JPH11233127A - Disc laminate solid electrolyte fuel cell - Google Patents
Disc laminate solid electrolyte fuel cellInfo
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- JPH11233127A JPH11233127A JP10344763A JP34476398A JPH11233127A JP H11233127 A JPH11233127 A JP H11233127A JP 10344763 A JP10344763 A JP 10344763A JP 34476398 A JP34476398 A JP 34476398A JP H11233127 A JPH11233127 A JP H11233127A
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- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は円盤積層固体電解質
型燃料電池に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a disk-stacked solid oxide fuel cell.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池は発電効率が高いばかりでなく
熱電併給が可能であり、しかも負荷変動に対する応答が
柔軟であることから、重要な発電技術として期待されて
いる。これに加えて有害排ガスの発生が極めて少ないこ
と、将来システムの小型化が予想されるため、従来の電
力供給方式即ち電力消費地から遠く離れた場所に設置さ
れて大きな送電ロスの生ずるのを避け得ない、現今の発
電方式に代りうる新しい分散型電源としても期待されて
いる。ところで、燃料電池として例えば第1図に示す分
解斜視図と、第2図に示す組立断面図の如き構成をも
つ、円盤積層固体電解質型燃料電池が提案されている。
この電池は第1図のように固体電解質(1a)と、その両
円盤面に設けた多孔性電極構成材による正電極(1b)と
負電極(1c)よりなる所要複数個の単電池、例えば第
1、第2単電池(1A),(1B)と、セパレータ(2)、第
1,第2,第3,第4のインターコネクタ(3A)(3B)(3
C)(3D)、上蓋(4)と下蓋(5)、供給口(6a)を有
する燃料供給パイプ(6)と燃料排出口(7a)を有する
燃料排法パイプ(7)、供給口(8a)を有する酸化剤
(酸素または空気)供給パイプ(8)と、排出口(9a)
を有する酸化剤排出パイプ(9)とからなる。そして、
第2図(a)に示す第1図のA−A’部断面組立図のよう
に、下蓋(5)、第4インターコネクタ(3D)、第2単電
池(1B)、第3インターコネクタ(3C)、セパレータ
(2)、第2インターコネクタ(3B)、第1単電池(1
A)、第1インターコネクタ(3A)、上蓋(4)の順序で
積層する。このようにして、燃料供給口(6a)と燃料排
出口(7a)が、第2インターコネクタ(3B)によって単
電池(1A)とセパレータ(2)間に形成される内部空間A
と、第4インターコネクタ(3D)によって第2単電池(1
B)と下蓋(5)間に形成される内部空間Bにそれぞれ開
口するように、各構成材との間をガスシール(10)し
ながら燃料供給パイプ(6)と燃料排出パイプ(7)と
を、第1図のように各構成材の周辺に近い対向する2箇所
にそれぞれ設けた貫通孔(4a)(3a)(1d)(2a)(3
c)(1d)に差し込む。また第2図(b)に示す第1図のB
−B’部断面組立図のように酸化剤供給口(8a)と排出
口(9a)とが第3インターコネクク(3c)によって、セ
パレータ(2)と単電池(1B)間に形成される内部空間
A’と第1インターコネクタ(3A)及び第1単電池(1A)
によって形成される内部空間B’にそれぞれ開口するよ
うに、各構成材との間をガスシール(10)しながら、
酸化剤供給及び排出パイプ(8)(9)を、第1図に示す
ように燃料供給及び排出パイプ(6)(7)の各貫通孔と
直角な位置に設けた貫通孔(5a’)(3d’)(1d’)
(2a’)(3d’)(1d’)に差し込み、最後に積層され
た各構成材の隙間から燃料及び空気が各構成材聞から漏
れないように外周面をガスシール(10)して横成され
る。そして第3図に示す発電原理図のようにパイプ(6)
(7)により燃料となる例えば水素H2を供給し、またパ
イプ(8)(9)により酸化剤である例えば空気を供給し
て、第1,第3インターコネクタ(3A)(3C)を介して単
電池(1A)の正電極(1b)と単電池(1B)の負電極(1
C)間に接続された負荷Rに電力を供給する。この円盤積
層固体電解質型燃料電池は固体のみで形成されており、
他の形式であるリン酸型燃料電池、更には溶融塩型燃料
電池のように液体電解質を扱う不利がなく、しかも使用
温度が800〜1000℃と高温であることから高発電
効率が期待できる。これに加えてスチームタービン等に
よるポトミングサイクルの付設や熱電併給にも有利であ
る。また更にこの円盤積層固体電解質型燃料電池では前
記第2図(a)(b)によって明らかなように、電流が
正負電極(1b)(1c)と固体電解質(1a)の盤面と直角
な方向に流れるため、内部抵抗は、ほぼ構成材料の厚み
によってのみ左右される。しかもこの形式のものは原理
上構成材料の厚みを薄くできるのみでなく、単位面積当
りの電極面積の増大が容易であるので、単位面積当りの
出力密度を向上でき、しかも円盤構造をとっていること
から大量生産に適するドクタープレード法や、その他の
湿式法を単電池などを生産に採用でき、製造コストの低
下を図りうるなどの各種の利点がある。また更にこの円
盤積層固体電解質型燃料電池によれば、固体電解質型燃
料電池の基本型として知られている円筒型燃料電池のも
つ諸問題を解決しうるすぐれた効果をもつ。即ち円筒型
燃料電池(ll)は第4図に示す斜視図のように、多孔質
チューブ(11a)の上に負電極(11b)、電解質(11
c)、正電極(11d)、インターコネクタ(11e)の順序
で構成材を積層して単電池またはその集合体を構成し
て、燃料と酸化剤をチューブ(11a)の内と外に流して
発電するものであるが、この型式の燃料電池は次のよう
な諸問題をもつ。即ち第4図中の矢印のように電流が電
極面に沿って横方向(周方向)に流れるため電流通路が
長くなって内部抵抗が大きい、円筒型では出力密度を大
きくしようとする場合、できうる限り長い円チューブを
必要とするが、製造上その長さと細さには限界があるた
め出力密度の増大には限度がある、円筒型では円筒状の
チューブに電解質や電極その他を積層する必要がある
か、低コストのドクタープレード法などによる積層法で
は電解質などのひび割れを生じ易いため、製造コストの
高い気相法を採用せざるを得ないなどの諸問題がある。
しかし、これらの問題点は前記したように電流との方向
が単電池などの盤面と直角である、厚みを薄くすること
が容易であって電極面積の増大が容易であるなどの各種
の利点をもつ円盤積層構造によって一挙に解消される。2. Description of the Related Art Fuel cells are expected to be an important power generation technology because they not only have high power generation efficiency but also can provide co-generation of heat and have a flexible response to load fluctuations. In addition to this, since the generation of harmful exhaust gas is extremely small and the system is expected to be downsized in the future, it is necessary to avoid the conventional power supply system, that is, installing it in a place far away from the power consumption area and causing large power transmission loss. It is also expected to be a new distributed power source that cannot be obtained and can replace the current power generation system. Meanwhile, as a fuel cell, for example, a disk-stacked solid oxide fuel cell having a configuration as shown in an exploded perspective view shown in FIG. 1 and an assembled sectional view shown in FIG. 2 has been proposed.
As shown in FIG. 1, this battery has a required number of cells including a solid electrolyte (1a), a positive electrode (1b) and a negative electrode (1c) formed of a porous electrode component material provided on both disk surfaces, for example, No.
