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JP5315400B2 - Solid oxide fuel cell stack - Google Patents

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JP5315400B2
JP5315400B2 JP2011253909A JP2011253909A JP5315400B2 JP 5315400 B2 JP5315400 B2 JP 5315400B2 JP 2011253909 A JP2011253909 A JP 2011253909A JP 2011253909 A JP2011253909 A JP 2011253909A JP 5315400 B2 JP5315400 B2 JP 5315400B2
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Description

本発明は固体酸化物形燃料電池のセルが複数配された固体酸化物形燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of cells of a solid oxide fuel cell are arranged.

近年、排ガスがクリーンであることや発電効率が比較的高いなどの理由で燃料電池の開発が盛んである。燃料電池にはいくつかの種類があるが、いずれの種類においてもエネルギー変換効率もしくは発電効率を更に向上させることが求められている。   In recent years, fuel cells have been actively developed for reasons such as clean exhaust gas and relatively high power generation efficiency. There are several types of fuel cells. In any type, it is required to further improve the energy conversion efficiency or the power generation efficiency.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell。以下場合によりSOFCという。)は作動温度が500〜1000℃程度と高温である。特許文献1には、この熱を有効に利用してエネルギー変換効率を向上させるべく、SOFCスタックの周囲に熱電変換素子を配することが開示されている。   A solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell, hereinafter referred to as SOFC in some cases) has a high operating temperature of about 500 to 1000 ° C. Patent Document 1 discloses that a thermoelectric conversion element is disposed around the SOFC stack in order to effectively use this heat to improve energy conversion efficiency.

また、特許文献2には、低温で作動する固体高分子形燃料電池において、電気化学反応によって発生する熱エネルギーを利用してエネルギー利用効率の高い燃料電池を提供すべく、酸素極側フィールドプレートに接して熱電変換素子を配することが開示されている。   In Patent Document 2, in a polymer electrolyte fuel cell operating at a low temperature, an oxygen electrode-side field plate is provided in order to provide a fuel cell with high energy utilization efficiency using thermal energy generated by an electrochemical reaction. It is disclosed that a thermoelectric conversion element is disposed in contact therewith.

特開2002−358997号公報JP 2002-358997 A 特開2002−141077号公報JP 2002-141077 A

しかしながら、特許文献1記載の技術では、SOFCスタックの周囲に熱電変換素子を配しているため、熱の有効利用の点で更なる改善の余地がある。   However, in the technique described in Patent Document 1, since a thermoelectric conversion element is arranged around the SOFC stack, there is room for further improvement in terms of effective use of heat.

また特許文献2記載の技術では、作動温度が低温であるため、熱電変換素子による発電量の点で優れているとは言えない。   Further, the technique described in Patent Document 2 cannot be said to be excellent in terms of the amount of power generated by the thermoelectric conversion element because the operating temperature is low.

本発明の目的は、SOFCが発生する熱をより有効に利用し、より高い発電効率を得ることのできるSOFCスタックを提供することである。   An object of the present invention is to provide an SOFC stack that can more effectively utilize the heat generated by the SOFC and obtain higher power generation efficiency.

本発明により、固体酸化物形燃料電池のセルを複数有し、
該セル同士の間に熱電変換素子を有する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記セルが円筒型であって、熱電変換素子が中空円筒状である
固体酸化物形燃料電池スタックが提供される。
According to the present invention, it has a plurality of cells of a solid oxide fuel cell,
A solid oxide fuel cell stack having a thermoelectric conversion element between the cells ,
The cell has a cylindrical shape, and the thermoelectric conversion element has a hollow cylindrical shape.
A solid oxide fuel cell stack is provided.

上記固体酸化物形燃料電池スタックが、
さらに、前記熱電変換素子の一方の側を冷却する冷却媒体を流すための流路を有することができる。
The solid oxide fuel cell stack is
Furthermore, it can have a flow path for flowing a cooling medium for cooling one side of the thermoelectric conversion element.

本発明により、SOFCが発生する熱をより有効に利用し、より高い発電効率を得ることのできるSOFCスタックが提供される。   The present invention provides an SOFC stack that can more effectively utilize the heat generated by the SOFC and obtain higher power generation efficiency.

