CN100514736C - 固体氧化物型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结构简单且能实现燃料气体再循环的固体氧化物型燃料电池。将圆板型电池单元(1)及圆板型分离器(2)交替层叠构成电池堆(10)，将该电池堆(10)容纳在壳体(11)中。该固体氧化物型燃料电池设有：燃料供给部(12)，其贯通壳体(11)的上部壁中央部，将燃料供给到电池堆(10)中央部；空气供给部(13)，其贯通壳体(11)的下部壁中央部，将空气供给到电池堆(10)的中央部；燃料送出部(14)，其贯通壳体(11)的下部壁中央部，将发电后的燃料从电池堆(10)的中央部送出；以及排气送出部(15)，其贯通壳体(11)下部壁的周缘部，将发电后燃料与空气混合并燃烧所排出的气体送出。还设置有将从燃料送出部(14)送出的发电后的燃料与新供给的燃料混合的再循环部(16)。

Description

固体氧化物型燃料电池
技术领域
本发明涉及固体氧化物型燃料电池，该固体氧化物型燃料电池通过将多个电池单元集合起来构成电池堆，并构成为发电后残留的燃料与空气相接触。
背景技术
以往，在固体氧化物型燃料电池当中公知了，平板型电池具有发电的功率密度高的特征。
此外，作为减少密封部的同时将平板型电池单元紧凑地配置而形成电池组的方法，公知有将圆板型的平板电池单元与分离器一起层叠，对圆板周围不进行密封，在电池外周将反应后残留的燃料气体和含有氧化剂的气体混合进行燃烧(参照专利文献1)。
专利文献1所述的燃料电池，贯通电池单元中央部来供给燃料和空气，使燃料和空气从电池单元中央部流向外周进行发电，在外周部将发电后残留的燃料和空气混合进行燃烧。
此外，还公知有使发电后残留的燃料与空气不混合的结构(专利文献2)。
专利文献1：日本特开平6-290798号公报
专利文献2：日本特开平11-233129号公报
然而，专利文献1所述的燃料电池，由于发电后残留的燃料和空气是在电池单元的外周混合并进行燃烧的，虽然可以通过燃料气体的再循环来实现水蒸气的再利用和发电效率的提高，但是，具有在这样的结构中不可能实现的问题。在外周无密封的平板型燃料电池中，关于使燃料气体再循环的具体结构没有任何提案。
与此相对，在采用外周部具有密封部的结构的情况下，当密封长度变长时，为了缓和应力而使密封结构变得复杂，出现了可靠性降低、成本增高、形状大型化以及伴随大型化带来的热量损失增加等问题。如果考虑这些缺陷而省略密封时，则导致燃料气体不可能再循环的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题提出的，其目的在于提供一种结构简单且能实现燃料气体再循环的固体氧化物型燃料电池。
方案1的固体氧化物型燃料电池，通过将多个电池单元集合在一起构成电池堆(stack)，利用燃料和氧化剂发电，发电后残留的燃料与空气接触，其中，该固体氧化物型燃料电池包括：使发电后残留燃料的一部分在与空气接触之前分流给每个电池单元的分流装置；以及使被分流的燃料在燃料供给线中再循环的再循环流路。
在这种情况下，既能将结构维持为简单的外周无密封型电池堆的结构，又能借助于燃料气体的再循环来实现水蒸气的再利用和效率的提高。
方案2的固体氧化物型燃料电池，将平板型电池单元及分离器交替层叠构成电池堆，该电池堆构成为：在其外周的至少一部分上不设置密封件，将发电后残留的燃料与含有氧化剂的气体混合进行燃烧，并且将发电后的残留燃料气体的一部分从与电池堆内部的电池单元相面对的燃料气体通路的下游部分流给每个电池单元，并在燃料供给线中再循环。
在这种情况下，既能将结构维持为简单的外周无密封型电池堆的结构，又能借助于燃料气体的再循环来实现水蒸气的再利用和效率的提高。
方案3的固体氧化物型燃料电池包括：将燃料气体和含有氧化剂的气体供给电池单元中心附近用的、横穿各电池单元的通路；将被分流的发电后的残留燃料气体引导至电池单元中心附近的分离器内通路；以及将导入电池单元中心附近的残留燃料气体供给到再循环回路用的、横穿电池单元中心附近的通路。
在这种情况下，以横穿电池单元的岐管方式，通过将该岐管部保持在电池单元的中心附近，利用电池单元外周部岐管来供给燃料气体、含氧化剂气体，实现比排出发电后的残留燃料气体的方式更紧凑的结构。
