JP2004227845A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平板積層型の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、ディストリビュータとセパレータを接続するガス供給管の配設構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
前記固体酸化物形燃料電池(SOFC)は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の3種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極(カソード)と燃料極(アノード)で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を挟みセパレータと交互に積層されて、燃料電池スタックが構成されている。
【0003】
固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素 (空気) が、燃料極側に燃料ガス(H2 、CO、等) が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン(O2−)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2 O、CO2 等)を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に起電力として取り出すことができる。
【0004】
図8は固体酸化物形燃料電池のスタック構造を示している。
この燃料電池スタック1は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層(酸化剤極層)を配した発電セル5と、発電セル外側の燃料極集電体6と空気極集電体7と、各集電体6、7の外側のセパレータ8をそれぞれ順番に積層した構造を有する。
【0005】
前記固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、前記燃料極層はNi、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、前記空気極層はLaMnO3 、LaCoO3 等で構成され、前記燃料極集電体6はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、前記空気極集電体7はAg基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、前記セパレータ8はステンレス等で構成されている。
【0006】
セパレータ8は、発電セル5間を電気接続すると共に、発電セル5に対してガスを供給する機能を有するもので、その内部に、燃料ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の燃料極集電体6に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス通路と、酸化剤ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の空気極集電体7に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路を有している。
【0007】
また 燃料電池スタック1の側方には、水平方向に複数の反応ガスの供給管(即ち、燃料ガス供給管13および酸化剤ガス供給管14)が接続されており、各セパレータ8の燃料ガス通路に燃料ガス供給管13を通して燃料ガスを供給する燃料用ディストリビュータ15と、各セパレータ8の酸化剤ガス通路に酸化剤ガス供給管14を通して酸化剤ガス(空気)を供給する酸化剤用ディストリビュータ16とが、発電セル5の積層方向に延在して設けられている。
【0008】
このような、ガス供給管やディストリビュータの配設構造は特許文献1にも記載されている。
【0009】
【特許文献1】
特開平6−13088号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記開示技術にも記載されるような、セパレータの側部より水平方向に各々ガス供給管を延設してディストリビュータに接続するといった公知のガス供給構造は、スタック化の際、その側方部に各々ガス供給管を延設するための無駄なスペースを必要とし、これがモジュール小型化の障害となっていた。
【0011】
本発明は、上記問題点に鑑みて、セパレータに対して垂直方向にガス供給管を配設することにより横方向のスペースを削減してモジュールの小型化を可能にすると共に、流路接続機構を改善して熱サイクルに対するモジュールの信頼性を向上した固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項1に記載の発明は、固体電解質層の両面に電極層を配置して発電セルを構成し、当該発電セルと内部にガス流路を有するセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成し、ガス供給管によりセパレータを通して各電極層に反応ガスを供給する平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、前記ガス供給管を、前記セパレータに対して垂直方向に配設して構成した。
【0013】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記各ガス供給管の他端を前記燃料電池スタックの上方または下方においてディストリビュータと接続した。
【0014】
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記ディストリビュータの一部、または全てをポリ四フッ化エチレン材で構成した。
【0015】
前記請求項1、請求項2に記載の構成では、スタック化に際し、燃料電池スタックにおける横方向(側方部)の無駄なスペースを無くすことができるため、モジュールの小型化が図れる。