参考用のSOFCスタックの一例を示す部分模式図である。 It is a partial schematic diagram which shows an example of the SOFC stack for reference . 参考用のSOFCスタックの別の例を示す部分模式図である。 It is a partial schematic diagram which shows another example of the SOFC stack for reference . 参考用のSOFCスタックの別の例を示す部分模式図である。 It is a partial schematic diagram which shows another example of the SOFC stack for reference . 参考用のSOFCスタックの別の例を示す部分模式図である。 It is a partial schematic diagram which shows another example of the SOFC stack for reference . 参考用のSOFCスタックの別の例を示す部分模式図である。 It is a partial schematic diagram which shows another example of the SOFC stack for reference . 本発明のSOFCスタックの例を示す部分模式図であり、(a)は横断面図、(b)はA−A縦断面図である。It is a partial schematic diagram which shows an example of the SOFC stack of this invention, (a) is a cross-sectional view, (b) is an AA longitudinal cross-sectional view. 本発明のSOFCスタックの別の例を示す部分模式図である。It is a partial schematic diagram which shows another example of the SOFC stack of this invention. モジュール化された熱電変換素子の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the thermoelectric conversion element modularized. モジュール化された熱電変換素子の別の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of the thermoelectric conversion element modularized. モジュール化された熱電変換素子の別の例を示す模式図であり、(a)は横断面図、(b)は縦断面図である。It is a schematic diagram which shows another example of the thermoelectric conversion element modularized, (a) is a cross-sectional view, (b) is a longitudinal cross-sectional view.

SOFCスタックは、アノード電極とカソード電極の間に電解質を挟んだセル(単セル)を複数個、セパレータもしくはインターコネクタと呼ばれる電子導電性部材、また集電体と呼ばれる電子導電性部材などにより電気的に接続した構成を有する。
本発明では、セルは円筒型であり、熱電変換素子は中空円筒状である。それ以外の場合についても以下に言及することがあるが、それは参考用である。
The SOFC stack is electrically connected by a plurality of cells (single cells) sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, an electronic conductive member called a separator or an interconnector, an electronic conductive member called a current collector, and the like. It has the structure connected to.
In the present invention, the cell has a cylindrical shape, and the thermoelectric conversion element has a hollow cylindrical shape. Other cases may be mentioned below, but this is for reference only.

SOFCでは、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスを電解質として利用し、水素と酸素とを電気化学反応させる。このときアノードもしくはカソードでH2Oが生成するとともに発熱する。 In SOFC, oxygen ion conductive ceramics or proton ion conductive ceramics are used as an electrolyte, and hydrogen and oxygen are electrochemically reacted. At this time, H 2 O is generated at the anode or the cathode and generates heat.

SOFCスタックにおいて、この発熱が起きる個所と、それ以外の個所との間には温度差が生じる。   In the SOFC stack, there is a temperature difference between the portion where the heat generation occurs and the other portions.

本発明では、熱電変換素子を、セルとセルの間に配置することによって、上記温度差を有効利用し、電気化学反応による発電に加えて、熱電変換素子による発電を行う。これによって発電効率を向上させることが可能である。   In the present invention, the thermoelectric conversion element is arranged between the cells, so that the temperature difference is effectively used, and in addition to the power generation by the electrochemical reaction, the thermoelectric conversion element generates power. This can improve power generation efficiency.

また熱電変換素子は熱エネルギーを電気エネルギーに変換するため、冷却効果を有する。熱電変化素子をセル間に配置することにより、SOFCスタックの内部において冷却することが可能である。従来、ガス(通例カソードガス)を大量に供給することによってスタックを冷却することが行われている。しかし、大量のガスを供給するために所要動力(ブロワ等の消費電力)が大きくなり、SOFCシステムの効率が低くなってしまう。本発明では、熱電変換素子により電気エネルギーを取り出すと同時にセルの冷却を行えるため、冷却のための所要動力を低減し、ブロワや配管等を小型化する効果もある。これによってSOFCシステムの高効率化や小型化が可能である。   Moreover, since the thermoelectric conversion element converts heat energy into electric energy, it has a cooling effect. By disposing the thermoelectric change element between the cells, it is possible to cool the inside of the SOFC stack. Conventionally, the stack is cooled by supplying a large amount of gas (usually cathode gas). However, since a large amount of gas is supplied, the required power (power consumption of a blower or the like) increases, and the efficiency of the SOFC system decreases. In the present invention, the electric energy can be taken out simultaneously with the thermoelectric conversion element, and at the same time, the cell can be cooled. Therefore, the power required for cooling can be reduced, and the blower, piping, and the like can be downsized. As a result, the SOFC system can be highly efficient and downsized.

