JP2004327130A

JP2004327130A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004327130A
Application number: JP2003117428A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Sato; 文紀佐藤; Mitsugi Yamanaka; 貢山中; Itaru Shibata; 格柴田; Keiko Kushibiki; 圭子櫛引
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: JP4127111B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently incorporate a gas supplied into a stack case in a fuel cell stack. <P>SOLUTION: A plurality of fuel cell stacks 1 are housed in the stack case. The fuel cell stacks 1 are numerously laminated of a plurality of unit battery units 5 leaving a prescribed spacing. As for each unit battery unit 5, an air electrode is exposed to the space in the stack case, this air supplied is incorporated into the air electrode by supplying the air in the stack case. The supplied air is discharged from an air discharge passage 9 installed at the center part of the fuel cell stack 1 to the outside of the stack. On the other hand, after the fuel is supplied from a fuel supplying passage 21 installed in the vicinity of the air discharge passage 9 to each unit battery unit 5, it is discharged from a fuel discharge passage 23 installed in the vicinity of the air discharge passage 9 to the outside of the stack. <P>COPYRIGHT: (C)2005,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燃料極を、同他方の面に酸化剤極をそれぞれ配置した単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックをスタックケース内に収容し、このスタックケース内の燃料電池スタックに対して燃料および酸化剤の給排気を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
単位電池を複数積層して構成した燃料電池スタックは、大出力を必要とする場合単独ではなく複数並列して使用することになるが、この場合全体のシステムや断熱性を考慮すると、複数の燃料電池スタックを一つのスタックケース内に設置する必要がある。
【０００３】
ここで、スタックケース内の複数の燃料電池スタックすべてに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの給排気管をそれぞれ設けると、燃料電池システムとして構造の複雑化および大型化を招く。
【０００４】
この問題を解消するものとして、例えば特許文献１には、単位電池における一方の電極側を、スタックケース内に開放する構造とし、この一方の電極に対応するガスを、スタックケース内に供給して流通させるものが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−８９８９５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来のものでは、スタックケース内において燃料電池スタックの周辺にガス供給口とガス排気口とをそれぞれ設けてあり、このためスタックケース内に供給したガスが、燃料電池スタック周囲を流れ、その一部が燃料電池スタックに取り込まれるものとなる。
【０００７】
このため、スタックケース内に供給したガスは、その一部が単位電池表面を流れずにガス供給口から直接ガス排気口へ流れる結果を招き、供給量に対し反応に寄与するガスの割合が低いものとなって必要量以上のガス供給が必要となり、これら必要量以上のガスのための供給、予熱のエネルギが必要となり総合的な発電効率が低下する。
【０００８】
そこで、この発明は、スタックケース内に供給したガスを燃料電池スタックに効率よく取り込むようにすることを目的としている。
【０００９】
【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、固体電解質の一方の面に燃料極を、同他方の面に酸化剤極をそれぞれ配置した単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックをスタックケース内に収容し、このスタックケース内の前記燃料電池スタックに対して燃料および酸化剤の給排気を行う燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記燃料極側もしくは空気極側の一方が前記スタックケース内に開放する構造であって、このスタックケース内に、前記開放された側の電極に対応するガスを供給し、この供給したガスを前記燃料電池スタックの中央部よりスタックケースの外部へ排気する構成としてある。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池スタックを収容したスタックケース内に、開放された側の電極に対応するガスを供給し、この供給したガスを燃料電池スタックの中央部よりスタックケースの外部へ排気するようにしたため、スタックケース内に供給したガスを、スタックケース内に開放した側の電極に効率よく取り込むことができる。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる複数の燃料電池スタック１をスタックケース３内に収容している状態を示す透視図である。燃料電池スタック１は、図２に示すように、複数の単位電池ユニット５を相互間に隙間を形成した状態で多数積層して構成している。
【００１３】
スタックケース３の側壁には空気供給管７を接続し、この空気供給管７を通してスタックケース３内に空気を供給する。供給した空気は単位電池ユニット５相互の隙間に入り込み、単位電池ユニット５の表面に露出している後述する空気極に供給される。空気極を通過した空気は、単位電池ユニット５の中心部に形成してある図２に示す空気排出通路９を経て燃料電池スタック１の外部に排出される。
【００１４】
スタックケース３の下端にはケース土台１１設け、このケース土台１１上に燃料電池スタック１を設置し、ケース土台１１内に前記図２に示した空気排出通路９の端部か開口している。ケース土台１１の側面には、上記した空気極に供給した空気を、空気排出通路９を経て外部に排出するための空気排出口１３および、前記各単位電池ユニット５における後述する燃料極に供給する燃料ガスの供給口１５、同排出口１７をそれぞれ設けてある。
【００１５】
図３は、上記したケース土台１１内におけるガス配管のレイアウトを示す平面図で、ケース土台１１内に開口している空気排出通路９と、空気排出口１３とを、ケース土台１１内に設置してある空気排出管１９で接続してある。
【００１６】
また、燃料電池スタック１における空気排出通路９の近傍には、図２に示すように、燃料供給通路２１および燃料排出通路２３を、各単位電池ユニット５を貫通するようにそれぞれ設けてある。この燃料供給通路２１および燃料排出通路２３も、空気排出通路９と同様にケース土台１１内にそれぞれ開口しており、この各開口と、図１，図３に示してある燃料供給口１５および同排出口１７とを、ケース土台１１内に設置してある図３に示す燃料供給管２５および燃料排出管２７によりそれぞれ接続する。
【００１７】
