JP4470497B2

JP4470497B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4470497B2
Application number: JP2004009057A
Authority: JP
Inventors: 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP2005203255A

Description

本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層した構造を有する燃料電池に関し、特に、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することが可能な燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell having a structure in which power generation cells and separators are alternately stacked, and more particularly to a fuel cell capable of uniforming the temperature distribution in the stacking direction of a fuel cell stack.

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルを、間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してセパレータと交互に複数積層することにより、燃料電池スタックが構成される。 Solid oxide fuel cells (SOFC) are being developed as third-generation fuel cells for power generation. At present, three types of solid oxide fuel cells have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, each of which has a solid electrolyte composed of an oxide ion conductor as an air electrode (cathode) from both sides. It has a laminated structure sandwiched between fuel electrodes (anodes). A fuel cell stack is configured by stacking a plurality of power generation cells composed of this laminate alternately with separators with a fuel electrode current collector and an air electrode current collector interposed therebetween.

一例として、前記固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、前記燃料極層はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、前記空気極層はＬａＭｎＯ₃ 、ＬａＣｏＯ₃ 等で構成され、前記燃料極集電体はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、前記空気極集電体はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、前記セパレータはステンレス等で構成される。 As an example, the solid electrolyte layer is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer is composed of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni-YSZ or Co-YSZ. The air electrode layer is made of LaMnO ₃ , LaCoO ₃ or the like, the fuel electrode current collector is made of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector is made of an Ag-based alloy or the like. And a separator made of stainless steel or the like.

固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極側に酸化剤ガス（酸素) が、燃料極側に燃料ガス (Ｈ₂ 、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。 In the solid oxide fuel cell, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode side and a fuel gas (H ₂ , CO, CH _4, etc.) is supplied to the fuel electrode side as a reaction gas. The air electrode and the fuel electrode are both porous layers so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte.
Oxygen supplied to the air electrode side passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. At this part, electrons are received from the air electrode and ionized to oxide ions (O ²⁻ ). Is done. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H ₂ O, CO _2, etc.), and emit electrons to the fuel electrode. This electron can be taken out as an electromotive force in an external circuit of another route.

ところで、燃料電池では、外部より導入した反応ガスを積層された発電セルの各々に分配するガス供給機構を備えており、このようなガス供給機構として外部マニホールドと内部マニホールドが知られている。 By the way, the fuel cell includes a gas supply mechanism that distributes the reaction gas introduced from the outside to each of the stacked power generation cells, and an external manifold and an internal manifold are known as such a gas supply mechanism.

外部マニホールドは、燃料電池スタックの外部に反応ガス導入用の管体を積層方向に延設し、この管体と各セパレータとを接続管によって連通する構造を有する。外部マニホールドは、構造的に単純であるが、燃料電池スタック自体が大型化し、且つ、接続管との接続部分に高いガスシール性が要求されることから、近年、反応ガス導入用の管状体を直接燃料スタックの内部に延設した内部マニホールドが多く採用されている。
内部マニホールドの場合、反応用ガスは管内を積層方向に流通する過程でセパレータとの連通部分で分配されながら、各セパレータのガス通路を通して対応する各発電セルに供給されるようになっている。そして、このような内部マニホールドは、特許文献１や特許文献２に開示されている。
特開平５−３０７９６９号公報特開平６−１９６１９５号公報 The external manifold has a structure in which a reaction gas introduction tube is extended outside the fuel cell stack in the stacking direction, and the tube and each separator communicate with each other through a connection tube. Although the external manifold is structurally simple, the fuel cell stack itself is enlarged, and a high gas sealing property is required for the connecting portion with the connecting pipe. Many internal manifolds are used that extend directly into the fuel stack.
In the case of the internal manifold, the reaction gas is supplied to the corresponding power generation cell through the gas passage of each separator while being distributed at the communication portion with the separator in the process of flowing in the stacking direction in the pipe. Such an internal manifold is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2.
JP-A-5-307969 JP-A-6-196195

ところで、従来の平板積層型の燃料電池スタックでは、積層方向の温度分布が、図２の実線に示すように、燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分に比べて極端に低下する傾向がある。これは、燃料電池スタックの端部は中段部分に比べて発電セルのジュール熱が発散され易いためである。温度が低い発電セルは、高温の発電セルに比べて電極反応が活発に行われないため発電性能が低下する。 By the way, in the conventional flat plate type fuel cell stack, the temperature distribution in the stacking direction has a tendency that the temperature in the vicinity of both ends of the fuel cell stack is extremely lower than that in the middle portion as shown by the solid line in FIG. This is because the Joule heat of the power generation cell is more easily dissipated at the end of the fuel cell stack than at the middle stage. A power generation cell having a low temperature has a lower power generation performance because an electrode reaction is not actively performed compared to a power generation cell having a high temperature.

