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JP5172263B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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JP5172263B2
JP5172263B2 JP2007251432A JP2007251432A JP5172263B2 JP 5172263 B2 JP5172263 B2 JP 5172263B2 JP 2007251432 A JP2007251432 A JP 2007251432A JP 2007251432 A JP2007251432 A JP 2007251432A JP 5172263 B2 JP5172263 B2 JP 5172263B2
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Description

燃料電池は、電解質を挟んで一方の側にアノード(燃料極)を備え、他方の側にカソード(空気極)を備えている。そして、アノード表面を流れるアノードガス中の燃料と、カソード表面を流れるカソードガス中の酸化剤とを電解質を介して電気化学反応(電池反応)させることによって発電する発電素子である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、電解質として、酸素イオン伝導性のセラミックスを使用した燃料電池である。   The fuel cell includes an anode (fuel electrode) on one side with an electrolyte in between, and a cathode (air electrode) on the other side. The power generating element generates electricity by causing an electrochemical reaction (battery reaction) between the fuel in the anode gas flowing on the anode surface and the oxidant in the cathode gas flowing on the cathode surface via the electrolyte. A solid oxide fuel cell, which is one type of fuel cell, is a fuel cell using oxygen ion conductive ceramics as an electrolyte.

固体酸化物形燃料電池は、セラミック製であるため、衝撃によって割れる可能性がある。そこで、例えば、特許文献1に開示されているように、振動などの衝撃から燃料電池を保護するため、セラミック繊維又は金属繊維製の緩衝材によって発電部を支持している。なお、燃料又は空気(酸化剤)は、緩衝材を透過して供給される。   Since the solid oxide fuel cell is made of ceramic, it may be broken by an impact. Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 1, in order to protect the fuel cell from shocks such as vibration, the power generation unit is supported by a buffer material made of ceramic fiber or metal fiber. The fuel or air (oxidant) is supplied through the buffer material.

また、供給されるガスの流速を均一化するために、発電部の下部には、整流層が設置されている。整流層としては、例えば、特許文献2や特許文献3に開示されているように、金属やセラミックの発泡体、又はセラミック充填層が使用されている。   In order to make the flow rate of the supplied gas uniform, a rectifying layer is provided below the power generation unit. As the rectifying layer, for example, as disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, a metal or ceramic foam or a ceramic-filled layer is used.

さらに、特許文献1に開示されているように、緩衝材を介して燃料電池やそれ以外の発電部の内容物を支え、かつ発電部へ供給されるガスを透過させるため、支持部平面のうちで内容物が当接しない領域に穴を開けたセラミックや金属の分散板が用いられている。   Further, as disclosed in Patent Document 1, in order to support the contents of the fuel cell and the other power generation unit through the cushioning material and to transmit the gas supplied to the power generation unit, In this case, a ceramic or metal dispersion plate having a hole in a region where the contents do not contact is used.

特開2005−216579号公報JP 2005-216579 A 特開2003−100338号公報JP 2003-100338 A 特開2000−58087号公報JP 2000-58087 A

上記した従来技術において、十分な強度を持つ繊維同士が密に絡んだ緩衝材を使用した場合、燃料又は酸化剤ガスの流動抵抗が大きいために圧力損失が大きく、ガスの供給のために大きな動力が必要であった。   In the above-described conventional technology, when a buffer material in which fibers having sufficient strength are closely entangled is used, the flow resistance of the fuel or oxidant gas is large, so the pressure loss is large, and a large power is required for gas supply. Was necessary.

また、整流層は厚く、発電システムのコンパクト化の妨げとなっていた。   In addition, the rectifying layer is thick, which hinders the compactness of the power generation system.

本発明の目的とするところは、燃料または酸化剤ガスの供給における圧力損失を小さくした燃料電池の発電部の支持機構を提供することである。   An object of the present invention is to provide a support mechanism for a power generation unit of a fuel cell in which pressure loss in supplying fuel or oxidant gas is reduced.

本発明の他の目的とするところは、コンパクトにして、十分な緩衝、整流、分配、および支持機能を発揮できる燃料電池の発電部の支持機構を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a support mechanism for a power generation unit of a fuel cell that is compact and can exhibit sufficient buffering, rectification, distribution, and support functions.