図４は、燃料電池スタック１を収容したスタックケース３および、空気排出管１９，燃料供給管２５，燃料排出管２７をそれぞれ収容したケース土台１１を含む電池モジュール２９に対するガス供給システム図である。
【００１８】
空気供給管７には、加圧手段としてのコンプレッサ３１および熱交換器３３をそれぞれ設け、コンプレッサ３１によって加圧した空気を、熱交換器３３において予熱した後、電池モジュール２９のスタックケース３内に供給する。熱交換器３３は、空気排出口１３に接続する外部空気排出管３５を流れる排出空気によって供給空気を加熱する。
【００１９】
一方、図１に示した燃料供給口１５には外部燃料供給管３７を接続し、外部燃料供給管３７にも、コンプレッサ３９および熱交換器４１を設け、コンプレッサ３９によって加圧した燃料を、熱交換器４１において予熱した後、燃料電池スタック１に供給する。熱交換器４１は、燃料排出口１７に接続する外部燃料排出管４３を流れる排出燃料によって供給燃料を加熱する。
【００２０】
図５は、前記図２に示した燃料電池スタック１を構成する単位電池ユニット５の斜視図である。この単位電池ユニット５は、図６にその分解斜視図で示すように、単位電池４５と、セパレータ４７と、ホルダ部としてのガスジョイント４９とをそれぞれ備えている。
【００２１】
単位電池４５は、図７にその拡大した断面図で示すように、固体電解質としての固体酸化物電解質５１のセパレータ４７側の一方の面に燃料極５３を、ガスジョイント４９側の他方の面に酸化剤極としての空気極５５をそれぞれ配置した３層構造である。
【００２２】
固体酸化物電解質５１としては、例えばイットリア安定化ジルコニア（以下ＹＳＺ）を使用し、この固体酸化物電解質５１に、燃料極５３としてニッケル酸化物とＹＳＺのサーメットを、空気極５５としてＬａＳｒＣＯ_３を、それぞれ焼き付けて単位電池４５を構成する。この単位電池４５が、８００℃〜１０００℃程度の高温化において、空気極５５に酸化剤ガス（この場合は空気）を、燃料極５３に例えばＨ_２やＣＨ_４を、それぞれ導入することによって発電を行うことになる。
【００２３】
セパレータ４７は、ガス透過性の低く導電性に富んだ例えばランタンクロマイトからなり、中央にガスジョイント４９と外形がほぼ同形状のボス部５９を備えるとともに、外周縁部に単位電池４５側に突出する側壁部６１を備えている。ボス部５９と側壁部６１の高さ寸法は同等であり、このようなセパレータ４７の上部に単位電池４５を配置することで、燃料ガスが流れる空間を形成する。
【００２４】
すなわち、このセパレータ４７は、単位電池４５の燃料極５３側での燃料ガスの供給・排気を行うとともに、燃料ガスを外部に放出しないように封じ込めも行い、さらに燃料極５３側の集電機能も担うことになる。
【００２５】
ガスジョイント４９も、セパレータ４７と同じ材料で形成してあり、各単位電池ユニット５相互間のガスの流通、および電気的接続を行うとともに、空気極５５上を通過してきた空気の排気を行う。
【００２６】
すなわち、上記したガスジョイント４９の中央部の円筒部分には中央貫通孔４９ａを備え、中央貫通孔４９ａの両側には、側部貫通孔４９ｂおよび４９ｃをそれぞれ備える。
【００２７】
そして、中央貫通孔４９ａに対応して、単位電池４５およびセパレータ４７のボス部５９には、中央開口孔４５ａおよび５９ａを設けるとともに、側部貫通孔４９ｂ，４９ｃに対応して、単位電池４５およびセパレータ４７のボス部５９には、側部開口孔４５ｂ，４５ｃおよび５９ｂ，５９ｃをそれぞれ設ける。
【００２８】
また、上記したセパレータ４７のボス部５９における側部開口孔５９ｂ，５９ｃは、単位電池４５との間の燃料が流れる空間に開口している。
【００２９】
したがって、上記したセパレータ４７の上に単位電池４５を重ね、さらにこの単位電池４５の上にガスジョント４９を重ね合わせて単位電池ユニット５とすることで、中央貫通孔４９ａ，中央開口孔４５ａ，５９ａが相互に連通するとともに、側部貫通孔４９ｂ，側部開口孔４５ｂ，５９ｂが相互に連通し、さらに側部貫通孔４９ｃ，側部開口孔４５ｃ，５９ｃが相互に連通する。
【００３０】
そして、上記した単位電池ユニット５を図２のように複数積層することで、その中央部に、中央貫通孔４９ａ，中央開口孔４５ａ，５９ａによって前記した空気排出通路９が構成されるとともに、空気排出通路９の近傍に、側部貫通孔４９ｂ，側部開口孔４５ｂ，５９ｂによって前記した燃料供給通路２１が構成され、さらに側部貫通孔４９ｃ，側部開口孔４５ｃ，５９ｃによって前記した燃料排出通路２３が構成される。
【００３１】
また、ガスジョイント４９の円筒部分の側部貫通孔４９ｂ，４９ｃを除く部分の周囲四方には、中央貫通孔４９ａと単位電池４５の表面の空気極５５上とを連通する空気排出用開口部４９ｄを設けてある。
【００３２】
この空気排出用開口部４９ｄは、図８に単位電池ユニット５の平面図および、図８のＢ−Ｂ断面図である図９に示すように、積層した複数の単位電池ユニット５相互間に流入する矢印で示す空気が、空気極５５上を、酸素を消費して酸素濃度を低下させながら流通後、空気排出用開口部４９ｄを経て空気排出通路９の一部を構成する中央貫通孔４９ａに流出する。
【００３３】
図１０は、セパレータ４７の平面図で、単位電池４５に対向する燃料ガスが流れる側の表面には、図６では省略してあるが、環状となる複数のリブ６３を同心円状に形成し、これにより複数の燃料通路６５を形成する。
【００３４】
各リブ６３の、側部開口孔５９ｂ，５９ｃに対向する部位には、燃料流通用の開口６３ａ，６３ｂをそれぞれ設けてある。このため、燃料供給通路２１を流れて側部開口孔５９ｂからセパレータ４７と単位電池４５との間に流出する燃料ガスは、燃料極５３上にて発電反応（酸化反応）に消費されつつ、上記した各リブ６３の一方の各開口６３ａを経てそれぞれの燃料通路６５に、図１０中で上下に分流する。分流後の燃料ガスはそれぞれの燃料通路６５を、図１０中で左方向に流れ、他方の開口６３ｂで合流した後中央部に向かい、側部開口孔５９ｃを経て、図８のＣ−Ｃ断面図である図１１に示すように、図３の燃料排出通路２３に流出する。
【００３５】
次に作用を説明する。
【００３６】
まず、空気供給管７を流れる空気を、コンプレッサ３１によって加圧し、熱交換器３３において予熱した後、スタックケース３内に供給する。スタックケース３内に供給した空気は、燃料電池スタック１における各単位電池ユニット５相互間の空気極５５上を、酸素を消費して酸素濃度を低下させながら通過し、空気排出用開口部４９ｄを経て空気排出通路９に流出する。
【００３７】
空気排出通路９内の空気は、ケース土台１１内の空気排出管１９を経由して電池モジュール２９外の外部空気排出管３５に排出される。外部空気排出管３５に排出された空気は、熱交換器３３にて新たにスタックケース３内へ供給される空気供給管７内の空気を予熱して外部に排出される。
【００３８】
一方、外部燃料供給管３７を流れる燃料ガスを、コンプレッサ３９によって加圧し、熱交換器４１において予熱した後、ケース土台１１内の燃料供給管２５を経由して燃料電池スタック１へ供給する。燃料電池スタック１へ供給した燃料は、燃料供給通路２１を経由して各単位電池ユニット５における単位電池４５とセパレータ４７との間の空間に流れ込む。各単位電池ユニット５に供給した燃料は、燃料極５３上にて、前記図１０における燃料通路６５を流れつつ発電反応（酸化反応）に消費された後、燃料排出通路２３を通り、燃料電池スタック１の外部へ排出される。
【００３９】
燃料電池スタック１の外部へ排出される燃料は、再びケース土台１１内の燃料排出管２７を経由して、電池モジュール２９外の外部燃料排出管４３に排気される。外部燃料排出管４３に排気された燃料は、熱交換器４１にて新たに燃料電池スタック１へ供給される外部燃料供給管３７内の燃料を予熱して外部に排出される。
【００４０】
上記した第１の実施形態においては、コンプレッサ３１によってスタックケース３内に空気を加圧供給することで、スタックケース３内の圧力をスタックケース３の外部よりも高く保つ構造となっている。これによりスタックケース３内の空気は、燃料電池スタック１に供給された後、その中央部の空気排出通路９より燃料電池スタック１の外部へ自発的に排出される。
【００４１】
また、従来例では、空気の供給口，排気口ともに燃料電池スタックの外部に配置されていることから、全く空気極上を通過することなく供給口から直接排気口へ流れるガスが発生し、供給量に対し反応に寄与するガスの割合が低い。そのために必要量以上のガス供給が必要となり、それらの供給、予熱のエネルギが必要となり、総合的な発電効率が低下している。
【００４２】
一方、この実施形態においては、単位電池ユニット５を複数積層してその中心部において互いを連結し、空気極５５側を全周スタックケース３内に開放するとともに、その中心部に空気排気通路９を設け、スタックケース３内に供給した空気が、空気極５５上を通過した後、排気する構造となっている。
【００４３】