1, 2nd cell (1A), (1B), separator (2),
1, 2nd, 3rd, 4th interconnector (3A) (3B) (3
C) (3D), upper lid (4) and lower lid (5), fuel supply pipe (6) with supply port (6a) and fuel discharge pipe (7) with fuel discharge port (7a), supply port ( Oxidant (oxygen or air) supply pipe (8) with 8a) and outlet (9a)
And an oxidant discharge pipe (9) having And
As shown in the sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1 shown in FIG. 2 (a), the lower lid (5), the fourth interconnector (3D), the second cell (1B), the third interconnector (3C), separator (2), second interconnector (3B), first cell (1
A), the first interconnector (3A), and the top lid (4) are laminated in this order. In this way, the fuel supply port (6a) and the fuel discharge port (7a) are formed by the second interconnector (3B) between the unit cell (1A) and the separator (2).
And the fourth cell (1D) by the fourth interconnector (3D)
A fuel supply pipe (6) and a fuel discharge pipe (7) while a gas seal (10) is provided between each component so as to open into an internal space B formed between the lower cover (5) and the lower lid (5). And through holes (4a), (3a), (1d), (2a), and (3) provided at two opposing locations near the periphery of each component as shown in FIG.
c) Insert into (1d). In addition, FIG.
The oxidant supply port (8a) and the discharge port (9a) are formed between the separator (2) and the unit cell (1B) by the third interconnect (3c) as shown in the sectional view of the section B '. Interior space
A 'and 1st interconnector (3A) and 1st cell (1A)
Gas seal (10) between each component so as to open to the internal space B 'formed by
As shown in FIG. 1, the oxidant supply and discharge pipes (8) and (9) are provided with through holes (5a ') and (5a') (at right angles to the through holes of the fuel supply and discharge pipes (6) and (7)). 3d ') (1d')
(2a ') (3d') (1d ') Insert the gasket (10) on the outer peripheral surface so that fuel and air do not leak from each component through the gap between the components stacked last. Is done. Then, as shown in the power generation principle diagram in Fig. 3, the pipe (6)
(7), for example, hydrogen H2 as a fuel is supplied, and pipes (8), (9), for example, air as an oxidant, are supplied through the first and third interconnectors (3A) (3C). The positive electrode (1b) of the cell (1A) and the negative electrode (1
C) Supply power to the load R connected between them. This disk-stacked solid oxide fuel cell is made of only solid,
Unlike other types of phosphoric acid type fuel cells and furthermore, molten salt type fuel cells, there is no disadvantage in handling the liquid electrolyte, and since the operating temperature is as high as 800 to 1000 ° C., high power generation efficiency can be expected. In addition to this, it is also advantageous for installing a potting cycle using a steam turbine or the like and for cogeneration. Further, in this disk-stacked solid electrolyte fuel cell, as is clear from FIGS. 2 (a) and 2 (b), the electric current flows in a direction perpendicular to the disk surface of the positive and negative electrodes (1b) and (1c) and the solid electrolyte (1a). Because of the flow, the internal resistance depends almost exclusively on the thickness of the constituent materials. In addition, this type can not only reduce the thickness of the constituent materials in principle, but also can easily increase the electrode area per unit area, so that the output density per unit area can be improved and the disk structure is adopted. Therefore, the doctor blade method suitable for mass production and other wet methods can be used for the production of cells and the like, and there are various advantages such as a reduction in manufacturing cost. Further, according to the disk-stacked solid electrolyte fuel cell, there is an excellent effect that can solve various problems of the cylindrical fuel cell which is known as a basic type of the solid electrolyte fuel cell. That is, as shown in the perspective view of FIG. 4, the cylindrical fuel cell (ll) has a negative electrode (11b) and an electrolyte (11) on a porous tube (11a).