また、請求項3に記載の構成では、絶縁のための複雑な流路接続機構(例えば、図8に示すセラミックス継ぎ手17)を設けずにセパレータ間の電気的絶縁が得られると共に、セラミックス材で問題となった熱サイクルによる破損を回避でき、モジュールの信頼性を向上できる。特に、ディストリビュータ部分を常温、もしくは100〜200℃の低温環境下に配設する場合は、ポリ四フッ化エチレン材は安価であるから好都合である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図7に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【0017】
図1は本発明に係る平板積層型燃料電池スタックの縦断面図、図2はその平面図、図3は図1の燃料電池スタックに用いる各セパレータの平面図、図4は図1とは別の燃料電池スタックの縦断面図、図5はその平面図、図6は図4の燃料電池スタックに用いる各セパレータの平面図、図7は燃料電池モジュールの縦断面図である。
【0018】
図1に示すように、本実施形態の燃料電池スタック1は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル5と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体6と、空気極層の外側に配した空気極集電体7と、各集電体6、7の外側に配したセパレータ8とで単セルを構成し、これを多数積層してスタック化した筒状体である。
単セルの構成は、図8と同様であるが、本実施形態は、各セパレータ8に接続される燃料ガス供給管13と酸化剤ガス供給管14がセパレータ8とほぼ垂直方向、即ち、縦方向に配設される構造が図8と相違している。
【0019】
ここで、前記セパレータ8は、3.5mm程の厚さを有する四角形状のステンレス製板材で構成されており、図1に示すように、内部に燃料ガス供給管13から供給される燃料ガスをセパレータ外周面から導入して中央のガス吐出孔11から吐出させる燃料ガス通路9と、酸化剤ガス供給管14から供給される酸化剤ガスをセパレータの対向外周面から導入して中央のガス吐出孔12から吐出させる酸化剤ガス通路10とが形成されている。
【0020】
図2に示すように、各セパレータ8の外周部に、先端部に前記燃料ガス通路9と連通する通孔19aを備えた矩形状の燃料ガス用連結部19と、前記酸化剤ガス通路10と連通する通孔20aを備えた矩形状の酸化剤ガス用連結部20を各々対向配置して水平方向に延設すると共に、これら連結部の通孔19a、20aに連通するように、各連結部19、10に対応してステンレス製の燃料ガス供給管13と酸化剤ガス供給管14が、例えば、溶接により略垂直状態に固着・接続され、筒状体の側部近傍を上方に向けて延設されている。
【0021】
図3は各セパレータ8の構造を示している。図3(a)はスタックの最下部に位置するセパレータで、図中、四角状セパレータ8の右辺奥側に燃料ガス用連結部19のみが形成されており、その通孔19aと連通する燃料ガス通路9がセパレータ8の中央部に延び、その末端部に上向きに開口した吐出孔11が形成されている。
また、その上部に位置する図3(b)のセパレータ8には、前記最下部のセパレータ8の燃料ガス用連結部19と縦に重ならないよう、幾分手前側に位置した形で燃料ガス用連結部19が形成されていると共に、左辺側には、その対向位置に酸化剤ガス用連結部20が形成されている。この酸化剤ガス用連結部20の通孔20aと連通する酸化剤ガス通路10がセパレータ8の中央部に延び、その端部に下向きに開口した吐出孔12が形成されている。
同様に、図3(c)、(d)においても、隣接セパレータ8の連結部同士が縦方向に重ならないよう各々形成位置をずらした形で燃料ガス用連結部19と酸化剤ガス用連結部20が形成され、最上部に位置するものは、図3(e)のように酸化剤ガス用連結部20のみが形成されたセパレータ8となる。
【0022】
このように、本実施形態では、積層方向に隣接する各連結部19、20の位置がセパレータ8の周方向に連続的にずれるように個々のセパレータ8を配置して筒状にスタック化されている。そして、積層された各セパレータ8の連結部19、20に接続される複数の燃料ガス供給管13と酸化剤ガス供給管14はそれぞれ互いに接触することなく所定の間隔を持って縦方向に延長され、そして各々ガス供給管13、14の端部が燃料電池スタック1の上方に配設された燃料用ディストリビュータ15と酸化剤用ディストリビュータ16の側壁に一列状態に固着・接続されている。
【0023】
また、例えば、セパレータ8の積層数が多くて、セパレータ8の4辺に全ての連結部が重ならないように配設できなくなった場合には、図4、図5に示すように、燃料ガス供給管13と酸化剤ガス供給管14をそれぞれ横方向に2列配置とすることができる。
この場合、内側の管配列を構成する図2のセパレータ8に加え、その外側にガス供給管13、14を配設できるようにしたセパレータとして、図6(a)〜(e)に示す構造の各セパレータ8が追加されることになる。図示のように、本実施形態では、各セパレータ8における燃料ガス用連結部19と酸化剤ガス用連結部20の位置関係は図2と同様とし、その長さが幾分長めに設定されている。
【0024】
本構成のセパレータ8を用いれば、各ガス供給管13、14はそれぞれ燃料電池スタック1の周方向と横方向に一定の間隔を持ってセパレータ8の各連結部19、20の先端部に連結され、そこから縦方向に延長されて他端部が燃料電池スタック上方の各ディストリビュータ19、20の側壁に2列状態で接続されることになる。
【0025】
このように、各ガス供給管13、14の配置を縦構造とすることにより、スタック化に際し、従来、スタック側方部に延設されるガス供給管によって生じた横方向の無駄な配管スペースを無くすことができるため、燃料電池モジュールの小型化が図れる。
【0026】
尚、この実施形態では、各連結部19、20の形成部位として四角状セパレータ8の左辺、右辺のみを使用したが、後辺、前辺を使用することも勿論可能である。例えば、燃料ガス用連結部19の形成部位は左辺と後辺を使用し、酸化剤ガス用連結部20は右辺と前辺を使用するといった具合である。また、セパレータ8の積層数に応じて各ガス供給管13、14を3列以上の配置とすることも勿論可能であり、セパレータ8の形状も四角状でなく丸形状としても良い。
また、本実施形態では、各ディストリビュータ15、16を燃料電池スタック1の上方に配設した例を説明したが、これとは逆に、各セパレータ8の連結部19、20よりガス供給管13、14を立ち下げる形にして燃料電池スタック1の下方にディストリビュータ15、16を配設することもできる。
【0027】