このため、スタックケース３内に供給したガスである空気を、反応に寄与せずに無駄に排気されることなく、スタックケース３内に開放した側の電極すなわち空気極５５の全面に確実に取り込むことができ、全体の効率を向上させることができる。
【００４４】
この場合、例え単位電池ユニット５相互の間隔を狭くしたとしても、空気極５５への空気の取り込みは確実に行えるので、燃料電池スタック１への単位電池ユニット５の搭載密度を上げることが可能となり、燃料電池スタック１として出力密度を稼ぐことができる。
【００４５】
また、従来例では燃料電池スタックの外部における一方に空気供給口、反対側に空気排気口を配置している。そのため燃料電池スタック内の単位電池ユニットにおいても、供給口に近い側が酸素濃度が高く、その反対側が低いという酸素濃度勾配を反映した温度分布を示し、円形の電池形状に対してアンバランスな温度分布となる。
【００４６】
したがって、従来例では昇降温時のみならず運転中でも、上記した温度分布に起因して円形状の単位電池ユニットに対しアンバランスな機械的ストレスが作用し続けることになり、信頼性および寿命を低下させることとなっている。
【００４７】
しかし、この第１の実施形態では、単位電池ユニット５における空気中の酸素の濃度分布が外側で高く、内側が低いという同心円状の分布をとることから、発電反応の熱に起因する温度分布も同様の傾向をもつことになり、円形の単位電池ユニット５に対し、同心円状のバランスの良い熱ストレスとなることから、信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００４８】
また、このような同心円状の温度分布は、熱伝導により温度が均一になろうとする効果があり、全体の均熱性も向上し、より一層の信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００４９】
さらに第１の実施形態おいては、酸素濃度の分布は外側が高く、中心側が低くなるが、円盤状の単位電池ユニット５の中央部にて空気を排気することから、空気の流速は内側に向かうほど速度を増すことになる。したがって各単位電池ユニット５に供給する酸素の量は、中心側で酸素濃度が低下しても空気の流速が増すことから変化は小さい。そのため供給した空気中の酸素を有効に使用できるとともに、酸素濃度の勾配に起因する反応熱の温度分布も緩和できることから一層の信頼性向上および長寿命化を図ることができる。
【００５０】
なお、上記した第１の実施形態では、空気極５５をスタックケース３内に開放する形態とし、燃料電池スタック１の中心部から空気を排気する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、燃料極５３をスタックケース３内に開放して、燃料電池スタック１の中心部から燃料を排気する場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００５１】
図１２は、この発明の第２の実施形態を示す単位電池ユニット５の前記図８に対応する平面図、図１３は、図１２のＤ−Ｄ断面図である。
【００５２】
この実施形態では、空気極５５上に、各単位電池ユニット５相互間を電気的に接続する集電体６７を設けた点が、第１の実施形態とは異なっている。この集電体６７は、円周方向等間隔に複数設置してある。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００５３】
空気極５５上に集電体６７を設けることにより、ガスジョイント４９のみで行っていた単位電池ユニット５相互間の電気的接続がより低抵抗で行うことが可能となり、燃料電池スタック１内での内部抵抗を低減することができる。
【００５４】
図１４は、この発明の第３の実施形態を示す単位電池ユニット５の前記図８に対応する平面図、図１５は、図１４のＥ−Ｅ断面図である。
【００５５】
この実施形態では、第２の実施形態における集電体６７に代えて、導電性がありかつ通気性のある例えば耐熱金属からなる、発泡金属もしくはウール状金属や、導電性セラミックスの多孔体の集電体６９を、空気極５５のほぼ全面に設置している。
【００５６】
これにより前記図１２の第２の実施形態と同様に、単位電池ユニット５相互間の電気的接続がより低抵抗で行うことが可能となり、燃料電池スタック１内での内部抵抗を低減することができる。さらにこの実施形態では、空気極５５上において空気をより均一に供給できるとともに、空気極５５上の空気滞留時間が長くなることから、温度分布の均一化、空気中の酸素使用率の向上が可能となる。
【００５７】
図１６は、この発明の第４の実施形態を示す単位電池ユニット５の前記図８に対応する平面図である。
【００５８】
この実施形態では、単位電池ユニット５の空気極５５上に、整流板７１を設けた点が第１の実施形態とは異なっている。整流板７１は、円盤状の単位電池ユニット５の半径方向に対し、所定角度傾けた状態で、円周方向等間隔に複数設置してある。
【００５９】
整流板７１を設けることで、空気極５５上の空気の流れが、回転しながら中心部へ向かう渦状となり、空気の流れが均一にできる。また、整流板７１を耐熱金属もしくは導電性セラミックスなど導電性を持たせてその上部に設置する単位電池ユニット５と接続することにより、集電体としての機能を持たせることが可能となり、内部抵抗の低減にも効果がある。
【００６０】
図１７は、この発明の第５の実施形態を示す、前記図１０に対応するセパレータ４７の平面図である。
【００６１】
この実施形態は、前記図２に示してある燃料供給通路２１を構成する側部開口孔５９ｂと最外周の燃料通路６５とを、複数の同心円状のリブ６３を貫通して連通する燃料連通路７３を設け、側部開口孔５９ｂから最外周の燃料通路６５に流入させた燃料を、外周部に沿って反対側に流し、この反対側からリブ６３の開口６３ｃを経てその内側の燃料通路６５に流入させた後、再度その反対側に流す。さらにここから、リブ６３の開口６３ｄを経てその内側の燃料通路６５に流入させた後、その反対側に流す。このような流れを順次繰り返して、燃料を外側から中心側に向けて流す。
【００６２】
このように、第５の実施形態では、セパレータ４７における燃料通路６５により、燃料ガスをその濃度分布が同心円状になるように外側から中心側へ流す点が、第１の実施形態とは異なっている。
【００６３】
空気だけではなく、燃料ガスも濃度分布が同心円状になるように流すことにより、各単位電池４５の面内での温度分布を、同心円状にバランスをとることで、より信頼性を向上させることができる。
【００６４】
図１８は、この発明の第６の実施形態を示す、前記図１０に対応するセパレータ４７の平面図である。
【００６５】
この実施形態は、前記図１７に示した第５の実施形態に対してリブ６３の形状を同一としてあるが、図１７中で左側の側部開口孔５９ｃを燃料供給通路に、同右側の側部開口孔５９ｂを燃料排出通路にそれぞれ利用するようにしている点が、第５の実施形態と異なる。
【００６６】
すなわち、この実施形態では、前記図２における燃料供給通路２１を燃料排出通路に、同燃料排出通路２３を燃料供給通路に使用している。
【００６７】
したがって、この場合、側部開口孔５９ｃから最内周の燃料通路６５に流出した燃料を、中央のボス部５９の外周に沿って反対側に流し、ここからリブ６３の開口６３ｄを経てその外側の燃料通路６５に流入させた後、再度その反対側に流す。さらにここから、リブ６３の開口６３ｃを経てその外側の燃料通路６５に流入させた後、その反対側に流す。このような流れを順次繰り返して、燃料を中心側から外側に向けて流す。
【００６８】
このように、第６の実施形態では、セパレータ４７内の燃料通路６５により、燃料ガスをその濃度分布が同心円状になるように中心側から外側へ流す点が、第５の実施形態とは異なっている。
【００６９】
空気だけではなく、燃料ガスも濃度分布が同心円状に、しかも空気とは逆に中心側を高く、外側を低くすることにより、より反応の均一化を図ることが可能となる。したがって、各単位電池４５の面内での温度分布を均一にすることが可能となり、信頼性を向上させることができる。
【００７０】
図１９は、この発明の第７の実施形態を示す、前記図４に対応する電池モジュール２９に対するガス供給システム図である。
【００７１】
この実施形態では、前記図４におけるコンプレッサ３１に代えて、外部空気排出管３５に吸引手段としての排気ユニット７５を設置した点が、第１の実施形態と異なっている。排気ユニット７５により、電池モジュール２９から排出される空気を吸引することで、第１の実施形態と同等の効果が得られる。
【００７２】
また、上記した排気ユニット７５を設置する構成を、第２〜第６の各実施形態に適用しても同等の効果が得られる。
【００７３】
図２０は、この発明の第８の実施形態を示す、前記図４に対応する電池モジュール２９に対するガス供給システム図である。