複数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの積層方向に上記した両肩下がりの温度分布が生じると、燃料電池全体の発電性能が低温部の発電性能で制限されるため、効率的な発電が行えなくなるという問題がある。 In a fuel cell stack configured by connecting a plurality of power generation cells in series, if the temperature distribution with both shoulders down in the stacking direction of the fuel cell stack occurs, the power generation performance of the entire fuel cell is the power generation performance of the low temperature part. Due to the limitation, there is a problem that efficient power generation cannot be performed.

従来より、燃料電池スタックにおける積層方向の温度分布を均一化するため、外部マニホールドの場合、マニホールドの中央部分より冷空気を導入してスタック中段部分の温度を低下させるといった施策も行われているが、構造上、マニホールドの端部より空気を導入せざるを得ない内部マニホールドの場合は、このようなガス供給方法は実現困難であった。 Conventionally, in order to uniformize the temperature distribution in the stacking direction in the fuel cell stack, in the case of an external manifold, measures such as introducing cold air from the central part of the manifold to lower the temperature of the middle stage part of the stack have also been taken. In the case of an internal manifold in which air must be introduced from the end of the manifold due to the structure, such a gas supply method has been difficult to realize.

本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、燃料電池スタックにおける積層方向の温度分布を均一化できる燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of making the temperature distribution in the stacking direction in the fuel cell stack uniform.

すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の一方に燃料極層を、他方に空気極層を配して構成した発電セルと、前記燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス通路、および前記空気極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を有するセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、前記セパレータを厚さ方向に貫通して積層方向に延設し、前記燃料ガス通路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス用マニホールドおよび前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入用マニホールドを備えた燃料電池において、前記酸化剤ガス用マニホールドの内部に、前記燃料電池スタックの中段部のセパレータの酸化剤ガス通路に向けて前記酸化剤ガスを噴出するガス導入パイプを配設し、当該ガス導入パイプに冷空気を導入することを特徴としている。 That is, the present invention described in claim 1 is a power generation cell configured by arranging a fuel electrode layer on one of the solid electrolyte layers and an air electrode layer on the other, and a fuel gas for supplying fuel gas to the fuel electrode layer A fuel cell stack is formed by alternately laminating a plurality of separators each having an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the air electrode layer, and extends in the stacking direction through the separator in the thickness direction. and setting, in the fuel cell example Bei the the manifold oxidant gas inlet for supplying the oxidant gas to the fuel gas manifold and the oxidant gas passage for supplying the fuel gas to the fuel gas passage, the oxidizing gas inside the use manifolds, disposed gas inlet pipe for injecting the oxygen-containing gas towards the oxidant gas passage of the middle portion of the separator of the fuel cell stack, the gas introduction pie It is characterized by introducing cold air into the pump .

積層型の燃料電池スタック内に直接マニホールド機構を設ける内部マニホールドでは、マニホールドの端部より反応用ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が導入されて、管内を積層方向に流通する過程で分配されながら、各セパレータのガス通路を通して対応する各発電セルに供給されていくガス流路となる。従って、セパレータに対する反応用ガスの上流下流の関係はマニホールドにおける反応用ガスの導入位置により一義的に決まってしまう。
本構成では、マニホールドの内部にガス導入パイプを配設して外管（マニホールド自体）と内管（各ガス導入パイプ）による多重管構造とすることにより、所望のセパレータに反応用ガスを直接供給することができるため、燃料電池スタックにおける温度分布の均一化が可能となる。勿論、内管だけでなく外管にも反応用ガスは導入される。 In an internal manifold in which a manifold mechanism is provided directly in a stacked fuel cell stack, a reaction gas (fuel gas, oxidant gas) is introduced from the end of the manifold and is distributed in the process of flowing through the pipe in the stacking direction. The gas flow paths are supplied to the corresponding power generation cells through the gas passages of the separators. Therefore, the upstream / downstream relationship of the reaction gas with respect to the separator is uniquely determined by the introduction position of the reaction gas in the manifold.
In this configuration, a gas introduction pipe is arranged inside the manifold and a multi-tube structure with an outer pipe (manifold itself) and an inner pipe (each gas introduction pipe) is used to directly supply the reaction gas to the desired separator. Therefore, the temperature distribution in the fuel cell stack can be made uniform. Of course, the reaction gas is introduced not only into the inner tube but also into the outer tube.

