JP2002270198A - Fuel cell - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高温作動の固体電
解質型燃料電池に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high temperature operating solid oxide fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】高温作動の固体電解質型燃料電池は、樹
脂が使えない温度以上の温度（たとえば、約３００℃以
上）で作動する燃料電池で、たとえば固体酸化物型燃料
電池（solid oxide fuel cells、SOFCと省略) などを含
む。固体酸化物型燃料電池は、電解質に固体酸化物を使
う燃料電池である。固体酸化物型燃料電池の反応は、水
素、一酸化炭素等の燃料の酸素による酸化反応である。
固体酸化物型燃料電池の基本的な要素は、図６、図７に
示すように、単セル１１を構成する空気極１２、電解質
１３、燃料極１４と、単セルを電気的に直列接続し燃料
と空気を分離するためのインタコネクタ１５の４つであ
る。空気極１２は、気相の酸素が電子と反応して酸素イ
オンになる場である。酸素が電極上に吸着・解離し、電
子と反応場（電極あるいは電極と電解質界面）において
結合し、酸素イオンＯ2-になる。 （空気極） Ｏ2 ＋４ｅ- ＝２Ｏ2- 電解質１３は、空気極から燃料極へ酸素イオンＯ2-を運
ぶ働きをする。空気極において生成する酸素イオンは電
解質に移動し、電解質の酸素空孔と位置を交換しながら
燃料極側に移動する。電解質の材料は酸素イオン導電性
酸化物であって、電子導電性はない。電解質は気相の水
素と酸素を物理的に隔離する。燃料極１４は、水素が酸
素イオンと反応して水蒸気と電子を生成する反応場であ
る。水素は燃料極上に吸着・解離して水素原子になり、
さらに電解質の酸素イオンＯ2-と反応して水になる。 （燃料極） ２Ｈ2 ＋２Ｏ2-＝２Ｈ2 Ｏ＋４ｅ- インタコネクタ１５は、単セルを直列に接続し、燃料と
空気を物理的に隔離する機能を持つ。インタコネクタ１
５は高い電子導電性を有するが、イオン導電性を持たな
い。セルには温度分布が生じる。温度分布が生じる理由
は、ガスを徐熱して入れているが同じ温度で入らないの
で入口側温度はセルで変わること、および、発電時にセ
ル自体が抵抗発熱するが、上流側が燃料が濃いので発熱
が大であり、下流側は燃料が薄くなって発熱が小である
こと、等による。SOFCを家庭用電源や自動車などの移動
体用電源や緊急用電源などに使用する場合は、短時間で
の起動や頻繁な起動停止が要求される。定常作動時の温
度分布より、起動時、昇温時の加熱の温度分布の方が大
きく、この温度分布によってセルに生じる熱応力が問題
となる。従来のSOFCでは、起動時に温度分布が大きくな
らないように、昇温に時間をかけなければならず。実用
に耐えられない。特表平８−５０２６２３に開示されて
いるように、面内方向にセルを４分割して、いわゆる田
圃型と呼ばれるスタック構成をとることが、セルに発生
する熱応力を低減する上で多少は効果があることは知ら
れている。2. Description of the Related Art A solid oxide fuel cell that operates at a high temperature is a fuel cell that operates at a temperature higher than a temperature at which a resin cannot be used (for example, about 300 ° C. or higher), such as a solid oxide fuel cell. , SOFC and abbreviated). A solid oxide fuel cell is a fuel cell that uses a solid oxide as an electrolyte. The reaction of the solid oxide fuel cell is an oxidation reaction of a fuel such as hydrogen or carbon monoxide with oxygen.
As shown in FIGS. 6 and 7, the basic elements of the solid oxide fuel cell are as follows. The air electrode 12, the electrolyte 13, and the fuel electrode 14 constituting the unit cell 11 are electrically connected in series with the unit cell. There are four interconnectors 15 for separating fuel and air. The air electrode 12 is a place where oxygen in the gas phase reacts with electrons to become oxygen ions. Oxygen is adsorbed and dissociated on the electrode, and is combined with the electron in the reaction field (the electrode or the interface between the electrode and the electrolyte) to become oxygen ion O 2− . (Air electrode) O 2 + 4e − = 2O 2− The electrolyte 13 functions to carry oxygen ions O 2− from the air electrode to the fuel electrode. Oxygen ions generated at the air electrode move to the electrolyte and move to the fuel electrode side while exchanging positions with oxygen vacancies in the electrolyte. The material of the electrolyte is an oxygen ion conductive oxide and has no electronic conductivity. The electrolyte physically separates hydrogen and oxygen in the gas phase. The fuel electrode 14 is a reaction field where hydrogen reacts with oxygen ions to generate water vapor and electrons. Hydrogen is adsorbed and dissociated on the fuel electrode to become hydrogen atoms,
Furthermore, it reacts with oxygen ions O 2− of the electrolyte to form water. (Fuel electrode) 2H 2 + 2O 2- = 2H 2 O + 4e - interconnector 15 connects the unit cells in series, with the ability to physically isolate the fuel and air. Interconnector 1
5 has high electronic conductivity but no ionic conductivity. A temperature distribution occurs in the cell. The reason for the temperature distribution is that the gas is gradually heated, but the gas does not enter at the same temperature. This is because the fuel is thin on the downstream side and the heat generation is small. When the SOFC is used as a power source for home use, a power source for a mobile body such as an automobile, an emergency power source, etc., it is required to start up in a short time or frequently start and stop. The heating temperature distribution at the time of startup and temperature rise is larger than the temperature distribution at the time of steady operation, and the thermal stress generated in the cell due to this temperature distribution becomes a problem. In conventional SOFCs, it is necessary to take time to raise the temperature so that the temperature distribution does not increase at startup. Not practical. As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-502623, taking a so-called “field-type” stack configuration by dividing the cell into four in the in-plane direction is a little in terms of reducing the thermal stress generated in the cell. It is known to be effective.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、田圃型スタッ
