JP2004207067A

JP2004207067A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2004207067A
Application number: JP2002375422A
Authority: JP
Inventors: Keiko Kushibiki; 圭子櫛引; Yasushi Nakajima; 靖志中島; Noritoshi Sato; 文紀佐藤; Itaru Shibata; 格柴田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP4356317B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent degradation of power generating efficiency by uniformizing the overall power generation density from a center part of cells over an outer periphery part. <P>SOLUTION: A trilaminar cell having a solid electrolyte, a positive electrode matter and a negative electrode matter are fitted on a disc-shaped porous metal plate, and a separator is provided for forming a gas flow channel between itself and the cell. A number of disc-shaped cell units each composed of the separator and the porous metal plate are laminated to constitute a fuel cell stack. While fuel gas supplied from the center of the cell is introduced into the gas flow channel between the cell and the separator, air is supplied as oxidant gas between the adjacent cell units. The gas flow channel introducing the fuel gas is made in a curved radial pattern from the center part of the cell toward the outer periphery part, and a flow channel cross section is made almost constant along a gas flow channel length direction, and at the same time, a width of the flow channel at a part where the fuel comes in contact with the cell is to be made larger as it goes toward the outer periphery side. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体電解質の一方の面に正極物質を、同他方の面に負極物質をそれぞれ設けたセルと、セパレータとの間に中心部から外周部へ向かうガス流路を形成し、このガス流路に、前記セルの中心部に設けたガス導入流路から反応ガスを導入する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電池要素となるセルの中心部から反応ガスを供給する例としては、セルをドーナツ型としている特許文献１に記載されたものがある。
【０００３】
【特許文献１】
ＵＳＰ６３４４２９０
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の燃料電池では、反応ガスを導入するセルの中心側において、反応ガス濃度が外周側より高いことから電気化学反応量が多くなり、この結果発電出力密度が全体として不均一となって、発電効率が低下する。
【０００５】
そこで、この発明は、セル全体の発電出力密度を均一化し、発電効率の低下を防止することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、電解質の一方の面を正極とし、同他方の面を負極とする円盤状のセルと、該セルの一方の面に中心部から外周部へ向かうガス流路を形成する円盤状のセパレータとを有し、前記ガス流路に、前記セルの中心部に設けたガス導入流路から反応ガスを導入する燃料電池において、前記ガス流路の流路断面積をＳとし、前記ガス流路の流路幅Ａを前記反応ガスが前記セルに接触する部分とするとき、比：Ａ／Ｓを前記セルの中心部より外周部で大きくした構成としてある。
【０００７】
【発明の効果】
この発明によれば、ガス流路の流路断面積Ｓに対する、反応ガスがセルに接触する部分のガス流路の流路幅Ａの比：Ａ／Ｓを、セルの中心部より外周部で大きくしたので、例えば流路幅Ａを中心部に比べて外周部で大きくし、反応ガスが接触するセルの面積を中心部で小さく外周部で大きくすることで、高ガス濃度となる中心部でのガス消費率を抑制する一方、低ガス濃度となる外周部でのガス消費率を高めることができ、セル全体としての発電出力密度が均一化し、発電効率の低下を防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池の断面図で、セルユニット１を２段重ねた状態を示している。セルユニット１は、セル板３と、その上部に設けた導電性のセパレータ５と、セル板３およびセパレータ５の中心部を上下から挟んで保持するホルダ部７とから構成している。上記したセル板３とセパレータ５との間に、ガス流路８を形成する。
【００１０】
実際には、上記したセルユニット１を図１中で上下に多数積層してスタックを構成し、そのスタックの上下両端から、上記したホルダ部７に対し所定の加圧力を付加して固定し、複数のセルユニット１相互を電気的に接続する。このようなスタックは、図示しないケース内に収容する。