本発明はその一面において、電解質を介して両側にアノードおよびカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と前記カソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料又は空気の導入部又は排出部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材を備えた燃料電池発電システムにおいて、複数の前記燃料電池の周辺の前期燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する前記緩衝材の流路投影領域の一部又は全部の流動抵抗を、この緩衝材の他の領域よりも小さくしたことを特徴とする。   In one aspect of the present invention, a plurality of fuel cells having an anode and a cathode on both sides via an electrolyte, a fuel flow channel adjacent to the anode surface in the power generation unit, an air flow channel adjacent to the cathode surface, and the power generation In a fuel cell power generation system provided with a shock absorber that is disposed in an introduction part or a discharge part of fuel or air to a part and cushions and supports a plurality of the fuel cells, a previous fuel flow path or air around the plurality of fuel cells The flow path is characterized in that the flow resistance of a part or all of the flow path projection area of the buffer material projected in the flow path direction is made smaller than the other areas of the buffer material.

本発明の望ましい実施態様においては、前記緩衝材の前記流路投影領域の一部に通気孔を備える。   In a preferred embodiment of the present invention, a vent is provided in a part of the flow path projection region of the cushioning material.

また、本発明の望ましい実施態様においては、前記緩衝材に対して密接配置した整流層を備える。   In a preferred embodiment of the present invention, a rectifying layer is provided in close contact with the buffer material.

さらに、本発明の望ましい実施態様においては、前記整流層に密接して格子状またはハニカム状の金属またはセラミックで形成された支持構造を配置する。   Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, a support structure formed of a lattice-like or honeycomb-like metal or ceramic is disposed in close contact with the rectifying layer.

本発明は他の一面において、複数の燃料電池の周辺の燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する整流層の流路投影領域の一部又は全部の流動抵抗を、この整流層の他の領域よりも小さくしたことを特徴とする。   In another aspect of the present invention, the fuel flow path or the air flow path around the plurality of fuel cells has a flow resistance of a part or all of the flow path projection region of the rectification layer projected in the flow path direction. It is characterized by being smaller than the other areas of the layer.

本発明はさらに他の一面において、前記燃料または空気の流れを整える整流層と、前記発電部の支持構造とを具備した燃料電池発電システムにおいて、前記緩衝材、前記整流層、及び前記支持構造を、前記発電部から見て、緩衝材、整流層、支持構造の順に配置したことを特徴とする。   In still another aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system including the rectifying layer that regulates the flow of the fuel or air, and the support structure of the power generation unit, the buffer material, the rectification layer, and the support structure include: As seen from the power generation unit, the buffer material, the rectifying layer, and the support structure are arranged in this order.

本発明の望ましい実施態様においては、袋管円筒形電解質の外側にアノードを、内側にカソードを有する複数の燃料電池と、前記発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と、前記袋管円筒形の電解質の内側のカソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料の導入部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材を備えた燃料電池発電システムにおいて、複数の前記燃料電池の周辺の前記燃料流路が、その流路方向に投影する前記緩衝材の流路投影領域の一部に配置した通気孔と、前記緩衝材の燃料導入側に密接して配置した整流層と、この整流層のさらに燃料導入側に密接して配置され、格子状又はハニカム状の金属又はセラミックで形成された支持構造とを備える。   In a preferred embodiment of the present invention, a plurality of fuel cells having an anode outside a bag tube cylindrical electrolyte and a cathode inside, a fuel flow channel adjacent to the anode surface in the power generation unit, and the bag tube cylinder In a fuel cell power generation system including an air flow path adjacent to a cathode surface on the inner side of an electrolyte of a shape and a buffer material disposed in a fuel introduction portion to the power generation portion and buffering and supporting the plurality of fuel cells. The fuel flow path around the fuel cell is arranged in close contact with the vent hole disposed in a part of the flow path projection region of the buffer material projected in the flow path direction and the fuel introduction side of the buffer material And a support structure that is disposed in close contact with the fuel introduction side of the rectifying layer and is formed of a lattice-like or honeycomb-like metal or ceramic.

本発明の望ましい実施態様によれば、ガス流路にほぼ直角面を形成する緩衝材の中で、流路投影緩衝材領域に、好ましくは通気孔を設けて流動抵抗を小さくし、緩衝材における圧力損失を低減できる。   According to a preferred embodiment of the present invention, in the buffer material that forms a substantially right-angle plane in the gas flow path, preferably, a flow hole is provided in the flow path projection buffer material region to reduce the flow resistance. Pressure loss can be reduced.