また、本構成では、比較的温度の高い燃料電池スタックの中段部の発電セルはガス導入パイプから供給される冷空気により冷却されるため、燃料電池スタックにおける積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。 Further , in this configuration, since the power generation cells in the middle part of the fuel cell stack having a relatively high temperature are cooled by the cold air supplied from the gas introduction pipe, the temperature distribution in the stacking direction in the fuel cell stack is made uniform, Efficient power generation becomes possible.

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、酸化剤ガス用マニホールドの内部に、前記燃料電池スタックの端部のセパレータの酸化剤ガス通路に向けて前記酸化剤ガスを噴出するガス導入パイプを配設し、当該ガス導入パイプに温空気を導入することを特徴とするものである。
本構成では、上記請求項１の作用効果に加え、温空気の導入により比較的温度の低い燃料電池スタックの端部の発電セルが昇温されるため、燃料電池スタックの温度分布をより一層均一化できる。 Further, the present invention according to claim 2 is the fuel cell according to claim 1, wherein the oxidation is performed inside the oxidant gas manifold and toward the oxidant gas passage of the separator at the end of the fuel cell stack. A gas introduction pipe for ejecting the agent gas is provided, and hot air is introduced into the gas introduction pipe.
In this configuration, in addition to the function and effect of the first aspect , the temperature of the power generation cells at the end of the fuel cell stack having a relatively low temperature is raised by the introduction of warm air, so that the temperature distribution of the fuel cell stack is made more uniform. Can be

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、燃料ガス用マニホールドの内部に、前記燃料電池スタックの端部のセパレータの燃料ガス通路に向けて前記燃料ガスを噴出するガス導入パイプを配設し、当該セパレータへの燃料ガス供給量を他のセパレータより多くしたことを特徴としている。
本構成では、上記請求項１、請求項２の構成による温度分布の均一化効果に加えて、燃料電池スタックの端部の発電セルはガス導入パイプから供給される平均以上の燃料ガス流量により電極反応が活性化されるため、より効率的な発電が行えるようになる。 According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect , the fuel gas manifold is directed toward the fuel gas passage of the separator at the end of the fuel cell stack. A gas introduction pipe for ejecting the fuel gas is provided, and the amount of fuel gas supplied to the separator is larger than that of other separators .
In this configuration, the first aspect, in addition to the uniform effect of the temperature distribution due to the configuration of claim 2, above average flow rate of fuel gas by the electrode supplied power generation cell at the end of the fuel cell stack from the gas inlet pipe Since the reaction is activated, more efficient power generation can be performed.

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池において、前記導入パイプに、反応用ガスの流量を調整するためのガス流量調整機構を設けたことを特徴としている。
本構成では、各導入パイプを流通する反応ガス量を調整することにより、温度分布の均一化をよりきめ細かに行うことができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, a gas flow rate adjustment mechanism for adjusting a flow rate of the reaction gas is provided in the introduction pipe. It is characterized by providing.
In this configuration, the temperature distribution can be made more uniform by adjusting the amount of reaction gas flowing through each introduction pipe.

以上説明したように、本発明によれば、マニホールドの内部に所定のセパレータに連通するガス導入パイプを配設し、燃料電池スタックの中段部に冷空気を供給し、両端部に温空気を供給するように構成したので、温空気により燃料電池スタックの端部が昇温され、冷空気により中段部が冷却されて積層方向の温度分布が均一化される。これにより、効率的な発電が行えるようになる。 As described above, according to the present invention, a gas introduction pipe that communicates with a predetermined separator is disposed inside the manifold, cold air is supplied to the middle stage of the fuel cell stack, and hot air is supplied to both ends. Thus, the end portion of the fuel cell stack is heated by hot air, the middle stage portion is cooled by cold air, and the temperature distribution in the stacking direction is made uniform. Thereby, efficient power generation can be performed.