ク構成のように単にセルを面内方向に縦横それぞれ２列
に分割しても、起動時に急に高温のガスを導入すると、
セル内のガス入口側で温度差が高くなり熱応力でセルが
割れてしまう。熱応力を小さくするためにセルを多数に
分割すると、セルは機能上端部でガスシールする必要が
あり、そのシール代が多く必要になって発電領域が相対
的に減少し、電池出力が低下する。また、一定の発電領
域を確保し出力を確保しようとすると、燃料電池が大型
化、重量増加してしまう。本発明の目的は、高温作動の
燃料電池において、燃料電池の出力低下をほとんど伴わ
ずに、セルの熱応力による割れを抑制でき耐久性を向上
できる、燃料電池を提供することにある。However, even if the cells are simply divided into two rows in the vertical and horizontal directions in the in-plane direction as in the field-type stack configuration, when the high-temperature gas is suddenly introduced at startup,
The temperature difference increases on the gas inlet side in the cell, and the cell is broken by thermal stress. When the cell is divided into many parts to reduce the thermal stress, the cell needs to be gas-sealed at the upper end of the function, a large amount of the sealing margin is required, the power generation area is relatively reduced, and the battery output decreases. . Further, if it is attempted to secure a certain power generation area and secure an output, the fuel cell becomes large and the weight increases. An object of the present invention is to provide a fuel cell that operates at a high temperature and that can suppress cracking due to thermal stress of the cell and improve durability without substantially reducing the output of the fuel cell.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。 （１） 高温型燃料電池の同一面内に複数のセルを設
け、面内の温度分布に応じてセルの形状、サイズを異な
らせた燃料電池。 （２） 前記温度分布で温度差の大きいところほど小さ
いセルとした（１）記載の燃料電池。 （３） 前記温度分布がガスの入口、出口の配置による
ものであり、ガスの入口または出口に近いところほど小
さいセルとした（１）記載の燃料電池。The present invention to achieve the above object is as follows. (1) A fuel cell in which a plurality of cells are provided in the same plane of a high-temperature fuel cell, and the shape and size of the cells are varied according to the temperature distribution in the plane. (2) The fuel cell according to (1), wherein the larger the temperature difference in the temperature distribution, the smaller the cell. (3) The fuel cell according to (1), wherein the temperature distribution is dependent on the arrangement of the gas inlet and outlet, and the cells are smaller as they are closer to the gas inlet or outlet.
【０００５】上記（１）の燃料電池では、燃料電池面内
の温度分布に応じてセルの形状、サイズを異ならせたの
で、温度差が大きい方向にはセルのサイズを小とし、温
度差が小さい方向にはセルのサイズを大とすることによ
り、熱応力の低減および耐久性の向上と、燃料電池の発
電領域確保および出力維持とを、両立させることができ
る。上記（２）の燃料電池では、温度分布で温度差の大
きいところほど小さいセルとしたので、従来セルの割れ
が生じるおそれのあった温度差が大きい部分の、セルの
割れを抑制でき、燃料電池の耐久性を向上できる。上記
（３）の燃料電池では、ガスの入口または出口に近いと
ころほど小さいセルとしたので、従来セルの割れが生じ
るおそれのあったガスの入口または出口に近いところ
の、セルの割れを抑制でき、燃料電池の耐久性を向上で
きる。[0005] In the fuel cell of the above (1), the shape and size of the cells are made different according to the temperature distribution in the fuel cell plane. By increasing the cell size in the smaller direction, it is possible to achieve both a reduction in thermal stress and an improvement in durability, as well as securing a power generation area and maintaining output of the fuel cell. In the fuel cell of the above (2), the smaller the temperature difference in the temperature distribution is, the smaller the cell is, so that the cell cracking in the portion where the temperature difference where the cell cracking may occur conventionally can be suppressed, and the fuel cell Can be improved in durability. In the fuel cell of the above (3), the smaller the cell is, the closer the cell is to the inlet or the outlet of the gas. The durability of the fuel cell can be improved.
【０００６】[0006]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を、燃
料電池として、高温作動の固体電解質型燃料電池、とく
に固体酸化物型燃料電池（SOFC）を例にとって、図１〜
図５を参照して、説明する。図中、図１、図２は本発明
の何れの実施例にも適用できる燃料電池の構成を示して
おり、図３は本発明の実施例１を示し、図４は本発明の
実施例２を示し、図５は本発明の実施例３を示す。本発
明の何れの実施例にも共通する部分には、本発明の全実
施例にわたって同じ符号を付してある。まず、本発明の
何れの実施例にも共通する部分を、たとえば図１、図２
および図３を参照して、説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a fuel cell of the present invention will be described as an example of a solid electrolyte fuel cell operating at a high temperature, particularly a solid oxide fuel cell (SOFC) as a fuel cell.