方案4的固体氧化物型燃料电池包括：根据分离器的肋部形状所形成的发电后残留燃料气体的分离器内通路；和分流部，其处于分离器外周部附近，通往发电后残留燃料气体的分离器内通路。
在这种情况下，可用一片板构成分离器，从而使结构简单。
方案5的固体氧化物型燃料电池包括：通过将分离器制成中空结构所形成的发电后残留燃料气体的分离器内通路；以及分流部，其由开设在分离器外周部附近的多个连通孔构成，通往发电后残留燃料气体的分离器内通路。
在这种情况下，通过在电池单元的外周部上分散地配置多个分流用连通孔，从而可实现阳极侧流路内的燃料气体的均匀分布，缩小自设置在外周部上的各分流孔到电池单元中心附近的排出部的距离之差，因此缩小压力损失的差，使面内的气体流量分布均匀化。
方案6的固体氧化物型燃料电池包括燃料气体通路、发电后残留燃料气体通路及空气通路，这些通路是通过将同心圆状的肋部和在肋顶设有凹部的分离器组合两层所形成的。
在这种情况下，由于分离器可以兼作连接器，所以减少了零部件数目，因电池堆厚度的降低而实现了紧凑化，紧凑化又促成了热量损失的降低。
方案7的固体氧化物型燃料电池包括燃料气体通路、发电后残留燃料气体通路及空气通路，这些通路是通过将同心圆状的肋部、在肋部上设有多个孔或横穿肋顶的切槽或两者都具有的集电板以及分离器板组合起来所形成的。
在这种情况下，由于不需要使集电板具有流路的分离功能，所以，可以自由地选择孔和切槽等的形状，可以实现热应力的缓和与集电性能的提高，并且可明显改善流量分布。
方案8的固体氧化物型燃料电池，作为分离器具有这样的形状：与半径方向的气流阻力相比，沿着圆周的气流阻力更小。
在这种情况下，借助于沿着圆周的流动来补偿燃料向电池单元供给的平衡，能得到尽可能均匀的燃料气体的面内分布。
发明的效果
方案1的发明，获得下述特有效果是：既能将结构维持为简单的外周无密封型电池堆的结构，又能借助于燃料气体的再循环实现水蒸气的再利用和效率的提高。
方案2的发明，获得的特有效果是：既能将结构维持为简单的外周无密封型电池堆的结构，又能借助于燃料气体的再循环实现水蒸气的再利用和效率的提高。
方案3的发明，获得的特有效果是：通过电池单元外周部岐管来供给燃料气体、含氧化剂气体，实现比排出发电后残留的燃料气体的方式更紧凑的结构。
方案4的发明，获得可使结构简单的特有效果。
方案5的发明，获得可缩小压力损失的差，使面内的气体流量分布均匀化的特有效果。
方案6的发明，获得通过堆厚度的降低而实现了紧凑化、紧凑化又促成了热量损失的降低的特有效果。
方案7的发明，获得的特有效果是：可以自由地选择孔和切槽等的形状，可以实现热应力的缓和与集电性能的提高，并且可明显地改善流量分布。
方案8的发明，获得的特有效果是：借助于沿着圆周的流动来补偿燃料向电池单元供给的平衡，能够得到尽可能均匀的燃料气体的面内分布。
附图说明
图1是表示本发明的固体氧化物型燃料电池的一个实施形式的纵剖面图。
图2是沿图1中A-A线的剖面图。
图3是表示本发明固体氧化物型燃料电池的另一实施形式的纵剖面图。
图4是表示本发明固体氧化物型燃料电池的再一实施形式的纵剖面图。
图5是沿图4中A-A线的剖面图。
图6是表示本发明固体氧化物型燃料电池的再一实施形式的纵剖面图。
图7是沿图6中A-A线的剖面图。
图8是表示在图6、图7的固体氧化物型燃料电池中所采用的分离器结构的一个例子的局部立体图。
图9是表示在图6、图7的固体氧化物型燃料电池中所采用的分离器结构的另一个例子的局部立体图。
符号说明
1：电池单元
2：分离器
2F：空气导向流路
2G：燃料导向流路
2H：发电后燃料导向流路
10：电池堆
14：燃料送出部
21、22：分离部件
21A、22A：肋部
23：分离部件
23A：肋部
具体实施方式
下面，参照附图，详细说明本发明的固体氧化物型燃料电池的实施形式。
图1是表示本发明固体氧化物型燃料电池的一个实施形式的纵剖面图，图2是沿图1中A-A线的剖面图。
该固体氧化物型燃料电池是将电池堆10容纳在壳体11中而构成的，该电池堆10由将圆板型电池单元1与圆板型分离器2交替层叠而构成。
此外，该固体氧化物型燃料电池设有：燃料供给部12，其贯通壳体11的上部壁的中央部，用于将燃料供给到电池堆10的中央部；空气供给部13，其贯通壳体11的下部壁中央部，用于将空气供给到电池堆10的中央部；燃料送出部14，其贯通壳体11的下部壁中央部，用于将发电后的燃料从电池堆10的中央部送出；以及排气送出部15，其贯通壳体11下部壁的周缘部，用于将发电后的燃料与空气混合并进行燃烧所排出的气体送出。