【００１１】
上記したセル板３は、支持体としてのドーナツ型の多孔質金属板９と、多孔質金属板９の上面に設けた電池要素となるセル１１とをそれぞれ備えている。
【００１２】
多孔質金属板９は、例えば気孔率６０％で充分なガス透過性および導電性を有する多孔質体で構成する。この多孔質体の外周側および内周側には、リング状のバルク材料１３，１５を設け、内周側のバルク材料１５の部分を、前記したホルダ部７によって保持する。
【００１３】
セル１１は、多孔質金属板９側から、負極物質１７，固体酸化物電解質（以下、単に固体電解質と呼ぶ）１９，正極物質２１を順に積層する。
【００１４】
ホルダ部７は、上側電極部分２３と、下側電極部分２５と、上側，下側各電極部分２３，２５相互を電気的に絶縁しつつ接合するための絶縁部分２７との３つの部材で構成してある。この上側，下側各電極部分２３，２５は、セル板９の表裏とそれぞれ電気的接続を確保する。また、下側電極部分２５は、外周側に別体のリング２６を備え、セル板３をセットした後にリング２６を装着する。
【００１５】
上記したホルダ部７には、中心部に位置して図１中で上下方向に貫通するガス導入流路２９と、このガス導入流路２９と前記したガス流路８とを連通するガス導入孔３１とを、それぞれ設けてある。
【００１６】
図２はセパレータ５の平面図、図３（ａ）は図２のＢ−Ｂ断面図、図３（ｂ）は図２のＣ−Ｃ断面図である。なお、図３（ａ），（ｂ）は、セル板３を含む断面図としてある。また、前記した図１は、図２のＤ−Ｄ断面位置に相当する。
【００１７】
上記したセパレータ５は、中心部に円形の開口孔３３を有し、その外側には、互いに隣接するセルユニット１相互の上側電極部分２３と下側電極部分２５との間に挟持固定される、図１中で上部に突出する屈曲部３５を備えている。この屈曲部３５に対応して、上側電極部分２３および下側電極部分２５には、凸部および凹部をそれぞれ備えている。
【００１８】
なお、スタック構成とした最上段のセルユニット１の上側電極部分２３は、上記屈曲部３５を有するセパレータ５を介して図示しない固定部材によって固定保持し、最下段のセルユニット１の下側電極部分２５は、図示しない固定部材によって固定保持する。この各固定部材は、前記したガス導入流路２９に連通する流路を中心部に備える。
【００１９】
セパレータ５における屈曲部３５のさらに外側には、中心部から外周部に向けて曲線状で放射状となる前記ガス流路８を形成してある。このガス流路８は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、セル１１の表面に接合する接合部３７を設けることで形成し、外周側の端部は外部に開放している。
【００２０】
接合部３７は、屈曲部３５の外側から曲線状かつ放射状に外流側端部にまで形成し、かつ円周方向に沿って等間隔に複数設け、この接合部３７相互間にアーチ状の流路壁部３９を形成する。
【００２１】
そして、上記したガス流路８は、流路断面積をＳ、反応ガスとしての燃料ガスがセル１１の表面に接触する部分の流路幅をＡとすると、流路断面積Ｓに対する流路幅Ａの比：Ａ／Ｓを、セル１１の中心部より外周部で大きくしている。この比の大きさの変化は、中心部から外周部に向けて徐々に大きくしている。
【００２２】
すなわち、図３に示す例では、中心部の図３（ａ）における流路幅Ａが、外周部の図３（ｂ）における流路幅Ａより狭くなっており、かつ流路断面積Ｓについては、中心部と外周部とでほぼ同じにしてある。このため、アーチ状の流路壁部３９の高さは、中心部に比べて外周部が低くなっている。
【００２３】
さらに、上記したガス流路８は、図２に示すように、中心部から外周部ヘ向かうガスの流れ方向Ｇが、円形のセル１１の半径方向に対し、ガス流路８の起点Ｐにおいて傾斜している。この起点Ｐにおけるガス流路８の傾斜角度αは、５度以上としている。
【００２４】
上記したように、燃料ガスをガス流路８に供給するのに対し、酸化剤ガスとなる空気は、隣接するセルユニット１相互間、すなわち図１中で下部側のセルユニット１におけるセパレータ５と、その上部に位置するセルユニット１の多孔質金属板９との間の空気導入空間４１に、前記した図示しないケース内に雰囲気ガスとして供給する。なお、最下段のセルユニット１については、多孔質金属板９の下方に空気を供給する。
【００２５】
上記した構成の燃料電池では、ホルダ部７の中心に形成したガス導入流路２９に燃料ガスである水素を供給し、この供給した水素は、ホルダ部７のガス導入孔３１を経てガス流路８に導入する。
【００２６】
一方、空気は、スタックを収容する図示しないケース内に雰囲気ガスとして供給し、この空気をスタックの周囲から、多孔質金属板９の下部の空気導入空間４１に導入する。
【００２７】
このように、セル板３の一方側（ガス流路８）に燃料を、他方側（空気導入空間４１）に空気をそれぞれ導入することで、燃料電池として発電がなされる。
【００２８】
次に、上記した第１の実施形態による効果を説明する。
【００２９】
（１）ガス流路８の流路断面積Ｓに対する流路幅Ａの比：Ａ／Ｓを、セル１１の中心部より外周部で大きくしたので、例えば図３に示すように、流路幅Ａを中心部に比べて外周部で大きくし、反応ガスが接触するセル１１の面積を中心部で小さく外周部で大きくすることで、高ガス濃度となるガス導入側の中心部でのガス消費率を抑制する一方、低ガス濃度となる外周部でのガス消費率を高めることができ、セル１１の全体としての発電出力密度が均一化し、発電効率の低下を防止することができる。
【００３０】
（２）中心部でのガス消費率を抑制することで、ホルダ部７の上下各電極部分２３，２５や、絶縁部分２７など異種材料接合部を有する中心部での発熱の集中を抑制でき、耐久性、耐衝撃性に優れた燃料電池とすることができる。
【００３１】
（３）複数のガス流路８を放射状に形成しているので、セル１１の全体に均一に燃料ガスを供給することができ、全体としての発電出力密度が均一化する。
【００３２】
（４）ガス流路８は、曲線状とし、かつ外周側ヘ向かうガスの流れ方向Ｇが、ガス流路８の起点Ｐにおいて、円形のセル１１の半径方向に対し傾斜しているので、ガス導入流路２９から流入したガスが、一旦流れ始めた後は、曲線に沿って旋回流となってスムーズに流れ、セル１１の全体に対し、より均一に燃料ガスを供給することができる。
【００３３】