また、燃料電池スタックの両端部の発電セルに供給される燃料ガスの流量を他の発電セルより多くしたので、燃料電池スタックの端部の発電セルにおいて、温度低下による発電性能の低下が防止でき、より効率的な発電が行えるようになる。 In addition, since the flow rate of the fuel gas supplied to the power generation cells at both ends of the fuel cell stack is greater than that of other power generation cells, the power generation performance at the end of the fuel cell stack can be prevented from being degraded due to a temperature drop. As a result, more efficient power generation can be performed.

以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は平板積層型の固体酸化物形燃料電池の要部構成を示し、図２は燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向の温度分布を示し、図３は本発明の燃料電池に使用するマニホールドリングの構造を示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows a configuration of a main part of a flat plate type solid oxide fuel cell, FIG. 2 shows a temperature distribution in the stacking direction of power generation cells in the fuel cell stack, and FIG. 3 shows a manifold used for the fuel cell of the present invention. The structure of the ring is shown.

図１に示すように、燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル５と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セルを構成し、この単セルを間に絶縁性のマニホールドリング１５、１６を介在して多数積層したものである。尚、単セルを構成する各要素は、従来と同様の物性のものが使用できる。 As shown in FIG. 1, a fuel cell stack 1 includes a power generation cell 5 configured by disposing a fuel electrode layer and an air electrode layer on both sides of a solid electrolyte layer, and a fuel electrode current collector disposed outside the fuel electrode layer. 6, an air electrode current collector 7 arranged outside the air electrode layer, and a separator 8 arranged outside each current collector 6, 7 constitute a single cell, and this single cell is insulated between A large number of the manifold rings 15 and 16 are stacked. In addition, each element which comprises a single cell can use the same physical property as the past.

セパレータ８は、表面に酸化防止のためのＡｇメッキ処理等を施した厚さ数ｍｍ程度の四角状ステンレス板で構成されており、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス通路９と、酸化剤ガス（一般的には空気）が流通する酸化剤ガス通路１０とが形成されている。但し、図１に示すように、最下部に位置するセパレータ８には燃料ガス通路９のみが形成されおり、最上部に位置するセパレータ８には酸化剤ガス通路１０のみが形成されている。 The separator 8 is composed of a square stainless steel plate having a thickness of about several millimeters with an Ag plating treatment for preventing oxidation on the surface, a fuel gas passage 9 through which fuel gas flows, an oxidant gas, and the like. An oxidant gas passage 10 through which (generally air) flows is formed. However, as shown in FIG. 1, only the fuel gas passage 9 is formed in the separator 8 located at the lowermost portion, and only the oxidant gas passage 10 is formed in the separator 8 located at the uppermost portion.

そして、燃料ガス通路９の一端（上流側）は、セパレータ８の左側に設けた燃料ガス導入孔１３に連通しており、他端（下流側）が燃料極集電体６と対面するセパレータ８の中央のガス吐出孔１１に連通している。また、酸化剤ガス通路１０の一端（上流側）は、セパレータ８の右側に設けた酸化剤ガス導入孔１４に連通しており、他端（下流側）が空気極集電体７と対面するセパレータ中央部のガス吐出孔１２に連通している。尚、最上部のセパレータ８には酸化剤ガス導入孔１４のみ形成されており、且つ、この酸化剤ガス導入孔１４は下側にのみ開口している。最上部以外の各ガス導入孔１３、１４は何れもセパレータ８を板厚方向に貫通するものである。 One end (upstream side) of the fuel gas passage 9 communicates with a fuel gas introduction hole 13 provided on the left side of the separator 8, and the other end (downstream side) of the separator 8 faces the anode current collector 6. To the central gas discharge hole 11. One end (upstream side) of the oxidant gas passage 10 communicates with an oxidant gas introduction hole 14 provided on the right side of the separator 8, and the other end (downstream side) faces the air electrode current collector 7. It communicates with the gas discharge hole 12 in the central part of the separator. Only the oxidant gas introduction hole 14 is formed in the uppermost separator 8, and the oxidant gas introduction hole 14 is opened only on the lower side. The gas introduction holes 13 and 14 other than the uppermost part penetrate the separator 8 in the thickness direction.

