side manifold section 110c is disposed on the Y negative side of the inlet side manifold section 110a. The outlet side manifold section 120a is disposed on the Y positive side at the end of the cell frame 40 in the X positive direction. The outlet side manifold section 120c is disposed on the Y negative side of the outlet side manifold section 120a.
なお、以下の説明において、部材の符号に付す添え字「a」は燃料ガス用の部材であることを表し、添え字「c」は酸化剤ガス用の部材であることを表している。 In the following description, the suffix "a" attached to the reference numerals of components indicates that the component is for fuel gas, and the suffix "c" indicates that the component is for oxidizer gas.
セルフレーム40は、複数の発電セル31、32のそれぞれの外周を保持する複数の保持部130を有する。保持部130は、入口側マニホールド部110a、110cから出口側マニホールド部120a、120cに向かう方向(X正方向)に沿って直列に配列される状態に複数の発電セル31、32を保持する。セルフレーム40は、複数の発電セル31、32のそれぞれを配置する複数の開口部131を有する。保持部130は、開口部131の内周縁に形成された段差部132から形成される(図2D、図2Eを参照)。図示例では、発電セル31、32のカソード層が段差部132の上に接合される。 The cell frame 40 has a plurality of holding parts 130 that hold the outer circumference of each of the plurality of power generating cells 31, 32. The holding parts 130 hold the plurality of power generating cells 31, 32 in a state in which they are arranged in series along the direction from the inlet side manifold parts 110a, 110c toward the outlet side manifold parts 120a, 120c (X positive direction). The cell frame 40 has a plurality of openings 131 in which the plurality of power generating cells 31, 32 are arranged. The holding parts 130 are formed from step parts 132 formed on the inner periphery of the openings 131 (see Figures 2D and 2E). In the illustrated example, the cathode layers of the power generating cells 31, 32 are joined onto the step parts 132.
セルフレーム40は、入口側マニホールド部110a、110cに形成され入口側マニホールド部110a、110cを流れるガスを流入させる流入部140a、140cと、流入部140a、140cから流入させたガスを直列に配列された複数の発電セル31、32のそれぞれに向けて分岐して導く供給通路150a、150cと、を有する。セルフレーム40は、供給通路150a、150cから複数の発電セル31、32のそれぞれにガスを供給する供給部161a、161c、162a、162cと、複数の発電セル31、32のそれぞれからガスを排出する排出部171a、171c、172a、172cと、を有する。セルフレーム40は、排出部171a、171c、172a、172cから排出されたガスを出口側マニホールド部120a、120cに向けて導く排出通路180a、180cと、出口側マニホールド部120a、120cに形成され排出通路180a、180cを流れるガスを出口側マニホールド部120a、120cに流出させる流出部190a、190cと、を有する。 The cell frame 40 has inlet sections 140a, 140c formed in the inlet manifold sections 110a, 110c for introducing gas flowing through the inlet manifold sections 110a, 110c, and supply passages 150a, 150c for branching and directing the gas introduced from the inlet sections 140a, 140c toward each of the multiple power generation cells 31, 32 arranged in series. The cell frame 40 has supply sections 161a, 161c, 162a, 162c for supplying gas from the supply passages 150a, 150c to each of the multiple power generation cells 31, 32, and exhaust sections 171a, 171c, 172a, 172c for exhausting gas from each of the multiple power generation cells 31, 32. The cell frame 40 has exhaust passages 180a, 180c that guide the gas exhausted from the exhaust sections 171a, 171c, 172a, 172c toward the outlet side manifold sections 120a, 120c, and outlet sections 190a, 190c that are formed in the outlet side manifold sections 120a, 120c and allow the gas flowing through the exhaust passages 180a, 180c to flow out to the outlet side manifold sections 120a, 120c.
流入部140aは、入口側マニホールド部110aを形成する矩形形状の隔壁のうちX方向に沿って伸びている隔壁に形成した複数の溝部から構成される。流入部140cは、入口側マニホールド部110cを形成する矩形形状の隔壁のうちY方向に沿って伸びX正方向側に位置する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。 The inlet section 140a is composed of multiple grooves formed in the rectangular partition wall that forms the inlet manifold section 110a and extends along the X direction. The inlet section 140c is composed of multiple grooves formed in the rectangular partition wall that forms the inlet manifold section 110c and extends along the Y direction and is located on the positive X direction side.
供給通路150aは、第1供給通路201aと、第2供給通路202aと、第3供給通路203aと、第4供給通路204aと、を有する(図3Aを参照)。第1供給通路201aは、入口側マニホールド部110a、110cに隣接してY方向に沿って伸びている(図3B、図3Cを参照)。第2供給通路202aは、発電セル31、32のY正方向側に位置し、X方向に沿って伸びている(図3D、図3Eを参照)。第3供給通路203aは、発電セル31、32のY負方向側に位置し、X方向に沿って伸びている(図3D、図3Eを参照)。第4供給通路204aは、2個の発電セル31、32の間においてY方向に沿って伸びている(図3B、図3C、図3Eを参照)。供給通路150cも同様に、第1供給通路211cと、第2供給通路212cと、第3供給通路213cと、第4供給通路214cと、を有する。 The supply passage 150a has a first supply passage 201a, a second supply passage 202a, a third supply passage 203a, and a fourth supply passage 204a (see FIG. 3A). The first supply passage 201a extends along the Y direction adjacent to the inlet manifold portions 110a and 110c (see FIGS. 3B and 3C). The second supply passage 202a is located on the Y positive side of the power generation cells 31 and 32 and extends along the X direction (see FIGS. 3D and 3E). The third supply passage 203a is located on the Y negative side of the power generation cells 31 and 32 and extends along the X direction (see FIGS. 3D and 3E). The fourth supply passage 204a extends along the Y direction between the two power generation cells 31 and 32 (see FIGS. 3B, 3C, and 3E). Similarly, the supply passage 150c has a first supply passage 211c, a second supply passage 212c, a third supply passage 213c, and a fourth supply passage 214c.
第1発電セル31の供給部161aは、上流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち第1供給通路201aに面する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。第2発電セル32の供給部162aは、下流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち第4供給通路204aに面する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。第1発電セル31の供給部161cは、上流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち第1供給通路211cに面する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。第2発電セル32の供給部162cは、下流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち第4供給通路214cに面する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。 The supply section 161a of the first power generating cell 31 is composed of a plurality of grooves formed in the partition wall facing the first supply passage 201a among the rectangular partition walls surrounding the upstream opening 131. The supply section 162a of the second power generating cell 32 is composed of a plurality of grooves formed in the partition wall facing the fourth supply passage 204a among the rectangular partition walls surrounding the downstream opening 131. The supply section 161c of the first power generating cell 31 is composed of a plurality of grooves formed in the partition wall facing the first supply passage 211c among the rectangular partition walls surrounding the upstream opening 131. The supply section 162c of the second power generating cell 32 is composed of a plurality of grooves formed in the partition wall facing the fourth supply passage 214c among the rectangular partition walls surrounding the downstream opening 131.
第1発電セル31の排出部171aは、上流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち第4供給通路204aに面する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。第2発電セル32の排出部172aは、下流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち排出通路180aに面する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。第1発電セル31の排出部171cは、上流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち第4供給通路214cに面する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。第2発電セル32の排出部172cは、下流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち排出通路180cに面する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。 The discharge section 171a of the first power generating cell 31 is composed of a plurality of grooves formed in the partition wall facing the fourth supply passage 204a among the rectangular partition walls surrounding the upstream opening 131. The discharge section 172a of the second power generating cell 32 is composed of a plurality of grooves formed in the partition wall facing the discharge passage 180a among the rectangular partition walls surrounding the downstream opening 131. The discharge section 171c of the first power generating cell 31 is composed of a plurality of grooves formed in the partition wall facing the fourth supply passage 214c among the rectangular partition walls surrounding the upstream opening 131. The discharge section 172c of the second power generating cell 32 is composed of a plurality of grooves formed in the partition wall facing the discharge passage 180c among the rectangular partition walls surrounding the downstream opening 131.
排出通路180aは、供給通路150aと区画され、出口側マニホールド部120a、120cに隣接してY方向に沿って伸びている(図3Aを参照)。排出通路180cも同様に、出口側マニホールド部120a、120cに隣接してY方向に沿って伸びている。 The discharge passage 180a is separated from the supply passage 150a and extends in the Y direction adjacent to the outlet manifold portions 120a and 120c (see FIG. 3A). Similarly, the discharge passage 180c extends in the Y direction adjacent to the outlet manifold portions 120a and 120c.
流出部190aは、出口側マニホールド部120aを形成する矩形形状の隔壁のうちX方向に沿って伸びている隔壁に形成した複数の溝部から構成される。流出部190cは、出口側マニホールド部120cを形成する矩形形状の隔壁のうちY方向に沿って伸びX負方向側に位置する隔壁に形成した複数の溝部から構成される。 Outlet section 190a is composed of multiple grooves formed in the rectangular partition wall that forms outlet side manifold section 120a and extends along the X direction. Outlet section 190c is composed of multiple grooves formed in the rectangular partition wall that forms outlet side manifold section 120c and extends along the Y direction and is located on the negative X direction side.