【００７４】
この実施形態では、前記図４に示した第１の実施形態における外部空気排出管３５に、排気ユニット７５を追加設置した点が、第１の実施形態と異なっている。
【００７５】
すなわち、排気ユニット７５を追加設置することで、電池モジュール２９に対し、コンプレッサ３１で空気を加圧しつつ、排気側ユニット７５で電池モジュール２９から排出される空気を吸引する。
【００７６】
ここで、ガス（空気）の流量を大きくとりたい場合、加圧する圧力を高める、もしくは排気側の能力を上げスタックケース３内を減圧にすることになるが、この場合スタックケース３に大きな圧力差が作用し、ガスの漏洩などを引き起こす可能性がある。しかし、この実施形態においては、前記第１，第７の各実施形態に比べ、スタックケース３の内と外の圧力差を大きくすることなく大きなガス流量を得ることができる。
【００７７】
特にＣＨ系の燃料を用いた場合、酸化反応によって導入するガスより、排気するガスの量が多いため、加圧側の圧力を抑えることができて特に有効である。また、この構成を、第２〜第６の各実施形態に適用しても、同等の効果が得られる。
【００７８】
図２１〜図２７は、この発明の第９の実施形態を示す。図２１は、前記図２に対応する燃料電池スタック１０の斜視図で、単位電池ユニット５０を多数積層して燃料電池スタック１０を構成してある。この実施形態は、燃料ガスの排ガスを、燃料電池スタック１０の中心部に設けてある前記図２の空気排出通路９と同形状の混合ガス通路としてのガス排出通路９０より、空気の排ガスと一緒に排気している点、および前記図２における燃料排出通路２３も、燃料供給通路２１とともに燃料供給通路２３０としている点が、第１の実施形態と異なっている。
【００７９】
図２２は、前記図３に対応するガス配管のレイアウトを示す平面図で、ケース土台１１内には、ガス排出通路９０とケース土台１１の側部に形成してある排ガス出口１３０とを接続する排ガス排出管１９０および、燃料料供給通路２１，２３０と燃料供給口１５とを接続する燃料供給管２５０を、それぞれ設置してある。
【００８０】
図２３は、前記図４に対応するガス供給システム図であり、電池モジュール２９の排ガス出口１３０には外部排ガス排出管３５０を接続し、この外部排ガス排出管３５０には排気ユニット７５を設置するとともに、空気供給管７，外部燃料供給管３７，外部排ガス排出管３５０には、熱交換器３３０を設置する。
【００８１】
この熱交換器３３０においては、外部排ガス排出管３５０を流れる排ガスにより、電池モジュール２９に供給する空気および燃料を予熱する。
【００８２】
図２４は、前記図８に対応する単位電池ユニット５０の平面図で、図２５は図２４のＦ−Ｆ断面図、図２６は図２４のＧ−Ｇ断面図、図２７は前記図１０に対応するセパレータ４７０の平面図である。
【００８３】
スタックケース３内に供給した空気は、前記図８に示した第１の実施形態と同様に、図２４および図２５に示すように、単位電池ユニット５０の表面を流れ、空気排出用開口部４９ｄからガス排出通路９０を構成する中央貫通孔４９０ａに流れ込む。
【００８４】
一方燃料は、図２６および図２７に示すように、燃料供給通路２１，２３０をそれぞれ構成する側部開口孔５９ｂ，５９ｃからセパレータ４７０と単位電池４５との間に流出後、図２７中で左右に延びる各燃料連通路７３を通って最外周の燃料通路６５に流れ、外周部に沿って反対側に向けて流れる。
【００８５】
この最外周の燃料通路６５を流れる燃料ガスは、中央部で合流し、最外周のリブ６３に設けてある燃料流通用の開口６３ｅからその内側の燃料通路６５に流れ込み、この燃料通路６５を今度は反対方向に流れ、燃料連通路７３近傍にて開口６３ｆからそのさらに内側の燃料通路６５を、最外周の燃料通路６５を流れる燃料ガスと同方向に流れる。
【００８６】
このようにして燃料ガスは、最外周の燃料通路６５から順次その内側の燃料通路６５に蛇行するようにして流れていき、最内周の燃料通路６５に達すると、セパレータ４７０の中心部に設けてあるボス部５９０の連通孔５９０ｄを通してガス排出通路９０を構成する中央開口孔５９０ａに流れ込み、前記排気される空気とともにガス排出通路９０を流れる。
【００８７】
上記した第９の実施形態によれば、空気と燃料の各排ガスを、ガス排出通路９０より一緒に排気しているので、第１の実施形態比べガス配管を簡素化でき、信頼性の向上および低コスト化を図ることができる。
【００８８】
また、この場合、排ガス排出管１９０や外部排ガス排出管３５０の内壁に、燃料残留ガスの燃焼用触媒を担持させることにより、燃料の排ガス処理も合わせて行うことが可能である。
【００８９】
また、上記した第９の実施形態に対しては、図２８に示すように外部燃料供給管３７にＭＦＣ（流量制御装置）７７を設置するか、あるいは図２９に示すように、外部燃料供給管３７および空気供給管７にＭＦＣ（流量制御装置）７７および７９をそれぞれ設置することで、燃料ガスを高い利用率で安定した運転が可能となる。
【００９０】
なお、上記したＭＦＣ（流量制御装置）７７，７９は、第１〜第６の各実施形態に適用しても同等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる複数の燃料電池スタックをスタックケース内に収容している状態を示す透視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの詳細を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態におけるガス配管のレイアウトを示す平面図である。
【図４】第１の実施形態におけるガス供給システム図である。
【図５】第１の実施形態における単位電池ユニットの斜視図である。
【図６】図５の単位電池ユニットの分解斜視図である。
【図７】図６中の単位電池の拡大された断面図である。
【図８】図５の単位電池ユニットの平面図である。
【図９】図８のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】図６中のセパレータの平面図である。
【図１１】図８のＣ−Ｃ断面図である。
【図１２】この発明の第２の実施形態を示す単位電池ユニットの平面図である。
【図１３】図１２のＤ−Ｄ断面図である。
【図１４】この発明の第３の実施形態を示す単位電池ユニット平面図である。
【図１５】図１４のＥ−Ｅ断面図である。
【図１６】この発明の第４の実施形態を示す単位電池ユニット平面図である。
【図１７】この発明の第５の実施形態を示すセパレータの平面図である。
【図１８】この発明の第６の実施形態を示すセパレータの平面図である。
【図１９】この発明の第７の実施形態を示すガス供給システム図である。
【図２０】この発明の第８の実施形態を示すガス供給システム図である。
【図２１】この発明の第９の実施形態を示す燃料電池スタックの斜視図である。
【図２２】第９の実施形態におけるガス配管のレイアウトを示す平面図である。
【図２３】第９の実施形態におけるガス供給システム図である。
【図２４】第９の実施形態における単位電池ユニットの平面図である。
【図２５】図２４のＦ−Ｆ断面図である。
【図２６】図２４のＧ−Ｇ断面図である。
【図２７】第９の実施形態におけるセパレータの平面図である。
【図２８】第９の実施形態の燃料側に流量制御装置を設置した例を示すガス供給システム図である。
【図２９】第９の実施形態の燃料および空気の双方に流量制御装置を設置した例を示すガス供給システム図である。
【符号の説明】
１，１０燃料電池スタック
３スタックケース
３１，３９コンプレッサ（加圧手段）
４５単位電池
４９ガスジョイント（ホルダ部）
５３燃料極
５５空気極（酸化剤極）
６７集電体
６９通気性を備えた集電体
７１整流板
７５排気ユニット（吸引手段）
９０ガス排出通路（混合ガス通路）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a fuel cell stack by stacking a plurality of unit cells each having a fuel electrode on one surface of the solid electrolyte and an oxidizer electrode on the other surface, and forming the fuel cell stack in a stack case. The present invention relates to a fuel cell system that accommodates and supplies and exhausts fuel and oxidant to and from a fuel cell stack in the stack case.