This will be described with reference to FIG. 1 and 2 show the configuration of a fuel cell applicable to any of the embodiments of the present invention, FIG. 3 shows a first embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention. Portions common to all embodiments of the present invention are denoted by the same reference numerals throughout all embodiments of the present invention. First, parts common to all embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to FIG.
【０００７】本発明の燃料電池１０、たとえば固体酸化
物型燃料電池（SOFC）は、たとえば燃料電池自動車に搭
載される。ただし、燃料電池自動車以外の移動体に用い
られてもよい。また、移動体だけでなく、据え置き型の
燃料電池にも適用できる。図１、図２に示すように、燃
料電池１０は、発電部において、単セル１１を構成する
空気極１２、電解質１３、燃料極１４と、単セルを電気
的に直列接続し燃料と空気を分離するためのインタコネ
クタ１５を有する。高温型燃料電池１０は、セル１１の
空気極１２とインタコネクタ１５との間に設けられた空
気側集電体１６と、セル１１の燃料極１４とインタコネ
クタ１５との間に設けられた燃料側集電体１７と、を有
する。インタコネクタ１５の空気側集電体１６側には空
気流路１８が形成され、インタコネクタ１５の燃料側集
電体１７側には燃料流路１９が形成されている。燃料側
集電体１７、セル１１、空気側集電体１６、インタコネ
クタ１５が順に積層された積層体が、複数段に積層さ
れ、その両端にエンドプレート２０が配置されて、締結
手段２１、たとえば締結ボルトで積層方向に締結され
て、スタックが構成される。The fuel cell 10 of the present invention, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used for a moving object other than the fuel cell vehicle. Further, the present invention can be applied not only to a mobile object but also to a stationary fuel cell. As shown in FIGS. 1 and 2, in a fuel cell 10, in a power generation unit, an air electrode 12, an electrolyte 13, and a fuel electrode 14, which constitute a single cell 11, and a single cell are electrically connected in series, so that fuel and air are It has an interconnector 15 for separation. The high-temperature fuel cell 10 includes an air-side current collector 16 provided between the air electrode 12 of the cell 11 and the interconnector 15, and a fuel provided between the fuel electrode 14 of the cell 11 and the interconnector 15. And a side current collector 17. An air flow path 18 is formed on the interconnector 15 on the air-side current collector 16 side, and a fuel flow path 19 is formed on the interconnector 15 on the fuel-side current collector 17 side. A stacked body in which the fuel-side current collector 17, the cell 11, the air-side current collector 16, and the interconnector 15 are sequentially stacked is stacked in a plurality of stages, and end plates 20 are disposed at both ends thereof, and fastening means 21, For example, a stack is formed by fastening in the stacking direction with fastening bolts.
【０００８】セル１１は厚さ０．５ｍｍのＹＳＺなどの
固体電解質板に、アノード電極としてＮｉとＹＳＺのサ
ーメット、カソード電極として（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ3
などのペロブスカイト酸化物をそれぞれの面に形成した
ものからなる。材料はこれに限らない。また、電極基板
に電解質を数μｍ〜数１０μｍに薄膜化して形成したセ
ル構成も用いられる。発電部を囲む枠部において、セル
１１は外縁を金属箔２２で支持される。金属箔２２は、
厚さ０．０５〜０．２ｍｍの耐熱金属でセル１１を固定
する部分は中抜きになっている。セル１１は金属箔２２
にろう材３０によって固定される。ろう材４０はＮｉろ
う等からなる。金属箔２２の役割は、燃料ガスと酸化剤
ガスとを分離する役目と、セルと枠体との熱膨張率との
差を吸収する役目を果たす。燃料側集電体１７、セル１
１、空気側集電体１６は、フェルト状のＮｉまたはＳＵ
Ｓ板からなり、インタコネクタ１５とセル１１の電極を
電気的に繋ぐ。可撓性があり、セル１１を押圧すること
なく集電できる。セル電極とは接触のみでも構わない
が、導電ペーストで焼き付けてもよい。The cell 11 is a solid electrolyte plate such as YSZ having a thickness of 0.5 mm, a cermet of Ni and YSZ as an anode electrode, and (La, Sr) MnO 3 as a cathode electrode.
Etc. are formed on each surface. The material is not limited to this. Further, a cell configuration in which an electrolyte is formed into a thin film of several μm to several tens μm on an electrode substrate is also used. In the frame surrounding the power generation unit, the outer edge of the cell 11 is supported by the metal foil 22. The metal foil 22
A portion for fixing the cell 11 with a heat-resistant metal having a thickness of 0.05 to 0.2 mm is hollow. Cell 11 is a metal foil 22
Is fixed by the brazing material 30. The brazing material 40 is made of Ni brazing or the like. The role of the metal foil 22 is to separate the fuel gas and the oxidizing gas and to absorb the difference in the coefficient of thermal expansion between the cell and the frame. Fuel-side current collector 17, cell 1
1. The air-side current collector 16 is made of felt-like Ni or SU.
It is made of an S plate, and electrically connects the interconnector 15 and the electrode of the cell 11. It is flexible and can collect current without pressing the cell 11. It may be only in contact with the cell electrode, but may be baked with a conductive paste.