セルフレーム40は、ガスを透過させない緻密な金属材料、例えば、ステンレスから形成される。 The cell frame 40 is made of a dense metal material that is impermeable to gas, such as stainless steel.
図1に示すように、セパレータ20は、セルフレーム40の入口側マニホールド部110aに連通する第1開口21と、入口側マニホールド部110cに連通する第2開口22と、出口側マニホールド部120aに連通する第3開口23と、出口側マニホールド部120cに連通する第4開口24とを有する。第1開口21および第3開口23は燃料ガスが流通し、第2開口22および第4開口24は酸化剤ガスが流通する。セパレータ20は、ガスを透過させない緻密な金属材料、例えば、ステンレスから形成される。セパレータ20の外周部は、溶接またはろう付けなどによってセルフレーム40に接合される。セパレータ20とセルフレーム40との間には、燃料ガスと酸化剤ガスとの混入を防止するシール材50が配置される。シール材50は、例えば、耐熱性およびシール性を有するサーミキュライトからなる。上述したように、SOFCのスタックはセルユニット10を複数積層して構成され、積層方向の一対のセパレータ20と発電セル31、32との間に燃料流路61と酸化剤流路62とが形成される。図2B、図2C、図2D、および図2Eに示すように、セパレータ20と発電セル31、32のアノード層と間の空間が燃料流路61であり、反対側に積層されるセパレータ20と発電セル31、32のカソード層との間の空間が酸化剤流路62である。図2Dおよび図2Eに示すように、発電セル31、32とセパレータ20との間の燃料流路61に集電材70が配置される。集電材70は、ガスを通す空間を形成し、さらに発電セル31、32とセパレータ20との電気的な接触を確保する。図示省略するが、酸化剤流路62にも集電材70が配置される。 As shown in FIG. 1, the separator 20 has a first opening 21 communicating with the inlet manifold 110a of the cell frame 40, a second opening 22 communicating with the inlet manifold 110c, a third opening 23 communicating with the outlet manifold 120a, and a fourth opening 24 communicating with the outlet manifold 120c. The first opening 21 and the third opening 23 allow fuel gas to flow, and the second opening 22 and the fourth opening 24 allow oxidizer gas to flow. The separator 20 is made of a dense metal material that does not allow gas to pass through, such as stainless steel. The outer periphery of the separator 20 is joined to the cell frame 40 by welding or brazing. A sealant 50 is disposed between the separator 20 and the cell frame 40 to prevent the fuel gas and the oxidizer gas from mixing. The sealant 50 is made of, for example, thermoculite, which has heat resistance and sealing properties. As described above, the SOFC stack is constructed by stacking a plurality of cell units 10, and a fuel flow path 61 and an oxidant flow path 62 are formed between a pair of separators 20 and the power generation cells 31, 32 in the stacking direction. As shown in FIG. 2B, FIG. 2C, FIG. 2D, and FIG. 2E, the space between the separator 20 and the anode layer of the power generation cells 31, 32 is the fuel flow path 61, and the space between the separator 20 stacked on the opposite side and the cathode layer of the power generation cells 31, 32 is the oxidant flow path 62. As shown in FIG. 2D and FIG. 2E, a current collector 70 is arranged in the fuel flow path 61 between the power generation cells 31, 32 and the separator 20. The current collector 70 forms a space through which gas can pass, and further ensures electrical contact between the power generation cells 31, 32 and the separator 20. Although not shown, a current collector 70 is also arranged in the oxidant flow path 62.
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be explained.
本実施形態のSOFCは、入口側マニホールド部110a、110cがセルフレーム40の一の方向(X方向)に沿う一方の端部に配置され、出口側マニホールド部120a、120cがセルフレーム40の一の方向(X方向)に沿う他方の端部に配置される。2個の発電セル31、32は、入口側マニホールド部110aから出口側マニホールド部120aに向かう方向(X正方向)に沿って直列に配列される。 In the SOFC of this embodiment, the inlet side manifold parts 110a, 110c are arranged at one end along one direction (X direction) of the cell frame 40, and the outlet side manifold parts 120a, 120c are arranged at the other end along the one direction (X direction) of the cell frame 40. The two power generation cells 31, 32 are arranged in series along the direction from the inlet side manifold part 110a to the outlet side manifold part 120a (X positive direction).
燃料ガスは次のように流れる。入口側マニホールド部110aを流れる燃料ガスは、流入部140aを通って、セルフレーム40とセパレータ20との間の中空部に流入する。燃料ガスは、供給通路150a(第1供給通路201a、第2供給通路202a、第3供給通路203a、および第4供給通路204a)を分岐して流れ、2個の発電セル31、32のそれぞれに向けて導かれる。第1供給通路201aを流れる燃料ガスは、第1発電セル31の供給部161aを通って、第1発電セル31に供給される。第1発電セル31を流れた燃料ガスは、排出部171aを通って、第4供給通路204aに排出される。第4供給通路204aには、第2供給通路202aおよび第3供給通路203aを通って第1発電セル31を迂回した燃料ガスも流れ込む。第4供給通路204aを流れる燃料ガス(第1発電セル31を迂回した燃料ガスおよび第1発電セル31から排出された燃料ガス)は、第2発電セル32の供給部162aを通って、第2発電セル32に供給される。第2発電セル32を流れた燃料ガスは、排出部172aを通って、排出通路180aに排出される。排出通路180aを流れる燃料ガスは、流出部190aを通って、出口側マニホールド部120aに流出する。 The fuel gas flows as follows. The fuel gas flowing through the inlet manifold 110a flows through the inlet section 140a into the hollow space between the cell frame 40 and the separator 20. The fuel gas branches into the supply passage 150a (the first supply passage 201a, the second supply passage 202a, the third supply passage 203a, and the fourth supply passage 204a) and is directed toward each of the two power generation cells 31 and 32. The fuel gas flowing through the first supply passage 201a passes through the supply section 161a of the first power generation cell 31 and is supplied to the first power generation cell 31. The fuel gas that has flowed through the first power generation cell 31 passes through the discharge section 171a and is discharged to the fourth supply passage 204a. The fuel gas that has bypassed the first power generation cell 31 through the second supply passage 202a and the third supply passage 203a also flows into the fourth supply passage 204a. The fuel gas flowing through the fourth supply passage 204a (the fuel gas that bypasses the first power generation cell 31 and the fuel gas discharged from the first power generation cell 31) is supplied to the second power generation cell 32 through the supply section 162a of the second power generation cell 32. The fuel gas that has flowed through the second power generation cell 32 is discharged through the discharge section 172a to the discharge passage 180a. The fuel gas flowing through the discharge passage 180a flows out through the outflow section 190a to the outlet side manifold section 120a.
酸化剤ガスは燃料ガスと同様に次のように流れる。入口側マニホールド部110cを流れる酸化剤ガスは、流入部140cを通って、セルフレーム40とセパレータ20との間の中空部に流入する。酸化剤ガスは、供給通路150c(第1供給通路211c、第2供給通路212c、第3供給通路213c、および第4供給通路214c)を分岐して流れ、2個の発電セル31、32のそれぞれに向けて導かれる。第1供給通路211cを流れる酸化剤ガスは、第1発電セル31の供給部161cを通って、第1発電セル31に供給される。第1発電セル31を流れた酸化剤ガスは、排出部171cを通って、第4供給通路214cに排出される。第4供給通路214cには、第2供給通路212cおよび第3供給通路213cを通って第1発電セル31を迂回した酸化剤ガスも流れ込む。第4供給通路214cを流れる酸化剤ガス(第1発電セル31を迂回した酸化剤ガスおよび第1発電セル31から排出された酸化剤ガス)は、第2発電セル32の供給部162cを通って、第2発電セル32に供給される。第2発電セル32を流れた酸化剤ガスは、排出部172cを通って、排出通路180cに排出される。排出通路180cを流れる酸化剤ガスは、流出部190cを通って、出口側マニホールド部120cに流出する。 The oxidant gas flows in the same manner as the fuel gas as follows. The oxidant gas flowing through the inlet manifold 110c flows through the inlet section 140c into the hollow space between the cell frame 40 and the separator 20. The oxidant gas flows through the supply passage 150c (the first supply passage 211c, the second supply passage 212c, the third supply passage 213c, and the fourth supply passage 214c) and is directed toward each of the two power generation cells 31 and 32. The oxidant gas flowing through the first supply passage 211c is supplied to the first power generation cell 31 through the supply section 161c of the first power generation cell 31. The oxidant gas that has flowed through the first power generation cell 31 is discharged through the discharge section 171c to the fourth supply passage 214c. The oxidant gas that has bypassed the first power generation cell 31 through the second supply passage 212c and the third supply passage 213c also flows into the fourth supply passage 214c. The oxidant gas flowing through the fourth supply passage 214c (the oxidant gas that has bypassed the first power generation cell 31 and the oxidant gas discharged from the first power generation cell 31) is supplied to the second power generation cell 32 through the supply section 162c of the second power generation cell 32. The oxidant gas that has flowed through the second power generation cell 32 is discharged through the discharge section 172c to the discharge passage 180c. The oxidant gas flowing through the discharge passage 180c flows out through the outflow section 190c to the outlet side manifold section 120c.