また、本発明の望ましい実施態様によれば、発電部へ供給されるガスは、整流層流路投影域を流れやすく、整流層流路投影域での流速が増大し、整流層を薄くしても同等の整流効果を得ることができる。   Further, according to a preferred embodiment of the present invention, the gas supplied to the power generation unit easily flows in the rectifying layer flow path projection area, the flow velocity in the rectifying layer flow path projection area is increased, and the rectifying layer is thinned. Can obtain the same rectifying effect.

また、本発明の望ましい実施態様によれば、発電部を平面的に支持しながら開口面積の大きな支持構造とすることができ、支持構造における圧力損失を低減できる。   Moreover, according to the desirable embodiment of this invention, it can be set as the support structure with a large opening area, supporting the electric power generation part planarly, and the pressure loss in a support structure can be reduced.

本発明によるその他の目的の特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。   Other features of the present invention will become apparent from the embodiments described below.

固体酸化物形燃料電池は、電解質の形状により、筒形と板形に大別されるが、本発明はどちらの形状においても適用可能である。以下、特に袋管円筒形の燃料電池を例に採って詳細に説明する。   Solid oxide fuel cells are roughly classified into a cylindrical shape and a plate shape depending on the shape of the electrolyte, but the present invention can be applied to either shape. Hereinafter, the fuel cell will be described in detail taking a bag tube cylindrical fuel cell as an example.

図1は、本発明の実施例1による袋管円筒形の固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムの概略側面断面図である。この実施例における燃料電池1は、内表面にカソード、外表面にアノードを備えているものとして説明するが、カソードとアノードの位置が逆転したタイプであっても、本発明は適用可能である。   FIG. 1 is a schematic side sectional view of a power generation system including a bag tube cylindrical solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. Although the fuel cell 1 in this embodiment is described as having a cathode on the inner surface and an anode on the outer surface, the present invention can be applied to a type in which the positions of the cathode and the anode are reversed.

また、図2は図1のA−A断面図、図3は図1のB−B断面図、図4は図1のC−C断面図である。さらに図5は図1中の緩衝材5、整流層6および支持構造7の分解斜視図である。以下に、図1〜5を参照して、本発明の実施例1による固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムについて説明する。   2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 5 is an exploded perspective view of the cushioning material 5, the rectifying layer 6 and the support structure 7 in FIG. Below, with reference to FIGS. 1-5, the electric power generation system provided with the solid oxide fuel cell by Example 1 of this invention is demonstrated.

複数の燃料電池1は、この実施例においては、上下方向の中央部において、図2に断面を示すように、集電部材2によって互いに電気的に接続され、ガスシール容器3の内部に収められ、発電部21と呼ばれる空間を形成している。ガスシール容器3内部には、ガスシール容器3と燃料電池1の間、及びガスシール容器3と集電部材2の間の電気的絶縁を行うために電気絶縁材4が収められている。ガスシール容器3は、燃料電池1の外側に供給される燃料31を封止する役割を果たしている。図2における発電部21内の空間24は、燃料流路を形成している。   In this embodiment, the plurality of fuel cells 1 are electrically connected to each other by a current collecting member 2 at the center in the vertical direction as shown in a cross section in FIG. A space called a power generation unit 21 is formed. In the gas seal container 3, an electrical insulating material 4 is housed for electrical insulation between the gas seal container 3 and the fuel cell 1 and between the gas seal container 3 and the current collecting member 2. The gas seal container 3 serves to seal the fuel 31 supplied to the outside of the fuel cell 1. A space 24 in the power generation unit 21 in FIG. 2 forms a fuel flow path.

燃料31は、発電部21の下方に配置された燃料供給室22と呼ばれる空間から、発電部21へ供給される。発電部21内では、燃料電池1の外側のガスシール容器3に囲まれた空間である発電部内燃料流路24を上方へ流れ、燃料電池1の外側のアノードにおいて電気化学反応を起こした後に、仕切り板7を通り、燃料室23と呼ばれる空間へ流れる。仕切り板7は、ガスが透過できるように孔の開いた板材または多孔体が使用される。   The fuel 31 is supplied to the power generation unit 21 from a space called a fuel supply chamber 22 disposed below the power generation unit 21. In the power generation unit 21, after flowing upward in the power generation unit fuel flow path 24 which is a space surrounded by the gas seal container 3 outside the fuel cell 1 and causing an electrochemical reaction in the anode outside the fuel cell 1, It flows through the partition plate 7 and flows into a space called a fuel chamber 23. The partition plate 7 is made of a plate material having a hole or a porous body so that gas can permeate.