c) The components are laminated in the order of positive electrode (11d) and interconnector (11e) to form a unit cell or its assembly, and fuel and oxidant are flowed into and out of the tube (11a). Although it generates electricity, this type of fuel cell has the following problems. That is, current flows in the lateral direction (circumferential direction) along the electrode surface as shown by the arrow in FIG. 4, so that the current path becomes long and the internal resistance is large. The longest possible circular tube is required, but the length and thinness of the tube are limited in production, so the increase in power density is limited.In the case of a cylindrical type, it is necessary to laminate electrolyte, electrodes, etc. on a cylindrical tube However, there is a problem that a low-cost lamination method using a doctor blade method or the like easily causes cracking of an electrolyte or the like, so that a gas phase method having a high production cost must be adopted.
However, as described above, these problems have various advantages such as that the direction of the current is perpendicular to the panel surface of a unit cell or the like, that the thickness can be easily reduced, and the electrode area can be easily increased. It can be eliminated all at once by the disk lamination structure.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしその一方円盤積
層固体電解質型燃料電池にも弱点がある。即ち燃料及び
酸化剤の供給がそれぞれ円盤の外周の2点間において行
われてガスが供給口から排出口に短絡的に流れ易いた
め、燃料及び酸化剤の流れが電池面において均一になり
にくく電極面積の有効利用を図りにくい。このため単電
池の面積を大きくしても単位面積当りの出力密度の向上
が充分ではない。また層状のインターコネクタを用いて
いるため集電距離の短縮が充分ではなく内部抵抗の低下
が充分ではない。また更に構成材が円盤状であるため原
理的には面積の増大が容易であるが、増大と共に機械的
強度が低下するため、この点で大容量の電池の実現が難
しい。また動作温度が1000℃前後の高温であるため、熱
バランスがとりにくく、熱バランスを得るためには供給
ガスを加熱装置を用いて1000℃前後に加温して供給する
必要があるが、このような高温加熱は現在の技術では大
きな困難を伴い実用が難しいなどの諸問題がある。 従
って円盤積層固体電解質型燃料電池は前記のような数多
い利点をもちながら、従来殆ど積極的な研究開発が行わ
れることなく現在に到っている。However, on the other hand, disk-stacked solid oxide fuel cells also have disadvantages. That is, the fuel and the oxidant are supplied between the two points on the outer periphery of the disk, and the gas easily flows from the supply port to the discharge port in a short-circuit manner. It is difficult to effectively use the area. Therefore, even if the area of the unit cell is increased, the output density per unit area is not sufficiently improved. Further, since a layered interconnector is used, the current collecting distance is not sufficiently reduced and the internal resistance is not sufficiently reduced. Further, since the components are disk-shaped, the area can be easily increased in principle, but the mechanical strength decreases with the increase, and it is difficult to realize a large-capacity battery in this respect. In addition, since the operating temperature is as high as about 1000 ° C., it is difficult to balance the heat, and in order to obtain the heat balance, the supply gas must be heated to about 1000 ° C. using a heating device and supplied. Such high-temperature heating has various problems such as difficulty in practical use with current technology. Accordingly, the disk-stacked solid oxide fuel cell has attained the present without much active research and development, while having many advantages as described above.
【0004】本発明は前記した円盤積層固体電解質型燃
料電池の数多くの利点を最大限に生かしながら、上記の
諸問題点の解決を図って、製作面においても性能面にお
いても従来のものにまさる燃料電池を提供し、電力供給
源としての実用化を促進しうるようにしたものである。The present invention solves the above-mentioned problems while maximizing the many advantages of the above-mentioned disk-stacked solid oxide fuel cell, and is superior to the conventional one in both production and performance. It is intended to provide a fuel cell and promote its practical use as a power supply source.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは第1図によって前記した環状のインターコネクタに
代えて、第6図に示すように中心のガス供給部(12a)
と、これに連通し外周部において開口する供給されたガ
スが十分に電極表面に供給されるように、ジグザグ状拡
散通路(12b)を備え、気孔率の高い材質で作られたイ
ンターコネクタを用いると同時に、中心のガス拡散空間
部(12a)に燃料または酸化剤が供給されるようにした
点にある。A feature of the present invention is that, instead of the annular interconnector described with reference to FIG. 1, a central gas supply section (12a) as shown in FIG.