[0002]
[Prior art]
When a large output is required, a fuel cell stack composed of a plurality of unit cells will be used in parallel rather than alone.In this case, considering the entire system and heat insulation, multiple fuel cells will be used. It is necessary to install the battery stack in one stack case.
[0003]
Here, if the supply and exhaust pipes for the fuel gas and the oxidizing gas are provided in all of the plurality of fuel cell stacks in the stack case, the structure and the size of the fuel cell system become complicated and large.
[0004]
To solve this problem, for example, Patent Document 1 discloses a structure in which one electrode side of a unit battery is opened into a stack case, and gas corresponding to the one electrode is supplied into the stack case. What is to be distributed is disclosed.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-5-89895
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-mentioned conventional device, a gas supply port and a gas exhaust port are respectively provided around the fuel cell stack in the stack case, so that the gas supplied into the stack case flows around the fuel cell stack. , A part of which is taken into the fuel cell stack.
[0007]
For this reason, the gas supplied into the stack case causes a part of the gas to flow directly from the gas supply port to the gas exhaust port without flowing on the unit cell surface, and the ratio of the gas contributing to the reaction to the supply amount is low. As a result, gas supply more than the required amount is required, and energy for supply and preheating for the gas more than the required amount is required, so that the overall power generation efficiency is reduced.
[0008]
Accordingly, it is an object of the present invention to efficiently take a gas supplied into a stack case into a fuel cell stack.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell stack by stacking a plurality of unit cells each having a fuel electrode on one surface of a solid electrolyte and an oxidizer electrode on the other surface, and In a fuel cell system in which a fuel cell stack is housed in a stack case and supplies and exhausts fuel and an oxidant to and from the fuel cell stack in the stack case, the fuel cell stack may include the fuel electrode side or the air electrode. One of the sides is a structure that opens into the stack case, and a gas corresponding to the electrode on the open side is supplied into the stack case, and the supplied gas is supplied from a central portion of the fuel cell stack. It is configured to exhaust air to the outside of the stack case.
[0010]
【The invention's effect】
According to the present invention, the gas corresponding to the electrode on the open side is supplied into the stack case accommodating the fuel cell stack, and the supplied gas is exhausted from the center of the fuel cell stack to the outside of the stack case. Thus, the gas supplied into the stack case can be efficiently taken into the electrode on the side opened into the stack case.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 is a perspective view showing a state in which a plurality of fuel cell stacks 1 according to the first embodiment of the present invention are accommodated in a stack case 3. As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 is configured by laminating a plurality of unit cell units 5 in a state where a gap is formed therebetween.
[0013]
An air supply pipe 7 is connected to the side wall of the stack case 3, and air is supplied into the stack case 3 through the air supply pipe 7. The supplied air enters the gap between the unit battery units 5 and is supplied to an air electrode, which will be described later, and is exposed on the surface of the unit battery unit 5. The air that has passed through the air electrode is discharged to the outside of the fuel cell stack 1 through an air discharge passage 9 shown in FIG.
[0014]
A case base 11 is provided at the lower end of the stack case 3, and the fuel cell stack 1 is installed on the case base 11, and the end of the air discharge passage 9 shown in FIG. On the side surface of the case base 11, the air supplied to the above-described air electrode is supplied to an air discharge port 13 for discharging the air to the outside through the air discharge passage 9, and to a later-described fuel electrode of each unit cell unit 5. A fuel gas supply port 15 and a fuel gas discharge port 17 are provided.
[0015]
FIG. 3 is a plan view showing a layout of gas pipes in the case base 11. The air discharge passage 9 opened in the case base 11 and the air discharge port 13 are installed in the case base 11. It is connected by an air discharge pipe 19.
[0016]
As shown in FIG. 2, a fuel supply passage 21 and a fuel discharge passage 23 are provided in the vicinity of the air discharge passage 9 in the fuel cell stack 1 so as to penetrate each unit cell unit 5. The fuel supply passage 21 and the fuel discharge passage 23 are also opened in the case base 11 similarly to the air discharge passage 9, and these openings are connected to the fuel supply port 15 and the fuel supply port 15 shown in FIGS. The discharge port 17 is connected to the fuel supply pipe 25 and the fuel discharge pipe 27 shown in FIG.
[0017]
FIG. 4 is a gas supply system diagram for the stack case 3 containing the fuel cell stack 1 and the battery module 29 including the case base 11 containing the air discharge pipe 19, the fuel supply pipe 25, and the fuel discharge pipe 27, respectively.
[0018]
The air supply pipe 7 is provided with a compressor 31 and a heat exchanger 33 as pressurizing means, respectively. After the air pressurized by the compressor 31 is preheated in the heat exchanger 33, the air is supplied into the stack case 3 of the battery module 29. Supply. The heat exchanger 33 heats supply air by exhaust air flowing through an external air exhaust pipe 35 connected to the air exhaust port 13.
[0019]
On the other hand, an external fuel supply pipe 37 is connected to the fuel supply port 15 shown in FIG. 1, and a compressor 39 and a heat exchanger 41 are also provided in the external fuel supply pipe 37, and the fuel pressurized by the compressor 39 is heated. After preheating in the exchanger 41, the fuel is supplied to the fuel cell stack 1. The heat exchanger 41 heats the supplied fuel by the discharged fuel flowing through the external fuel discharge pipe 43 connected to the fuel discharge port 17.
[0020]
FIG. 5 is a perspective view of the unit cell unit 5 constituting the fuel cell stack 1 shown in FIG. As shown in an exploded perspective view of FIG. 6, the unit battery unit 5 includes a unit battery 45, a separator 47, and a gas joint 49 as a holder.
[0021]
As shown in the enlarged sectional view of FIG. 7, the unit battery 45 has a fuel electrode 53 on one surface of the solid oxide electrolyte 51 as a solid electrolyte on the separator 47 side and a fuel electrode 53 on the other surface on the gas joint 49 side. It has a three-layer structure in which air electrodes 55 as oxidant electrodes are arranged.