空気32は、燃料電池上方の空気ヘッダ5に供給され、空気導入管6より燃料電池1の底部へ供給され、方向反転し、燃料電池1の内側のカソードを上方へ流れ、ここで電気化学反応を起こし、残余の空気は燃焼室23と呼ばれる空間へ流れる。   The air 32 is supplied to the air header 5 above the fuel cell, supplied from the air introduction pipe 6 to the bottom of the fuel cell 1, reverses direction, and flows upward through the cathode inside the fuel cell 1, where an electrochemical reaction occurs. The remaining air flows into a space called the combustion chamber 23.

燃焼室23では、電気化学反応しなかった燃料31と空気32が燃焼し、燃焼後のガスは、排気ガス33として排出され、排熱回収される。   In the combustion chamber 23, the fuel 31 and the air 32 that have not electrochemically reacted are combusted, and the gas after combustion is discharged as an exhaust gas 33 and is recovered as exhaust heat.

燃焼電池1の底面の下には、本発明の要部を構成する構造体が備えられ、まず、緩衝材8が具備され、燃料電池底部を保護している。緩衝材8には、セラミック又は金属の繊維が材料として使用される。緩衝材8は、発電部21の水平断面のほぼ全域にわたって平面的に配置されている。   Below the bottom surface of the combustion cell 1, a structure constituting the main part of the present invention is provided. First, a buffer material 8 is provided to protect the bottom of the fuel cell. The buffer material 8 is made of ceramic or metal fiber. The shock-absorbing material 8 is planarly arranged over almost the entire horizontal section of the power generation unit 21.

緩衝材8の平面は、図3に明確に示すように、発電部内燃料流路24によって流路方向に投影された領域81と、燃料電池1によって流路方向に投影された領域82とから成るが、発電部内燃料流路24による投影領域81には、通気孔83が設けられている。この発電部内燃料流路24による投影領域81には、支持すべき燃料電池1が無いため、干渉機能は必要なく、燃料31は通気孔83を優先的に通り、発電部21へ供給される。このため、緩衝機能を損なうことなく、緩衝材8における圧力損失を低減することができる。   As clearly shown in FIG. 3, the plane of the buffer material 8 is composed of a region 81 projected in the flow direction by the fuel flow passage 24 in the power generation unit and a region 82 projected in the flow direction by the fuel cell 1. However, a vent hole 83 is provided in the projection region 81 formed by the fuel flow path 24 in the power generation section. Since there is no fuel cell 1 to be supported in the projection region 81 formed by the fuel flow path 24 in the power generation section, no interference function is required, and the fuel 31 is supplied to the power generation section 21 through the vent 83 preferentially. For this reason, the pressure loss in the buffer material 8 can be reduced without impairing the buffer function.

また、通気孔83の面積を調整することによって、各燃料電池1へ分配される燃料流量を制御することが可能である。通気孔83から燃料電池1の間にガス流れの抵抗体はなく、燃料電池1に直接燃料を分配できる。   Further, it is possible to control the flow rate of the fuel distributed to each fuel cell 1 by adjusting the area of the vent 83. There is no gas flow resistor between the vent 83 and the fuel cell 1, and the fuel can be distributed directly to the fuel cell 1.

このように、この実施例においては、ガスの流路方向に投影する緩衝材8の流路投影領域81の一部の流動抵抗を、通気孔83を設けることによって、この緩衝材8の他の領域82よりも小さくしている。   As described above, in this embodiment, the flow resistance of a part of the flow path projection region 81 of the buffer material 8 projected in the gas flow path direction is provided by providing the air holes 83, so that It is smaller than the region 82.

整流層9は、緩衝材8の下方に密接に隣接して配置されており、緩衝材9の通気孔83へと流れる燃料31の流速を均一化している。整流層9の材料としてはセラミックや金属の多孔体が使用され、周囲をシールすることが容易なように、剛性のある多孔体が使用される。剛性があり、ガス流れに対して慣性抵抗が大きい発泡体が特に整流層に適している。   The rectifying layer 9 is disposed closely adjacent to the lower side of the buffer material 8, and uniformizes the flow rate of the fuel 31 flowing into the vent hole 83 of the buffer material 9. The material of the rectifying layer 9 is a porous body made of ceramic or metal, and a rigid porous body is used so that the periphery can be easily sealed. Foams that are rigid and have a high inertial resistance to gas flow are particularly suitable for the rectifying layer.