さらに、80℃程度の低温で作動する固体高分子形燃料電池に比べ、SOFCでは作動温度が高いため、大きな温度差を得ることが可能であり、熱電変換素子による発電によって、より高効率化を図ることができる。   Furthermore, since the operating temperature of SOFC is higher than that of polymer electrolyte fuel cells that operate at a low temperature of about 80 ° C., it is possible to obtain a large temperature difference, and higher efficiency can be achieved by power generation using thermoelectric conversion elements. Can be planned.

熱電変換素子の材料は、SOFCの作動温度にて使用できる公知の熱電変換素子の材料から適宜選んで採用することができる。例えば、p型熱電変換素子としてはSiGe、Si0.8Ge0.2、β−FeSi2、PbTe、GeTe、GeTe−AgSbTe2、β−Zn4Sb3、Ce(Fe3.5Co0.5)Sb12、n型熱電変換素子としてはSiGe、β−FeSi2、PbTe、Ba0.3Co3.7Sb12、Zn0.98Al0.02Oを用いることができる。 The material of the thermoelectric conversion element can be appropriately selected from known thermoelectric conversion element materials that can be used at the operating temperature of the SOFC. For example, as a p-type thermoelectric conversion element, SiGe, Si 0.8 Ge 0.2 , β-FeSi 2 , PbTe, GeTe, GeTe-AgSbTe 2 , β-Zn 4 Sb 3 , Ce (Fe 3.5 Co 0.5 ) Sb 12 , n-type thermoelectric. As the conversion element, SiGe, β-FeSi 2 , PbTe, Ba 0.3 Co 3.7 Sb 12 , Zn 0.98 Al 0.02 O can be used.

熱電変換素子の形状は、SOFCスタックの形状にあわせて、バルク、薄膜、厚膜、円筒、平板など公知の熱電変換素子の形状から適宜選ぶことができる。熱電変換素子は、複数の熱電変換素子がモジュール化されていてもよい。   The shape of the thermoelectric conversion element can be appropriately selected from known thermoelectric conversion element shapes such as a bulk, a thin film, a thick film, a cylinder, and a flat plate in accordance with the shape of the SOFC stack. As for the thermoelectric conversion element, a plurality of thermoelectric conversion elements may be modularized.

図8にp型またはn型熱電変換素子を複数配列させた平板型熱電変換素子モジュールの例を示す。p型またはn型の熱電変換素子1001が複数個、導電体板1002の間に並列に接続される。   FIG. 8 shows an example of a flat plate type thermoelectric conversion element module in which a plurality of p-type or n-type thermoelectric conversion elements are arranged. A plurality of p-type or n-type thermoelectric conversion elements 1001 are connected in parallel between the conductor plates 1002.

図9にp型およびn型熱電変換素子を交互に配列させた平板型熱電変換素子モジュールの例を示す。熱電変換素子1001が複数個、導電体1003によって直列に接続される。このとき熱電変換素子はp型とn型が交互に接続される。また絶縁体1004が配されて一本の電気的経路が二つの導電体板1002の間に形成される。   FIG. 9 shows an example of a flat plate type thermoelectric conversion element module in which p-type and n-type thermoelectric conversion elements are alternately arranged. A plurality of thermoelectric conversion elements 1001 are connected in series by a conductor 1003. At this time, p-type and n-type thermoelectric conversion elements are alternately connected. In addition, an insulator 1004 is provided, and one electrical path is formed between the two conductor plates 1002.

図10にp型またはn型熱電変換素子を複数個配列させた円筒型熱電変換素子モジュールの例を示す。中空円筒状のp型またはn型熱電変換素子2001が、導電部材2002および導電部材2003により直列に接続される。導電部材2002は円筒状熱電変換素子の外側に電気的に接続され、導電部材2003は円筒状熱電変換素子の内側に電気的に接続される。   FIG. 10 shows an example of a cylindrical thermoelectric conversion element module in which a plurality of p-type or n-type thermoelectric conversion elements are arranged. A hollow cylindrical p-type or n-type thermoelectric conversion element 2001 is connected in series by a conductive member 2002 and a conductive member 2003. The conductive member 2002 is electrically connected to the outside of the cylindrical thermoelectric conversion element, and the conductive member 2003 is electrically connected to the inside of the cylindrical thermoelectric conversion element.