【０００９】金属箔２２の一側には金属製の空気側固定
枠２３が、金属箔２２の他側には金属製の燃料側固定枠
２４が、それぞれ、設けられている。枠体は金属製でも
よく、セラミック製でもよく、また、金属製枠体とセラ
ミック製枠体とを交互に配置してもよい。金属箔２２、
空気側固定枠２３、燃料側固定枠２４、インタコネクタ
１５は、直接、またはガスケット２５を介して積層され
た積層体が、複数段に積層され、その両端にエンドプレ
ート２０が配置されて、締結手段２１、たとえば締結ボ
ルトで積層方向に締結されて、スタックが構成される。
直接積層される場合は、積層される２つの部材は、レー
ザ溶接またはろう付けなどによって、気密に接合され
る。ガスケット２５は、セラミック板、セラミック繊維
シート、またはそれにガラスなどを含ませたものであ
り、ガスシール性とともに、電気絶縁性がある。インタ
コネクタ１５は、金属の箔をプレスして、電極の面方向
のガス通路を形成するとともに電気的直列接続の役目が
ある。A metal air-side fixed frame 23 is provided on one side of the metal foil 22, and a metal fuel-side fixed frame 24 is provided on the other side of the metal foil 22. The frame may be made of metal or ceramic, or the metal frame and the ceramic frame may be alternately arranged. Metal foil 22,
The air-side fixed frame 23, the fuel-side fixed frame 24, and the interconnector 15 are stacked in a plurality of layers, which are stacked directly or via a gasket 25, and the end plates 20 are arranged at both ends thereof and fastened. The stack is constituted by fastening in the laminating direction by means 21, for example, fastening bolts.
When directly laminated, the two members to be laminated are hermetically joined by laser welding or brazing or the like. The gasket 25 is a ceramic plate, a ceramic fiber sheet, or a material containing glass, etc., and has electric insulation as well as gas sealing. The interconnector 15 presses a metal foil to form a gas passage in the surface direction of the electrode, and also has a role of electrical series connection.
【００１０】金属箔２２は、空気側固定枠２３にレーザ
溶接、ろう付けなどによって接合されており、ガスシー
ル用のガスケット２５を介して燃料側固定枠２４に押し
付けられている。また、インタコネクタ１５は、燃料側
固定枠２４にレーザ溶接、ろう付けなどによって接合さ
れており、ガスケット２５を介して空気側固定枠２３に
押し付けられている。枠部には、セル積層方向に延びる
燃料マニホルド２７が形成されており、燃料マニホルド
２７は、燃料供給マニホルド２７i と、燃料排出マニホ
ルド２７o とを含む。同様に、枠部には、セル積層方向
に延びる空気マニホルド２６が形成されており、空気マ
ニホルド２６は空気供給マニホルド２６i と空気排出マ
ニホルド２６o とを含む。また、空気側固定枠２３には
空気マニホルド２６と発電部の空気流路１８とを連通す
る空気連通路２８が形成されており、同様に燃料側固定
枠２４には燃料マニホルド２７と発電部の燃料流路１９
とを連通する燃料連通路２９が形成されている。エンド
プレート２０には、空気供給口２６a 、空気排出口２６
b と、燃料供給口２７a 、燃料排出口２７b が、設けら
れる。The metal foil 22 is joined to the air-side fixed frame 23 by laser welding, brazing, or the like, and is pressed against the fuel-side fixed frame 24 via a gasket 25 for gas sealing. The interconnector 15 is joined to the fuel-side fixed frame 24 by laser welding, brazing, or the like, and is pressed against the air-side fixed frame 23 via a gasket 25. The frame portion, the fuel manifold 27 extending in the cell stacking direction is formed, the fuel manifold 27 includes a fuel supply manifold 27 i, and a fuel exhaust manifold 27 o. Similarly, the frame portion are air manifold 26 which extends in the cell stacking direction is formed, and the air manifold 26 includes an air supply manifold 26 i and an air discharge manifold 26 o. The air-side fixed frame 23 is formed with an air communication passage 28 that communicates the air manifold 26 with the air flow path 18 of the power generation unit. Similarly, the fuel-side fixed frame 24 has a fuel manifold 27 and a power generation unit. Fuel flow path 19
And a fuel communication passage 29 that communicates with the fuel cell. The end plate 20 has an air supply port 26a and an air discharge port 26a.
b , a fuel supply port 27a , and a fuel discharge port 27b are provided.
【００１１】図３に示すように、燃料電池１０の同一面
内（セル積層方向と直交する面内）に複数のセル１１が
設けられる。すなわち、同一の金属箔２２に固定される
セル１１は、複数に分割されており、セル同士を面内方
向に互いに離して金属箔２２にろう付け３０などでシー
ルして固定されている。金属箔２２のセル１１が配置さ
れる部分は中抜きされており、各セル１１の周囲部分を
金属箔２２と若干重ねて接着代とし、ろう付け３０など
でセル１１と金属箔２２とを固定してある。従来の田圃
型の燃料電池１０では同一面内でセルは互いに同じ形
状、大きさに分割されたが、本発明では、同一面内で分
割されたセル１１の面内方向の形状、サイズは、該セル
１１が位置する面内の温度分布に応じて異ならせてあ
る。As shown in FIG. 3, a plurality of cells 11 are provided in the same plane of the fuel cell 10 (in a plane perpendicular to the cell stacking direction). That is, the cells 11 fixed to the same metal foil 22 are divided into a plurality of cells, and the cells are separated from each other in an in-plane direction and sealed and fixed to the metal foil 22 by brazing 30 or the like. The portion of the metal foil 22 where the cells 11 are arranged is hollowed out, and the peripheral portion of each cell 11 is slightly overlapped with the metal foil 22 to provide a bonding margin, and the cell 11 and the metal foil 22 are fixed by brazing 30 or the like. I have. In the conventional field-type fuel cell 10, the cells are divided into the same shape and size in the same plane, but in the present invention, the shape and size in the in-plane direction of the cells 11 divided in the same plane are as follows: It differs depending on the temperature distribution in the plane where the cell 11 is located.