（５）固体酸化物型燃料電池の場合は、電解質層を酸素イオンが伝導するため、発電反応に伴い生成する水は、燃料ガス流路８で排出する。また、燃料ガスとしてガソリンなどの炭化水素を使用する場合、下流側ほどガス分子数が増加し、発電に寄与する水素ガスのガス分率は低下する。
【００３４】
このようなことから、ガス流路８の流路断面積Ｓを中心部から外周部にわたりほぼ一定として、ガス流速を、下流側すなわち外周部で増大させることにより、外周部での反応速度が高まり、セル１１の全体としての発電出力密度が均一化し、発電効率の低下を防止することができる。
【００３５】
ここで、例えば燃料ガスとして水素ガスや天然ガスなど、下流側でもあまり分子数の増加しない燃料を使用する場合、流路断面積Sを中心部から外周部にわたり小さくすることで、ガス流速を増加することができる。
【００３６】
（６）アーチ状の流路壁部３９の高さは、中心部に比べて外周部が低くなっているので、この外周部では、互いに隣接するセルユニット１同士のセパレータ５と多孔質金属板９との間の空気導入空間４１の間隔が中心部に比べて広くなり、空気導入空間４１に空気が流入しやすくなる。
【００３７】
なお、ガス流路８は、中心部から外周部に向けて単に直線的に放射状に形成してもよい。
【００３８】
図４は、この発明の第２の実施形態を示す燃料電池の断面図で、第１の実施形態と同様に、セルユニット１Ａを２段重ねた状態を示している。この実施形態の前記図１に示した第１の実施形態と大きく異なる点は、同心円状の複数の環状ガス流路を備えたセパレータ５Ａを使用していることである。その他の構成は、前記第１の実施形態とほぼ同様であり、同一の構成要素には、第１の実施形態における符号にＡを付けて示してある。
【００３９】
ただし、ここでのセパレータ５Ａの内周側端部の上面は、上側電極部分２３Ａの上面と同一面を形成し、この各上面が、隣接するセルユニット１Ａの下側電極部分２５Ａの下面に接触する。なお、最上段のセルユニット１Ａの上記した各上面については、図示しない固定部材の下面に接触する。また、セパレータ５Ａの外周側端部と、多孔質金属板９Ａとの間には、これら相互の間隔、すなわち空気導入流路４１Ａを確保するための、導電性のスペーサ４３を円周方向適宜間隔に複数設けている。
【００４０】
図５は、上記したセパレータ５Ａの平面断面図である。前記した図４は、図５のＥ−Ｅ断面位置に相当する。セパレータ５Ａは、中心部に円形の開口孔３３Ａを有し、この開口孔３３Ａの内周縁に設けた内周壁４５と、外周壁４７との間に、同心円状の複数の環状の隔壁４９，５１，５３，５５をそれぞれ備えている。
【００４１】
内周壁４５には、ガス導入流路２９Ａと最内周部の環状ガス流路８Ａａとを連通する連通路４５ａを、円周方向等間隔に４つ設けてある。その外側の隔壁４９には、最内周部の環状ガス流路８Ａａとその外側の環状ガス流路８Ａｂとを連通する連通路４９ａを、上記した連通路４５ａとは円周方向に４５°ずれた位置に４つ設けてある。
【００４２】
さらに、その外側の各隔壁５１，５３，５５についても同様に、その内外両側の環状ガス流路相互連通する連通路５１ａ，５３ａ，５５ａを、内周側のものに対し外周側のものを円周方向に４５°ずれた位置に４つ設ける。外周壁４７には、その内側の隔壁５５の連通路５５ａに対し円周方向に４５°ずれた位置に、最外周の環状ガス流路８Ａｅと外部とを連通する連通路４７ａを４つ設ける。
【００４３】
すなわち、ガス流路８Ａは、同心円状の複数の環状ガス流路８Ａａ，８Ａｂ，８Ａｃ，８Ａｄ，８Ａｅと、この各環状ガス流路８Ａａ，８Ａｂ，８Ａｃ，８Ａｄ，８Ａｅ相互を連通する連通路４９ａ，５１ａ，５３ａ，５５ａとをそれぞれ備えていることになる。
【００４４】
上記した各連通路４５ａ，４９ａ，５１ａ，５３ａ，５５ａ，４７ａは、内周側のものから外周側ものにいく従って通路面積を徐々に大きくしている。
【００４５】
上記した各隔壁４９，５１，５３，５５によって形成する環状ガス流路８Ａａ，８Ａｂ，８Ａｃ，８Ａｄ，８Ａｅは、最内周部のガス流路８Ａａの流路幅Ａ（半径方向の流路寸法）が最も狭く、最外周部の環状ガス流路８Ａｅの流路幅Ａが最も広くなるよう、内周側のものから外周側のものにいくに従って順次流路幅Ａを広くしている。
【００４６】
また、図４に示すように、各環状ガス流路８Ａａ，８Ａｂ，８Ａｃ，８Ａｄ，８Ａｅは、流路断面積Ｓが互いにほぼ同じとなるように、流路高さを、内周側から外周側に向けて順次低くなるようにしている。そのため、セパレータ５Ａは、流路高さが低い外側３つの環状ガス流路８Ａｃ，８Ａｄ，８Ａｅに対応する高さ寸法を、それより内側の２つの環状ガス流路８Ａａ，８Ａｂに対応する部位の高さ寸法より低くし、セパレータ５Ａの図４中で上面部分の肉厚が厚くなりすぎないようにしている。
【００４７】
以上の構成により、第２の実施形態においても、ガス流路８Ａは、その流路断面積をＳ、反応ガスとしての燃料ガスがセル１１Ａの表面に接触する部分の流路幅をＡとすると、流路断面積Ｓに対する流路幅Ａの比：Ａ／Ｓを、セル１１の中心部より外周部で大きくしていることになる。この比の大きさの変化は、５つの環状ガス流路８Ａａ，８Ａｂ，８Ａｃ，８Ａｄ，８Ａｅ相互間で、中心部から外周部に向けて徐々に大きくする。
【００４８】
上記した第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ガス流路８の流路断面積Ｓに対する流路幅Ａの比：Ａ／Ｓを、セル１１Ａの中心部より外周部で大きくし、反応ガスが接触するセル１１Ａの面積を中心部で小さく外周部で大きくすることで、高ガス濃度となるガス導入側の中心部でのガス消費率を抑制する一方、低ガス濃度となる外周部でのガス消費率を高めることができ、セル１１Ａ全体としての発電出力密度が均一化し、発電効率の低下を防止することができる。
【００４９】
図６は、この発明の第３の実施形態を示す燃料電池の断面図で、第１の実施形態と同様に、セルユニット１Ｂを２段重ねた状態を示している。
【００５０】
この実施形態の前記図１に示した第１の実施形態と大きく異なる点は、セパレータ５Ｂを、中間壁５７と外壁５９とをそれぞれ設けることで、上下２段のガス流路８Ｂａ，８Ｂｂを形成するとともに、ホルダ部７Ｂに、ガス導入流路２９Ｂおよびガス排出流路６１をそれぞれ形成したことである。上記したセパレータ５Ｂにおける上段のガス流路８Ｂｂは、還流ガス流路を構成している。その他の構成は、前記第１の実施形態とほぼ同様であり、同一の構成要素には、第１の実施形態における符号にＢを付けて示してある。