熱電変換素子以外のSOFCスタックの部材や構造については、公知のSOFCスタックの部材や構造から適宜選んで採用することができる。例えば、SOFCスタックとして、平板型や、円筒型などの各種形状を適宜選んで採用できる。   About the member and structure of SOFC stacks other than a thermoelectric conversion element, it can select suitably from the member and structure of a well-known SOFC stack, and can employ | adopt. For example, as the SOFC stack, various shapes such as a flat plate shape and a cylindrical shape can be appropriately selected and employed.

SOFCスタックにおいては、実用上、多数のセルを積層もしくは整列させることが多い。この場合、セル同士の間の全てに熱電変換素子を配置してもよいし、一部のみに熱電変換素子を配置しても良い。例えば平板型SOFCの場合、セル毎に熱電変換素子を配置することもできるし、複数枚のセルをブロックとして、ブロック毎に熱電変換素子を配するなど、複数のセル毎に配置してもよい。   In an SOFC stack, practically, many cells are often stacked or aligned. In this case, the thermoelectric conversion elements may be arranged in all between the cells, or the thermoelectric conversion elements may be arranged only in a part. For example, in the case of a flat plate type SOFC, a thermoelectric conversion element can be arranged for each cell, or a plurality of cells may be arranged as a block, and a thermoelectric conversion element may be arranged for each block. .

温度差に起因してSOFCスタックにかかる熱応力を抑えるために、セルを円筒型にすることが有効である。平板型スタックの場合、例えば積層したセルおよびセパレーター等をエンドプレートと呼ばれる金属製(電気伝導性)の板2枚で挟みボルト締めする。円筒型スタックは、例えば電極面の一部をインターコネクターで電気的に接続する構造となっている。このため、円筒型スタックでは平板型スタックに比較して拘束面積が少なく熱応力を緩和することが比較的容易だからである。また、円筒型セル同士を電気的に接続するための集電体にクッション効果のある材質を用いることも有効である。例えば金属多孔体(Metal−foam、発泡金属)は外力により変形しやすく、接触面積が小さい。このため、セルやセパレーター、インターコネクタの熱膨張を吸収し、さらに熱応力を緩和できるので、金属多孔体は集電体として好適である。   In order to suppress the thermal stress applied to the SOFC stack due to the temperature difference, it is effective to make the cell cylindrical. In the case of a flat type stack, for example, stacked cells and separators are sandwiched between two metal (electrically conductive) plates called end plates and bolted. The cylindrical stack has a structure in which, for example, a part of the electrode surface is electrically connected by an interconnector. For this reason, the cylindrical stack has a smaller restraint area than the flat plate stack, and it is relatively easy to relieve thermal stress. It is also effective to use a material having a cushioning effect for the current collector for electrically connecting the cylindrical cells. For example, a metal porous body (Metal-foam, foam metal) is easily deformed by an external force and has a small contact area. For this reason, since the thermal expansion of a cell, a separator, and an interconnector can be absorbed and thermal stress can be relieved, a metal porous body is suitable as a current collector.

熱電変換素子の隣に、冷却媒体を流すための流路である冷却媒体流路を設けることができる。特には熱電変換素子の一方の側(より低温にしたい側)に冷却媒体流路を設けて熱電変換素子の片側を冷却することにより、熱電変換素子における発電量を大きくすることができる。このときアノード側、カソード側のうち、水生成反応が起きない側に隣接して冷却媒体流路を設けることが好ましい。   Next to the thermoelectric conversion element, a cooling medium flow path that is a flow path for flowing the cooling medium can be provided. In particular, the amount of power generation in the thermoelectric conversion element can be increased by providing a cooling medium flow path on one side of the thermoelectric conversion element (the side where the temperature is desired to be lowered) and cooling one side of the thermoelectric conversion element. At this time, it is preferable to provide a cooling medium flow path adjacent to the side where the water generation reaction does not occur, of the anode side and the cathode side.