【００１２】同一面内においてセル１１の面内方向の形
状、サイズは、その面内での温度分布で温度差の大きい
ところほど小さい。ガスの入口近傍ではガスの濃度が高
く、燃料電池の出力密度やジュール熱発生量が高いの
で、燃料電池の面内方向の温度分布はガスの入口、出口
の配置によって強く影響を受ける。ガスの入口または出
口、とくにガスの入口に近いところほど、温度分布にお
ける温度差が大きいから、ガスの入口または出口、とく
にガスの入口に近いところほど、面内方向に、小さい形
状、サイズのセルとしてある。The shape and size of the cell 11 in the in-plane direction within the same plane are smaller as the temperature difference in the temperature distribution in the plane is larger. Since the gas concentration is high near the gas inlet and the output density and Joule heat generation of the fuel cell are high, the temperature distribution in the in-plane direction of the fuel cell is strongly affected by the arrangement of the gas inlet and outlet. Since the temperature difference in the temperature distribution is larger at the gas inlet or outlet, particularly near the gas inlet, the cell having a smaller shape and size in the in-plane direction is closer to the gas inlet or outlet, especially near the gas inlet. There is.
【００１３】面内方向の燃料電池の温度は、ガスの流れ
方向に大きく変化し、ガスの流れ方向と直交する方向に
ほとんど変化しないから、ガスの流れ方向には分割セル
のサイズは小であり、ガスの流れ方向と直交する方向に
は分割セルのサイズは大となる。また、燃料電池１０で
は、積層方向にも温度分布が生じ、積層方向中央部は温
度が高くなるので、積層方向にも面内方向の温度分布が
異なってくるので、面内方向の分割セルの形状、サイズ
は、積層方向によって異ならせてもよい。Since the temperature of the fuel cell in the in-plane direction changes largely in the gas flow direction and hardly changes in the direction orthogonal to the gas flow direction, the size of the divided cells is small in the gas flow direction. The size of the divided cell becomes large in the direction orthogonal to the gas flow direction. In the fuel cell 10, the temperature distribution also occurs in the stacking direction, and the temperature increases in the center in the stacking direction. Therefore, the temperature distribution in the in-plane direction also differs in the stacking direction. The shape and size may be different depending on the laminating direction.
【００１４】上記の本発明の全実施例に共通する構成の
作用を説明する。セル１１の一側に燃料ガスが供給さ
れ、他側に空気が供給され、セル１１は発電反応を行
う。発電はセルが存在するところで行われ、セルとセル
との間や外周の枠体部位など、セルの無いところでは行
われない。セル１１が面内方向に分割されていても、金
属箔２２とセル１１とはろう材３０によりシールされて
いるので、２つのガスが混ざることはなく、正常に発電
が行われる。The operation of the configuration common to all the embodiments of the present invention will be described. Fuel gas is supplied to one side of the cell 11 and air is supplied to the other side, and the cell 11 performs a power generation reaction. Power generation is performed in the presence of cells, and is not performed in the absence of cells, such as between cells or at the outer frame portion. Even if the cell 11 is divided in the in-plane direction, since the metal foil 22 and the cell 11 are sealed by the brazing material 30, the two gases do not mix, and power generation is performed normally.
【００１５】本発明では、燃料電池面内の温度分布に応
じてセル１１の形状、サイズを異ならせたので、温度差
が大きい方向にはセルのサイズを小とし、温度差が小さ
い方向にはセルのサイズを大とすることにより、セル１
１に生じる熱応力が低減され、その結果温度差による熱
応力によってセル１１が割れにくくなり、耐久性が向上
される。また、熱応力低減のために積層方向と直交する
面内方向の全域にわたってセルを小サイズにするもので
はないから、セルの無い発電をしない部分にとられる面
積が抑えられ、燃料電池の発電領域確保および出力維持
をはかることができる。したがって、セル１１の耐久性
向上と燃料電池の出力確保を両立させることができる。In the present invention, since the shape and size of the cell 11 are varied according to the temperature distribution in the plane of the fuel cell, the size of the cell is reduced in the direction where the temperature difference is large and in the direction where the temperature difference is small. By increasing the size of the cell, cell 1
1 is reduced, and as a result, the cell 11 is less likely to crack due to the thermal stress due to the temperature difference, and the durability is improved. In addition, since the size of the cell is not reduced over the entire area in the in-plane direction orthogonal to the stacking direction to reduce thermal stress, the area taken up by the cell-free area where power is not generated is suppressed, and the power generation area of the fuel cell is reduced. It is possible to secure and maintain output. Therefore, both improvement in the durability of the cell 11 and securing output of the fuel cell can be achieved.