以上のようなスタック構造において、外部から供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管14から酸化剤ガス用連結部20の通孔20aを介して酸化剤ガス通路10に導入され、通路末端部の酸化剤ガスの吐出孔12より吐出して対面する空気極集電体7に供給される。一方、外部からの燃料ガスは、燃料ガス供給管13から燃料ガス用連結部19の通孔19aを介して燃料ガス通路9に導入され、通路末端の燃料ガスの吐出孔11より吐出して対面する燃料極集電体6に供給される。
【0028】
また、本実施形態では、前記各々ディストリビュータ15、16がポリ四フッ化エチレン材等の電気絶縁部材で構成されているため、従来のセラミックス継手のような絶縁のための複雑な流路接続機構を用いずにセパレータ間の電気的絶縁を得ることができる。これにより、セラミックス材で問題となった熱サイクルにる破損を回避でき、燃料電池モジュールの信頼性が向上する。
【0029】
特に、ディストリビュータ部分を常温もしくは低温環境下に配設する場合は、ポリ四フッ化エチレン材は安価であるから好都合である。
図7は、その一例を示しており、断熱材、耐熱金属、セラミックス等で構成される函体21に燃料電池スタック1を収納して燃料電池をモジュール化すると共に、この函体外部に熱的に隔離した室22を別個に設け、室内に燃料用ディストリビュータ15と酸化剤用ディストリビュータ16をそれぞれ設置した構成である。
このように、ディストリビュータ15、16を発電炉外に設置したモジュール構造の場合は、室22を常温もしくは100〜200℃といった低い温度に維持することにより、セラミックス材に比べて耐熱性の劣るポリ四フッ化エチレン製のディストリビュータ15、16の使用が可能になる。これにより、絶縁のシール部分(各ガス供給管13、14と各ディストリビュータ15、16の接続部のガスシール、例えば、ガラスシール)の信頼性が飛躍的に向上し、燃料電池ジュールの耐熱サイクル性の向上に繋がる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1、請求項2に記載の発明によれば、ガス供給管をセパレータに対して垂直方向に配設し、各ガス供給管の他端を前記燃料電池スタックの上方または下方においてディストリビュータと接続する構成としたので、燃料電池のスタック化に際してスタック横方向の無駄なスペースを無くすことができ、よって、燃料電池モジュールの小型化が図れる。
【0031】
また、請求項3に記載の本発明によれば、ディストリビュータの一部、または全てをポリ四フッ化エチレン材にて構成したので、従来のセラミックス継手のような絶縁のための複雑な流路接続機構を用いずセパレータ間の電気的絶縁を得ることができると共に、従来セラミックス材で問題となった熱サイクルにる破損を回避でき、モジュールの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池スタックの縦断面図。
【図2】図1の燃料電池スタックの平面図。
【図3】図1の燃料電池スタックに用いる各セパレータの平面図。
【図4】図1とは別の燃料電池スタックの縦断面図。
【図5】図4の燃料電池スタックの平面図。
【図6】図4の燃料電池スタックに用いる各セパレータの平面図。
【図7】本発明に係る燃料電池モジュールの構造を示す縦断面図。
【図8】従来の燃料電池スタックの構造を示す図。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
5 発電セル
8 セパレータ
9 ガス流路(燃料ガス通路)
10 ガス流路(酸化剤ガス通路)
13 ガス供給管(燃料ガス供給管)
14 ガス供給管(酸化剤ガス供給管)
15 ディストリビュータ(燃料用ディストリビュータ)
16 ディストリビュータ(酸化剤用ディストリビュータ)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a plate-stacked solid oxide fuel cell, and more particularly, to an arrangement structure of a gas supply pipe connecting a distributor and a separator.
[0002]
[Prior art]
The solid oxide fuel cell (SOFC) is being developed as a third-generation fuel cell for power generation. At present, three types of solid oxide fuel cells, a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, have been proposed. In each case, a solid electrolyte made of an oxide ion conductor is connected to an air electrode (cathode) from both sides. It has a laminated structure sandwiched between fuel electrodes (anodes). The power generation cells composed of the stacked body are alternately stacked with the separator with the fuel electrode current collector and the air electrode current collector interposed therebetween to form a fuel cell stack.
[0003]
In a solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode side, and fuel gas (H 2 , CO, etc.) is supplied to the fuel electrode side. Both the air electrode and the fuel electrode are porous layers so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte.