また、最下部のセパレータ８には、外部から供給される反応用ガスを導入するためのガス供給管２４、２５が接続されており、この内、燃料ガスが供給される燃料ガス供給管２５は燃料ガス導入孔１３に連通し、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給管２４は酸化剤ガス導入孔１４に連通している。 Further, gas supply pipes 24 and 25 for introducing reaction gas supplied from the outside are connected to the lowermost separator 8, and among these, the fuel gas supply pipe 25 to which fuel gas is supplied is An oxidant gas supply pipe 24 that communicates with the fuel gas introduction hole 13 and is supplied with oxidant gas communicates with the oxidant gas introduction hole 14.

燃料ガス導入孔１３の上下開口部には燃料ガス用マニホールドリング１５が配設され、酸化剤ガス導入孔１４の上下開口部には酸化剤ガス用マニホールドリング１６が配設されており、単セルを積み上げてスタック化することにより、これら多数のマニホールドリング１５、１６がセパレータ８の各ガス導入孔１３、１４を介して縦方向（積層方向）に連結されてそれぞれ管状を成す燃料ガス用マニホールド１７と酸化剤ガス用マニホールド１８を構成している。 A fuel gas manifold ring 15 is disposed in the upper and lower openings of the fuel gas introduction hole 13, and an oxidant gas manifold ring 16 is disposed in the upper and lower openings of the oxidant gas introduction hole 14. The manifold rings 15 and 16 are connected in the vertical direction (stacking direction) via the gas introduction holes 13 and 14 of the separator 8 to form a fuel gas manifold 17 having a tubular shape. And an oxidant gas manifold 18.

尚、上記したマニホールドリング１５、１６は、図３に示すように、中間部に配した絶縁・シール層となるリング状のガラス層１９と、このガラス層１９の両面に配したリング状の金属層１８、１８（ステンレス材）とで構成されている。 As shown in FIG. 3, the above-described manifold rings 15 and 16 include a ring-shaped glass layer 19 serving as an insulating / seal layer disposed in the middle portion, and a ring-shaped metal disposed on both surfaces of the glass layer 19. It is comprised by the layers 18 and 18 (stainless steel material).

上記構成の燃料電池スタック１では、燃料ガス供給管２５および酸化剤ガス供給管２４を介して外部から供給された燃料ガスと酸化剤ガスは、スタック最下部のセパレータ８よりそれぞれ燃料ガス用マニホールド１７と酸化剤ガス用マニホールド１８に導入され、縦方向に延びるマニホールド内を流通する過程で、それぞれが各層（単セル）のガス導入孔１３、１４より分配されながら各々セパレータ８の各ガス通路９、１０を通して各発電セル５の電極部に供給されていく。 In the fuel cell stack 1 configured as described above, the fuel gas and the oxidant gas supplied from the outside via the fuel gas supply pipe 25 and the oxidant gas supply pipe 24 are respectively supplied from the separator 8 at the bottom of the stack to the fuel gas manifold 17. In the process of being introduced into the oxidant gas manifold 18 and flowing through the manifold extending in the longitudinal direction, the gas passages 9 of the separators 8 are respectively distributed while being distributed from the gas introduction holes 13 and 14 of the respective layers (single cells). 10 is supplied to the electrode portion of each power generation cell 5 through 10.

即ち、燃料ガス用マニホールド１７内の燃料ガスは、各セパレータ８の燃料ガス導入孔１３から燃料ガス通路９に導入され、通路末端の燃料ガス吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル５の燃料極層に達する。
一方、酸化剤ガス用マニホールド１８内の酸化剤ガスは、各セパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４から酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端の酸化剤ガス吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル５の空気極層に達する。
尚、以降、各単セル内での電気化学反応は従来技術の欄で述べた通りであり、この電気化学反応で生じた高温の排ガスは所定の排気ルートで各単セルよりスタック外に排出される。 That is, the fuel gas in the fuel gas manifold 17 is introduced into the fuel gas passage 9 from the fuel gas introduction hole 13 of each separator 8 and discharged from the fuel gas discharge hole 11 at the end of the passage to face the fuel electrode current collector. 6, passes through here while diffusing, and reaches the fuel electrode layer of the power generation cell 5.
On the other hand, the oxidant gas in the oxidant gas manifold 18 is introduced from the oxidant gas introduction hole 14 of each separator 8 into the oxidant gas passage 10 and discharged from the oxidant gas discharge hole 12 at the end of the passage to face each other. It is supplied to the air electrode current collector 7, passes through here while diffusing, and reaches the air electrode layer of the power generation cell 5.
Hereinafter, the electrochemical reaction in each single cell is as described in the section of the prior art, and the high temperature exhaust gas generated by this electrochemical reaction is discharged from the single cell to the outside of the stack through a predetermined exhaust route. The