【００１６】また、面内方向温度分布で温度差の大きい
ところほど小さいセルとしたので、従来セルの割れが生
じるおそれのあった温度差が大きい部分の、セルの割れ
を抑制でき、燃料電池の耐久性を向上できる。また、ガ
スの入口または出口に近いところほど、とくにガスの入
口に近いところほど、小さいセルとしたので、従来セル
の割れが生じるおそれのあったガスの入口または出口、
とくに入口に近いところの、セルの割れを抑制でき、燃
料電池の耐久性を向上できる。Further, since the smaller the cell in the in-plane temperature distribution, the larger the temperature difference, the smaller the cell, it is possible to suppress the cell cracking in a portion where the temperature difference where the cell cracking is likely to occur conventionally can be suppressed, and the fuel cell can be prevented. Durability can be improved. In addition, the closer to the gas inlet or outlet, particularly the closer to the gas inlet, the smaller the cell, so that the conventional gas inlet or outlet that could cause cell cracking,
In particular, cracking of the cells near the entrance can be suppressed, and the durability of the fuel cell can be improved.
【００１７】つぎに、本発明の各実施例に特有な部分の
構成、作用を説明する。本発明の実施例１では、図３に
示すように、燃料電池の積層方向と直交する矩形状断面
内には、対向する２辺に沿って燃料供給マニホルド２７
i 、燃料排出マニホルド２７o が設けられ、それと直交
する方向の対向する２辺に沿って空気供給マニホルド２
６i 、空気排出マニホルド２６o が、設けられている。
そして、面内方向に、燃料ガスが燃料供給マニホルド２
７i から燃料排出マニホルド２７ o に向かって流れ、空
気が空気供給マニホルド２６i から空気排出マニホルド
２６o に向かって流れる。燃料ガスの流れ方向と空気の
流れ方向とは直交する。ただし、燃料ガスと空気はセル
１１と金属箔２２によって隔てられている。セル１１の
形状、サイズは、燃料供給マニホルド２７i 側で小で燃
料排出マニホルド２７o 側で大とされており、かつ、空
気供給マニホルド２６i 側で小で空気排出マニホルド２
６o 側で大とされている。従来の縦横２列に分割された
田圃型と比較すると、燃料ガス、空気の入口側の１／４
領域では、さらにセルが縦、横に分割されており、燃料
ガス入口側、空気出口側の１／４領域では、さらにセル
が縦に分割されており、燃料ガス出口側、空気入口側の
１／４領域では、さらにセルが横に分割されており、燃
料ガス、空気の出口側の１／４領域では、セルが分割さ
れていない。Next, a part unique to each embodiment of the present invention will be described.
The configuration and operation will be described. In the first embodiment of the present invention, FIG.
As shown, a rectangular cross section orthogonal to the stacking direction of the fuel cell
Inside the fuel supply manifold 27 along two opposing sides
i, Fuel discharge manifold 27oIs provided and orthogonal to it
Air supply manifold 2 along two opposite sides of
6i, Air exhaust manifold 26oAre provided.
Then, in the in-plane direction, the fuel gas is supplied to the fuel supply manifold 2.
7iExhaust manifold 27 from oFlows towards the sky
Qi air supply manifold 26iAir exhaust manifold from
26oFlows towards Fuel gas flow direction and air
It is orthogonal to the flow direction. However, fuel gas and air are
11 and a metal foil 22. Cell 11
The shape and size of the fuel supply manifold 27iSmall and burning on the side
Discharge manifold 27oSide is large and empty
Air supply manifold 26iSide small air exhaust manifold 2
6oIt is large on the side. Conventionally divided into two rows and columns
Compared to the rice field type, 1/4 of the fuel gas and air inlet side
In the area, the cells are further divided vertically and horizontally, and the fuel
In the 1/4 region on the gas inlet side and air outlet side,
Are divided vertically, the fuel gas outlet side and the air inlet side
In the 1/4 region, the cells are further divided horizontally,
The cell is divided in the 1/4 area on the outlet side of the gas and air.
Not.
【００１８】この構成によって、従来とくに割れのおそ
れがあった燃料ガス、空気の入口側の１／４領域での、
温度差によるセル１１の割れが防止されるとともに、燃
料ガス、空気の出口側の１／４領域でのセル分割無しに
より、発電領域が確保され、出力が維持される。According to this configuration, the fuel gas and air in the quarter region on the inlet side of the fuel gas and the air, which have been particularly likely to crack in the past,
The cell 11 is prevented from cracking due to the temperature difference, and the power generation area is secured and the output is maintained by eliminating the cell division in the quarter area on the outlet side of the fuel gas and air.
【００１９】本発明の実施例２では、図４に示すよう
に、燃料電池の積層方向と直交する矩形状断面内には、
対向する２辺に沿って燃料供給マニホルド２７i 、燃料
排出マニホルド２７o が設けられ、同じ対向２辺に沿っ
て空気供給マニホルド２６i 、空気排出マニホルド２６
o が、設けられている。そして、面内方向に、燃料ガス
が燃料供給マニホルド２７i から燃料排出マニホルド２
７o に向かって流れ、空気が空気供給マニホルド２６i
から空気排出マニホルド２６o に向かって流れる。燃料
ガスの流れ方向と空気の流れ方向は平行で互いに対向流
れとなっている。ただし、燃料ガスと空気はセル１１と
金属箔２２によって隔てられている。セル１１の形状、
サイズは、燃料供給マニホルド２７i 側で小で燃料排出
マニホルド２７o 側に向かって中間部まで徐々に大とさ
れており、かつ、空気供給マニホルド２６i 側で小で空
気排出マニホルド２６o 側に向かって中間部まで徐々に
大とされている。その結果、セル１１の形状、サイズ
は、ガス流れ方向両端部で小、中間部で大となってい
る。ただし、ガス流れ方向と直交する方向には、セル１
１の形状、サイズは大であり、図示例では２分割されて
いるだけである。In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, a rectangular cross section orthogonal to the stacking direction of the fuel cells has:
A fuel supply manifold 27 i and a fuel discharge manifold 27 o are provided along two opposing sides, and an air supply manifold 26 i and an air discharge manifold 26 are provided along the same two opposing sides.
o is provided. Then, in the in-plane direction, the fuel gas flows from the fuel supply manifold 27 i to the fuel discharge manifold 2.