入口側マニホールド部110a、110cから流入させたガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を分岐させることによって、直列に配列された2個の発電セル31、32のうち第1発電セル31を流れるガス流量は、第2発電セル32を流れるガス流量に比べて低減する。セルフレーム40の圧力損失は、流入部140a、140c、供給通路150a、150c、供給部161a、161c、162a、162c、排出部171a、171c、172a、172c、排出通路180a、180c、および流出部190a、190cにおけるガス通路を構成する溝部の幅寸法、高さ寸法、形成位置、形状を適宜選択することによって簡単に制御できる。 By branching the gas (fuel gas and oxidant gas) flowing in from the inlet manifolds 110a and 110c, the gas flow rate through the first power cell 31 of the two power generation cells 31 and 32 arranged in series is reduced compared to the gas flow rate through the second power generation cell 32. The pressure loss of the cell frame 40 can be easily controlled by appropriately selecting the width, height, formation position, and shape of the grooves that constitute the gas passages in the inlet sections 140a and 140c, the supply passages 150a and 150c, the supply sections 161a, 161c, 162a, and 162c, the exhaust sections 171a, 171c, 172a, and 172c, the exhaust passages 180a and 180c, and the outlet sections 190a and 190c.
図3Gは、2個の発電セル31、32における燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向を示す平面図である。実線矢印は燃料ガスの流れを示し、破線矢印は酸化剤ガスの流れを示している。 Figure 3G is a plan view showing the flow directions of fuel gas and oxidant gas in two power generation cells 31 and 32. The solid arrows indicate the flow of fuel gas, and the dashed arrows indicate the flow of oxidant gas.
図3Gに示すように、本実施形態のガスの供給方式はコフローである。2個の発電セル31、32のそれぞれにおいて、燃料が流れる方向と、酸化剤が流れる方向とが同一(X正方向)である。なお、ガスの供給方式に関して、燃料ガスの流れる方向と酸化剤ガスの流れる方向とが平行の場合であって、同方向に流れる方式がコフローであり、逆方向に流れる方式がカウンターフローである。 As shown in FIG. 3G, the gas supply method in this embodiment is coflow. In each of the two power generation cells 31, 32, the direction in which the fuel flows and the direction in which the oxidizer flows are the same (X-positive direction). Note that, with regard to the gas supply method, when the fuel gas flow direction and the oxidizer gas flow direction are parallel, a method in which they flow in the same direction is coflow, and a method in which they flow in opposite directions is counterflow.
図4Aは、SOFCのスタックの小型化を説明するために使用される説明図であって、セルフレーム40の入口側マニホールド部110a、110cが形成された端部を拡大して示す平面図である。図4Bは、図4Aの4B部の拡大断面図である。 Figure 4A is an explanatory diagram used to explain the miniaturization of an SOFC stack, and is an enlarged plan view of the end of the cell frame 40 where the inlet manifold sections 110a and 110c are formed. Figure 4B is an enlarged cross-sectional view of part 4B in Figure 4A.
図4Aに示すように、供給通路150aから第1発電セル31内の燃料流路61への燃料ガスの流入は、供給部161aのガス通路によって制御される。図4Bに示すように、供給通路150aから第1発電セル31内への流入は、主管(第1供給通路201a)と枝管(供給部161a)との関係による分配となる。ガスの分配が主管と枝管との関係によって行われるため、燃料ガスを開空間で分配するディフューザが不要であり、ディフューザを行うための距離(ディフューザ距離)が不要となる。これによって燃料の入口側マニホールド部110aに第1発電セル31を近づけることができ、入口側マニホールド部110a、110cと第1発電セル31との間の省スペース化が図られる(図4Aの白抜き矢印221を参照)。出口側マニホールド部120aについても同様に、第2発電セル32との間の省スペース化が図られる。 As shown in FIG. 4A, the inflow of fuel gas from the supply passage 150a to the fuel flow passage 61 in the first power generation cell 31 is controlled by the gas passage of the supply section 161a. As shown in FIG. 4B, the inflow from the supply passage 150a to the first power generation cell 31 is distributed according to the relationship between the main pipe (first supply passage 201a) and the branch pipe (supply section 161a). Since the gas is distributed according to the relationship between the main pipe and the branch pipe, a diffuser that distributes the fuel gas in an open space is not required, and the distance (diffuser distance) for diffusing is not required. This allows the first power generation cell 31 to be closer to the fuel inlet side manifold section 110a, thereby saving space between the inlet side manifold sections 110a, 110c and the first power generation cell 31 (see the white arrow 221 in FIG. 4A). Similarly, space saving is achieved between the outlet side manifold section 120a and the second power generation cell 32.
上述した特許文献1に開示されたSOFCは、入口側および出口側のマニホールド部と発電セルとの配置位置を対称的にするために、入口側および出口側のマニホールド部をそれぞれ複数個配置している。これに対して本実施形態のSOFCは、ディフューザが不要になるため、マニホールド部と発電セル31、32との配置位置を対称的な関係する必要がなく、入口側マニホールド部110a、110cおよび出口側マニホールド部120a、120cをそれぞれ1個にできる。燃料用の入口側マニホールド部110aは、第1発電セル31の幅方向(Y方向)の中心Oに対して非対称な位置に配置できる(図4Aの白抜き矢印222を参照)。入口側マニホールド部110aの開口面積は、流量や圧力損失を考慮して最小の大きさに設定できる。出口側マニホールド部120aについても同様に、第2発電セル32の幅方向(Y方向)の中心に対して非対称な位置に配置でき、開口面積を最小化できる。 In the SOFC disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, in order to arrange the inlet and outlet manifolds and the power generation cells symmetrically, multiple inlet and outlet manifolds are arranged. In contrast, the SOFC of this embodiment does not require a diffuser, so there is no need to arrange the manifolds and the power generation cells 31 and 32 symmetrically, and the inlet manifolds 110a and 110c and the outlet manifolds 120a and 120c can be one each. The inlet manifold 110a for fuel can be arranged in an asymmetric position with respect to the center O in the width direction (Y direction) of the first power generation cell 31 (see the white arrow 222 in FIG. 4A). The opening area of the inlet manifold 110a can be set to a minimum size taking into account the flow rate and pressure loss. Similarly, the outlet manifold 120a can be arranged in an asymmetric position with respect to the center in the width direction (Y direction) of the second power generation cell 32, minimizing the opening area.
上述した特許文献1に開示されたSOFCは、脇流れを抑えるために圧力損失を調節する機構が設けられている。これに対して、本実施形態のSOFCは、セルフレーム40に燃料ガスを分岐して流す流路構造を設けたことによって、流れ方向に沿って直列に配置した第2発電セル32に、入口側マニホールド部110aから流入した燃料ガスの一部を流入させることができる。これによって、脇流れを抑える機構を設けることなく圧力損失の調整が可能となる(図4Aの白抜き矢印223を参照)。なお、本明細書においては、複数の発電セル31、32をガス流れに沿って直列に配列するとともに、入口側マニホールド部110a、110cから流入したガスを分岐させて第2発電セル32に導く構造を、単に「直列分岐構造」ともいう。 The SOFC disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 is provided with a mechanism for adjusting pressure loss to suppress side flow. In contrast, the SOFC of this embodiment is provided with a flow path structure in the cell frame 40 that branches and flows the fuel gas, so that a part of the fuel gas flowing in from the inlet side manifold section 110a can be made to flow into the second power generation cell 32 arranged in series along the flow direction. This makes it possible to adjust the pressure loss without providing a mechanism for suppressing side flow (see the white arrow 223 in FIG. 4A). In this specification, the structure in which multiple power generation cells 31, 32 are arranged in series along the gas flow and the gas flowing in from the inlet side manifold sections 110a, 110c is branched and led to the second power generation cell 32 is also simply referred to as a "series branch structure."
燃料側の構成に着目して説明したが、酸化剤側の構成についても同様である。 The above explanation focuses on the configuration on the fuel side, but the configuration on the oxidizer side is similar.
このように、マニホールド部110a、110c、120a、120cと発電セル31、32との間の省スペース化が図られること、マニホールド部110a、110c、120a、120cの位置が発電セル31、32に対して非対称な位置に配置できかつ開口面積を最小化できること、および直列分岐構造による脇流れを抑える機構の廃止によって、SOFCのスタックの小型化を図ることが可能となる。 In this way, the space between the manifold sections 110a, 110c, 120a, 120c and the power generation cells 31, 32 is saved, the manifold sections 110a, 110c, 120a, 120c can be positioned asymmetrically with respect to the power generation cells 31, 32 and the opening area can be minimized, and the mechanism for suppressing side flow due to the serial branch structure is eliminated, making it possible to miniaturize the SOFC stack.