【００５１】
セパレータ５Ｂは、中間壁５７により、第１の実施形態における前記図３の接合部３７およびアーチ状の流路壁部３９と同様な接合部３７Ｂおよび流路壁部３９Ｂを形成している。
【００５２】
一方外壁５９は、外周側端部５９ａが、セル１１Ｂの表面に接合し密閉している。外壁５９の内周側端部は、前記図１に示した第１の実施形態におけるセパレータ５と同様に、図６中で上部に突出する屈曲部３５Ｂを備えている。
【００５３】
そして、上記した中間壁５７の外周側端部には、セパレータ５Ｂの外壁５９を省略した状態の平面図である図７に示すように、円周方向に複数の貫通孔６３を設けてある。この貫通孔６３により、ガス流路８Ｂａ，８Ｂｂ相互を連通している。
【００５４】
ホルダ部７Ｂの前記したガス導入流路２９Ｂは、中心部に設けてあり、図１のものと同様に、ホルダ部７Ｂに設けたガス導入孔３１Ｂを通してガス流路８Ｂａに連通している。一方、ホルダ部７Ｂのガス排出流路６１は、ホルダ部７Ｂの平面図である図８に示すように、ガス導入流路２９Ｂの周囲にて、円周方向等間隔に複数設け、ホルダ部７Ｂに設けたガス排出孔６５を通してガス流路８Ｂｂに連通している。
【００５５】
上記した構成の燃料電池では、ホルダ部７Ｂの中心に設けたガス導入流路２９Ｂに酸化剤ガスである空気を供給し、この供給した空気は、ホルダ部７Ｂのガス導入孔３１Ｂを経て下部側のガス流路８Ｂａに流入する。
【００５６】
ガス流路８Ｂａに供給して使用済みとなった空気は、外周側端部の貫通孔６３からガス流路８Ｂｂに流入した後、ホルダ部７Ｂのガス排出孔６５を経てガス排出流路６１に排出し、燃料電池外へと排出する。
【００５７】
一方、燃料ガスである水素は、スタックを収容する図示しないケース内に雰囲気ガスとして供給し、このガスをスタックの周囲から、互いに隣接するセパレータ５Ｂと多孔質金属板９Ｂとの間の空気導入空間４１Ｂに供給する。
【００５８】
このように、セル板３の一方側（ガス流路８Ｂａ）に空気を、他方側（空気導入空間４１Ｂ）に燃料ガスをそれぞれ供給することで、燃料電池として発電がなされる。
【００５９】
上記した第３の本実施形態においては、空気を燃料ガスと隔離して排気することができるので、燃料ガスの排気の未燃焼分を回収して再度燃料電池に導入することが可能である。これにより、燃料ガスの消費量に対する発電効率を向上させることができる。
【００６０】
また、第３の実施形態においても、燃料ガスをセル１１Ｂの中心部からガス流路８Ｂａに供給し、空気をスタック外周側から供給する構成とすることで、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００６１】
すなわち、ガス流路８Ｂの流路断面積Ｓに対する、流路幅Ａの比：Ａ／Ｓを、セル１１Ｂの中心部より外周部で大きくし、反応ガスが接触するセル１１Ｂの面積を中心部で小さく外周部で大きくすることで、高ガス濃度となるガス導入側の中心部でのガス消費率を抑制する一方、低ガス濃度となる外周部でのガス消費率を高めることができ、全体としての発電出力密度が均一化し、発電効率の低下を防止することができる。
【００６２】
なお、前記した各実施形態においては、セルとセパレータとの間に、集電機能を促進するために、多孔質のインタコネクタを介装してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池の断面図である。
【図２】図１の燃料電池におけるセパレータの平面図である。
【図３】（ａ）はセル板を含む図２のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）はセル板を含む図２のＣ−Ｃ断面図である。
【図４】この発明の第２の実施形態を示す燃料電池の断面図である。
【図５】図４の燃料電池におけるセパレータの平面断面図である。
【図６】この発明の第３の実施形態を示す燃料電池の断面図である。
【図７】図６の燃料電池におけるセパレータの外壁を省略した状態の平面図である。
【図８】図６の燃料電池におけるホルダ部の平面図である
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂセルユニット
３，３Ａ，３Ｂセル板
５，５Ａ，５Ｂセパレータ
７，７Ａ，７Ｂホルダ部
８，８Ａ，８Ｂａガス流路
８Ａａ，８Ａｂ，８Ａｃ，８Ａｄ，８Ａｅ環状ガス流路
８Ｂｂガス流路（還流ガス流路）
９，９Ａ，９Ｂ多孔質金属板（支持体）
１１，１１Ａ，１１Ｂセル
１７，１７Ａ，１７Ｂ正極物質
１９，１９Ａ，１９Ｂ固体電解質
２１，２１Ａ，２１Ｂ負極物質
２９，２９Ａ，２９Ｂガス導入流路
４９ａ，５１ａ，５３ａ，５５ａ連通路
６１ガス排出流路
Ａガス流路の流路幅
Ｓガス流路の流路断面積[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention forms a gas flow path from a central portion to an outer peripheral portion between a separator having a positive electrode material on one surface of a solid electrolyte and a negative electrode material on the other surface, and a separator. The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas is introduced into a flow path from a gas introduction flow path provided at a central portion of the cell.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as an example of supplying a reaction gas from a central portion of a cell serving as a battery element, there is one described in Patent Document 1 in which a cell is a donut type.