And an interconnector made of a material having a high porosity and having a zigzag diffusion passage (12b) so that the supplied gas communicating with the gas and opening at the outer peripheral portion is sufficiently supplied to the electrode surface. At the same time, the fuel or oxidant is supplied to the central gas diffusion space (12a).
【0006】[0006]
【発明の実施の形態】そして、これにより単電池
(1)の電極(1b)(1c)の広い面積において集電しう
るようにして、電流経路の短縮を図って内部技抗の充分
な低下を図る。単電池の強度補強体となりうるように
して単電池の機械的強度の増大を図るようにして電極面
積の増大の容易化を実現すると同時に製作保守を容易と
する。ジグザグ状拡散通路(12b)にジグザグ状にガ
スが流れて燃料などの良い拡散体として作用するように
して、ガスの流れの均一化を大きく促進し電極面積の有
効な利用を図りうるようにして、発電効率を向上させる
ようにしたものである。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In this manner, current can be collected over a wide area of the electrodes (1b) and (1c) of the unit cell (1), thereby shortening the current path and sufficiently lowering the internal resistance. Plan. By increasing the mechanical strength of the unit cell so as to increase the mechanical strength of the unit cell so as to become a strength reinforcing body of the unit cell, it is possible to facilitate the increase of the electrode area and at the same time, to facilitate the production and maintenance. The gas flows in a zig-zag diffusion path (12b) in a zig-zag fashion and acts as a good diffuser for fuel and the like, greatly facilitating the uniform flow of the gas and enabling effective use of the electrode area. The power generation efficiency is improved.
【0007】また、更に燃料及び酸化剤の供給と排出
を、第2図により前記したように単電池(1)の周辺部
に近い対向した離れた2点において行うことなく、例え
ば第7図の断面組立図のように単電池(1)その他の構成
材の中心に設けたパイプ(03)により、第5図で前記し
たようにインターコネクタ(12)のガス供給部(1
2)において行うようにし、かつ供給ガスの濃度が単電
池(1)の外周方向に向かうに伴い希薄となったのち外
界に排出されるように拡散通路(12b)の長さや幅,形
状などを考慮した点にある。そして、これにより単電
池(1)の中心部の燃料濃度が高くなるようにして発電
性能の向上を図ると同時に、燃料及び空気がインターコ
ネク(12)の拡散通路(12b)を通過する間に殆ど消
費されるようにして、燃料の利用率への影響が殆どな
く、しかも外周からの放出ガスの燃焼による温度上昇が
殆ど問題にならないようにして、所謂外側ガスシールレ
ス構造としたものである。即ちガスシールを、中心に設
けた燃料及び酸化剤供給パイプ(13)と、単電池
(1)とその他の構成材間のみに限定できるようにし
て、従来のような外周を含むほぼ完全なシールの必要を
なくして製造を著しく容易としたものである。またガス
シール材(10)よる各構成機の連結固定に当たって、
各構成材の熱膨張係数の差にもとづくトラブルを少なく
して、構成材の使用の自由度を大きくしたものである。Further, the supply and discharge of the fuel and the oxidizing agent are not performed at two opposing and separated points near the periphery of the unit cell (1) as described above with reference to FIG. As shown in the sectional view, the gas supply unit (1) of the interconnector (12) is connected to the pipe (03) provided at the center of the unit cell (1) and other components as described above with reference to FIG.
The length, width, shape, etc. of the diffusion passage (12b) are adjusted so that the concentration of the supply gas becomes thinner toward the outer periphery of the cell (1) and then discharged to the outside. It is in consideration of this. This improves the power generation performance by increasing the fuel concentration in the center of the unit cell (1), and at the same time as the fuel and air pass through the diffusion passage (12b) of the interconnect (12). A so-called outer gas sealless structure is adopted so that the fuel is almost consumed, there is almost no influence on the fuel utilization rate, and the temperature rise due to the combustion of the gas released from the outer periphery is hardly a problem. . That is, the gas seal can be limited only between the fuel and oxidant supply pipe (13) provided at the center and the unit cell (1) and other components, so that a substantially complete seal including the outer periphery as in the conventional case is obtained. The production is remarkably facilitated by eliminating the need for In connecting and fixing each component machine by the gas seal material (10),
This is to reduce the trouble caused by the difference between the thermal expansion coefficients of the components and increase the degree of freedom in using the components.