図5Aは、SOFCのスタックの改質効率の向上を説明するために使用される説明図であって、セルフレーム40の入口側マニホールド部110a、110cが形成された端部を拡大して示す平面図である。図5Bは、燃料ガスの流速と改質性との関係を模式的に示す図である。 Figure 5A is an explanatory diagram used to explain the improvement of the reforming efficiency of an SOFC stack, and is an enlarged plan view of the end of the cell frame 40 where the inlet side manifold parts 110a and 110c are formed. Figure 5B is a schematic diagram showing the relationship between the flow rate of the fuel gas and the reforming property.
SOFCのスタックは、作動温度における熱を利用して水蒸気改質反応を行うことができる(内部改質)。図5Bに示すように、水蒸気改質反応における改質性は、燃料ガスの空間速度(SV)が小さい方が良好である。空間速度(SV)は、SV=Q[m3/sec]/V[m3]によって表される。ここに、Qは、燃料ガスの流量、Vは、燃料ガスが流れる流路容積である。スタックの容積を増加することなく(Vを一定)、改質性を高めるためには、燃料ガスの流量を低減すればよい。しかしながら、燃料ガスの供給量を減少させただけでは、燃料不足による出力不足を招いてしまう。 The SOFC stack can carry out a steam reforming reaction by utilizing heat at the operating temperature (internal reforming). As shown in FIG. 5B, the reforming performance in the steam reforming reaction is better when the space velocity (SV) of the fuel gas is smaller. The space velocity (SV) is expressed by SV=Q [m 3 /sec]/V [m 3 ]. Here, Q is the flow rate of the fuel gas, and V is the volume of the channel through which the fuel gas flows. In order to improve the reforming performance without increasing the volume of the stack (with V kept constant), it is sufficient to reduce the flow rate of the fuel gas. However, simply reducing the amount of fuel gas supplied will result in a lack of output due to a lack of fuel.
図5Aに示すように、Q0は、流入部140aを通って流入した燃料ガスの流量、Q1は、第2供給通路202aに分岐して流れる燃料ガスの流量、Q2は、第3供給通路203aに分岐して流れる燃料ガスの流量、Q3は、第1供給通路201aから供給部161aを通って第1発電セル31に供給される燃料ガスの流量を表している。Q1+Q2+Q3=Q0であり、第1発電セル31に供給される燃料ガスの流量Q3は、流入した燃料ガスの流量Q0よりも少ない(Q3<Q0)。 As shown in FIG. 5A, Q0 represents the flow rate of fuel gas flowing in through the inlet 140a, Q1 represents the flow rate of fuel gas branching off into the second supply passage 202a, Q2 represents the flow rate of fuel gas branching off into the third supply passage 203a, and Q3 represents the flow rate of fuel gas supplied from the first supply passage 201a through the supply section 161a to the first power generation cell 31. Q1+Q2+Q3=Q0, and the flow rate Q3 of fuel gas supplied to the first power generation cell 31 is less than the flow rate Q0 of the inflowing fuel gas (Q3<Q0).
内部改質型SOFCスタックのセルユニット10は、直列分岐構造を有する。このため、流速が大きい上流部において燃料ガスが流量Q1、Q2、Q3に分岐され、燃料ガスの燃料改質を行う段階(第1発電セル31に燃料ガスが供給された段階)では、燃料ガスは流量Q3(Q3<Q0)に減少する。したがって、第1発電セル31においては空間速度(SV)が供給量(Q0)に対して見かけ上減少し、水蒸気量(S/C)が低い条件であっても生成水素量が増大し、改質効率が向上する。流入させる燃料ガス流量(Q0)は減少させないため、燃料不足による出力不足を招くことなく、改質効率を向上させることができる。 The cell unit 10 of the internal reforming SOFC stack has a serial branch structure. Therefore, in the upstream part where the flow velocity is high, the fuel gas is branched into flow rates Q1, Q2, and Q3, and at the stage where the fuel gas is reformed (the stage where the fuel gas is supplied to the first power generation cell 31), the fuel gas is reduced to a flow rate Q3 (Q3<Q0). Therefore, in the first power generation cell 31, the space velocity (SV) appears to decrease relative to the supply amount (Q0), and even under conditions where the water vapor amount (S/C) is low, the amount of hydrogen produced increases, improving the reforming efficiency. Since the flow rate (Q0) of the inflowing fuel gas is not decreased, the reforming efficiency can be improved without incurring a power shortage due to a fuel shortage.
第2発電セル32においては、分配された燃料ガスが混合することによって水蒸気分圧が減少し、かつ、改質による水素の生成量が増えている。このため、第2発電セル32の発電量は多くなる。 In the second power generating cell 32, the water vapor partial pressure decreases as the distributed fuel gas mixes, and the amount of hydrogen produced by reforming increases. As a result, the amount of electricity generated by the second power generating cell 32 increases.
以上説明したように、本実施形態のSOFCは、2個の発電セル31、32と、セルフレーム40と、セパレータ20と、を有する。セルフレーム40は、入口側マニホールド部110a、110cと、出口側マニホールド部120a、120cと、入口側マニホールド部110a、110cから出口側マニホールド部120a、120cに向かう方向に沿って直列に配列される状態に2個の発電セル31、32のそれぞれの外周を保持する保持部130と、を有する。セルフレーム40は、流入部140a、140cと、供給通路150a、150cと、供給部161a、161c、162a、162cと、排出部171a、171c、172a、172cと、排出通路180a、180cと、流出部190a、190cと、を有する。 As described above, the SOFC of this embodiment has two power generating cells 31, 32, a cell frame 40, and a separator 20. The cell frame 40 has inlet side manifold parts 110a, 110c, outlet side manifold parts 120a, 120c, and a holding part 130 that holds the outer circumferences of the two power generating cells 31, 32 in a state in which they are arranged in series along the direction from the inlet side manifold parts 110a, 110c toward the outlet side manifold parts 120a, 120c. The cell frame 40 has inlet parts 140a, 140c, supply passages 150a, 150c, supply parts 161a, 161c, 162a, 162c, discharge parts 171a, 171c, 172a, 172c, discharge passages 180a, 180c, and outlet parts 190a, 190c.
このように構成した固体酸化物形燃料電池は、セルフレーム40内に供給通路150a、150cや供給部161a、161c、162a、162cなどを備えることによって、入口側マニホールド部110a、110cから流入させたガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を分岐させて、直列に配列された2個の発電セル31、32のそれぞれに供給できる。このため、2個の発電セル31、32のそれぞれに流れるガス流量を低減でき、セルユニット10全体の圧力損失を低減でき、ガスの分配を均一にできる。セルフレーム40の圧力損失は、流入部140a、140c、供給通路150a、150c、供給部161a、161c、162a、162c、排出部171a、171c、172a、172c、排出通路180a、180c、および流出部190a、190cにおけるガス通路の幅寸法、高さ寸法、形成位置、形状によって制御できる。さらに、入口側マニホールド部110a、110cおよび出口側マニホールド部120a、120cと発電セル31、32との間の省スペース化を図ることができ、各ガス用の入口側マニホールド部110a、110cおよび出口側マニホールド部120a、120cをそれぞれ1個にできるので、スタックの小型化を図ることが可能となる。よって、ガスの分配を均一にしつつ、小型化を図ることが可能なSOFCを提供できる。しかも、第1発電セル31を流れるガス流量は、入口側マニホールド部110a、110cから流入した流量に比べて低減するので、第1発電セル31においては空間速度(SV)が減少し、改質効率が向上する。 The solid oxide fuel cell thus configured is provided with supply passages 150a, 150c and supply sections 161a, 161c, 162a, 162c within the cell frame 40, so that the gas (fuel gas and oxidant gas) flowing in from the inlet manifold sections 110a, 110c can be branched and supplied to each of the two power generation cells 31, 32 arranged in series. This allows the gas flow rate flowing through each of the two power generation cells 31, 32 to be reduced, the pressure loss of the entire cell unit 10 to be reduced, and gas distribution to be uniform. The pressure loss of the cell frame 40 can be controlled by the width, height, formation position, and shape of the gas passages in the inlet portions 140a, 140c, the supply passages 150a, 150c, the supply portions 161a, 161c, 162a, 162c, the exhaust portions 171a, 171c, 172a, 172c, the exhaust passages 180a, 180c, and the outlet portions 190a, 190c. Furthermore, the space between the inlet side manifolds 110a, 110c and the outlet side manifolds 120a, 120c and the power generating cells 31, 32 can be reduced, and the inlet side manifolds 110a, 110c and the outlet side manifolds 120a, 120c for each gas can be reduced to one each, so that the stack can be made smaller. Thus, it is possible to provide an SOFC that can be made smaller while maintaining uniform gas distribution. Furthermore, the gas flow rate through the first power generation cell 31 is reduced compared to the flow rate entering through the inlet manifolds 110a and 110c, so the space velocity (SV) in the first power generation cell 31 decreases, improving reforming efficiency.
2個の発電セル31、32のそれぞれにおいて、燃料が流れる方向と、酸化剤が流れる方向とが同一(X正方向)である。このように構成することによって、第1発電セル31および第2発電セル32のそれぞれにおいてガスの供給方式をコフローにして、第1発電セル31における空間速度(SV)を減少させて、改質効率を向上できる。 In each of the two power generation cells 31, 32, the direction in which the fuel flows and the direction in which the oxidant flows are the same (X-positive direction). By configuring in this way, the gas supply method in each of the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32 is made coflow, and the space velocity (SV) in the first power generation cell 31 is reduced, thereby improving the reforming efficiency.