冷却媒体としては、発電時に、熱電変換素子のより低温にしたい側を冷却可能な温度および流量のガスを適宜用いることができる。冷却媒体として、スタックに供給されるアノードガスもしくはカソードガスを用いることができ、あるいはこれらガスとは別途他のガスを用いることもできる。他のガスとしては、例えば空気を用いることができる。あるいはSOFCシステムの中に、予熱すべきガスがある場合、そのガスを冷却媒体として用い、熱電変換素子の冷却と同時にそのガスの予熱を行うこともできる。   As the cooling medium, a gas having a temperature and a flow rate capable of cooling the side of the thermoelectric conversion element that is desired to have a lower temperature during power generation can be appropriately used. As the cooling medium, anode gas or cathode gas supplied to the stack can be used, or other gas can be used separately from these gases. For example, air can be used as the other gas. Alternatively, when there is a gas to be preheated in the SOFC system, the gas can be used as a cooling medium, and the gas can be preheated simultaneously with the cooling of the thermoelectric conversion element.

なお、適宜ヘッダーもしくはマニホールド構造を利用して、セル等へのガスの供給や排出を行うことができる。   Note that gas can be supplied to or discharged from the cell or the like by appropriately using a header or a manifold structure.

また、円筒型SOFCの場合に熱電変換素子やセルを電気的に接続するために、あるいは図10に示すように円筒状の熱電変換素子を電気的に接続してモジュール化するために、円筒型SOFCに用いられる公知のインターコネクタや集電体、また公知の導電部材を適宜利用することができる。   In the case of a cylindrical SOFC, in order to electrically connect thermoelectric conversion elements and cells, or to form a module by electrically connecting cylindrical thermoelectric conversion elements as shown in FIG. Known interconnectors and current collectors used for SOFC, and known conductive members can be used as appropriate.

以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。なお、実施例1〜5は参考用である。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited by this. Examples 1 to 5 are for reference.

〔実施例1〕
本実施例では、平板型SOFCを採用しており、セルと熱電変換素子とを1つずつ交互に配置している。図1は、本例の平板型SOFCスタックを説明するための部分的模式図である。電解質板1は酸素イオン導電性セラミックスである。電解質板1を挟む位置にアノード電極2aおよびカソード電極2cが配される。アノード電極2aの電解質板とは反対側にアノード側セパレータ3aが配され、カソード電極2cの電解質板とは反対側にカソード側セパレータ3cが配される。つまり、電解質板1と電極2aおよび2cで構成されるセル(単セル)4を挟む位置にセパレータ3aおよび3cが配される。
[Example 1]
In this embodiment, a flat SOFC is employed, and cells and thermoelectric conversion elements are alternately arranged one by one. FIG. 1 is a partial schematic diagram for explaining the flat plate type SOFC stack of this example. The electrolyte plate 1 is an oxygen ion conductive ceramic. An anode electrode 2a and a cathode electrode 2c are disposed at positions sandwiching the electrolyte plate 1. An anode side separator 3a is disposed on the opposite side of the anode electrode 2a from the electrolyte plate, and a cathode side separator 3c is disposed on the opposite side of the cathode electrode 2c from the electrolyte plate. That is, the separators 3a and 3c are arranged at a position sandwiching a cell (single cell) 4 composed of the electrolyte plate 1 and the electrodes 2a and 2c.

セパレータ3cのセルとは反対側に熱電変換素子5(ここではn型熱電変換素子を用いる)が配され、さらに熱電変換素子のセパレータ3cとは反対側に、隣のセル(不図示)を挟むアノード側セパレータ3a−1が配される。熱電変換素子の外形は平板状とする。このようにしてアノード側セパレータとカソード側セパレータに挟まれたセルと、熱電変換素子とが交互に積層される。   A thermoelectric conversion element 5 (here, an n-type thermoelectric conversion element is used) is arranged on the opposite side of the separator 3c from the cell, and an adjacent cell (not shown) is sandwiched on the opposite side of the thermoelectric conversion element to the separator 3c. An anode side separator 3a-1 is disposed. The outer shape of the thermoelectric conversion element is a flat plate. In this way, the cells sandwiched between the anode side separator and the cathode side separator and the thermoelectric conversion elements are alternately stacked.