【0008】また更に中心部からの燃料及び空気の供
給システムにより、その供給ガス温度の低下を図って、
従来のように加熱装置により約1000℃の動作温度ま
で加熱供給する困難の解決を図り、実用化を大きく前進
した点にある。即ち本発明のように発電部の中心から外
周に向けて燃料及び酸化剤を流してガス濃度が中心にお
いて高く、外周方向に行くに伴い希薄となるようにすれ
ば、温度は中心か最も高く外周方向に行くに伴い低い分
布となり、中心部の温度は1000℃以上の高温となる。従
って熱バランスを保つためには何等かの対策が必要とな
る。本発明では欠点とも云える上記の点を逆用して、濃
度差にもとづくジュール熱により燃料及び酸化剤を加熱
するようにして、実用化の困難な高温供給を回避できる
ようにしたものである。このようにして、円盤積層固体
電解質型燃料電池のもつ諸問題点の解決を因って、その
実用化を促進しうるようにしたものである。次に本発明
の実施例について説明する。Further, the temperature of the supplied gas is reduced by a fuel and air supply system from the center,
It is a point of solving the difficulty of heating and supplying to an operating temperature of about 1000 ° C. by a heating device as in the prior art, and has greatly advanced practical use. That is, as in the present invention, if the gas concentration is high at the center by flowing the fuel and the oxidant from the center of the power generation unit toward the outer periphery, and the gas concentration becomes leaner toward the outer periphery, the temperature is the highest at the center or the outer periphery. The distribution becomes lower as going in the direction, and the temperature at the center becomes higher than 1000 ° C. Therefore, some measures are required to maintain the heat balance. In the present invention, by reversing the above-mentioned point, which is a drawback, the fuel and the oxidant are heated by Joule heat based on the concentration difference, so that high-temperature supply which is difficult to put into practical use can be avoided. . In this manner, the practical application of the disk-stacked solid oxide fuel cell can be promoted by solving the problems of the various problems. Next, examples of the present invention will be described.
【0009】[0009]
【実施例】第5図、第6図、第7図は、本発明の一実施例
図を示し、このうち第5図は分解斜視図、第6図はインタ
ーコネクタの平面図、第7図(a),(b)は燃料及び酸
化剤供給パイプの断面図、第8図は断面組立図であっ
て、第1図、第2図と同一符号部分は同等部分を示す。第
5図において(1A)(1B)は単電池、(1a)はその固体
電解質であって、別えばイットリア安定化ジルコニアや
イットリア部分安定化ジルコニアなどにより作られる。
(1b)は正電極であって、例えばストロンチウムまたは
マグネシウムをドープしたランタンマンガネートにより
作られる.(1c)は負電極であって、例えばニッケルジ
ルコニアサーメットにより作られる。そして、この単電
池(1A)(1B)の中心には、同一径をもつ長円状のパイ
プ貫通孔(1d)を備える。(2)はセパレータであっ
て、ストロンチウムまたはマグネシウムをドープしたラ
ンタアンクロマイト、もしくはインコネル等のニッケル
クロム合金によって作られ、その中心には前記単電池
(1A)(1B)のパイプ貫通孔と同一大きさ形状の長円状
のパイプ貫通孔(2a)を有する。(12A)(12B)(12
C)(12D)は本究明の要部である第1,第2,第3,第4
のインターコネクタであって、例えばセパレータ(2)
と同一材料で作られ、そのそれぞれの中心には第6図を
用いて前記したように単電池のパイプ貫通孔の径より大
きい円形のガス供給部(12a)とそれぞれ同じ通路長を
もったジグザグ状拡散通路(12b)をもち、ガス供給部
(12a)と外周とを接続する。(4)は上蓋、(5)は下
蓋であって、その中心には前記単電池に設けたパイプ貫
通孔と同一寸法の長円状のパイプ貫通孔(4a)と(5a)
を有する。FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7 show one embodiment of the present invention. FIG. 5 is an exploded perspective view, FIG. 6 is a plan view of an interconnector, and FIG. (A) and (b) are cross-sectional views of the fuel and oxidant supply pipes, and FIG. 8 is an assembled cross-sectional view, in which the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2 denote equivalent parts. No.
In FIG. 5, (1A) and (1B) are unit cells, and (1a) is a solid electrolyte thereof, which is made of yttria-stabilized zirconia or yttria partially stabilized zirconia, for example.
(1b) is a positive electrode, for example, made of strontium or magnesium doped lanthanum manganate. (1c) is a negative electrode, which is made of, for example, nickel zirconia cermet. An oval pipe through-hole (1d) having the same diameter is provided at the center of the unit cells (1A) (1B). (2) is a separator made of lanthanum chromium doped with strontium or magnesium, or a nickel chromium alloy such as Inconel, the center of which is the same size as the pipe through hole of the unit cells (1A) and (1B). It has an elliptical pipe through hole (2a). (12A) (12B) (12
C) (12D) is the first, second, third, and fourth parts of this investigation.
Interconnector, for example, a separator (2)
The center of each of them has a zigzag with the same passage length as the circular gas supply part (12a) larger than the diameter of the cell through-hole as described above with reference to FIG. The gas supply part (12a) has an annular diffusion passage (12b) and is connected to the outer periphery. (4) is an upper lid, (5) is a lower lid, and at the center thereof, oval pipe through-holes (4a) and (5a) having the same dimensions as the pipe through-hole provided in the cell.
Having.