(変形例1)
図6Aは、変形例1のセルフレーム41を示す平面図である。図6Bは、図6Aの6B-6B線に沿う断面図、図6Cは、図6Bの6C部の拡大断面図、図6Dは、図6Bの6D部の拡大断面図である。実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Variation 1)
Fig. 6A is a plan view showing a cell frame 41 of Modification 1. Fig. 6B is a cross-sectional view taken along line 6B-6B in Fig. 6A, Fig. 6C is an enlarged cross-sectional view of part 6C in Fig. 6B, and Fig. 6D is an enlarged cross-sectional view of part 6D in Fig. 6B. Members common to the embodiment are given the same reference numerals, and their description will be omitted.
変形例1のセルフレーム41は、燃料ガス用の供給部261aにおけるガス通路の断面積を変化させた点において、ガス通路の断面積が一定である実施形態と相違する。 The cell frame 41 of the first modification differs from the embodiment in which the cross-sectional area of the gas passage is constant in that the cross-sectional area of the gas passage in the fuel gas supply section 261a is changed.
変形例1のセルフレーム41は、燃料ガス用の供給部261aにおけるガス通路の断面積が、燃料ガス用の入口側マニホールド部110aに近い位置に比べて、燃料ガス用の入口側マニホールド部110aから遠い位置の方が大きい。供給部261aは、上流側の開口部131を取り囲む矩形形状の隔壁のうち第1供給通路201aに面する隔壁に形成した複数の溝部262から構成される。図示例では、溝部262の深さは同じであるが、溝部の幅は、入口側マニホールド部110aに近い位置に比べて、入口側マニホールド部110aから遠い位置の方が大きい(図6C、図6Dを参照)。供給部261aは、ガス通路の圧力損失が、入口側マニホールド部110aに近い位置に比べて、入口側マニホールド部110aから遠い位置の方が小さくなる。その結果、燃料ガスは、入口側マニホールド部110aに近い位置から遠い位置まで均一に分配されて第1発電セル31に供給される。 In the cell frame 41 of the first modification, the cross-sectional area of the gas passage in the fuel gas supply section 261a is larger at a position farther from the inlet manifold section 110a for fuel gas than at a position closer to the inlet manifold section 110a for fuel gas. The supply section 261a is composed of a plurality of grooves 262 formed in the partition wall facing the first supply passage 201a among the rectangular partition walls surrounding the upstream opening 131. In the illustrated example, the depth of the grooves 262 is the same, but the width of the grooves is larger at a position farther from the inlet manifold section 110a than at a position closer to the inlet manifold section 110a (see Figures 6C and 6D). In the supply section 261a, the pressure loss of the gas passage is smaller at a position farther from the inlet manifold section 110a than at a position closer to the inlet manifold section 110a. As a result, the fuel gas is evenly distributed from the position close to the inlet manifold section 110a to the position far from it and supplied to the first power generation cell 31.
以上説明したように、変形例1のセルフレーム41は、供給部261aにおけるガス通路の断面積が、入口側マニホールド部110aに近い位置に比べて、入口側マニホールド部110aから遠い位置の方が大きい。このように構成することによって、燃料ガスの分配性が向上し、燃料ガスは、入口側マニホールド部110aに近い位置から遠い位置まで均一に分配されて第1発電セル31に供給される。分配性が向上することから、燃料の入口側マニホールド部110aに第1発電セル31を一層近づけることができ、SOFCのスタックの小型化を一層図ることが可能となる。また、分配性が向上することから、第1発電セル31における空間速度(SV)をより減少でき、改質効率が一層向上する。 As described above, in the cell frame 41 of the first modified example, the cross-sectional area of the gas passage in the supply section 261a is larger at a position far from the inlet manifold section 110a than at a position close to the inlet manifold section 110a. This configuration improves the distribution of the fuel gas, and the fuel gas is uniformly distributed from a position close to the inlet manifold section 110a to a position far from the inlet manifold section 110a and supplied to the first power generation cell 31. Since the distribution is improved, the first power generation cell 31 can be brought even closer to the inlet manifold section 110a of the fuel, making it possible to further reduce the size of the SOFC stack. Furthermore, since the distribution is improved, the space velocity (SV) in the first power generation cell 31 can be further reduced, and the reforming efficiency is further improved.
なお、第1発電セル31の排出部171a、第2発電セル32の供給部162a、および第2発電セル32の排出部172aは、ガス通路の断面積を一定としたが、燃料ガスの流れの分布に応じて断面積を変化させることができる。また、酸化剤側の供給部161c、162cおよび排出部171c、172cは、ガス通路の断面積を一定としたが、酸化剤ガスの流れの分布に応じて断面積を変化させることができる。 The cross-sectional area of the gas passages of the exhaust section 171a of the first power generation cell 31, the supply section 162a of the second power generation cell 32, and the exhaust section 172a of the second power generation cell 32 are constant, but the cross-sectional area can be changed according to the distribution of the fuel gas flow. The cross-sectional area of the gas passages of the supply sections 161c, 162c and the exhaust sections 171c, 172c on the oxidizer side are constant, but the cross-sectional area can be changed according to the distribution of the oxidizer gas flow.
(変形例2)
図7Aは、変形例2のセルフレーム42を示す平面図である。図7Bは、最上流の第1発電セル31に供給される燃料ガスの供給温度の昇温性の向上を説明するために使用される説明図であって、セルフレーム42の入口側マニホールド部110a、110cが形成された端部を拡大して示す平面図である。図7Cは、最上流の第1発電セル31に供給される燃料ガスの供給温度の昇温性の向上を説明するために使用される対比例の説明図であって、セルフレーム42の入口側マニホールド部110a、110cが形成された端部を拡大して示す平面図である。実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Variation 2)
Fig. 7A is a plan view showing the cell frame 42 of the second modified example. Fig. 7B is an explanatory diagram used to explain the improvement in the temperature rise characteristic of the supply temperature of the fuel gas supplied to the most upstream first power generation cell 31, and is an enlarged plan view showing the end of the cell frame 42 where the inlet side manifold parts 110a, 110c are formed. Fig. 7C is an explanatory diagram for comparison used to explain the improvement in the temperature rise characteristic of the supply temperature of the fuel gas supplied to the most upstream first power generation cell 31, and is an enlarged plan view showing the end of the cell frame 42 where the inlet side manifold parts 110a, 110c are formed. Members common to the embodiment are given the same reference numerals, and their description will be omitted.
変形例2のセルフレーム42は、燃料ガスを2個の発電セル31、32のそれぞれに分岐させる比率を異ならせた点において、分岐させる比率をほぼ等しくした実施形態と相違する。 The cell frame 42 of the second modification differs from the embodiment in that the ratio at which the fuel gas is branched to each of the two power generation cells 31, 32 is different, in that the branching ratio is approximately equal.
図7Aに示すように、変形例2のセルフレーム42は、燃料ガスを2個の発電セル31、32のそれぞれに分岐させる比率は、第1発電セル31に比べて第2発電セル32の方が大きい。分岐比率を異ならせるため、入口側マニホールド部110aに近い第1発電セル31に面する供給通路150a(第1供給通路201a)の幅(Xf)に比べて、第2発電セル32に面する供給通路150a(第4供給通路204a)の幅(Xb)の方が大きい(Xf<Xb)。 As shown in FIG. 7A, in the cell frame 42 of the second modification example, the ratio of fuel gas branched to each of the two power generation cells 31, 32 is greater for the second power generation cell 32 than for the first power generation cell 31. In order to make the branching ratios different, the width (Xb) of the supply passage 150a (fourth supply passage 204a) facing the second power generation cell 32 is greater than the width (Xf) of the supply passage 150a (first supply passage 201a) facing the first power generation cell 31 closer to the inlet manifold portion 110a (Xf<Xb).
入口側マニホールド部110aから流入した燃料ガスは、第1発電セル31と、第2発電セル32とに分岐して流れる。供給通路150aの幅を上記のように設定することによって、第1発電セル31に分岐する流量の比率よりも、第2発電セル32に分岐する流量の比率の方が大きくなる。 The fuel gas flowing in from the inlet manifold 110a branches off and flows into the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32. By setting the width of the supply passage 150a as described above, the ratio of the flow rate branching to the second power generation cell 32 is greater than the ratio of the flow rate branching to the first power generation cell 31.