図4は、支持構造10の断面図である。支持構造10の材料としては、金属又はセラミックの板が用いられ、それらを格子状に組んで使用する。なお、支持構造10はハニカム形状であっても良い。本実施例では、整流層9が緩衝材8を介して燃料電池1を平均的に受け止めている。また、整流層9は剛性があるため、支持構造10は、発電部21を支持するために十分な強度を持てばよく、ガス流路としての開口面積を十分広くとることができる。このことにより、支持構造10における圧力損失を大幅に低減することができる。   FIG. 4 is a cross-sectional view of the support structure 10. As the material of the support structure 10, a metal or ceramic plate is used, and these are assembled in a lattice shape. The support structure 10 may have a honeycomb shape. In this embodiment, the rectifying layer 9 receives the fuel cell 1 on the average through the buffer material 8. Further, since the rectifying layer 9 is rigid, the support structure 10 only needs to have sufficient strength to support the power generation unit 21 and can have a sufficiently wide opening area as a gas flow path. Thereby, the pressure loss in the support structure 10 can be significantly reduced.

なお、支持構造10の格子部分は、通気孔83の下方と重ならないことが望ましい。また、支持構造10の開口部分の大きさは、整流層9の強度に応じて決定される。   It is desirable that the lattice portion of the support structure 10 does not overlap with the lower portion of the vent hole 83. The size of the opening portion of the support structure 10 is determined according to the strength of the rectifying layer 9.

以上に説明した燃料電池1郡を緩衝支持する緩衝材8、整流層9、及び支持構造10からなる構造の分解斜視図を図5に示している。   FIG. 5 shows an exploded perspective view of a structure including the buffer material 8 for buffering and supporting the fuel cell group described above, the rectifying layer 9 and the support structure 10.

まず、支持構造10の格子状構造上に整流層9が密接して搭載されている。したがって、セラミックや金属の多孔体が用いられる整流層9に、強度的負担は無く、ガスを整流する機能を果たせる厚みがあれば十分である。   First, the rectifying layer 9 is closely mounted on the lattice structure of the support structure 10. Therefore, it is sufficient that the rectifying layer 9 using a ceramic or metal porous body has a thickness that can perform the function of rectifying the gas without causing a burden on the strength.

また、この整流層9に密接して緩衝材8が配置されている。燃料は、緩衝材8にあけられた通気孔83を通り各燃料電池1に分配されるので、緩衝材8に密接して設置された整流層9では、通気孔83へ流れる燃料の流速を均一化すればよい。前述したように、緩衝材8の平面のうち、発電部内燃料流路24による投影領域81には、通気孔83が設けられている。ここでの燃料の流れについて、図6を参照して説明する。   Further, a buffer material 8 is disposed in close contact with the rectifying layer 9. Since the fuel is distributed to each fuel cell 1 through the vent holes 83 formed in the buffer material 8, the flow rate of the fuel flowing through the vent holes 83 is uniform in the rectifying layer 9 installed in close contact with the buffer material 8. You just have to. As described above, the vent 83 is provided in the projection region 81 of the power generation unit fuel flow path 24 in the plane of the cushioning material 8. The fuel flow here will be described with reference to FIG.

図6は実施例1における整流層9の内部での燃料の流線図である。図に示すように、整流層9が、通気孔83をあけた緩衝材8に密接に隣接して設置されることによって、整流層9内のガスは、通気孔83の下方を優先的に流れる。したがって、通気孔83の下方の整流層9内を流れる燃料の流速が増大する。この結果、通気孔83の下方での、整流層9の単位厚み当りで発生する圧力損失は増大し、これにより整流層9は比較的薄くても、整流効果を十分に発揮できる。   FIG. 6 is a flow diagram of the fuel inside the rectifying layer 9 in the first embodiment. As shown in the figure, the rectifying layer 9 is installed in close proximity to the cushioning material 8 having the air holes 83, so that the gas in the rectifying layer 9 flows preferentially below the air holes 83. . Accordingly, the flow rate of the fuel flowing in the rectifying layer 9 below the vent hole 83 is increased. As a result, the pressure loss generated per unit thickness of the rectifying layer 9 below the vent hole 83 increases, and thereby the rectifying effect can be sufficiently exhibited even if the rectifying layer 9 is relatively thin.