此外，该固体氧化物型燃料电池设有再循环部16，该再循环部16将从燃料送出部14送出的发电后的燃料与新供给的燃料混合。
进一步，分离器2的中央部是供燃料供给部12、空气供给部13及燃料送出部14贯通的岐管部2A，在围绕该岐管部2A的反应部的两个主面上分别设有多个圆弧状的引导叶片2B、2C。
还有，在分离器2的周缘部上设有：将发电后的燃料分流的分流部2D；以及将发电后的燃料从该分流部向燃料送出部14输送的流路2E。
另外，由于燃料电池的发电动作是以往公知的技术，所以省略其详细说明。
因此，在这种情况下，既能将结构维持为简单的外周无密封型电池堆的结构，又能借助于燃料气体的再循环来实现水蒸气的再利用和效率的提高。
图3是表示本发明固体氧化物型燃料电池的另一实施形式的纵剖面图。
该固体氧化物型燃料电池是将电池堆10容纳在壳体11中而构成的，该电池堆10通过将圆板型电池单元1与圆板型分离器2交替层叠而构成。
此外，该固体氧化物型燃料电池设有：燃料供给部12，其贯通壳体11的上部壁的周缘部，用于将燃料供给到电池堆10的周缘部；空气供给部13，其贯通壳体11的上部壁的周缘部，用于将空气供给到电池堆10的周缘部；燃料送出部14，其贯通壳体11的下部壁的周缘部，用于将发电后的燃料从电池堆10的周缘部送出；以及排气送出部15，其贯通壳体11的下部壁周缘部，用于将发电后的燃料与空气混合进行燃烧所排出的气体送出。
此外，该固体氧化物型燃料电池设有再循环部16，该再循环部16将从燃料送出部14送出的发电后的燃料与新供给的燃料混合。
在上述分离器2中设有：将由空气供给部13供给的空气引导至分离器2的中央部下方的空气导向流路2F；将从燃料供给部12供给的燃料引导至分离器2的中央部上方的燃料导向流路2G；以及将发电后的燃料的一部分从分离器2的周缘部上方引导至燃料送出部14的发电后燃料导向流路2H。
另外，由于燃料电池的发电动作是以往的公知技术，所以，省略其详细说明。
因此，在这种情况下，既能将结构维持为简单的外周无密封型的电池堆结构，又能借助于燃料气体的再循环来实现水蒸气的再利用和效率的提高。
图4是表示本发明固体氧化物型燃料电池的再一实施形式的纵剖面图，图5是沿图4中A-A线的剖面图。
该固体氧化物型燃料电池是将电池堆10容纳在壳体11中而构成的，该电池堆10通过将圆板型电池单元1与圆板型分离器2交替层叠而构成。
此外，该固体氧化物型燃料电池设有：燃料供给部12，其贯通壳体11的上部壁的中央部，用于将燃料供给到电池堆10的中央部；空气供给部13，其贯通壳体11的下部壁的中央部，用于将空气供给到电池堆10的中央部；燃料送出部14，其贯通壳体11的下部壁的中央部，用于将发电后的燃料从电池堆10的中央部送出；以及排气送出部15，其贯通壳体11下部壁的周缘部，用于将发电后的燃料与空气混合进行燃烧所排出的气体送出。
此外，该固体氧化物型燃料电池设有再循环部16，该再循环部16将从燃料送出部14送出的发电后的燃料与新供给的燃料混合。
进一步，分离器2的中央部是供燃料供给部12、空气供给部13及燃料送出部14贯通的岐管部2A，围绕该岐管部2A形成有反应部。
再者，该固体氧化物型燃料电池设有将发电后的燃料的一部分从分离器2的周缘部上方导引至燃料送出部14的发电后燃料导向流路2H。
另外，由于燃料电池的发电动作是以往的公知技术，所以，省略其详细说明。
因此，在这种情况下，可实现结构简单化。
图6是表示本发明固体氧化物型燃料电池的再一实施形式的纵剖面图，图7是沿图6中A-A线的剖面图。
该固体氧化物型燃料电池是将电池堆10容纳在壳体11中而构成的，该电池堆10通过将圆板型电池单元1与圆板型分离器2交替层叠而构成。
此外，该固体氧化物型燃料电池设有：燃料供给部12，其贯通壳体11的上部壁的中央部，用于将燃料供给到电池堆10的中央部；空气供给部13，其贯通壳体11的上部壁的中央部，用于将空气供给到电池堆10的中央部；燃料送出部14，其贯通壳体11的下部壁的中央部，用于将发电后的燃料从电池堆10的中央部送出；以及排气送出部15，其贯通壳体11的下部壁的周缘部，用于将发电后的燃料与空气混合进行燃烧所排出的气体送出。
此外，该固体氧化物型燃料电池设置有再循环部16，该再循环部16将从燃料送出部14送出的发电后的燃料与新供给的燃料混合。