Oxygen supplied to the air electrode side reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer through pores in the air electrode layer, receives electrons from the air electrode at this portion, and is ionized into oxide ions (O 2− ). Is done. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. The oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate a reaction product (H 2 O, CO 2, etc.), and emit electrons to the fuel electrode. The electrons can be extracted to the outside as an electromotive force.
[0004]
FIG. 8 shows a stack structure of a solid oxide fuel cell.
The
[0005]
The solid electrolyte layer is made of stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added, and the fuel electrode layer is made of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni-YSZ or Co-YSZ. Is composed of LaMnO 3 , LaCoO 3, etc., the fuel electrode
[0006]
The
[0007]
A plurality of reaction gas supply pipes (that is, a fuel
[0008]
Such an arrangement structure of the gas supply pipe and the distributor is also described in
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-6-13088
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as described in the above-described disclosed technology, a known gas supply structure such as extending a gas supply pipe in a horizontal direction from a side portion of a separator and connecting the gas supply pipe to a distributor has a problem in stacking. Each of the sections requires a useless space for extending a gas supply pipe, which has been an obstacle to downsizing the module.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and by arranging a gas supply pipe in a direction perpendicular to a separator, it is possible to reduce a space in a lateral direction and reduce the size of a module, and to provide a flow path connecting mechanism. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell having an improved module reliability with respect to a heat cycle.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell is provided by arranging electrode layers on both sides of a solid electrolyte layer to form a power generation cell, and alternately stacking a plurality of the power generation cells and a separator having a gas flow path therein. A stack is formed, and in a flat-plate stacked solid oxide fuel cell that supplies a reaction gas to each electrode layer through a separator by a gas supply pipe, the gas supply pipe is disposed in a direction perpendicular to the separator. Configured.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the first aspect, the other end of each of the gas supply pipes is connected to a distributor above or below the fuel cell stack.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the second aspect, a part or all of the distributor is made of a polytetrafluoroethylene material.