ところで、本発明では、図１に示すように、これら酸化剤ガス用マニホールド１８および燃料ガス用マニホールド１７の内部に更にステンレス製のガス導入パイプが縦方向に配設されて、多重管構造のマニホールドを構成している。 By the way, in the present invention, as shown in FIG. 1, a stainless steel gas introduction pipe is further arranged in the vertical direction inside the oxidant gas manifold 18 and the fuel gas manifold 17 so as to form a manifold having a multi-tube structure. Is configured.

本実施形態では、酸化剤ガス用マニホールド１８の内部には３本のガス導入パイプ３１〜３３が配設されており、燃料ガス用マニホールド１７の内部には２本のガス導入パイプ３４、３５が配設されている。何れのガス導入パイプも末端部にガス噴出口３０を備えており、パイプ内に導入された反応用ガスをこのガス噴出口３０より対面する各ガス通路９、１０の開口に向けて噴出するようになっている。
そして、酸化剤ガス用マニホールド１８では、ガス導入パイプ３１のガス噴出口３０が燃料電池スタック１の最下部に位置するセパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４に連通し、ガス導入パイプ３２のガス噴出口３０がスタック最上部に位置するセパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４に連通し、さらに、ガス導入パイプ３３のガス噴出口３０がスタック中段部に位置するセパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４に連通するようにそれぞれが所定のパイプ長で配設され、且つ、ガス導入パイプ３１、３２の上流側からは温空気が導入され、ガス導入パイプ３３の上流側からは冷空気が導入されるようになっている。 In this embodiment, three gas introduction pipes 31 to 33 are arranged inside the oxidant gas manifold 18, and two gas introduction pipes 34 and 35 are arranged inside the fuel gas manifold 17. It is arranged. Each gas introduction pipe is provided with a gas outlet 30 at the end, and the reaction gas introduced into the pipe is jetted toward the openings of the gas passages 9 and 10 facing from the gas outlet 30. It has become.
In the oxidant gas manifold 18, the gas injection port 30 of the gas introduction pipe 31 communicates with the oxidant gas introduction hole 14 of the separator 8 located at the lowermost part of the fuel cell stack 1, and the gas injection pipe 32 gas injection The outlet 30 communicates with the oxidant gas introduction hole 14 of the separator 8 located at the top of the stack, and the gas injection port 30 of the gas introduction pipe 33 further enters the oxidant gas introduction hole 14 of the separator 8 located at the middle stage of the stack. Each is arranged with a predetermined pipe length so as to communicate with each other, and hot air is introduced from the upstream side of the gas introduction pipes 31 and 32, and cold air is introduced from the upstream side of the gas introduction pipe 33. It has become.

一方、燃料ガス用マニホールド１７では、ガス導入パイプ３４のガス噴出口３０が燃料電池スタックの最下部に位置するセパレータ８の燃料ガス導入孔１３に連通し、ガス導入パイプ３２のガス噴出口３０がスタック最上部に位置するセパレータ８の燃料ガス導入孔１３に連通するようにそれぞれが所定のパイプ長で配設され、且つ、これらガス導入パイプ３４、３５に供給される燃料ガスの流量が燃料電池スタック１の両端部と中段部を除く他のセパレータ８に供給される平均的なガス流量以上となるように設定されている。 On the other hand, in the fuel gas manifold 17, the gas injection port 30 of the gas introduction pipe 34 communicates with the fuel gas introduction hole 13 of the separator 8 located at the bottom of the fuel cell stack, and the gas injection port 30 of the gas introduction pipe 32 Each is arranged with a predetermined pipe length so as to communicate with the fuel gas introduction hole 13 of the separator 8 located at the top of the stack, and the flow rate of the fuel gas supplied to these gas introduction pipes 34 and 35 is the fuel cell. The flow rate is set to be equal to or higher than the average gas flow rate supplied to the other separators 8 excluding both end portions and the middle step portion of the stack 1.