进一步，分离器2的中央部是供燃料供给部12、空气供给部13及燃料送出部14贯通的岐管部2A，围绕该岐管部2A形成有反应部。
再者，该固体氧化物型燃料电池设有，将发电后的燃料的一部分从分离器2的周缘部上方导引至燃料送出部14的发电后燃料导向流路。
另外，由于燃料电池的发电动作是以往的公知技术，所以，省略其详细说明。
因此，在这种情况下，可使结构简单。
图8是在图6、图7的固体氧化物型燃料电池中所采用的分离器2构成的一个例子的局部立体图。
该分离器2是将具有向上弯曲形成的多个同心圆状肋部21A的第1分离部件21与具有向下弯曲形成的多个同心圆状肋部22A的第2分离部件22一体化的分离器，通过在肋顶形成凹部21B、在两个分离部件配合部形成凹部22B，形成分别引导新的供给燃料、空气、发电后的燃料的导向流路。
在这种情况下，由于分离器兼作连接器，所以减少了零部件数目，因电池堆厚度的降低而实现了紧凑化，紧凑化又促成了热量损失的降低。
图9是表示在图6、图7的固体氧化物型燃料电池中所采用的分离器2构成的再一个例子的局部立体图。
该分离器2通过将具有向上弯曲形成且形成有小直径的孔23B的多个同心圆状肋部23A的分离部件(集电板)23与分离器板24交替层叠一体化，形成分别引导新供给的燃料、空气、发电后的燃料的导向流路。
在这种情况下，由于不需要使集电板具有流路的分离功能，所以，可以自由地选择孔或切槽等的形状，可以实现热应力的缓和与集电性能的提高，并且可明显改善流量分布。

Claims (7)

1.一种固体氧化物型燃料电池，
该固体氧化物型燃料电池构成为：多个电池单元集合在一起构成电池堆，利用燃料和氧化剂发电，发电后残留的燃料与空气接触，其特征在于，
该固体氧化物型燃料电池包括：
使发电后残留燃料的一部分在与空气接触之前分流给每个电池单元的分流装置；以及
使被分流的燃料在燃料供给线中再循环的再循环流路。
2.一种固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
将平板型电池单元及分离器交替层叠构成电池堆，
该电池堆构成为：在其外周的至少一部分上不设置密封件，将发电后残留的燃料与含有氧化剂的气体混合进行燃烧，并且将发电后的残留燃料气体的一部分从与电池堆内部的电池单元相面对的燃料气体通路的下游部分流给每个电池单元，并在燃料供给线中再循环。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
该固体氧化物型燃料电池包括：
将燃料气体和含有氧化剂的气体供给电池单元中心附近用的、横穿各电池单元的通路；
将被分流的发电后残留燃料气体引导至电池单元中心附近的分离器内通路；以及
将导入电池单元中心附近的残留燃料气体供给到再循环回路用的、横穿电池单元中心附近的通路。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
该固体氧化物型燃料电池包括：
根据分离器的肋部形状所形成的发电后残留燃料气体的分离器内通路；和
分流部，其处于分离器外周部附近，通往发电后残留燃料气体的分离器内通路。
5.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
该固体氧化物型燃料电池还包括：
通过将分离器制成中空结构所形成的发电后残留燃料气体的分离器内通路；以及
分流部，其由开设在分离器外周部附近的多个连通孔构成，通往发电后残留燃料气体的分离器内通路。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
该固体氧化物型燃料电池包括燃料气体通路、发电后残留燃料气体通路及空气通路，这些通路是通过将同心圆状的肋部和在肋顶设有凹部的分离器组合两层所形成的。
7.根据权利要求5所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
该固体氧化物型燃料电池包括燃料气体通路、发电后残留燃料气体通路及空气通路，这些通路是通过将同心圆状的肋部、在肋部上设有多个孔或横穿肋顶的切槽或两者都具有的集电板以及分离器板组合起来所形成的。
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