水素を含むアノードガスがアノード電極に供給され、酸素を含むカソードガスがカソード電極に供給される。SOFCによる発電時にアノード側でH2Oを生成する反応が進み大きな発熱がおきるため、カソード側セパレータ3cよりもアノード側セパレータ3a−1の方が高温になり、熱電変換素子に温度差ΔTがつく。図1中、破線は熱電変換素子における温度勾配を模式的に示している。このΔTによって熱電変換素子が発電可能となる。 An anode gas containing hydrogen is supplied to the anode electrode, and a cathode gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode. Since the reaction for generating H 2 O on the anode side progresses during power generation by SOFC and a large amount of heat is generated, the anode side separator 3a-1 becomes hotter than the cathode side separator 3c, and a temperature difference ΔT is created in the thermoelectric conversion element. . In FIG. 1, the broken line schematically shows a temperature gradient in the thermoelectric conversion element. This ΔT enables the thermoelectric conversion element to generate power.

〔実施例2〕
本実施例は、実施例1の平板型SOFCスタックに、冷却媒体を流すための流路である冷却媒体流路6を付加したものである。熱電変換素子のアノード側(図2において紙面右側)もしくはカソード側(図2において紙面左側)のうちの、水生成反応が起きない側(ここではカソード側)を冷却媒体によって冷却することにより、熱電変換素子における温度差をより大きくとることができる。このため本実施例では、熱電変換素子5とカソード側セパレータ3cとの間に冷却媒体流路6を設けている。
[Example 2]
In this embodiment, a cooling medium flow path 6 which is a flow path for flowing a cooling medium is added to the flat plate type SOFC stack of the first embodiment. By cooling the thermoelectric conversion element on the anode side (right side in FIG. 2) or the cathode side (left side in FIG. 2) where water generation reaction does not occur (here, the cathode side) with a cooling medium, The temperature difference in the conversion element can be made larger. For this reason, in this embodiment, the cooling medium flow path 6 is provided between the thermoelectric conversion element 5 and the cathode side separator 3c.

冷却媒体流路を設けるために、電子導電性を有し、外形が平板状であり、冷却媒体流路となる溝を有する部材(冷却媒体流路形成用部材)7を用いることができる。この部材をセパレータまたは熱電変換素子と一体化してもよい。   In order to provide the cooling medium flow path, a member (cooling medium flow path forming member) 7 that has electronic conductivity, has a flat outer shape, and has a groove that becomes a cooling medium flow path can be used. You may integrate this member with a separator or a thermoelectric conversion element.

冷却媒体としては、スタックに供給されるアノード入口ガスもしくはカソード入口ガスを必要に応じて分岐して用いることもできるし、別途他のガス(例えば空気)を用いることができる。   As the cooling medium, the anode inlet gas or the cathode inlet gas supplied to the stack can be branched as required, or another gas (for example, air) can be used separately.

〔実施例3〕
図3に示すように、本実施例は、実施例2の平板型SOFCスタックのカソード側セパレータ3cと冷却媒体流路形成用部材7との間に、断熱材8を追加した例である。断熱材により、セル(カソード側)から冷却媒体へ、ひいては熱電変換素子の低温側への伝熱を抑制し、熱電変換素子の低温側をより低温にし、ΔTをより大きくとることが可能となる。
Example 3
As shown in FIG. 3, the present embodiment is an example in which a heat insulating material 8 is added between the cathode side separator 3c of the flat plate type SOFC stack of the second embodiment and the cooling medium flow path forming member 7. With the heat insulating material, heat transfer from the cell (cathode side) to the cooling medium, and hence to the low temperature side of the thermoelectric conversion element, can be suppressed, the low temperature side of the thermoelectric conversion element can be made lower, and ΔT can be increased. .

〔実施例4〕
図4に示すように、本実施例では、熱電変換素子のアノード側(図中右側)を冷却媒体によって冷却して低温にし、カソード側(図中左側)を高温にする。この場合、アノードで発生する熱がアノード側セパレータ3a−1から冷却媒体へ伝達し、ΔTが小さくなるのを抑えるために、アノードと冷却媒体との間に断熱材8を配置することが好ましい。この例においては、p型熱電変換素子を用いる。
Example 4
As shown in FIG. 4, in this embodiment, the anode side (right side in the figure) of the thermoelectric conversion element is cooled to a low temperature by the cooling medium, and the cathode side (left side in the figure) is raised to a high temperature. In this case, it is preferable to dispose the heat insulating material 8 between the anode and the cooling medium in order to prevent heat generated in the anode from being transferred from the anode side separator 3a-1 to the cooling medium and reducing ΔT. In this example, a p-type thermoelectric conversion element is used.