[0022]
As the solid oxide electrolyte 51, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used, and a cermet of nickel oxide and YSZ is used as the fuel electrode 53 and LaSrCO 2 is used as the air electrode 55. ₃ Are burned to form the unit battery 45. When the unit cell 45 is heated to about 800 ° C. to 1000 ° C., an oxidizing gas (air in this case) is supplied to the air electrode 55 and H 2 is supplied to the fuel electrode 53, for example. ₂ And CH ₄ , Respectively, to generate power.
[0023]
The separator 47 is made of, for example, lanthanum chromite, which is low in gas permeability and high in conductivity, is provided with a boss portion 59 having substantially the same outer shape as the gas joint 49 at the center, and protrudes toward the unit battery 45 at the outer peripheral edge. A side wall 61 is provided. The height dimensions of the boss portion 59 and the side wall portion 61 are the same, and by arranging the unit cell 45 above such a separator 47, a space in which the fuel gas flows is formed.
[0024]
That is, the separator 47 supplies and exhausts the fuel gas on the fuel electrode 53 side of the unit cell 45, performs sealing so as not to discharge the fuel gas to the outside, and further has a current collecting function on the fuel electrode 53 side. Will carry it.
[0025]
The gas joint 49 is also formed of the same material as the separator 47, and performs gas distribution and electrical connection between the unit battery units 5, and exhausts air that has passed over the air electrode 55.
[0026]
That is, the central cylindrical portion of the gas joint 49 described above is provided with a central through hole 49a, and the both sides of the central through hole 49a are provided with side through holes 49b and 49c, respectively.
[0027]
The unit battery 45 and the boss portion 59 of the separator 47 are provided with central opening holes 45a and 59a in correspondence with the central through hole 49a, and the unit batteries 45 and 59 are provided in correspondence with the side through holes 49b and 49c. The boss portion 59 of the separator 47 is provided with side opening holes 45b and 45c and 59b and 59c, respectively.
[0028]
The side opening holes 59b and 59c in the boss portion 59 of the separator 47 are open to the space between the unit cell 45 and the fuel flowing therethrough.
[0029]
Therefore, by stacking the unit battery 45 on the separator 47 described above and further stacking the gas junction 49 on the unit battery 45 to form the unit battery unit 5, the central through hole 49a and the central opening holes 45a, 59a are formed. While communicating with each other, the side through holes 49b and the side opening holes 45b and 59b communicate with each other, and further, the side through holes 49c and the side opening holes 45c and 59c communicate with each other.
[0030]
By stacking a plurality of the unit battery units 5 as shown in FIG. 2, the above-described air discharge passage 9 is formed at the center by a central through hole 49a and central opening holes 45a and 59a, In the vicinity of the discharge passage 9, the above-described fuel supply passage 21 is constituted by the side through-holes 49b and the side opening holes 45b and 59b, and further, the above-described fuel discharge by the side through-holes 49c and the side opening holes 45c and 59c. A passage 23 is formed.
[0031]
In addition, on the four sides around the cylindrical joint of the gas joint 49 except for the side through holes 49b and 49c, an air discharge opening 49d communicating the central through hole 49a and the air electrode 55 on the surface of the unit battery 45. Is provided.
[0032]
As shown in FIG. 8 which is a plan view of the unit battery unit 5 and FIG. 9 which is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. The air indicated by the arrow flows through the air electrode 55 while consuming oxygen to reduce the oxygen concentration, and then passes through the air discharge opening 49d to the central through-hole 49a forming a part of the air discharge passage 9. leak.
[0033]
FIG. 10 is a plan view of the separator 47. Although not shown in FIG. 6, a plurality of annular ribs 63 are formed concentrically on the surface on the side where the fuel gas flows, facing the unit cell 45. Thus, a plurality of fuel passages 65 are formed.
[0034]
Openings 63a and 63b for fuel distribution are provided at the portions of each rib 63 facing the side opening holes 59b and 59c, respectively. Therefore, the fuel gas flowing through the fuel supply passage 21 and flowing out between the separator 47 and the unit cell 45 from the side opening hole 59b is consumed by the power generation reaction (oxidation reaction) on the fuel electrode 53, and The fuel flows into the respective fuel passages 65 through the respective openings 63a of the ribs 63 in the vertical direction in FIG. The fuel gas after the split flows in the respective fuel passages 65 in the left direction in FIG. 10, merges at the other opening 63 b, goes to the center, passes through the side opening 59 c, and passes through the CC cross section in FIG. 8. As shown in FIG. 11, which flows into the fuel discharge passage 23 shown in FIG.
[0035]
Next, the operation will be described.
[0036]
First, the air flowing through the air supply pipe 7 is pressurized by the compressor 31, preheated in the heat exchanger 33, and then supplied into the stack case 3. The air supplied into the stack case 3 passes over the air electrode 55 between the unit cell units 5 in the fuel cell stack 1 while consuming oxygen to reduce the oxygen concentration, and passes through the air discharge opening 49d. Then, it flows out to the air discharge passage 9.
[0037]
The air in the air discharge passage 9 is discharged to the external air discharge pipe 35 outside the battery module 29 via the air discharge pipe 19 in the case base 11. The air discharged to the external air discharge pipe 35 is preheated by the heat exchanger 33 to the air in the air supply pipe 7 that is newly supplied to the inside of the stack case 3, and is discharged to the outside.
[0038]
On the other hand, the fuel gas flowing through the external fuel supply pipe 37 is pressurized by the compressor 39, preheated in the heat exchanger 41, and then supplied to the fuel cell stack 1 via the fuel supply pipe 25 in the case base 11. The fuel supplied to the fuel cell stack 1 flows into the space between the unit cell 45 and the separator 47 in each unit cell unit 5 via the fuel supply passage 21. The fuel supplied to each unit cell unit 5 is consumed by the power generation reaction (oxidation reaction) on the fuel electrode 53 while flowing through the fuel passage 65 in FIG. 1 is discharged outside.
[0039]
The fuel discharged to the outside of the fuel cell stack 1 is again discharged to the external fuel discharge pipe 43 outside the cell module 29 via the fuel discharge pipe 27 in the case base 11. The fuel exhausted to the external fuel discharge pipe 43 is preheated by the heat exchanger 41 to the fuel in the external fuel supply pipe 37 that is newly supplied to the fuel cell stack 1 and is discharged to the outside.
[0040]
In the first embodiment described above, the pressure in the stack case 3 is maintained higher than that outside the stack case 3 by pressurizing and supplying air into the stack case 3 by the compressor 31. As a result, the air in the stack case 3 is supplied to the fuel cell stack 1 and then spontaneously discharged to the outside of the fuel cell stack 1 from the air discharge passage 9 at the center thereof.
[0041]
Further, in the conventional example, since both the air supply port and the exhaust port are disposed outside the fuel cell stack, gas flowing from the supply port directly to the exhaust port without passing over the air electrode at all is generated, and the supply amount is reduced. The proportion of gas contributing to the reaction is low. For this purpose, a gas supply more than a necessary amount is required, and energy for the supply and preheating is required, so that the overall power generation efficiency is reduced.
[0042]
On the other hand, in this embodiment, a plurality of unit battery units 5 are stacked and connected to each other at the center thereof, and the air electrode 55 side is opened into the full-circumferential stack case 3, and the air exhaust passage 9 And the air supplied into the stack case 3 is exhausted after passing over the air electrode 55.
[0043]
For this reason, the air, which is the gas supplied into the stack case 3, is reliably taken into the electrode on the side opened into the stack case 3, that is, the entire surface of the air electrode 55, without contributing to the reaction and being exhausted unnecessarily. And overall efficiency can be improved.