【0010】次に、(13)は燃料と酸化剤の供給パイ
プであって、ここには上端が閉塞の燃料供給流路(13
a)と、下端が閉塞された空気供給流路(13b)とを有す
る。また燃料供給流路(13a)には第7図(a)(b)に示
すパイプの断面図のように燃料の供給空間の間隔に応じ
た間隔をおいてパイプ(13)を貫通するように設け
た、1乃至放射状に設けた複数個の燃料供給口(13al)
を有し、空気供給流路(13b)には空気の供給空間め間
隔に応じた間隔をおいて、パイプ(13)を貫通して設
けた1乃至放射状に設けた空気供給路(13bl)を有す
る。[0010] Next, (13) is a fuel and oxidant supply pipe, in which a fuel supply flow path (13
a) and an air supply channel (13b) whose lower end is closed. Also, as shown in the sectional views of the pipes shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), the fuel supply passage (13a) penetrates the pipe (13) at intervals corresponding to the interval of the fuel supply space. A plurality of fuel supply ports (13al) provided 1 to radially provided
The air supply flow path (13b) is provided with 1 to radially provided air supply paths (13bl) provided through the pipe (13) at intervals corresponding to the air supply space. Have.
【0011】そして、以上の各部は次のように組立られ
る。先ず下蓋(5)の長円状貫通孔(5a)内に供給パイ
プ(13)を挿通して、第8図のように下蓋(5)とパイ
プ(13)間をニッケル合金などのシール材にガスシー
ル(10)したのち、パイプ(13)に第4インターコ
ネクタ(12D)をその中心のガス供給部(12a)を差込ん
で重ね合わせて、併給パイプ(13)の燃料供給路(13
a)が、第8図のように第4インターコネクタ(12D)のガ
ス供給部(12a)部分に開口するようにする。次にパイ
プ貫通孔(1d)をパイプ(13)に差込むことにより、
第4インターコネクタ(12 D)上に第2単電池(1B)を
重ね合わせたのち、ガス供給部(12a)をパイプ(1
3)に差込んで、第3インターコネクタ(12C)を第2単
電池(1B)上に重ね合わせる。そしてパイプ(13)と
第2単電池(1B)間をガスシール(13)し、かつ、こ
の第3インターコネクタ(12C)のガス洪給部(12a)に
空気供給路(13bl)が開口するようにする。そして、更
に第3インターコネクタ(12C)上にセパレータ(2)を
重ね合わせたのち、以下同一要領により第2インターコ
ネクタ(12B)のガス供給部(12a)に燃料供給路(13a
l)が開口し、第1インターコネクタ(12A)のガス供給
部(12a)に空気供給路(13bl)が開口するように、第2
インターコネクタ(12B)、第1単電池(1A)第1インタ
ーコネクタ(12A)、上蓋(4)の順序でガスシール(1
0)しながら重ね合わせて第8図のように構成する。そ
して、下蓋(5)外に露呈したパイプ(13)の燃料供
給流路(13a)に燃料例えば所要温度に加熱された水素H
2を供給して、その燃料供給路(13al)により、第4イン
ターコネクタ(12D)によって下蓋(5)と第2単電池(1
B)間に形成されるジグザグ状拡散通路(12b)と、第2
インターコネクタ(12B)によってセパレータ(2)と第
1単電池(1A)間に形成されるジグザグ状拡散通路(12
b)に送りこむ。また一方上蓋(4)外に突出したパイプ
(13)の酸化剤洪給通路(13b)に酸化剤例えば所要温
度に加熱された空気を供給し、その供給路(13al)によ
り第3インターコネク夕(12C)によって第2単電池とセ
パレータ(2)間に形成されるジグザグ状拡散通路(12
b)と、第1インターコネクタによって第1単電池(1A)
と上蓋間に形成されるジグザグ状拡散通路(12b)に送
りこんで発電する。The above components are assembled as follows. First, the supply pipe (13) is inserted into the oval through hole (5a) of the lower lid (5), and a seal made of a nickel alloy or the like is provided between the lower lid (5) and the pipe (13) as shown in FIG. After the material is gas-sealed (10), the fourth interconnector (12D) is inserted into the pipe (13) with the gas supply part (12a) at the center thereof inserted and overlapped, and the fuel supply path ( 13
a) is opened to the gas supply portion (12a) of the fourth interconnector (12D) as shown in FIG. Next, by inserting the pipe through hole (1d) into the pipe (13),
After stacking the second cell (1B) on the fourth interconnector (12D), connect the gas supply unit (12a) to the pipe (1D).
3) Insert the third interconnector (12C) on the second cell (1B). Then, a gas seal (13) is provided between the pipe (13) and the second cell (1B), and an air supply path (13bl) opens in the gas flooding section (12a) of the third interconnector (12C). To do. Then, after the separator (2) is further overlapped on the third interconnector (12C), the fuel supply path (13a) is connected to the gas supply section (12a) of the second interconnector (12B) in the same manner.
l) is opened and the air supply passage (13bl) is opened in the gas supply part (12a) of the first interconnector (12A).
Gas seal (1) in the order of interconnector (12B), first cell (1A), first interconnector (12A), top lid (4)
0) and superimposed to form a structure as shown in FIG. The fuel, for example, hydrogen H heated to a required temperature, is supplied to the fuel supply passage (13a) of the pipe (13) exposed outside the lower lid (5).