〔実施例5〕
平板型SOFCにおいて、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうちの少なくとも一方が熱電変換素子を含むことができる。アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのいずれかが熱電変換素子からなっていてもよいし、両方のセパレータが一体化され一つの熱電変換素子からなっていてもよい。あるいはいずれかもしくは両方のセパレータの一部が熱電変換素子で形成されていてもよい。
Example 5
In the flat plate type SOFC, at least one of the anode side separator and the cathode side separator can include a thermoelectric conversion element. Either the anode-side separator or the cathode-side separator may be composed of a thermoelectric conversion element, or both separators may be integrated into a single thermoelectric conversion element. Alternatively, a part of either or both separators may be formed of a thermoelectric conversion element.

図5に示すように、本例では、カソード側セパレータ3cが熱電変換素子からなっており、カソード側セパレータが熱電変換素子を兼ねている。   As shown in FIG. 5, in this example, the cathode-side separator 3c is made of a thermoelectric conversion element, and the cathode-side separator also serves as the thermoelectric conversion element.

〔実施例6〕
本実施例では、円筒型SOFCを採用しており、熱電変換素子は両端に開口を有する中空円筒状(パイプ状)である。図6に示すように、セル21−1と、その隣のセル21−2との間に、熱電変換素子25−1が配される。セル21−2の、熱電変換素子25−1とは反対側にも熱電変換素子25−2が配される。ここではn型熱電変換素子を用いる。
Example 6
In this embodiment, a cylindrical SOFC is employed, and the thermoelectric conversion element has a hollow cylindrical shape (pipe shape) having openings at both ends. As shown in FIG. 6, the thermoelectric conversion element 25-1 is arranged between the cell 21-1 and the adjacent cell 21-2. The thermoelectric conversion element 25-2 is also arranged on the opposite side of the cell 21-2 from the thermoelectric conversion element 25-1. Here, an n-type thermoelectric conversion element is used.

セルは内管22を有し、内管から水素を含むアノードガスが供給される。酸素を含むカソードガスは、セルの外側に供給される。セルは、一端が閉じられた円筒状の電解質を挟んで内側にアノード電極が、外側にカソード電極が設けられた構造を有する。セルも熱電変換素子も外側がプラス極、内側がマイナス極となっている。セルおよび熱電変換素子の外側には集電体23が接触し、内側はインターコネクタ24が電気的に接続され、集電体とインターコネクタが接触して電気的経路が形成される。   The cell has an inner pipe 22, and an anode gas containing hydrogen is supplied from the inner pipe. A cathode gas containing oxygen is supplied to the outside of the cell. The cell has a structure in which an anode electrode is provided on the inner side and a cathode electrode is provided on the outer side with a cylindrical electrolyte closed at one end. Both the cell and thermoelectric conversion element have a positive pole on the outside and a negative pole on the inside. A current collector 23 is in contact with the outside of the cell and the thermoelectric conversion element, an interconnector 24 is electrically connected to the inside, and the current collector and the interconnector are in contact with each other to form an electrical path.

熱電変換素子の外側にも内側にもカソードガスが流れる。各セルが発電時に発熱し、これによって熱電変換素子は外側から加熱される。一方、中空円筒状熱電変換素子の内側は冷却媒体流路となっている。カソードガスの一部が冷却媒体として利用され、冷却媒体が内側を流れることにより、熱電変換素子は内側から冷却されることになる。従って、熱電変換素子は外側が高温で内側が低温となり、温度差が発生する。この温度差によって熱電変換素子による発電が可能となる。   Cathode gas flows both inside and outside the thermoelectric conversion element. Each cell generates heat during power generation, whereby the thermoelectric conversion element is heated from the outside. On the other hand, the inside of the hollow cylindrical thermoelectric conversion element is a cooling medium flow path. A part of the cathode gas is used as a cooling medium, and the cooling medium flows inside, whereby the thermoelectric conversion element is cooled from the inside. Therefore, the thermoelectric conversion element has a high temperature on the outside and a low temperature on the inside, causing a temperature difference. This temperature difference enables power generation by the thermoelectric conversion element.