上記構成のように、マニホールドの内部にガス導入パイプを配設し、ガスの流通を外管となるマニホールド自体と内管となる各ガス導入パイプによる多重流路構造にすることにより、反応用ガスを所望のセパレータに対して直接供給することが可能となる。これにより、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布を均一化することが可能となる。 As described above, a gas introduction pipe is arranged inside the manifold, and the gas flow is made to be a multiple flow path structure with the manifold itself serving as the outer pipe and each gas introduction pipe serving as the inner pipe. Can be directly supplied to a desired separator. Thereby, the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack 1 can be made uniform.

即ち、燃料電池の運転時、酸化剤ガス用マニホールド１８では、ガス導入パイプ３１、３２からの温空気により比較的温度の低いスタック両端部の発電セルが昇温されると共に、スタック中段部の発電セルはガス導入パイプ３３からの冷空気により冷却される。これにより、燃料電池スタック１における積層方向の温度分布は均一化される。この場合、燃料電池スタック１の両端部と中段部以外の発電セル５には外管内を流通する反応用ガスが供給される。
尚、温空気は、外部から供給された冷空気が燃料電池内部で予熱管等の熱交換機構により高温排熱と熱交換して暖められたものが使用される。 That is, during operation of the fuel cell, in the oxidant gas manifold 18, the temperature of the power generation cells at both ends of the stack, which is relatively low, is raised by the hot air from the gas introduction pipes 31 and 32, and the power generation at the middle stage of the stack is performed. The cell is cooled by cold air from the gas introduction pipe 33. Thereby, the temperature distribution in the stacking direction in the fuel cell stack 1 is made uniform. In this case, the reaction gas flowing in the outer pipe is supplied to the power generation cells 5 other than the both ends and the middle stage of the fuel cell stack 1.
As the warm air, cold air supplied from the outside is used which is heated by heat exchange with high-temperature exhaust heat by a heat exchange mechanism such as a preheating tube inside the fuel cell.

一方、燃料ガス用マニホールド１７では、ガス導入パイプ３４、３５より供給される平均流量以上の燃料ガスにより、スタック両端部における発電セル５の電極反応が他の部分の発電セル５の電極反応より活性化され、燃料電池スタック１の端部の発電セル５において、温度低下による発電性能の低下が防止でき、上記した酸化剤ガス用マニホールド１８による温度分布の均一化効果に加えて、より効率的な発電が行えるようになる。 On the other hand, in the fuel gas manifold 17, the electrode reaction of the power generation cells 5 at the both ends of the stack is more active than the electrode reaction of the power generation cells 5 in the other portions due to the fuel gas supplied from the gas introduction pipes 34, 35. In the power generation cell 5 at the end of the fuel cell stack 1, it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to a temperature decrease, and in addition to the effect of uniforming the temperature distribution by the oxidant gas manifold 18 described above, more efficient It becomes possible to generate electricity.

また、図１に示すように、各ガス導入パイプ３１〜３５の上流側に各反応用ガスの流量調整弁４０を設け、ガス導入パイプ３１〜３５を流通する反応ガスの流量を個々に調整することにより、温度分布の均一化をよりきめ細かに行うことができるようになる。この場合、燃料電池スタック１の積層方向の温度差を検知して各ガス流量調整弁４０の開度を自動調整するのが好ましい。 Further, as shown in FIG. 1, a flow rate adjustment valve 40 for each reaction gas is provided upstream of each gas introduction pipe 31 to 35 to individually adjust the flow rate of the reaction gas flowing through the gas introduction pipes 31 to 35. As a result, the temperature distribution can be made more uniform. In this case, it is preferable to automatically adjust the opening of each gas flow rate adjustment valve 40 by detecting the temperature difference in the stacking direction of the fuel cell stack 1.