図7Bおよび図7Cに示すように、第1発電セル31は、第1供給通路201aを挟んで、加熱された酸化剤の入口側マニホールド部110cと接する。図7Cに示す対比例のように、第1供給通路201aが占める容積263が大きい場合には、燃料ガスの熱容量が大きくなり、昇温性が低下する。一方、図7Bに示すように、第1供給通路201aが占める容積264が小さい場合には、燃料ガスの熱容量が下がり、昇温性が向上する。このように、変形例2は、第1発電セル31に供給される燃料ガスの熱容量を下げて昇温を促すことができる。さらに、燃料ガスの供給温度が高くなり、空間流速(SV)も低減することから、第1発電セル31の改質性能が一層向上する。また、第2発電セル32の方が第1発電セル31に比べて高温になるため、第2発電セル32により多くの燃料ガスを供給することによって、発電性能の向上を期待できる。 7B and 7C, the first power generating cell 31 contacts the inlet manifold portion 110c of the heated oxidizer across the first supply passage 201a. As shown in FIG. 7C, when the volume 263 occupied by the first supply passage 201a is large, the heat capacity of the fuel gas increases and the temperature rise property decreases. On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the volume 264 occupied by the first supply passage 201a is small, the heat capacity of the fuel gas decreases and the temperature rise property improves. In this way, the second modification can reduce the heat capacity of the fuel gas supplied to the first power generating cell 31 to promote the temperature rise. Furthermore, the supply temperature of the fuel gas increases and the spatial velocity (SV) is also reduced, so that the reforming performance of the first power generating cell 31 is further improved. In addition, since the second power generating cell 32 is hotter than the first power generating cell 31, it is expected that the power generating performance will be improved by supplying more fuel gas to the second power generating cell 32.
以上説明したように、変形例2のセルフレーム42は、燃料ガスを2個の発電セル31、32のそれぞれに分岐させる比率は、第1発電セル31に比べて第2発電セル32の方が大きい。このように構成することによって、第1発電セル31に供給される燃料ガスの供給温度を高くできる。さらに、燃料ガスの供給温度が高くなり、空間流速(SV)も低減することから、第1発電セル31の改質性能が一層向上する。 As described above, in the cell frame 42 of variant 2, the ratio of fuel gas branched to each of the two power generating cells 31, 32 is greater for the second power generating cell 32 than for the first power generating cell 31. By configuring in this way, the supply temperature of the fuel gas supplied to the first power generating cell 31 can be increased. Furthermore, since the supply temperature of the fuel gas is increased and the spatial velocity (SV) is reduced, the reforming performance of the first power generating cell 31 is further improved.
(変形例3)
図8Aは、変形例3のセルフレーム43を示す斜視図、図8Bは、変形例3の複数の発電セル31、32における燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向を示す平面図である。図8Cは、変形例3における反応面内の平均温度の昇温を説明するために使用される説明図である。図8Bの実線矢印は燃料ガスの流れを示し、破線矢印は酸化剤ガスの流れを示している。実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Variation 3)
Fig. 8A is a perspective view showing a cell frame 43 of Modification 3, and Fig. 8B is a plan view showing the flow directions of fuel gas and oxidant gas in a plurality of power generation cells 31, 32 of Modification 3. Fig. 8C is an explanatory diagram used to explain the rise in average temperature in the reaction surface in Modification 3. The solid arrows in Fig. 8B indicate the flow of fuel gas, and the dashed arrows indicate the flow of oxidant gas. Members common to the embodiment are given the same reference numerals, and their explanation will be omitted.
変形例3のセルフレーム43は、第1発電セル31におけるガスの供給方式をカウンターフローとした点において、コフローとした実施形態と相違する。 The cell frame 43 of the third modification differs from the embodiment in that the gas supply method in the first power generation cell 31 is counterflow, which is the coflow method.
図8Bに示すように、2個の発電セル31、32のうち少なくとも1つの発電セル31において、燃料が流れる方向と、酸化剤が流れる方向とが異なる。第1発電セル31においては、燃料が流れる方向(X正方向)と、酸化剤が流れる方向(X負方向)とが異なる。第2発電セル32においては、燃料が流れる方向と、酸化剤が流れる方向とが同一(X正方向)である。 As shown in FIG. 8B, in at least one of the two power generation cells 31, 32, the direction in which the fuel flows is different from the direction in which the oxidizer flows. In the first power generation cell 31, the direction in which the fuel flows (positive X direction) is different from the direction in which the oxidizer flows (negative X direction). In the second power generation cell 32, the direction in which the fuel flows is the same as the direction in which the oxidizer flows (positive X direction).
上記のガス流れとするため、セルフレーム43の酸化剤ガスが流れる面(図8Bの紙面の裏面側)は、実施形態と同様に形成されている。セルフレーム43の燃料ガスが流れる面(図8Bの紙面の表面側)は次のように形成されている。供給通路150aは、第1供給通路351aと、第2供給通路352aと、を有する。第1供給通路351aは、Y正方向側に位置し、X方向に沿って伸びている。第2供給通路352aは、2個の発電セル31、32の間においてY方向に沿って伸びている。第1発電セル31の供給部161aおよび第2発電セル32の供給部162aは、ともに第2供給通路352aに面する。第1発電セル31の排出部171aはX負方向に位置し、第2発電セル32の排出部172aはX正方向に位置する。排出通路380aは、第1排出通路381aと、第2排出通路382aと、第3排出通路383aと、を有する。第1排出通路381aは、Y方向に沿って伸び、第1発電セル31の排出部171aが面する。第2排出通路382aは、Y負方向側に位置し、X方向に沿って伸びている。第3排出通路383aは、Y方向に沿って伸び、第2発電セル32の排出部172aが面する。 In order to achieve the above gas flow, the surface of the cell frame 43 through which the oxidant gas flows (the back side of the paper in FIG. 8B) is formed in the same manner as in the embodiment. The surface of the cell frame 43 through which the fuel gas flows (the front side of the paper in FIG. 8B) is formed as follows. The supply passage 150a has a first supply passage 351a and a second supply passage 352a. The first supply passage 351a is located on the Y positive side and extends along the X direction. The second supply passage 352a extends along the Y direction between the two power generation cells 31 and 32. The supply section 161a of the first power generation cell 31 and the supply section 162a of the second power generation cell 32 both face the second supply passage 352a. The discharge section 171a of the first power generation cell 31 is located in the X negative direction, and the discharge section 172a of the second power generation cell 32 is located in the X positive direction. The discharge passage 380a has a first discharge passage 381a, a second discharge passage 382a, and a third discharge passage 383a. The first discharge passage 381a extends along the Y direction and faces the discharge portion 171a of the first power generation cell 31. The second discharge passage 382a is located on the negative Y direction side and extends along the X direction. The third discharge passage 383a extends along the Y direction and faces the discharge portion 172a of the second power generation cell 32.
図8Cには、セルフレーム43の要部にカウンターフロー単体の特性およびコフロー単体の特性が示され、それらの下位側に変形例3による特性が模式的に示される。特性として、燃料温度が2点鎖線によって示され、空気温度が実線によって示され、電流密度が破線によって示されている。上下の白抜き矢印224は、温度差による定常時の熱移動を示している。変形例3による特性において、破線によって囲まれた部分は、燃料投入温度の増加によって性能が向上した部分を示している。 In Figure 8C, the characteristics of the counterflow alone and the coflow alone are shown in the main parts of the cell frame 43, and the characteristics of variant 3 are shown diagrammatically below them. As characteristics, the fuel temperature is shown by a two-dot chain line, the air temperature is shown by a solid line, and the current density is shown by a dashed line. The white arrows 224 on the top and bottom indicate steady-state heat transfer due to temperature difference. In the characteristics of variant 3, the part surrounded by the dashed line indicates the part where performance has been improved by increasing the fuel input temperature.
変形例3のように、反応面内でフロー方向の異なる構造とすることによって、カウンターフローの高い熱交換効率による高い入口燃料温度を、コフローの低い燃料入口温度に分配することができる。これによって、面内平均温度が昇温する。さらに、流量分配による空間流速(SV)が低減し、改質効率も向上する。 By using a structure with different flow directions within the reaction surface, as in variant 3, the high inlet fuel temperature due to the high heat exchange efficiency of the counterflow can be distributed to the low fuel inlet temperature of the coflow. This increases the average temperature within the surface. Furthermore, the spatial velocity (SV) due to the flow distribution is reduced, improving the reforming efficiency.
以上説明したように、変形例3のセルフレーム43は、複数の発電セル31、32のうち少なくとも1つの発電セル31において、燃料が流れる方向と、酸化剤が流れる方向とが異なる。このように構成することによって、複数の発電セル31、32のそれぞれの温度や燃料消費特性が変わる。その結果、セルユニット10の面内平均温度が昇温し、面内温度分布の均熱(底上げ)によって発電性能が向上する。 As described above, in the cell frame 43 of variant 3, the direction in which the fuel flows is different from the direction in which the oxidizer flows in at least one of the multiple power generation cells 31, 32. By configuring in this way, the temperature and fuel consumption characteristics of each of the multiple power generation cells 31, 32 change. As a result, the average in-plane temperature of the cell unit 10 increases, and power generation performance is improved by isolating (raising) the in-plane temperature distribution.