[0044]
In this case, even if the interval between the unit cell units 5 is narrowed, air can be taken into the air electrode 55 reliably, so that the mounting density of the unit cell units 5 in the fuel cell stack 1 can be increased. As a result, the power density of the fuel cell stack 1 can be increased.
[0045]
Further, in the conventional example, an air supply port is arranged on one side outside the fuel cell stack, and an air exhaust port is arranged on the opposite side. Therefore, even in the unit cell unit in the fuel cell stack, the temperature distribution reflecting the oxygen concentration gradient that the oxygen concentration is high on the side near the supply port and low on the opposite side is shown, and the temperature distribution is unbalanced with respect to the circular cell shape. It becomes.
[0046]
Therefore, in the conventional example, unbalanced mechanical stress continues to act on the circular unit battery unit due to the above-described temperature distribution during the operation as well as the temperature rise and fall, and the reliability and the life are reduced. It is to be done.
[0047]
However, in the first embodiment, since the concentration distribution of oxygen in the air in the unit battery unit 5 has a concentric distribution in which the outside is high and the inside is low, the temperature distribution due to the heat of the power generation reaction is also reduced. As a result, the thermal stress is concentric and well balanced with respect to the circular unit battery unit 5, so that the reliability and the life can be improved.
[0048]
Further, such a concentric temperature distribution has an effect of trying to make the temperature uniform by heat conduction, the overall heat uniformity is improved, and the reliability and life can be further improved.
[0049]
Further, in the first embodiment, the distribution of oxygen concentration is high on the outside and low on the center side. However, since air is exhausted at the center of the disk-shaped unit battery unit 5, the flow rate of air is The speed increases as you go. Therefore, the change in the amount of oxygen supplied to each unit battery unit 5 is small because the flow rate of air increases even if the oxygen concentration decreases on the center side. Therefore, the oxygen in the supplied air can be used effectively, and the temperature distribution of the reaction heat caused by the gradient of the oxygen concentration can be reduced, so that the reliability and the service life can be further improved.
[0050]
In the above-described first embodiment, the case where the air electrode 55 is opened into the stack case 3 and the air is exhausted from the center of the fuel cell stack 1 has been described. However, the present invention is not limited to this. The same effect can be obtained even when the fuel electrode 53 is opened in the stack case 3 and the fuel is exhausted from the center of the fuel cell stack 1.
[0051]
FIG. 12 is a plan view corresponding to FIG. 8 of the unit battery unit 5 showing the second embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
[0052]
This embodiment is different from the first embodiment in that a current collector 67 for electrically connecting the unit battery units 5 is provided on the air electrode 55. The plurality of current collectors 67 are provided at equal intervals in the circumferential direction. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0053]
By providing the current collector 67 on the air electrode 55, the electrical connection between the unit cell units 5 which has been performed only by the gas joint 49 can be performed with lower resistance, and the electric connection in the fuel cell stack 1 can be made. Internal resistance can be reduced.
[0054]
FIG. 14 is a plan view corresponding to FIG. 8 of the unit battery unit 5 according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line EE of FIG.
[0055]
In this embodiment, instead of the current collector 67 in the second embodiment, a collection of a foamed metal or a wool-like metal made of, for example, a heat-resistant metal having conductivity and air permeability, or a porous body made of conductive ceramics is used. The electric body 69 is provided on almost the entire surface of the air electrode 55.
[0056]
As a result, similarly to the second embodiment of FIG. 12, the electrical connection between the unit cell units 5 can be performed with lower resistance, and the internal resistance in the fuel cell stack 1 can be reduced. it can. Further, in this embodiment, the air can be more uniformly supplied on the air electrode 55, and the residence time of the air on the air electrode 55 becomes longer, so that the temperature distribution can be made uniform and the oxygen usage rate in the air can be improved. It becomes.
[0057]
FIG. 16 is a plan view corresponding to FIG. 8 of the unit battery unit 5 showing the fourth embodiment of the present invention.
[0058]
This embodiment is different from the first embodiment in that a current plate 71 is provided on the air electrode 55 of the unit battery unit 5. A plurality of rectifying plates 71 are installed at equal intervals in the circumferential direction while being inclined at a predetermined angle with respect to the radial direction of the disk-shaped unit battery unit 5.
[0059]
By providing the rectifying plate 71, the air flow on the air electrode 55 becomes a vortex toward the center while rotating, and the air flow can be made uniform. In addition, by connecting the current plate 71 to a unit battery unit 5 provided with a conductive material such as a heat-resistant metal or a conductive ceramic and installed above the current plate, it becomes possible to provide a function as a current collector, thereby providing an internal resistance. It is also effective in reducing the amount of water.
[0060]
FIG. 17 is a plan view of a separator 47 corresponding to FIG. 10 showing a fifth embodiment of the present invention.
[0061]
In this embodiment, a fuel communication passage which communicates the side opening 59b constituting the fuel supply passage 21 shown in FIG. 2 with the outermost fuel passage 65 through a plurality of concentric ribs 63 is provided. 73, the fuel flowing into the outermost fuel passage 65 from the side opening hole 59b is caused to flow to the opposite side along the outer peripheral portion, and from the opposite side through the opening 63c of the rib 63, the fuel passage 65 inside the fuel passage 65 is provided. And then again to the opposite side. Further, from here, the gas flows into the fuel passage 65 inside through the opening 63d of the rib 63, and then flows to the opposite side. Such a flow is sequentially repeated to flow the fuel from the outside toward the center.
[0062]
As described above, the fifth embodiment is different from the first embodiment in that the fuel gas flows from the outside to the center side by the fuel passage 65 in the separator 47 so that the concentration distribution becomes concentric. I have.
[0063]
Concentration distribution of not only air but also fuel gas so that the concentration distribution becomes concentric, and the temperature distribution in the plane of each unit cell 45 is concentrically balanced to improve reliability. Can be.
[0064]
FIG. 18 is a plan view of a separator 47 corresponding to FIG. 10 showing a sixth embodiment of the present invention.
[0065]
In this embodiment, the rib 63 has the same shape as that of the fifth embodiment shown in FIG. 17, but the left side opening hole 59c in FIG. The fifth embodiment is different from the fifth embodiment in that the opening holes 59b are used as fuel discharge passages.
[0066]
That is, in this embodiment, the fuel supply passage 21 in FIG. 2 is used as a fuel discharge passage, and the fuel discharge passage 23 is used as a fuel supply passage.
[0067]
Therefore, in this case, the fuel flowing out of the side opening hole 59c to the innermost fuel passage 65 flows to the opposite side along the outer periphery of the central boss portion 59, and from there through the opening 63d of the rib 63 to the outside. After flowing into the fuel passage 65, the fuel flows again to the opposite side. Further, from here, the gas flows into the fuel passage 65 outside through the opening 63c of the rib 63, and then flows to the opposite side. Such a flow is sequentially repeated to flow the fuel from the center side to the outside.
[0068]
As described above, the sixth embodiment is different from the fifth embodiment in that the fuel gas flows from the center side to the outside so that the concentration distribution becomes concentric by the fuel passage 65 in the separator 47. ing.
[0069]
The concentration distribution of not only air but also fuel gas is concentric, and by making the center higher and the outer lower, contrary to air, the reaction can be made more uniform. Therefore, the temperature distribution in the plane of each unit battery 45 can be made uniform, and the reliability can be improved.
[0070]
FIG. 19 is a diagram showing a gas supply system for the battery module 29 corresponding to FIG. 4, showing a seventh embodiment of the present invention.