図２は、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布を示しており、実線は従来型のマニホールドによるもの、破線は図１に示した本発明のマニホールドによるものである。
図２に示すように、従来型の場合、温度分布は中段部分が高い両肩下がりの特性となるが、本発明のように燃料電池スタックの高温部分を冷却し、低温部分を昇温することにより、高温部と低温部の温度差を極力少なくして積層方向の全域に亘ってほぼ均一な温度分布を得ることができ、これにより、発電の効率化が図れる。加えて、破線のように高温部の発電セルの温度を低減することにより、熱応力による燃料極層の剥離等、発電セル５の破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）が向上する。 FIG. 2 shows the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack 1, where the solid line is due to the conventional manifold, and the broken line is due to the manifold of the present invention shown in FIG.
As shown in FIG. 2, in the case of the conventional type, the temperature distribution has a characteristic that the middle part is high, but the high temperature part of the fuel cell stack is cooled and the low temperature part is heated as in the present invention. Thus, the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part can be reduced as much as possible, and a substantially uniform temperature distribution can be obtained over the entire region in the stacking direction, thereby improving the efficiency of power generation. In addition, by reducing the temperature of the power generation cell in the high temperature area as shown by the broken line, damage to the power generation cell 5 such as peeling of the fuel electrode layer due to thermal stress can be prevented, and the durability (thermal cycle characteristics) of the fuel cell is improved. improves.

以上、本実施形態では、燃料ガス用マニホールド１７と酸化剤ガス用マニホールド１８の双方について本発明を適用した場合を説明したが、酸化剤ガス用マニホールド１８のみを多重管構造とするだけでも温度分布の均一化、発電効率の向上に極めて有効となる。
また、燃料電池スタックの端部のセパレータに連通するガス導入パイプ３１、３２および導入パイプ３４、３５については、各々セパレータに対応する上端と下端部分の２箇所にガス噴出口３０を設けた１本のパイプで共用することも勿論可能である。 As described above, in the present embodiment, the case where the present invention is applied to both the fuel gas manifold 17 and the oxidant gas manifold 18 has been described. However, even if only the oxidant gas manifold 18 has a multi-tube structure, the temperature distribution. This is extremely effective for the equalization of power and the improvement of power generation efficiency.
Further, the gas introduction pipes 31 and 32 and the introduction pipes 34 and 35 communicating with the separator at the end of the fuel cell stack are each provided with gas outlets 30 at two locations, the upper end and the lower end corresponding to the separator. Of course, it is possible to share with other pipes.

本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池の要部構成を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of a flat plate type solid oxide fuel cell to which the present invention is applied. 燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向の温度分布を示す図。The figure which shows the temperature distribution of the lamination direction of the electric power generation cell in a fuel cell stack. 本発明の燃料電池に使用するマニホールドリングを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図。The manifold ring used for the fuel cell of this invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is a side view.

Explanation of symbols

１燃料電池スタック
５発電セル
８セパレータ
９、１０ガス通路（燃料ガス通路、酸化剤ガス通路）
１７燃料ガス用マニホールド
１８酸化剤ガス用マニホールド
３１〜３５ガス導入パイプ
４０ガス流量調整機構（ガス流量調整弁） 1 Fuel cell stack 5 Power generation cell 8 Separator 9, 10 Gas passage (fuel gas passage, oxidant gas passage)
17 Manifold for fuel gas 18 Manifold for oxidant gas 31-35 Gas introduction pipe 40 Gas flow rate adjusting mechanism (gas flow rate adjusting valve)

Claims

A power generation cell configured by arranging a fuel electrode layer on one surface of the solid electrolyte layer and an air electrode layer on the other surface, a fuel gas passage for supplying fuel gas to the fuel electrode layer, and the air electrode layer A plurality of separators having oxidant gas passages for supplying oxidant gas are alternately stacked to form a fuel cell stack, and the separators are provided in the stacking direction so as to penetrate the separator in the thickness direction. in the fuel cell example Bei the the manifold oxidant gas inlet for supplying the oxidant gas to the fuel gas manifold and the oxidant gas passage for supplying the fuel gas,
A gas introduction pipe for injecting the oxidant gas toward the oxidant gas passage of the separator in the middle stage of the fuel cell stack is disposed inside the oxidant gas manifold , and cold air is supplied to the gas introduction pipe. A fuel cell to be introduced .

A gas introduction pipe for injecting the oxidant gas toward the oxidant gas passage of the separator at the end of the fuel cell stack is disposed inside the oxidant gas manifold , and hot air is introduced into the gas introduction pipe. The fuel cell according to claim 1.

A gas introduction pipe for injecting the fuel gas toward the fuel gas passage of the separator at the end of the fuel cell stack is disposed inside the fuel gas manifold, and the amount of fuel gas supplied to the separator is set to another separator. the fuel cell according to claim 1 or claim 2, characterized in that more was.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3 , wherein a gas flow rate adjustment mechanism for adjusting a flow rate of the reaction gas is provided in the gas introduction pipe .