(変形例4)
図9Aは、変形例4のSOFCのセルユニット11を、セパレータ25、発電セル31、32、33およびセルフレーム44に分解して示す斜視図である。図9Bは、変形例4のセルフレーム44を示す平面図である。図9Bの実線矢印は燃料ガスの流れを示し、破線矢印は酸化剤ガスの流れを示している。実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Variation 4)
Fig. 9A is a perspective view showing a cell unit 11 of an SOFC of Modification 4, disassembled into a separator 25, power generating cells 31, 32, 33, and a cell frame 44. Fig. 9B is a plan view showing the cell frame 44 of Modification 4. The solid arrows in Fig. 9B indicate the flow of fuel gas, and the dashed arrows indicate the flow of oxidant gas. Members common to the embodiment are given the same reference numerals, and their description will be omitted.
変形例4のセルユニット11は、発電セル31、32、33の個数の点、および複数の発電セル31、32、33を改質を主に行う主改質面と、発電を主に行う主発電面とに分けた点において、実施形態と相違する。 The cell unit 11 of variant 4 differs from the embodiment in the number of power generation cells 31, 32, and 33, and in that the multiple power generation cells 31, 32, and 33 are divided into a main reforming surface that mainly performs reforming and a main power generation surface that mainly generates power.
図9Aに示すように、変形例4のセルユニット11は、3個の発電セル31、32、33を有する。説明の便宜上、3個の発電セル31、32、33を上流側から順に、第1発電セル31、第2発電セル32、第3発電セル33ともいう。 As shown in FIG. 9A, the cell unit 11 of the fourth modified example has three power generating cells 31, 32, and 33. For ease of explanation, the three power generating cells 31, 32, and 33 are also referred to as the first power generating cell 31, the second power generating cell 32, and the third power generating cell 33, in that order from the upstream side.
変形例4のセルユニット11は、3個の発電セル31、32、33が、改質を主に行う主改質面と、発電を主に行う主発電面とに分かれている。主改質面は、第1発電セル31および第2発電セル32によって構成される。主発電面は、第3発電セル33によって構成される。そして、主発電面を構成する第3発電セル33は、主改質面を構成する第1発電セル31および第2発電セル32の燃料オフガスが混合されて供給される。 In the cell unit 11 of variant 4, the three power generating cells 31, 32, and 33 are divided into a main reforming surface that mainly performs reforming and a main power generating surface that mainly performs power generation. The main reforming surface is composed of the first power generating cell 31 and the second power generating cell 32. The main power generating surface is composed of the third power generating cell 33. The third power generating cell 33 that constitutes the main power generating surface is supplied with a mixture of fuel off-gas from the first power generating cell 31 and the second power generating cell 32 that constitute the main reforming surface.
主改質面の数は、主発電面の数以上であることが好ましい。変形例4では、主改質面の数は「2」、主発電面の数は「1」である。 The number of main reforming surfaces is preferably equal to or greater than the number of main power generation surfaces. In variant 4, the number of main reforming surfaces is "2" and the number of main power generation surfaces is "1".
図9Bに示すように、3個の発電セル31、32、33のうち少なくとも1つの発電セル31において、燃料が流れる方向と、酸化剤が流れる方向とが異なる。第1発電セル31においては、燃料が流れる方向(X正方向)と、酸化剤が流れる方向(X負方向)とが異なる。第2発電セル32および第3発電セル33においては、燃料が流れる方向と、酸化剤が流れる方向とが同一(X正方向)である。このように、変形例4のセルフレーム44は、第1発電セル31においてはカウンターフロー、第2発電セル32および第3発電セル33においてはコフローである。 As shown in FIG. 9B, in at least one power generating cell 31 among the three power generating cells 31, 32, and 33, the direction in which the fuel flows is different from the direction in which the oxidizer flows. In the first power generating cell 31, the direction in which the fuel flows (positive X direction) is different from the direction in which the oxidizer flows (negative X direction). In the second power generating cell 32 and the third power generating cell 33, the direction in which the fuel flows is the same as the direction in which the oxidizer flows (positive X direction). In this way, the cell frame 44 of variant 4 is counter-flow in the first power generating cell 31 and co-flow in the second power generating cell 32 and the third power generating cell 33.
上記のガス流れとするため、セルフレーム44の酸化剤ガスが流れる面(図9Bの紙面の裏面側)は、実施形態と同様に形成されている。セルフレーム44の燃料ガスが流れる面(図9Bの紙面の表面側)は次のように形成されている。供給通路150aは、第1供給通路451aと、第2供給通路452aと、第3供給通路453aと、第4供給通路454aと、第5供給通路455aと、を有する。第1供給通路451aは、Y正方向側に位置し、X方向に沿って伸びている。第2供給通路452aは、第1発電セル31と第2発電セル32との間においてY方向に沿って伸びている。第3供給通路453aは、Y負方向側に位置し、X方向に沿って伸びている。第4供給通路454aは、第2発電セル32と第3発電セル33との間においてY方向に沿って伸びている。第5供給通路455aは、Y方向に沿って伸び、第1発電セル31の排出部171aが面する。第1発電セル31の供給部161aおよび第2発電セル32の供給部162aは、ともに第2供給通路452aに面する。第3発電セル33の供給部163aは、第4供給通路454aに面する。第1発電セル31の排出部171aはX負方向に位置し、第2発電セル32の排出部172aはX正方向に位置する。第3発電セル33の排出部173aは排出通路180aに面する。排出通路180aは、供給通路150aと区画され、出口側マニホールド部120a、120cに隣接してY方向に沿って伸びている。なお、図9Aにおける符号173cは、第3発電セル33の酸化剤ガス側の排出部を示しており、第3発電セル33の排出部173cは実施形態と同様に排出通路180cに面する。 In order to achieve the above gas flow, the surface of the cell frame 44 through which the oxidizer gas flows (the back side of the paper in FIG. 9B) is formed in the same manner as in the embodiment. The surface of the cell frame 44 through which the fuel gas flows (the front side of the paper in FIG. 9B) is formed as follows. The supply passage 150a has a first supply passage 451a, a second supply passage 452a, a third supply passage 453a, a fourth supply passage 454a, and a fifth supply passage 455a. The first supply passage 451a is located on the Y positive side and extends along the X direction. The second supply passage 452a extends along the Y direction between the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32. The third supply passage 453a is located on the Y negative side and extends along the X direction. The fourth supply passage 454a extends along the Y direction between the second power generation cell 32 and the third power generation cell 33. The fifth supply passage 455a extends along the Y direction and faces the discharge portion 171a of the first power generating cell 31. The supply portion 161a of the first power generating cell 31 and the supply portion 162a of the second power generating cell 32 both face the second supply passage 452a. The supply portion 163a of the third power generating cell 33 faces the fourth supply passage 454a. The discharge portion 171a of the first power generating cell 31 is located in the negative X direction, and the discharge portion 172a of the second power generating cell 32 is located in the positive X direction. The discharge portion 173a of the third power generating cell 33 faces the discharge passage 180a. The discharge passage 180a is partitioned from the supply passage 150a and extends along the Y direction adjacent to the outlet side manifold portions 120a, 120c. In addition, the reference symbol 173c in FIG. 9A indicates the exhaust portion on the oxidant gas side of the third power generation cell 33, and the exhaust portion 173c of the third power generation cell 33 faces the exhaust passage 180c as in the embodiment.
第1発電セル31を通過した燃料オフガスは、第5供給通路455aに排出される。第2発電セル32を通過した燃料オフガスは、第4供給通路454aに排出される。第5供給通路455aを通る燃料オフガスは、第3供給通路453aから第4供給通路454aに流れる。第1発電セル31および第2発電セル32の燃料オフガスは、第4供給通路454aにおいて混合され、第3発電セル33に供給される。 The fuel off-gas that has passed through the first power generation cell 31 is discharged to the fifth supply passage 455a. The fuel off-gas that has passed through the second power generation cell 32 is discharged to the fourth supply passage 454a. The fuel off-gas that passes through the fifth supply passage 455a flows from the third supply passage 453a to the fourth supply passage 454a. The fuel off-gas from the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32 is mixed in the fourth supply passage 454a and supplied to the third power generation cell 33.
図9Bにおいて、Q0は、流入部140aを通って流入した燃料ガスの流量、Q1は、第1発電セル31および第2発電セル32のそれぞれを流れる燃料ガスの流量を表している。2×Q1=Q0なる関係がある。流入部140aを通って流入した燃料ガスは、第1発電セル31および第2発電セル32のそれぞれに等分に分岐して流れ、第1発電セル31および第2発電セル32の燃料オフガスが第3発電セル33に供給される。 In FIG. 9B, Q0 represents the flow rate of fuel gas flowing in through the inlet 140a, and Q1 represents the flow rate of fuel gas flowing through each of the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32. There is a relationship of 2×Q1=Q0. The fuel gas flowing in through the inlet 140a is equally divided and flows to each of the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32, and the fuel off-gas of the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32 is supplied to the third power generation cell 33.
変形例4のように、反応面内でフロー方向の異なる構造とすることによって、変形例3と同様に、カウンターフローの高い熱交換効率による高い入口燃料温度を、コフローの低い燃料入口温度に分配することができる。これによって、面内平均温度が昇温する。さらに、主改質面をなす第1発電セル31および第2発電セル32への流量分配による空間流速(SV)が低減し、改質効率も向上する。 By using a structure with different flow directions within the reaction surface as in variant 4, the high inlet fuel temperature due to the high heat exchange efficiency of the counterflow can be distributed to the low fuel inlet temperature of the coflow, as in variant 3. This increases the average temperature within the surface. Furthermore, the spatial velocity (SV) due to the flow distribution to the first power generation cell 31 and the second power generation cell 32, which form the main reforming surface, is reduced, improving the reforming efficiency.