[0003]
[Patent Document 1]
USP 6344290
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described conventional fuel cell, the amount of electrochemical reaction increases at the center side of the cell into which the reaction gas is introduced, because the reaction gas concentration is higher than the outer periphery side, and as a result, the power generation output density becomes non-uniform as a whole. As a result, the power generation efficiency decreases.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to make the power generation output density of the entire cell uniform and prevent a decrease in power generation efficiency.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a disk-shaped cell in which one surface of an electrolyte is a positive electrode and the other surface is a negative electrode, and a gas flowing from a central portion to an outer peripheral portion on one surface of the cell. A disc-shaped separator forming a flow path, wherein the gas flow path is provided with a reaction gas from a gas introduction flow path provided at the center of the cell. When the area is S and the channel width A of the gas channel is a portion where the reaction gas comes into contact with the cell, the ratio A / S is larger at the outer periphery than at the center of the cell.
[0007]
【The invention's effect】
According to the present invention, the ratio of the flow path width A of the gas flow path at the portion where the reactant gas contacts the cell to the flow path cross-sectional area S of the gas flow path: A / S is greater at the outer periphery than at the center of the cell. Since the width is increased, for example, the flow channel width A is increased at the outer peripheral portion as compared with the central portion, and the area of the cell contacting the reaction gas is reduced at the central portion and increased at the outer peripheral portion. While suppressing the gas consumption rate, the gas consumption rate at the outer peripheral portion where the gas concentration becomes low can be increased, the power generation output density of the entire cell becomes uniform, and a decrease in power generation efficiency can be prevented.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0009]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention, showing a state in which two cell units 1 are stacked. The cell unit 1 includes a cell plate 3, a conductive separator 5 provided on the cell plate 3, and a holder 7 for holding the cell plate 3 and the center of the separator 5 with the central portion thereof held therebetween. A gas flow path 8 is formed between the cell plate 3 and the separator 5 described above.
[0010]
In practice, a stack is formed by stacking a large number of the above-described cell units 1 in the vertical direction in FIG. 1, and a predetermined pressing force is applied to the above-described holder portion 7 from both the upper and lower ends of the stack and fixed. The plurality of cell units 1 are electrically connected to each other. Such a stack is accommodated in a case (not shown).
[0011]
The above-described cell plate 3 includes a donut-shaped porous metal plate 9 as a support and a cell 11 serving as a battery element provided on the upper surface of the porous metal plate 9.
[0012]
The porous metal plate 9 is made of, for example, a porous material having a porosity of 60% and sufficient gas permeability and conductivity. Ring-shaped bulk materials 13 and 15 are provided on the outer peripheral side and the inner peripheral side of the porous body, and the portion of the bulk material 15 on the inner peripheral side is held by the holder 7 described above.
[0013]
In the cell 11, a negative electrode material 17, a solid oxide electrolyte (hereinafter, simply referred to as a solid electrolyte) 19, and a positive electrode material 21 are sequentially stacked from the porous metal plate 9 side.
[0014]
The holder part 7 is composed of three members: an upper electrode part 23, a lower electrode part 25, and an insulating part 27 for joining the upper and lower electrode parts 23, 25 while electrically insulating each other. I have. The upper and lower electrode portions 23 and 25 secure electrical connection with the front and back surfaces of the cell plate 9, respectively. Further, the lower electrode portion 25 includes a separate ring 26 on the outer peripheral side, and the ring 26 is attached after the cell plate 3 is set.
[0015]
The holder 7 has a gas introduction passage 29 located at the center and vertically penetrating in FIG. 1, and a gas introduction hole communicating the gas introduction passage 29 and the gas passage 8. 31 are provided respectively.
[0016]
2 is a plan view of the separator 5, FIG. 3A is a sectional view taken along line BB of FIG. 2, and FIG. 3B is a sectional view taken along line CC of FIG. 3A and 3B are cross-sectional views including the cell plate 3. In addition, FIG. 1 described above corresponds to a cross-sectional position along DD in FIG.
[0017]
The above-mentioned separator 5 has a circular opening hole 33 in the center part, and is sandwiched and fixed between the upper electrode part 23 and the lower electrode part 25 of the adjacent cell units 1 on the outside thereof. 1 has a bent portion 35 projecting upward. The upper electrode portion 23 and the lower electrode portion 25 have a convex portion and a concave portion, respectively, corresponding to the bent portion 35.
[0018]
The upper electrode portion 23 of the uppermost cell unit 1 in the stack configuration is fixed and held by a fixing member (not shown) via the separator 5 having the bent portion 35, and the lower electrode portion 23 of the lowermost cell unit 1 is held. 25 is fixedly held by a fixing member (not shown). Each of the fixing members has a flow path communicating with the gas introduction flow path 29 at the center.
[0019]
On the outer side of the bent portion 35 of the separator 5, the gas flow path 8 that is curved and radial from the center to the outer periphery is formed. As shown in FIGS. 3A and 3B, the gas flow path 8 is formed by providing a joining portion 37 to be joined to the surface of the cell 11, and the outer end is open to the outside. .
[0020]
The joints 37 are formed in a curved and radial manner from the outside of the bent portion 35 to the outer stream side end, and are provided at equal intervals along the circumferential direction. A wall 39 is formed.
[0021]
When the gas flow path 8 has a flow path cross-sectional area S and a flow path width A at a portion where the fuel gas as a reactant gas comes into contact with the surface of the cell 11, the flow path width relative to the flow path cross-sectional area S The ratio of A: A / S is made larger at the outer periphery than at the center of the cell 11. The change in the ratio is gradually increased from the center toward the outer periphery.