図10に整流層断面の微細構造および整流層を流れるガスの流線を示す。整流層9は多孔質体を用いるため、微細な貫通穴を多数有しており、その穴をガスが流れる。本実施例では、整流層9と通気孔83を有する緩衝材8を密接して配置するため、整流層9の穴出口が緩衝材8と接している部分ではガスはあまり流れず、整流層孔出口が緩衝材8の通気孔83に通じている部分を主に流れる。そのため、各通気孔から流れるガス流量を均一にするためには、通気孔83と重なっている整流層孔出口(通気孔下整流層孔)の断面積が均一になることが重要である。   FIG. 10 shows a fine structure of the rectifying layer cross section and a gas stream line flowing through the rectifying layer. Since the rectifying layer 9 uses a porous body, it has many fine through holes, and gas flows through the holes. In this embodiment, since the rectifying layer 9 and the buffer material 8 having the air holes 83 are arranged in close contact with each other, gas does not flow so much at the portion where the hole outlet of the rectifying layer 9 is in contact with the buffer material 8, The outlet mainly flows through a portion of the cushioning material 8 communicating with the vent 83. Therefore, in order to make the gas flow rate flowing from each vent hole uniform, it is important that the cross-sectional area of the rectifying layer hole outlet (lower vent rectifying layer hole) overlapping with the vent hole 83 is uniform.

図11に通気孔直径と整流層孔径及び整流層孔ピッチの関係を示す。通気孔直径Dが整流層孔(直径d)の中心間距離((整流孔ピッチp)と同程度の場合(D/p=1〜2倍)、通気孔設置位置による通気孔下整流層孔の断面積の差異が大きい。すなわち、各通気孔から流れるガス流量を均一にするためには、通気孔直径D/整流板孔ピッチpが十分大きい必要がある。ただし、適切なD/pは、整流板孔ピッチpに対する整流板孔の直径dの比により異なる。また、整流層孔の配置は、図12に示すようにばらつきを持っている。このような整流層孔の配置の偏りを均一化するためにも、D/pは十分に大きい必要がある。実際の整流層では強度と流動抵抗の観点から空孔率d/p=0.6〜1程度の材料が使用され、10%程度の整流層孔配置の偏りがある。そのような材料を使用した実験においてはD/p=4倍以上が必要であり、8倍以上が望ましい。なお、整流板孔径が極端に小さい場合、整流層の流動抵抗が大きくなってしまうため、整流板孔径はD/p>4〜8となる範囲で適切な大きさを選択する必要がある。   FIG. 11 shows the relationship between the vent hole diameter, the rectifying layer hole diameter, and the rectifying layer hole pitch. When the vent hole diameter D is the same as the distance between the centers of the rectifying layer holes (diameter d) ((rectifying hole pitch p) (D / p = 1 to 2 times)), the lower rectifying layer hole depending on the vent hole installation position That is, in order to make the gas flow rate flowing from each vent hole uniform, the vent hole diameter D / rectifying plate hole pitch p must be sufficiently large, but the appropriate D / p is Depending on the ratio of the diameter d of the rectifying plate holes to the rectifying plate hole pitch p, the arrangement of the rectifying layer holes varies as shown in FIG. D / p needs to be large enough to make it uniform, and the actual rectifying layer uses a material with a porosity d / p of about 0.6 to 1 from the viewpoint of strength and flow resistance, about 10% In an experiment using such a material, D / p = 4 times or more is necessary, and 8 In addition, when the current plate hole diameter is extremely small, the flow resistance of the current flow layer is increased, so the current plate hole diameter should be selected in a range where D / p> 4-8. There is a need.

また、緩衝材8における通気孔83の開口率(通気孔の断面積/通気孔を含めた緩衝材の全断面積))が大きすぎる場合、通気孔83の下方の整流層9内を流れる燃料の流速を高める効果が無くなってしまう。また、通気孔83の開口率が小さすぎる場合、通気孔83から燃料電池へ供給される燃料の流速が高くなりすぎてしまい、燃料電池1への燃料流路に不均一な流れを発生させてしまう。それらの事象を回避するため、通気孔83の開口率は2%〜20%にすることが望ましい。   In addition, when the opening ratio of the vent hole 83 in the buffer material 8 (cross-sectional area of the vent hole / total cross-sectional area of the buffer material including the vent hole) is too large, the fuel flowing in the rectifying layer 9 below the vent hole 83 The effect of increasing the flow rate is lost. In addition, when the opening rate of the vent 83 is too small, the flow rate of the fuel supplied from the vent 83 to the fuel cell becomes too high, causing an uneven flow in the fuel flow path to the fuel cell 1. End up. In order to avoid these events, it is desirable that the opening ratio of the vent 83 is 2% to 20%.