2 and the lower lid (5) and the second cell (1) are connected by the fourth interconnector (12D) through the fuel supply path (13al).
B) a zigzag diffusion passage (12b) formed between
Separator (2) and second by interconnector (12B)
A zigzag diffusion path formed between one cell (1A) (12
b). Also, an oxidant, for example, air heated to a required temperature is supplied to the oxidant supply passage (13b) of the pipe (13) projecting out of the upper lid (4), and the third interconnector is supplied through the supply passage (13al). (12C), a zigzag diffusion passage (12) formed between the second cell and the separator (2).
b) and the first cell (1A) by the first interconnector
It is sent to a zigzag diffusion passage (12b) formed between the upper lid and the upper lid to generate power.
【0012】なお以上においてはインクコネクタのガス
拡散通路(12b)をジグザグ状とした例について説明し
たが渦巻き状でもよく、また単電池の機械的強度の補強
力を有し、しかも電池全面へのガスの拡散と電池の広い
面積に亘る集電がよく行われるものであれば、他の通路
形状或いは材質を用いて形成できる。インターコネクタ
に気孔率の高い(60%好ましくは80%以上)発泡体ない
しはフェルト体を用いることにより、セパレータと電極
の間の通電経路を増加させて内部抵抗を減少させ、しか
も多孔質体がガスを分散させる作用をなすのでガス分散
効率を向上させうる。しかし、このままではガス供給部
より短絡的にガス排出口に向かってガスが流れるので、
電極全面にガスが均等に行きわたらないおそれがある。
そのためには例えば、多孔質円盤体と、ガス流の邪魔板
となる前記したジグザグ状のガス拡散通路と併用する。In the above description, an example in which the gas diffusion passage (12b) of the ink connector has a zigzag shape has been described. However, the gas diffusion passage may have a spiral shape. As long as gas diffusion and current collection over a wide area of the battery are performed well, it can be formed using other channel shapes or materials. By using a foam or felt having a high porosity (60%, preferably 80% or more) for the interconnector, the current path between the separator and the electrode is increased to reduce the internal resistance, and the porous body is made of gas. Since it has the function of dispersing the gas, the gas dispersion efficiency can be improved. However, in this state, the gas flows from the gas supply section to the gas outlet in a short-circuit,
There is a possibility that gas may not evenly spread over the entire surface of the electrode.
For this purpose, for example, a porous disk and the above-mentioned zigzag gas diffusion passage serving as a gas flow baffle are used in combination.
【0013】[0013]
【発明の効果】以上のように本発明ではインターコネク
タを中心から外周に向かう渦巻き状としているので、
燃料と酸化剤を単電池の広い面積においてよく接触させ
ることができ、しかも従来より遥かに広い面積に亘って
集電できる。また支持体としての役割りを果たして面積
の増大が容易であるので、体積当たりの実効電極面積を
容易に拡散して出力密度を増大しうる。これに加えて
本発明のインターコネククは板の打抜きにより形成でき
るので製作が容易であり、しかも盤状であるのでコスト
の安いドクターブレード法などの湿式法により製造でき
る。また本発明では電池の中心部から燃料ならびに酸化
剤を供給し、外周部から排出するようにして燃料と酸化
剤の濃度差による発電性能の差にもとづくジュール熱を
利用して供給ガスを加熱するようにしている.従って、
現状では技術的に困難なガスの高温供給を考える必要
がなく、しかも、積層後、電解質とインターコネク
タ,インターコネクタとセパレータ間など外周部のガス
シールの必要がない。従って製作条件が大きく緩和され
低いコスト化を期待できる。 またシール材を用いて
異種材による各構成部材を固定する部分が中央のみです
むので、熱膨張の異なる材料を使い易いなど、従来の問
題点を解決した円盤積層固体電解質型燃料電池が提供が
可能となり電力供給源としての性能向上に大きく寄与で
きる.As described above, in the present invention, the interconnector is formed in a spiral shape from the center to the outer periphery.
The fuel and the oxidant can be brought into good contact with each other over a large area of the cell, and current can be collected over a much larger area than before. In addition, since the area can be easily increased by serving as a support, the effective electrode area per volume can be easily diffused to increase the output density. In addition, since the interconnect of the present invention can be formed by punching a plate, it is easy to manufacture, and since it is disk-shaped, it can be manufactured by a low-cost wet method such as a doctor blade method. In the present invention, fuel and oxidant are supplied from the center of the battery and discharged from the outer periphery, and the supply gas is heated using Joule heat based on a difference in power generation performance due to a difference in concentration between the fuel and the oxidant. I am doing it. Therefore,
At present, there is no need to consider the technically difficult high-temperature supply of gas, and further, after lamination, there is no need to provide a gas seal at the outer peripheral portion such as between the electrolyte and the interconnector or between the interconnector and the separator. Therefore, the manufacturing conditions are greatly relaxed, and low cost can be expected. In addition, since only a central portion is required to fix each component made of a different material using a sealing material, it is possible to provide a disk-stacked solid electrolyte fuel cell that solves the conventional problems such as easy use of materials having different thermal expansions. This will make it possible to greatly improve the performance as a power supply source.