〔実施例7〕
実施例6では、両端が開口した中空円筒状の熱電変換素子を用いたが、この限りではない。本例では、熱電変換素子の一端が閉じられ、他端が開口した中空円筒状の熱電変換素子を用いている。図7に、セル21および熱電変換素子25を一つずつ示す。熱電変換素子の一端(図において紙面上端)が閉じられており、熱電変換素子の中に内管26が配される。この内管26から冷却媒体としてカソードガスが供給され、熱電変換素子の内側が冷却される。熱電変換素子から排出される冷却媒体(カソードガス)をセルの外側に供給し、カソードガスとして電池反応に供することができる。
Example 7
In Example 6, a hollow cylindrical thermoelectric conversion element having both ends opened was used, but this is not restrictive. In this example, a hollow cylindrical thermoelectric conversion element in which one end of the thermoelectric conversion element is closed and the other end is opened is used. FIG. 7 shows one cell 21 and one thermoelectric conversion element 25. One end of the thermoelectric conversion element (the upper end in the drawing in the drawing) is closed, and the inner tube 26 is disposed in the thermoelectric conversion element. Cathode gas is supplied from the inner pipe 26 as a cooling medium, and the inside of the thermoelectric conversion element is cooled. A cooling medium (cathode gas) discharged from the thermoelectric conversion element can be supplied to the outside of the cell and used as a cathode gas for a battery reaction.

以上いくつかの例を説明したが、本発明においては、燃料電池スタックを平板型にするか円筒型にするか、熱電変換素子(モジュール化されていてもよい)を平板型にするか円筒型にするか、熱電変換素子としてp型を用いるかn型を用いるか、冷却媒体としてアノードガスを用いるかカソードガスを用いるかあるいは他のガスを用いるか、など様々な選択が可能であり、その選択に応じた様々な形態があり得る。   Although several examples have been described above, in the present invention, the fuel cell stack is flat or cylindrical, the thermoelectric conversion element (which may be modularized) is flat or cylindrical Various choices are possible, such as using p-type or n-type as the thermoelectric conversion element, using anode gas or cathode gas as the cooling medium, or using other gas, There can be various forms depending on the selection.

本発明のSOFCシステムは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。   The SOFC system of the present invention can be used for, for example, a stationary or mobile power generation system and a cogeneration system.

1 電解質板
2a アノード電極
2c カソード電極
3a アノード側セパレータ
3c カソード側セパレータ
4 セル(単セル)
5 熱電変換素子
6 冷却媒体流路
7 冷却媒体流路形成用部材
8 断熱材
21 セル(単セル)
22 アノードガス供給用内管
23 集電体
24 インターコネクタ
25 熱電変換素子
26 冷却媒体供給用内管
1001 熱電変換素子
1002 導電体板
1003 導電体
1004 絶縁体
2001 熱電変換素子
2002 導電部材
2003 導電部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte plate 2a Anode electrode 2c Cathode electrode 3a Anode side separator 3c Cathode side separator 4 Cell (single cell)
5 Thermoelectric Conversion Element 6 Cooling Medium Channel 7 Cooling Medium Channel Forming Member 8 Heat Insulating Material 21 Cell (Single Cell)
22 Anode gas supply inner pipe 23 Current collector 24 Interconnector 25 Thermoelectric conversion element 26 Cooling medium supply inner pipe 1001 Thermoelectric conversion element 1002 Conductor plate 1003 Conductor 1004 Insulator 2001 Thermoelectric conversion element 2002 Conductive member 2003 Conductive member

Claims (2)

固体酸化物形燃料電池のセルを複数有し、
該セル同士の間に熱電変換素子を有する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記セルが円筒型であって、熱電変換素子が中空円筒状である
体酸化物形燃料電池スタック。
Having a plurality of cells of a solid oxide fuel cell,
A solid oxide fuel cell stack having a thermoelectric conversion element between the cells,
The cell has a cylindrical shape, and the thermoelectric conversion element has a hollow cylindrical shape.
Solid body oxide fuel cell stack.
さらに、前記熱電変換素子の一方の側を冷却する冷却媒体を流すための流路を有する請求項記載の固体酸化物形燃料電池スタック。 Further, the solid oxide fuel cell stack according to claim 1, further comprising a flow path for flowing a cooling medium for cooling the one side of the thermoelectric conversion element.
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