Air flows to 7 o and air is supplied to the air supply manifold 26 i
It flows toward the air discharge manifold 26 o from. The flow direction of the fuel gas and the flow direction of the air are parallel to each other, and flow in opposite directions. However, the fuel gas and the air are separated by the cell 11 and the metal foil 22. The shape of the cell 11,
The size is small on the fuel supply manifold 27 i side and gradually increased toward the middle toward the fuel discharge manifold 27 o side, and small and small on the air supply manifold 26 i side to the air discharge manifold 26 o side. It is gradually increased toward the middle. As a result, the shape and size of the cell 11 are small at both ends in the gas flow direction and large at the middle. However, in the direction orthogonal to the gas flow direction, the cell 1
1 has a large shape and size, and is merely divided into two in the illustrated example.
【００２０】この構成によって、従来とくに割れのおそ
れがあった燃料ガス、空気の入口側近傍領域での、温度
差によるセル１１の割れが防止されるとともに、燃料ガ
ス、空気の流れ方向中間部でのセルサイズ大により、発
電領域が確保され、出力が維持される。With this configuration, cracking of the cell 11 due to a temperature difference in the vicinity of the inlet side of the fuel gas and air, which has been particularly likely to crack, can be prevented, and at the intermediate portion in the flow direction of the fuel gas and air. Due to the large cell size, a power generation area is secured and the output is maintained.
【００２１】本発明の実施例３では、図５に示すよう
に、燃料電池の積層方向と直交する矩形状断面内には、
対向する２辺に沿って燃料供給マニホルド２７i 、燃料
排出マニホルド２７o が設けられ、同じ対向２辺に沿っ
て空気供給マニホルド２６i 、空気排出マニホルド２６
o が、設けられている。そして、面内方向に、燃料ガス
が燃料供給マニホルド２７i から燃料排出マニホルド２
７o に向かって流れ、空気が空気供給マニホルド２６i
から空気排出マニホルド２６o に向かって流れる。燃料
ガスの流れ方向と空気の流れ方向は平行で互いに同方向
となっている。ただし、燃料ガスと空気はセル１１と金
属箔２２によって隔てられている。セル１１の形状、サ
イズは、燃料供給マニホルド２７i 側で小で燃料排出マ
ニホルド２７o 側に向かって徐々に大とされ燃料排出マ
ニホルド２７o 近傍で再び小とされており、かつ、空気
供給マニホルド２６i 側で小で空気排出マニホルド２６
o 側に向かって徐々に大とされ空気排出マニホルド２６
o 近傍で再び小とされている。その結果、セル１１の形
状、サイズは、ガス流れ方向両端部で小、中間部から排
出口近傍部にかけて大となっている。ただし、ガス流れ
方向と直交する方向には、セル１１の形状、サイズは大
であり、図示例では２分割されているだけである。In the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, a rectangular cross section orthogonal to the stacking direction of the fuel cells includes:
A fuel supply manifold 27 i and a fuel discharge manifold 27 o are provided along two opposing sides, and an air supply manifold 26 i and an air discharge manifold 26 are provided along the same two opposing sides.
o is provided. Then, in the in-plane direction, the fuel gas flows from the fuel supply manifold 27 i to the fuel discharge manifold 2.
Air flows to 7 o and air is supplied to the air supply manifold 26 i
It flows toward the air discharge manifold 26 o from. The flow direction of the fuel gas and the flow direction of the air are parallel and in the same direction. However, the fuel gas and the air are separated by the cell 11 and the metal foil 22. The shape of the cell 11, the size is again smaller in gradually to be larger fuel exhaust manifold 27 o vicinity toward the fuel exhaust manifold 27 o side a small fuel supply manifold 27 i side, and an air supply manifold 26 i side small air exhaust manifold 26
The air discharge manifold 26 is gradually increased toward the o side.
o It is again small near. As a result, the shape and size of the cell 11 are small at both ends in the gas flow direction and large from the middle to the vicinity of the outlet. However, the shape and size of the cell 11 are large in the direction perpendicular to the gas flow direction, and are only divided into two in the illustrated example.
【００２２】この構成によって、従来とくに割れのおそ
れがあった燃料ガス、空気の入口側近傍領域での、温度
差によるセル１１の割れが防止されるとともに、燃料ガ
ス、空気の流れ方向中間部から排出口近傍にかけてのセ
ルサイズ大により、発電領域が確保され、出力が維持さ
れる。With this configuration, cracking of the cell 11 due to a temperature difference in the vicinity of the fuel gas and air inlet side, which has been particularly likely to crack, can be prevented. Due to the large cell size in the vicinity of the outlet, a power generation area is secured and the output is maintained.