[0022]
That is, in the example shown in FIG. 3, the flow path width A in FIG. 3A at the center is smaller than the flow path width A in FIG. Are substantially the same at the center and the outer periphery. For this reason, the height of the arc-shaped channel wall portion 39 is lower at the outer peripheral portion than at the central portion.
[0023]
Further, as shown in FIG. 2, the gas flow direction 8 in which the gas flow direction G from the central portion to the outer peripheral portion is inclined at the starting point P of the gas flow channel 8 with respect to the radial direction of the circular cell 11. are doing. The inclination angle α of the gas flow path 8 at the starting point P is 5 degrees or more.
[0024]
As described above, while the fuel gas is supplied to the gas flow path 8, the air serving as the oxidizing gas flows between the adjacent cell units 1, that is, the separator 5 in the lower cell unit 1 in FIG. The gas is supplied to the air introducing space 41 between the porous metal plate 9 of the cell unit 1 and the atmosphere gas in the case (not shown). Note that air is supplied to the lowermost cell unit 1 below the porous metal plate 9.
[0025]
In the fuel cell having the above-described configuration, hydrogen as a fuel gas is supplied to a gas introduction passage 29 formed at the center of the holder 7, and the supplied hydrogen passes through a gas introduction hole 31 of the holder 7. Introduce to 8.
[0026]
On the other hand, air is supplied as an atmospheric gas into a case (not shown) accommodating the stack, and this air is introduced into the air introduction space 41 below the porous metal plate 9 from around the stack.
[0027]
In this way, by introducing fuel to one side (gas flow path 8) of the cell plate 3 and introducing air to the other side (air introduction space 41), power generation is performed as a fuel cell.
[0028]
Next, the effects of the first embodiment will be described.
[0029]
(1) Since the ratio of the channel width A to the channel cross-sectional area S of the gas channel 8: A / S is larger at the outer peripheral portion than at the center of the cell 11, for example, as shown in FIG. A is made larger at the outer periphery than at the center, and the area of the cell 11 with which the reactant gas comes into contact is made smaller at the center and larger at the outer periphery. While suppressing the rate, the gas consumption rate at the outer peripheral portion where the gas concentration becomes low can be increased, the power generation output density as a whole of the cell 11 can be made uniform, and a decrease in power generation efficiency can be prevented.
[0030]
(2) By suppressing the gas consumption rate at the central portion, it is possible to suppress the concentration of heat generation at the central portion having different material joining portions such as the upper and lower electrode portions 23 and 25 of the holder portion 7 and the insulating portion 27, A fuel cell having excellent durability and impact resistance can be obtained.
[0031]
(3) Since the plurality of gas passages 8 are formed radially, the fuel gas can be uniformly supplied to the entire cell 11, and the power generation output density as a whole becomes uniform.
[0032]
(4) Since the gas flow path 8 is curved and the gas flow direction G toward the outer peripheral side is inclined at the starting point P of the gas flow path 8 with respect to the radial direction of the circular cell 11, After the gas that has flowed in from the introduction flow path 29 once starts flowing, it smoothly flows as a swirling flow along the curve, and the fuel gas can be more uniformly supplied to the entire cell 11.
[0033]
(5) In the case of a solid oxide fuel cell, oxygen ions are conducted through the electrolyte layer, so that water generated by the power generation reaction is discharged through the fuel gas passage 8. When a hydrocarbon such as gasoline is used as the fuel gas, the number of gas molecules increases toward the downstream side, and the gas fraction of hydrogen gas contributing to power generation decreases.
[0034]
For this reason, the gas flow velocity is increased at the downstream side, that is, at the outer peripheral portion, and the reaction speed at the outer peripheral portion is increased by making the flow cross-sectional area S of the gas flow channel 8 substantially constant from the central portion to the outer peripheral portion. In addition, the power generation output density as a whole of the cell 11 can be made uniform, and a decrease in power generation efficiency can be prevented.
[0035]
Here, for example, when using a fuel such as hydrogen gas or natural gas that does not increase the number of molecules on the downstream side as a fuel gas, the flow velocity is increased by reducing the flow path cross-sectional area S from the center to the outer periphery. can do.
[0036]
(6) Since the height of the arc-shaped channel wall portion 39 is lower at the outer peripheral portion than at the central portion, the separator 5 and the porous metal plate of the cell units 1 adjacent to each other are formed at the outer peripheral portion. The space between the air introduction space 41 and the air inlet space 9 is wider than that at the center, so that air can easily flow into the air introduction space 41.
[0037]
The gas flow path 8 may be simply radially formed from the center to the outer periphery.
[0038]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a fuel cell showing a second embodiment of the present invention, and shows a state in which two levels of cell units 1A are stacked, as in the first embodiment. A major difference between this embodiment and the first embodiment shown in FIG. 1 is that a separator 5A having a plurality of concentric annular gas flow paths is used. The other configuration is almost the same as that of the first embodiment, and the same components are denoted by adding A to the reference numerals in the first embodiment.
[0039]
However, the upper surface of the inner peripheral end of the separator 5A forms the same surface as the upper surface of the upper electrode portion 23A, and each upper surface contacts the lower surface of the lower electrode portion 25A of the adjacent cell unit 1A. I do. The upper surfaces of the uppermost cell unit 1A contact the lower surface of a fixing member (not shown). In addition, between the outer peripheral end of the separator 5A and the porous metal plate 9A, a space between them, that is, a conductive spacer 43 for securing the air introduction passage 41A is appropriately spaced in the circumferential direction. Are provided in plurality.