図7は、本発明の実施例2による整流層9における流線を示す。本実施例では、緩衝材8の通気孔83内に整流層9を埋め込んでいる。これにより、緩衝材8と整流層9を一体化でき、コンパクト化できる。なお、緩衝材8は、整流層9よりも、流動抵抗を著しく高く設定しておくことが必要である。   FIG. 7 shows streamlines in the rectifying layer 9 according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the rectifying layer 9 is embedded in the vent hole 83 of the buffer material 8. Thereby, the buffer material 8 and the rectification | straightening layer 9 can be integrated, and it can make compact. In addition, the buffer material 8 needs to set flow resistance remarkably higher than the rectifying layer 9.

図8は、本発明の実施例3による整流層9における流線を示す。本実施例では、整流層9の空隙率が、緩衝材8の通気孔83の下方91で大きく、それ以外の領域92で小さくなっている。これにより、通気孔83の下方を優先的に燃料31が流れるようになり、整流層9の厚みあたりの整流効果が大きくなる。また、緩衝材8が、整流層9と密着していない状態や、緩衝材8がない状態においても、同様な効果が得られる。   FIG. 8 shows streamlines in the rectifying layer 9 according to the third embodiment of the present invention. In this embodiment, the porosity of the rectifying layer 9 is large at the lower portion 91 of the vent 83 of the buffer material 8 and is small at the other region 92. As a result, the fuel 31 flows preferentially below the vent 83 and the rectifying effect per thickness of the rectifying layer 9 is increased. The same effect can be obtained even when the buffer material 8 is not in close contact with the rectifying layer 9 or when the buffer material 8 is not present.

図9は、本発明の実施例4による緩衝材8の通気孔831〜833の配置を示す平面断面図である。   FIG. 9 is a plan sectional view showing the arrangement of the vent holes 831 to 833 of the cushioning material 8 according to the fourth embodiment of the present invention.

発電時、燃料電池1は内部抵抗により発熱しており、空気32と燃料31により燃料電池1を冷却することで燃料電池温度を維持している。しかしながら、発電部21内のすべての燃料電池を同様の手法で冷却した場合、発電部21の内側のセルは、外側のセルよりも放熱量が小さいため、高温になりやすい。   During power generation, the fuel cell 1 generates heat due to internal resistance, and the fuel cell 1 is maintained by cooling the fuel cell 1 with air 32 and fuel 31. However, when all the fuel cells in the power generation unit 21 are cooled by the same method, the cells inside the power generation unit 21 have a smaller heat dissipation amount than the outer cells, and thus easily become high temperature.

そこで、図9のように、内側の通気孔831の断面積を外側の通気孔832や833の断面より大きくすることで、内側の燃料電池1へ供給する燃料流量を大きくでき、内側の燃料電池の冷却量を外側の燃料電池より大きくして、温度分布を低減できる。内外の燃料電池に供給する燃料流量分布は、通気孔831〜833の断面積分布により自在に設計可能である。   Therefore, as shown in FIG. 9, the flow rate of fuel supplied to the inner fuel cell 1 can be increased by making the cross-sectional area of the inner vent hole 831 larger than that of the outer vent holes 832 and 833, and the inner fuel cell can be increased. The cooling amount can be made larger than that of the outer fuel cell to reduce the temperature distribution. The flow rate distribution of fuel supplied to the inner and outer fuel cells can be freely designed by the cross-sectional area distribution of the vent holes 831 to 833.