さらに、主改質面の数が発電面の数以上であるので内部改質が一層促進される。 Furthermore, since the number of main reforming surfaces is greater than or equal to the number of power generation surfaces, internal reforming is further promoted.
以上説明したように、変形例4のセルフレーム44は、複数の発電セル31、32、33が、改質を主に行う主改質面と、発電を主に行う主発電面とに分かれ、主発電面は、主改質面の燃料オフガスが混合されて供給される。このように構成することによって、主改質面をなす発電セル31、32への流量分配による空間流速(SV)が低減し、改質効率が向上し、発電性能が向上する。 As described above, in the cell frame 44 of the fourth modified example, the multiple power generation cells 31, 32, and 33 are divided into a main reforming surface that mainly performs reforming and a main power generation surface that mainly performs power generation, and the main power generation surface is supplied with a mixture of fuel off-gas from the main reforming surface. By configuring it in this way, the spatial velocity (SV) due to the flow distribution to the power generation cells 31 and 32 that make up the main reforming surface is reduced, improving reforming efficiency and power generation performance.
さらに、主改質面の数は、主発電面の数以上である。このように構成することによって、内部改質が一層促進され、発電性能が一層向上する。 Furthermore, the number of main reforming surfaces is equal to or greater than the number of main power generation surfaces. By configuring it in this way, internal reforming is further promoted, and power generation performance is further improved.
10、11 セルユニット、
20、25 セパレータ、
31、32、33 発電セル、
40、41、42、43、44 セルフレーム、
61 燃料流路、
62 酸化剤流路、
110a、110c 入口側マニホールド部、
120a、120c 出口側マニホールド部、
130 保持部、
131 開口部、
132 段差部、
140a、140c 流入部、
150a、150c 供給通路、
161a、161c 供給部、
162a、162c 供給部、
163a 供給部、
171a、171c 排出部、
172a、172c 排出部、
173a、173c 排出部、
180a、180c 排出通路、
190a、190c 流出部、
201a~204a 第1~第4の供給通路、
211c~214c 第1~第4の供給通路、
261a 供給部、
262 溝部、
351a、352a 第1、第2の供給通路、
380a 排出通路、
381a~383a 第1~第3の排出通路、
451a~455a 第1~第5の供給通路。
10, 11 cell unit,
20, 25 Separator,
31, 32, 33 power generation cell,
40, 41, 42, 43, 44 Cell frame,
61 fuel flow path,
62 oxidant flow path,
110a, 110c inlet side manifold portion,
120a, 120c outlet side manifold portion,
130 holding portion,
131 opening,
132 step portion,
140a, 140c inflow section,
150a, 150c supply passage,
161a, 161c supply section,
162a, 162c supply section,
163a supply unit,
171a, 171c discharge section,
172a, 172c discharge section,
173a, 173c discharge section,
180a, 180c discharge passage,
190a, 190c outflow part,
201a to 204a: first to fourth supply passages,
211c to 214c: first to fourth supply passages,
261a supply unit,
262 Groove portion,
351a, 352a first and second supply passages,
380a discharge passage,
381a to 383a: first to third discharge passages,
451a to 455a: first to fifth supply passages.
Claims (8)
複数の前記発電セルを保持するセルフレームと、
複数の前記発電セルと対向して燃料流路および酸化剤流路を形成する少なくとも一対のセパレータと、を有し、
前記セルフレームは、
前記発電セルに供給されるガスが流れる入口側マニホールド部と、
前記発電セルから排出されたガスが流れる出口側マニホールド部と、
前記入口側マニホールド部から前記出口側マニホールド部に向かう方向に沿って直列に配列される状態に複数の前記発電セルのそれぞれの外周を保持する複数の保持部と、
前記入口側マニホールド部に形成され前記入口側マニホールド部を流れるガスを流入させる流入部と、
前記流入部から流入させたガスを直列に配列された複数の前記発電セルのそれぞれに向けて分岐して導く供給通路と、
前記供給通路から複数の前記発電セルのそれぞれにガスを供給する供給部と、
複数の前記発電セルのそれぞれからガスを排出する排出部と、
前記排出部から排出されたガスを前記出口側マニホールド部に向けて導く排出通路と、
前記出口側マニホールド部に形成され前記排出通路を流れるガスを前記出口側マニホールド部に流出させる流出部と、を有し、
前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくとも一方の流路において、前記排出通路は、直列に配列された複数の前記発電セルのうち前記流出部に最も近い位置に配置された前記発電セルから排出されるガスのみが流れる、固体酸化物形燃料電池。 a plurality of power generating cells each having at least an electrolyte layer and a pair of electrode layers;
a cell frame for holding a plurality of the power generating cells;
at least one pair of separators facing the plurality of power generating cells to form a fuel flow path and an oxidant flow path,
The cell frame includes :
an inlet manifold portion through which gas supplied to the power generation cell flows;
an outlet side manifold portion through which gas discharged from the power generation cell flows;
a plurality of holding sections that hold the outer peripheries of the plurality of power generating cells in a state in which the power generating cells are arranged in series along a direction from the inlet side manifold section toward the outlet side manifold section;
an inlet portion formed in the inlet manifold portion to allow gas flowing through the inlet manifold portion to flow in;
a supply passage for branching and directing the gas introduced from the inlet portion toward each of the plurality of power generation cells arranged in series;
a supply unit that supplies gas from the supply passage to each of the plurality of power generating cells;
an exhaust section that exhausts gas from each of the plurality of power generating cells;
a discharge passage for guiding the gas discharged from the discharge portion toward the outlet manifold portion;
an outlet portion formed in the outlet manifold portion and allowing the gas flowing through the exhaust passage to flow into the outlet manifold portion,
A solid oxide fuel cell, in at least one of the fuel flow path and the oxidant flow path, wherein the exhaust passage is only for flowing gas exhausted from the power generation cell that is located closest to the outlet portion among the plurality of power generation cells arranged in series .
前記主発電面は、前記主改質面の燃料オフガスが混合されて供給される、請求項1~5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The plurality of power generating cells are divided into a main reforming surface that mainly performs reforming and a main power generating surface that mainly performs power generation,
6. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the main power generation surface is supplied with a mixture of fuel off-gas from the main reforming surface.
複数の前記発電セルを保持するセルフレームと、a cell frame for holding a plurality of the power generating cells;
複数の前記発電セルと対向して燃料流路および酸化剤流路を形成する少なくとも一対のセパレータと、を有し、at least one pair of separators facing the plurality of power generating cells to form a fuel flow path and an oxidant flow path,
前記セルフレームは、The cell frame includes:
前記発電セルに供給されるガスが流れる入口側マニホールド部と、an inlet manifold portion through which gas supplied to the power generation cell flows;
前記発電セルから排出されたガスが流れる出口側マニホールド部と、an outlet side manifold portion through which gas discharged from the power generation cell flows;
前記入口側マニホールド部から前記出口側マニホールド部に向かう方向に沿って直列に配列される状態に複数の前記発電セルのそれぞれの外周を保持する複数の保持部と、a plurality of holding sections that hold the outer peripheries of the plurality of power generating cells in a state in which the power generating cells are arranged in series along a direction from the inlet side manifold section toward the outlet side manifold section;
前記入口側マニホールド部に形成され前記入口側マニホールド部を流れるガスを流入させる流入部と、an inlet portion formed in the inlet manifold portion to allow gas flowing through the inlet manifold portion to flow in;
前記流入部から流入させたガスを直列に配列された複数の前記発電セルのそれぞれに向けて分岐して導く供給通路と、a supply passage for branching and directing the gas introduced from the inlet portion toward each of the plurality of power generation cells arranged in series;
前記供給通路から複数の前記発電セルのそれぞれにガスを供給する供給部と、a supply unit that supplies gas from the supply passage to each of the plurality of power generating cells;
複数の前記発電セルのそれぞれからガスを排出する排出部と、an exhaust section that exhausts gas from each of the plurality of power generating cells;
前記排出部から排出されたガスを前記出口側マニホールド部に向けて導く排出通路と、a discharge passage for guiding the gas discharged from the discharge portion toward the outlet manifold portion;
前記出口側マニホールド部に形成され前記排出通路を流れるガスを前記出口側マニホールド部に流出させる流出部と、を有し、an outlet portion formed in the outlet manifold portion and allowing the gas flowing through the exhaust passage to flow into the outlet manifold portion,
燃料ガス用の前記供給部におけるガス通路の断面積は、燃料ガス用の前記入口側マニホールド部に近い位置に比べて、燃料ガス用の前記入口側マニホールド部から遠い位置の方が大きい、固体酸化物形燃料電池。A solid oxide fuel cell, wherein a cross-sectional area of a gas passage in the fuel gas supply section is larger at a position farther from the inlet manifold section for fuel gas than at a position closer to the inlet manifold section for fuel gas.
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