[0040]
FIG. 5 is a plan sectional view of the separator 5A described above. FIG. 4 described above corresponds to the position of the EE section in FIG. The separator 5A has a circular opening 33A at the center, and a plurality of concentric annular partition walls 49, 51 between an inner peripheral wall 45 provided on the inner peripheral edge of the opening 33A and the outer peripheral wall 47. , 53, and 55, respectively.
[0041]
The inner peripheral wall 45 is provided with four communication passages 45a communicating with the gas introduction passage 29A and the innermost annular gas passage 8Aa at equal circumferential intervals. The outer partition wall 49 is provided with a communication passage 49a communicating the innermost annular gas passage 8Aa and the outer annular gas passage 8Ab with the above-described communication passage 45a by 45 ° in the circumferential direction. Four are provided at different positions.
[0042]
Similarly, the communication passages 51a, 53a, and 55a that communicate with each other on the inner and outer sides of the partition walls 51, 53, and 55 on the outer side of the partition wall are also formed in a circular shape on the outer peripheral side with respect to the inner peripheral side. Four are provided at positions shifted by 45 ° in the circumferential direction. The outer peripheral wall 47 is provided with four communication passages 47a for communicating the outermost annular gas flow path 8Ae with the outside at a position shifted 45 ° in the circumferential direction with respect to the communication passage 55a of the inner partition wall 55.
[0043]
That is, the gas flow path 8A includes a plurality of concentric annular gas flow paths 8Aa, 8Ab, 8Ac, 8Ad, and 8Ae, and a communication path 49a that connects the respective annular gas flow paths 8Aa, 8Ab, 8Ac, 8Ad, and 8Ae to each other. , 51a, 53a, and 55a, respectively.
[0044]
Each of the communication passages 45a, 49a, 51a, 53a, 55a, and 47a has a passage area gradually increasing from an inner peripheral side to an outer peripheral side.
[0045]
The annular gas flow paths 8Aa, 8Ab, 8Ac, 8Ad, and 8Ae formed by the above-described partitions 49, 51, 53, and 55 have a flow path width A (radial flow path size) of the innermost peripheral gas flow path 8Aa. ) Is the narrowest and the flow path width A of the outermost annular gas flow path 8Ae is the widest, and the flow path width A is sequentially increased from the inner circumference to the outer circumference.
[0046]
As shown in FIG. 4, the annular gas flow paths 8Aa, 8Ab, 8Ac, 8Ad, and 8Ae have their flow path heights from the inner peripheral side to the outer peripheral side so that the flow path cross-sectional areas S are substantially the same. It becomes lower gradually toward the side. Therefore, the separator 5A has a height dimension corresponding to the outer three annular gas flow paths 8Ac, 8Ad, and 8Ae having a lower flow path height, and a height dimension corresponding to the two inner annular gas flow paths 8Aa and 8Ab inside thereof. The height is set lower than that of the separator 5A so that the thickness of the upper surface of the separator 5A in FIG.
[0047]
With the above configuration, also in the second embodiment, the gas flow path 8A has a flow path cross-sectional area of S, and a flow path width of a portion where the fuel gas as a reaction gas contacts the surface of the cell 11A is A. That is, the ratio of the flow channel width A to the flow channel cross-sectional area S: A / S is larger at the outer peripheral portion than at the central portion of the cell 11. The change in the ratio is gradually increased from the center to the outer periphery between the five annular gas flow paths 8Aa, 8Ab, 8Ac, 8Ad, and 8Ae.
[0048]
In the above-described second embodiment, similarly to the first embodiment, the ratio of the flow path width A to the flow path cross-sectional area S of the gas flow path 8: A / S is set to be greater than the center of the cell 11 </ b> A to the outer periphery. By increasing the area of the cell 11A in contact with the reaction gas at the central portion and increasing the area at the outer peripheral portion, the gas consumption rate at the central portion on the gas introduction side where the gas concentration becomes high is suppressed while the low gas concentration is reduced. Thus, the gas consumption rate at the outer peripheral portion can be increased, the power generation output density of the entire cell 11A can be made uniform, and a decrease in power generation efficiency can be prevented.
[0049]
FIG. 6 is a cross-sectional view of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention, showing a state in which cell units 1B are stacked in two stages, as in the first embodiment.
[0050]
A major difference between this embodiment and the first embodiment shown in FIG. 1 is that the separator 5B is provided with an intermediate wall 57 and an outer wall 59, respectively, thereby forming gas passages 8Ba and 8Bb in two upper and lower stages. In addition, the gas introduction passage 29B and the gas discharge passage 61 are formed in the holder 7B. The upper gas flow path 8Bb in the above-described separator 5B constitutes a reflux gas flow path. The other configuration is almost the same as that of the first embodiment, and the same components are denoted by the reference characters B in the first embodiment.
[0051]
In the separator 5B, the intermediate wall 57 forms a joint portion 37B and a channel wall portion 39B similar to the joint portion 37 and the arc-shaped channel wall portion 39 in FIG. 3 in the first embodiment.
[0052]
On the other hand, the outer wall 59 has an outer peripheral end 59a joined to the surface of the cell 11B and hermetically closed. The inner peripheral end of the outer wall 59 has a bent portion 35B protruding upward in FIG. 6, similarly to the separator 5 in the first embodiment shown in FIG.
[0053]
At the outer peripheral end of the intermediate wall 57, a plurality of through holes 63 are provided in the circumferential direction as shown in FIG. 7, which is a plan view in which the outer wall 59 of the separator 5B is omitted. The gas flow paths 8Ba and 8Bb communicate with each other by the through holes 63.
[0054]
The gas introduction channel 29B of the holder portion 7B is provided at the central portion and communicates with the gas channel 8Ba through the gas introduction hole 31B provided in the holder portion 7B, as in FIG. On the other hand, as shown in FIG. 8 which is a plan view of the holder 7B, a plurality of gas discharge channels 61 of the holder 7B are provided at equal intervals in the circumferential direction around the gas introduction channel 29B. Through a gas discharge hole 65 provided in the gas passage 8Bb.