[0015]
In the configuration according to the first and second aspects, a wasteful space in the lateral direction (side portion) of the fuel cell stack can be eliminated in stacking, so that the size of the module can be reduced.
Further, according to the configuration of the third aspect, electrical insulation between the separators can be obtained without providing a complicated flow path connecting mechanism for insulation (for example, the
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0017]
1 is a longitudinal sectional view of a flat-plate type fuel cell stack according to the present invention, FIG. 2 is a plan view thereof, FIG. 3 is a plan view of each separator used in the fuel cell stack of FIG. 1, and FIG. 5 is a plan view, FIG. 6 is a plan view of each separator used in the fuel cell stack of FIG. 4, and FIG. 7 is a longitudinal sectional view of a fuel cell module.
[0018]
As shown in FIG. 1, a
The configuration of the single cell is the same as that of FIG. 8, but in the present embodiment, the fuel
[0019]
Here, the
[0020]
As shown in FIG. 2, a rectangular fuel
[0021]
FIG. 3 shows the structure of each
Further, the fuel
Similarly, in FIGS. 3C and 3D, the connecting portions for the
[0022]
As described above, in the present embodiment, the
[0023]
For example, in the case where the number of
In this case, in addition to the
[0024]
When the
[0025]
As described above, by arranging the
[0026]
In this embodiment, only the left side and the right side of the
Further, in the present embodiment, an example in which the
[0027]
In the stack structure as described above, the oxidizing gas supplied from the outside is introduced into the oxidizing
[0028]
Further, in the present embodiment, since the
[0029]
In particular, when the distributor is disposed in a normal temperature or low temperature environment, the polytetrafluoroethylene material is advantageous because it is inexpensive.
FIG. 7 shows an example of this. The
As described above, in the case of the module structure in which the
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and second aspects of the present invention, the gas supply pipes are disposed perpendicular to the separator, and the other end of each gas supply pipe is located above the fuel cell stack. Alternatively, since it is configured to be connected to the distributor at the lower side, it is possible to eliminate a useless space in the lateral direction of the stack when stacking the fuel cells, so that the size of the fuel cell module can be reduced.
[0031]
According to the third aspect of the present invention, since a part or all of the distributor is made of a polytetrafluoroethylene material, a complicated flow path connection for insulation like a conventional ceramic joint is used. Electrical insulation between the separators can be obtained without using a mechanism, and breakage due to a thermal cycle, which has conventionally been a problem with ceramic materials, can be avoided, thereby improving the reliability of the module.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a fuel cell stack according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the fuel cell stack of FIG.
FIG. 3 is a plan view of each separator used in the fuel cell stack of FIG. 1;
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of another fuel cell stack different from FIG. 1;
FIG. 5 is a plan view of the fuel cell stack of FIG.
FIG. 6 is a plan view of each separator used in the fuel cell stack of FIG.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the structure of the fuel cell module according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a structure of a conventional fuel cell stack.
[Explanation of symbols]
10. Gas flow path (oxidant gas path)
13 Gas supply pipe (fuel gas supply pipe)
14. Gas supply pipe (oxidant gas supply pipe)
15 Distributor (distributor for fuel)
16 Distributor (Distributor for oxidizer)
Claims (3)
前記ガス供給管を、前記セパレータに対して垂直方向に配設したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。An electrode layer is arranged on both sides of the solid electrolyte layer to form a power generation cell, a plurality of the power generation cells and a separator having a gas flow path therein are alternately stacked to form a fuel cell stack, and a gas supply pipe passes through the separator. In a solid oxide fuel cell that supplies a reaction gas to each electrode layer,
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the gas supply pipe is disposed in a direction perpendicular to the separator.
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