【００２３】[0023]
【発明の効果】請求項１の燃料電池によれば、燃料電池
面内の温度分布に応じてセルの形状、サイズを異ならせ
たので、温度差が大きい方向にはセルのサイズを小と
し、温度差が小さい方向にはセルのサイズを大とするこ
とにより、熱応力の低減および耐久性の向上と、燃料電
池の発電領域確保および出力維持とを、両立させること
ができる。請求項２の燃料電池によれば、温度分布で温
度差の大きいところほど小さいセルとしたので、従来セ
ルの割れが生じるおそれのあった温度差が大きい部分
の、セルの割れを抑制でき、燃料電池の耐久性を向上で
きる。請求項３の燃料電池によれば、ガスの入口または
出口に近いところほど小さいセルとしたので、従来セル
の割れが生じるおそれのあったガスの入口または出口に
近いところの、セルの割れを抑制でき、燃料電池の耐久
性を向上できる。According to the fuel cell of the first aspect, the shape and size of the cell are varied according to the temperature distribution in the fuel cell plane. By increasing the size of the cell in the direction in which the temperature difference is small, it is possible to achieve both a reduction in thermal stress and an improvement in durability, as well as securing a power generation area and maintaining output of the fuel cell. According to the fuel cell of the second aspect, the smaller the temperature difference in the temperature distribution is, the smaller the cell is. Therefore, it is possible to suppress the cell cracking in the portion where the temperature difference where the cell cracking is likely to occur in the past can be suppressed, Battery durability can be improved. According to the fuel cell of the third aspect, the smaller the cell is, the closer the cell is to the inlet or the outlet of the gas. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved.
【図１】本発明の全実施例に適用可能な、燃料電池の全
体分解斜視図である。FIG. 1 is an overall exploded perspective view of a fuel cell applicable to all embodiments of the present invention.
【図２】図１の燃料電池（セル積層数は任意）の断面図
である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell of FIG. 1 (the number of stacked cells is arbitrary).
【図３】本発明の実施例１の燃料電池のセルと金属箔の
正面図である。FIG. 3 is a front view of a cell and a metal foil of the fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
【図４】本発明の実施例２の燃料電池のセルと金属箔の
正面図である。FIG. 4 is a front view of a cell and a metal foil of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
【図５】本発明の実施例３の燃料電池のセルと金属箔の
正面図である。FIG. 5 is a front view of a cell and a metal foil of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.
【図６】一般の高温型燃料電池、たとえば固体酸化物型
燃料電池の発電反応図である。FIG. 6 is a power generation reaction diagram of a general high-temperature fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell.
【図７】一般の高温型燃料電池、たとえば固体酸化物型
燃料電池の一部の分解斜視図である。FIG. 7 is an exploded perspective view of a part of a general high-temperature fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell.
１０ 燃料電池（たとえば、固体酸化物型燃料電池） １１ セル １２ 空気極 １３ 電解質 １４ 燃料極 １５ インタコネクタ １６ 空気極側集電体 １７ 燃料極側集電体 １８ 空気流路 １９ 燃料流路 ２０ エンドプレート ２１ 締結手段（締結ボルト） ２２ 金属箔 ２３ 空気側固定枠 ２４ 燃料側固定枠 ２５ ガスケット ２６ 空気マニホルド ２６a 空気供給口 ２６b 空気排出口 ２６i 空気供給マニホルド ２６o 空気排出マニホルド ２７ 燃料マニホルド ２７a 燃料供給口 ２７b 燃料排出口 ２７i 燃料供給マニホルド ２７o 燃料排出マニホルド ２８ 空気連通路 ２９ 燃料連通路 ３０ ろう材Reference Signs List 10 fuel cell (for example, solid oxide fuel cell) 11 cell 12 air electrode 13 electrolyte 14 fuel electrode 15 interconnector 16 air electrode side current collector 17 fuel electrode side current collector 18 air flow path 19 fuel flow path 20 end Plate 21 Fastening means (fastening bolt) 22 Metal foil 23 Air side fixed frame 24 Fuel side fixed frame 25 Gasket 26 Air manifold 26 a Air supply port 26 b Air outlet 26 i Air supply manifold 26 o Air discharge manifold 27 Fuel manifold 27 a fuel supply port 27 b fuel discharge port 27 i fuel supply manifold 27 o fuel discharge manifold 28 air communication passage 29 fuel communication passage 30 brazing filler metal
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本間 隆彦 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 長濱 昌俊 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC01 CC08 CV06 HH02 HH08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takahiko Homma 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Inside Toyota Motor Corporation (72) Inventor Masatoshi Nagahama 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Motor Corporation F Terms (reference) 5H026 AA06 CC01 CC08 CV06 HH02 HH08
Claims (3)
を設け、面内の温度分布に応じてセルの形状、サイズを
異ならせた燃料電池。1. A fuel cell in which a plurality of cells are provided in the same plane of a high-temperature fuel cell, and the shape and size of the cells are varied according to the temperature distribution in the plane.
ど小さいセルとした請求項１記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein a cell having a larger temperature difference in the temperature distribution has smaller cells.
によるものであり、ガスの入口または出口に近いところ
ほど小さいセルとした請求項１記載の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 1, wherein the temperature distribution is based on the arrangement of gas inlets and outlets, and the cells are smaller as they are closer to the gas inlets or outlets.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2001065406A JP2002270198A (en) | 2001-03-08 | 2001-03-08 | Fuel cell |
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|---|---|
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- 2001-03-08 JP JP2001065406A patent/JP2002270198A/en not_active Withdrawn
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