本発明の実施例1による固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムの概略側面断面図。1 is a schematic side sectional view of a power generation system including a solid oxide fuel cell according to Example 1 of the present invention. 図1のA−A断面図。AA sectional drawing of FIG. 図1のB−B断面図。BB sectional drawing of FIG. 図1のC−C断面図。CC sectional drawing of FIG. 緩衝材、整流層及び支持構造の分解斜視図。The disassembled perspective view of a buffer material, a rectification | straightening layer, and a support structure. 実施例1における整流層内の燃料の流線図。FIG. 3 is a streamline diagram of fuel in the rectifying layer in the first embodiment. 実施例2における緩衝材と整流層の断面構造と燃料の流線図。FIG. 4 is a cross-sectional structure of a buffer material and a rectifying layer and a fuel flow diagram in Example 2. 実施例3における緩衝材と整流層の断面構造と燃料の流線図。FIG. 6 is a cross-sectional structure of a cushioning material and a rectifying layer and a fuel flow diagram in Example 3. 実施例4における緩衝材の通気孔の配置を示す平面断面図。FIG. 6 is a plan sectional view showing the arrangement of the ventilation holes of the buffer material in Example 4. 実施例1における整流層を流れるガスの流線を示す流線図。FIG. 3 is a streamline diagram showing gas flow lines flowing through the rectifying layer in the first embodiment. 通気孔直径と整流層孔径及び整流層孔ピッチの関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the relationship between a vent hole diameter, a rectifying layer hole diameter, and a rectifying layer hole pitch. 整流層孔のばらつきを示す説明図。Explanatory drawing which shows the dispersion | variation in a rectification | straightening layer hole.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、2…集電部材、3…ガスシール容器、4…電気絶縁板、5…空気ヘッダ、6…空気導入管、7…仕切り板、8…緩衝材、81…燃料流路に投影された緩衝材領域、82…燃料電池に投影された緩衝材領域、83,831〜833…通気孔、9…整流層、10…支持構造、21…発電部、22…燃料供給室、23…燃焼室、24…発電部内燃料流路、31…燃料、32…空気、33…排気ガス。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Current collecting member, 3 ... Gas seal container, 4 ... Electric insulation board, 5 ... Air header, 6 ... Air introduction pipe, 7 ... Partition plate, 8 ... Buffer material, 81 ... Fuel flow path Projected buffer material region, 82... Buffer material region projected onto the fuel cell, 83, 831 to 833... Ventilation hole, 9 ... Rectification layer, 10 ... Support structure, 21 ... Power generation unit, 22 ... Fuel supply chamber, 23 ... combustion chamber, 24 ... fuel flow path in power generation section, 31 ... fuel, 32 ... air, 33 ... exhaust gas.

Claims (4)

電解質を介して両側にアノードおよびカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と前記カソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料又は空気の導入部又は排出部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材を備えた燃料電池発電システムにおいて、複数の前記燃料電池の周辺の前記燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する前記緩衝材の流路投影領域の一部又は全部の流動抵抗を、この緩衝材の他の領域よりも小さくし、前記緩衝材に対して密接配置した整流層を備え、前記緩衝材と前記整流層は、前記発電部から見て、前記緩衝材、前記整流層の順に密接配置し、前記緩衝材の前記流路投影領域の一部に通気孔を備え、前記整流層を多孔体で形成し、前記通気孔径を前記整流層の孔ピッチの4倍以上としたことを特徴とする燃料電池発電システム。   A plurality of fuel cells having an anode and a cathode on both sides via an electrolyte; a fuel flow path adjacent to the anode surface in the power generation unit; an air flow path adjacent to the cathode surface; and fuel or air to the power generation unit In the fuel cell power generation system provided with a cushioning material that is disposed in the introduction part or the discharge part and cushions and supports the plurality of fuel cells, the fuel channel or the air channel around the plurality of the fuel cells includes the channel. A flow rectifying layer arranged in close contact with the buffer material, wherein a part or all of the flow path projection region of the buffer material projected in the direction has a smaller flow resistance than other regions of the buffer material, The material and the rectifying layer are closely arranged in the order of the buffer material and the rectifying layer when viewed from the power generation unit, and a ventilation hole is provided in a part of the flow path projection region of the buffer material, and the rectifying layer is porous The vent hole diameter Fuel cell power generation system characterized by serial to four times more holes pitch of the rectifying layer. 請求項1において、前記整流層の外側に密接して、格子状又はハニカム状の金属またはセラミックで形成された支持構造を配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein a support structure formed of a lattice-like or honeycomb-like metal or ceramic is disposed in close contact with the outside of the rectifying layer. 請求項1において、前記緩衝材における前記通気孔の開口率を2〜20%としたことを特徴とする燃料電池発電システム。2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein an opening ratio of the vent hole in the cushioning material is 2 to 20%. 請求項1において前記整流層をセラミックまたは金属の発泡体で形成したことを特徴とする燃料電池発電システム。2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the rectifying layer is formed of a ceramic or metal foam.
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