【図1】従来装置の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a conventional device.
【図2】従来装置の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a conventional device.
【図3】燃料電池の発電原理図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of power generation by a fuel cell.
【図4】円筒型燃料電池の説明図である。FIG. 4 is an explanatory view of a cylindrical fuel cell.
【図5】本発明の一実施例の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.
【図6】本発明の一実施例の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.
【図7】本発明の一実施例の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.
【図8】本発明の一実施例の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.
(1A)(1B) 単電池 (1a) 固体電解質 (1b) 正電極 (1c) 負電極 (1d) パイプ貫通孔 (2) セパレータ (3A)(3B)(3C)(3D) 第1,第2,第3、第4イン
ターコネクタ (4) 上蓋 (4a) パイプ貫通孔 (5) 下蓋 (5a) パイプ貫通孔 (6) 燃料供給パイプ、 (6a) 供給口 (7) 燃料排出パイプ (7a) 排出口 (8) 酸化剤供給パイプ (8a) 供給口 (9) 酸化剤排出パイプ (9a) 排出口 (10) ガスシール材 (11a) 支持チューブ (11b) 負電極 (11c) 電解質 (11d) 正電極 (11e) インターコネクタ (12A)(12B)(12C)(12D)(12) 第1,第2,第
3,第4インターコネクタ (12a) ガス供給部 (12b) ジグザグ状拡散通路 (13) 燃料及び酸化剤供給パイプ (13a) 燃料供給流路 (13al) 供給路、 (13b) 酸化剤供給流路 (13bl) 供給路、(1A) (1B) Single cell (1a) Solid electrolyte (1b) Positive electrode (1c) Negative electrode (1d) Pipe through hole (2) Separator (3A) (3B) (3C) (3D) First and second , 3rd, 4th interconnector (4) Upper lid (4a) Pipe through hole (5) Lower lid (5a) Pipe through hole (6) Fuel supply pipe, (6a) Supply port (7) Fuel discharge pipe (7a) Discharge port (8) Oxidant supply pipe (8a) Supply port (9) Oxidant discharge pipe (9a) Discharge port (10) Gas seal material (11a) Support tube (11b) Negative electrode (11c) Electrolyte (11d) Positive Electrode (11e) Interconnector (12A) (12B) (12C) (12D) (12) First, Second, Second
Third and fourth interconnectors (12a) Gas supply part (12b) Zigzag diffusion passage (13) Fuel and oxidant supply pipe (13a) Fuel supply passage (13al) Supply passage, (13b) Oxidant supply passage ( 13bl) supply channel,
Claims (1)
置し、他面に負電極物質を配置した単電池を、中心に設
けたガス供給部と、これと連通し外周部において開口す
る拡散通路を備えた燃料ガス及び酸化剤ガス拡散通路を
有するインターコネク夕により挟んで円盤状セパレータ
を介して上蓋と下蓋間に積層する円盤積層固体電解質型
燃料電池において、インターコネクタが80%以上の気
孔率の発泡体ないしフエルト体であり、積層体の中心部
には前記正電極側のインターコネクタのガス供給部に連
通する燃料ガス供給路と、負電極側のインターコネクタ
のガス供給部にそれぞれ連通する酸化剤ガス供給路とを
設け、燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路は、それぞ
れ円周方向にジグザグ状に進行する複数の拡散通路を
有するものであって、燃料ガス及び酸化剤ガスの拡散通
路の円の中心部にある拡散通路の濃度が高く、外周に至
るに従い濃度が低くなるように、燃料ガス及び酸化性ガ
スを正電極側及び負電極側インターコネクタのガス拡散
通路に流すようにし、外周部より排出することを特徽と
する円盤積層固体電解質型燃料電池。1. A unit cell in which a positive electrode substance is disposed on one side of a disc-shaped solid electrolyte and a negative electrode substance is disposed on the other side, and a gas supply part provided at the center and an opening communicate with the gas supply part at the outer peripheral part. In a disk-stacked solid electrolyte fuel cell in which fuel gas and oxidant gas diffusion passages are provided and interconnects are interposed between the upper lid and the lower lid with a disk-shaped separator interposed therebetween, the interconnectors have an interconnector of 80% or more. In the center of the laminate, a fuel gas supply path communicating with the gas supply section of the interconnector on the positive electrode side and a gas supply section of the interconnector on the negative electrode side are provided. An oxidizing gas supply passage communicating with each of the oxidizing gas supply passages is provided, and the fuel gas supply passage and the oxidizing gas supply passage each include a plurality of diffusion passages that progress in a zigzag shape in the circumferential direction.
The fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the positive electrode side such that the concentration of the diffusion passage at the center of the circle of the diffusion passage of the fuel gas and the oxidizing gas is high, and the concentration decreases toward the outer periphery. And a disk-stacked solid electrolyte fuel cell characterized by flowing through the gas diffusion passage of the negative electrode side interconnector and discharging from the outer peripheral portion.
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1998
- 1998-12-04 JP JP34476398A patent/JP3153901B2/en not_active Expired - Lifetime
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