[0055]
In the fuel cell having the above-described configuration, air serving as an oxidizing gas is supplied to the gas introduction flow path 29B provided at the center of the holder 7B, and the supplied air passes through the gas introduction hole 31B of the holder 7B to the lower side. Into the gas flow path 8Ba.
[0056]
The air supplied to the gas flow path 8Ba and used has flowed into the gas flow path 8Bb from the through hole 63 at the outer peripheral side end, and then flows into the gas discharge flow path 61 through the gas discharge hole 65 of the holder 7B. Discharge and discharge outside the fuel cell.
[0057]
On the other hand, hydrogen as a fuel gas is supplied as an atmospheric gas into a case (not shown) accommodating the stack, and this gas is supplied from the periphery of the stack to an air introduction space between the adjacent separator 5B and porous metal plate 9B. 41B.
[0058]
As described above, by supplying air to one side (gas flow path 8Ba) of the cell plate 3 and supplying fuel gas to the other side (air introduction space 41B), power generation is performed as a fuel cell.
[0059]
In the third embodiment described above, since air can be exhausted while being separated from the fuel gas, it is possible to recover the unburned portion of the exhaust of the fuel gas and introduce the unburned portion into the fuel cell again. As a result, the power generation efficiency with respect to the fuel gas consumption can be improved.
[0060]
Also in the third embodiment, the same effect as in the first embodiment is obtained by supplying fuel gas to the gas flow channel 8Ba from the center of the cell 11B and supplying air from the outer periphery of the stack. Is obtained.
[0061]
That is, the ratio of the flow channel width A to the flow channel cross-sectional area S of the gas flow channel 8B: A / S is made larger at the outer peripheral portion than at the central portion of the cell 11B, and the area of the cell 11B with which the reactant gas comes into contact is increased. The gas consumption rate at the central part on the gas introduction side where the gas concentration becomes high can be suppressed, while the gas consumption rate at the peripheral part where the gas concentration becomes low can be increased by increasing , The power generation output density can be made uniform, and a decrease in power generation efficiency can be prevented.
[0062]
In each of the above-described embodiments, a porous interconnector may be interposed between the cell and the separator in order to promote the current collecting function.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a fuel cell showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a separator in the fuel cell of FIG.
3A is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 2 including a cell plate, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 2 including a cell plate.
FIG. 4 is a sectional view of a fuel cell showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan sectional view of a separator in the fuel cell of FIG.
FIG. 6 is a sectional view of a fuel cell showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of the fuel cell of FIG. 6 in which an outer wall of a separator is omitted.
8 is a plan view of a holder part in the fuel cell of FIG.
1, 1A, 1B Cell unit 3, 3A, 3B Cell plate 5, 5A, 5B Separator 7, 7A, 7B Holder 8, 8A, 8Ba Gas flow paths 8Aa, 8Ab, 8Ac, 8Ad, 8Ae Annular gas flow path 8Bb Gas Flow path (reflux gas flow path)
9,9A, 9B Porous metal plate (support)
11, 11A, 11B Cells 17, 17A, 17B Positive electrode material 19, 19A, 19B Solid electrolytes 21, 21A, 21B Negative electrode material 29, 29A, 29B Gas introduction flow paths 49a, 51a, 53a, 55a Communication path 61 Gas discharge flow path A Channel width S of gas channel S Channel cross-sectional area of gas channel

Claims

A disk-shaped cell having one surface of the electrolyte as a positive electrode and the other surface as a negative electrode, and a disk-shaped separator that forms a gas flow path from a center to an outer periphery on one surface of the cell. In a fuel cell in which a reaction gas is introduced into a gas flow passage from a gas introduction flow passage provided at a central portion of the cell, the flow passage cross-sectional area of the gas flow passage is S, and the flow passage width A of the gas flow passage is Wherein the ratio A / S is larger at the outer periphery than at the center of the cell, where is a portion where the reaction gas comes into contact with the cell.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas flow path is formed radially from a central portion to an outer peripheral portion.

3. The fuel cell according to claim 2, wherein the radial gas flow path is formed in a curved shape.

4. The method according to claim 2, wherein a direction in which the reaction gas is introduced into the gas flow path is inclined with respect to a radial direction of a circular gas introduction flow path provided in a central portion of the cell. Fuel cell.

On the opposite side of the gas flow path from the cell, a reflux gas flow path for returning the reaction gas flowing from the center to the outer circumference of the gas flow path to the center is provided, and the gas flow path is provided at the center of the cell. The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a gas discharge passage communicating with the reflux gas passage is provided separately from the introduction passage.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas flow path includes a plurality of concentric annular gas flow paths and a communication path that communicates the respective annular gas flow paths with each other. 3.

The fuel cell may be a solid oxide fuel cell, and at least the fuel gas of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell may be introduced into the gas flow path from a central portion of the cell as a reaction gas. The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein:

The fuel cell according to claim 7, wherein the flow rate of the fuel gas introduced into the gas flow path is increased at an outer peripheral portion.

9. The fuel cell according to claim 8, wherein a flow path cross-sectional area S of the gas flow path is constant or decreases from the center to the outer periphery of the cell.

The cell was supported on a gas-permeable support on the side opposite to the gas flow path to form a cell plate, and the cell plate and the separator were provided with the gas introduction flow path at the center thereof. 8. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is held by a holder.

A stack is formed by stacking a plurality of cell units each including the cell plate, the separator, and the holder unit, and a pressure is applied in the stacking direction to the holder units at both ends in the stacking direction of the stack, so that the plurality of cell units are connected to each other. The fuel cell according to claim 10, wherein the fuel cell is electrically connected.