[0071]
This embodiment differs from the first embodiment in that an exhaust unit 75 as suction means is provided in the external air discharge pipe 35 instead of the compressor 31 in FIG. By suctioning the air exhausted from the battery module 29 by the exhaust unit 75, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0072]
The same effect can be obtained by applying the above-described configuration in which the exhaust unit 75 is installed to each of the second to sixth embodiments.
[0073]
FIG. 20 is a diagram showing a gas supply system for the battery module 29 corresponding to FIG. 4, showing an eighth embodiment of the present invention.
[0074]
This embodiment differs from the first embodiment in that an exhaust unit 75 is additionally provided in the external air discharge pipe 35 in the first embodiment shown in FIG.
[0075]
That is, by additionally installing the exhaust unit 75, the air exhausted from the battery module 29 is sucked by the exhaust unit 75 while the compressor 31 pressurizes the air to the battery module 29.
[0076]
Here, when it is desired to increase the flow rate of gas (air), the pressure to be pressurized is increased, or the capacity on the exhaust side is increased to reduce the pressure in the stack case 3. May act to cause gas leakage and the like. However, in this embodiment, a large gas flow rate can be obtained without increasing the pressure difference between the inside and outside of the stack case 3 as compared with the first and seventh embodiments.
[0077]
In particular, when a CH-based fuel is used, the amount of gas to be exhausted is larger than the amount of gas introduced by the oxidation reaction, so that the pressure on the pressurized side can be suppressed, which is particularly effective. Further, even if this configuration is applied to each of the second to sixth embodiments, the same effect can be obtained.
[0078]
21 to 27 show a ninth embodiment of the present invention. FIG. 21 is a perspective view of the fuel cell stack 10 corresponding to FIG. 2, and the fuel cell stack 10 is configured by stacking a number of unit cell units 50. In this embodiment, the exhaust gas of the fuel gas is combined with the exhaust gas of the air from the gas exhaust passage 90 as a mixed gas passage having the same shape as the air exhaust passage 9 of FIG. The second embodiment differs from the first embodiment in that the fuel is discharged to the fuel supply passage 230 and that the fuel discharge passage 23 in FIG.
[0079]
FIG. 22 is a plan view showing the layout of the gas pipes corresponding to FIG. 3. In the case base 11, the gas discharge passage 90 and the exhaust gas outlet 130 formed on the side of the case base 11 are connected. An exhaust gas discharge pipe 190 and a fuel supply pipe 250 connecting the fuel supply passages 21 and 230 and the fuel supply port 15 are provided respectively.
[0080]
FIG. 23 is a gas supply system diagram corresponding to FIG. 4, wherein an external exhaust gas exhaust pipe 350 is connected to the exhaust gas outlet 130 of the battery module 29, and an exhaust unit 75 is installed in the external exhaust gas exhaust pipe 350. A heat exchanger 330 is installed in the air supply pipe 7, the external fuel supply pipe 37, and the external exhaust gas discharge pipe 350.
[0081]
In the heat exchanger 330, the air and the fuel supplied to the battery module 29 are preheated by the exhaust gas flowing through the external exhaust gas discharge pipe 350.
[0082]
24 is a plan view of the unit battery unit 50 corresponding to FIG. 8, FIG. 25 is a sectional view taken along line FF of FIG. 24, FIG. 26 is a sectional view taken along line GG of FIG. 24, and FIG. It is a top view of the corresponding separator 470.
[0083]
The air supplied into the stack case 3 flows on the surface of the unit battery unit 50 as shown in FIGS. 24 and 25, as in the first embodiment shown in FIG. Flows into the central through-hole 490a forming the gas discharge passage 90 from the hole.
[0084]
On the other hand, as shown in FIGS. 26 and 27, the fuel flows out of the side opening holes 59b and 59c constituting the fuel supply passages 21 and 230 between the separator 470 and the unit cell 45, and then left and right in FIG. Flows through the fuel communication passages 73 extending to the outermost fuel passage 65 and flows along the outer periphery toward the opposite side.
[0085]
The fuel gas flowing through the outermost fuel passage 65 merges at the center, flows into the fuel passage 65 inside the fuel distribution opening 63e provided in the outermost rib 63, and then flows through the fuel passage 65. Flows in the opposite direction, flows through the opening 63f near the fuel communication passage 73, and flows through the fuel passage 65 further inside in the same direction as the fuel gas flowing through the outermost fuel passage 65.
[0086]
In this manner, the fuel gas flows in a meandering manner from the outermost fuel passage 65 to the inner fuel passage 65, and when it reaches the innermost fuel passage 65, it is provided at the center of the separator 470. Through the communication hole 590d of the boss portion 590, the gas flows into the central opening hole 590a constituting the gas discharge passage 90, and flows through the gas discharge passage 90 together with the exhausted air.
[0087]
According to the ninth embodiment, the exhaust gas of air and fuel is exhausted together from the gas discharge passage 90, so that the gas piping can be simplified as compared with the first embodiment, and the reliability and the reliability can be improved. Cost reduction can be achieved.
[0088]
Further, in this case, by carrying a catalyst for burning the residual fuel gas on the inner wall of the exhaust gas discharge pipe 190 or the external exhaust gas discharge pipe 350, it is possible to simultaneously perform the exhaust gas treatment of the fuel.
[0089]
In the ninth embodiment, an MFC (flow control device) 77 is installed in the external fuel supply pipe 37 as shown in FIG. 28, or as shown in FIG. By installing MFCs (flow control devices) 77 and 79 in the 37 and the air supply pipe 7, respectively, a stable operation of the fuel gas at a high utilization rate becomes possible.
[0090]
Note that the above-described MFCs (flow control devices) 77 and 79 can provide the same effects even when applied to the first to sixth embodiments.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a state in which a plurality of fuel cell stacks according to a first embodiment of the present invention are accommodated in a stack case.
FIG. 2 is a perspective view showing details of the fuel cell stack of FIG. 1;
FIG. 3 is a plan view showing a layout of a gas pipe according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a gas supply system according to the first embodiment.
FIG. 5 is a perspective view of a unit battery unit according to the first embodiment.
FIG. 6 is an exploded perspective view of the unit battery unit of FIG.
FIG. 7 is an enlarged sectional view of a unit battery in FIG. 6;
FIG. 8 is a plan view of the unit battery unit of FIG. 5;
FIG. 9 is a sectional view taken along line BB of FIG. 8;
FIG. 10 is a plan view of the separator in FIG.
FIG. 11 is a sectional view taken along the line CC of FIG. 8;
FIG. 12 is a plan view of a unit battery unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view taken along line DD of FIG.
FIG. 14 is a plan view of a unit battery unit showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a sectional view taken along the line EE of FIG. 14;
FIG. 16 is a plan view of a unit battery unit showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a plan view of a separator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a plan view of a separator according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a gas supply system diagram showing a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a gas supply system diagram showing an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a perspective view of a fuel cell stack showing a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a plan view showing a layout of a gas pipe according to a ninth embodiment.
FIG. 23 is a diagram illustrating a gas supply system according to a ninth embodiment.
FIG. 24 is a plan view of a unit battery unit according to a ninth embodiment.
FIG. 25 is a sectional view taken along line FF of FIG. 24;
26 is a sectional view taken along line GG of FIG. 24.
FIG. 27 is a plan view of a separator according to the ninth embodiment.
FIG. 28 is a gas supply system diagram showing an example in which a flow control device is installed on the fuel side according to the ninth embodiment.
FIG. 29 is a gas supply system diagram showing an example in which a flow control device is installed in both fuel and air according to the ninth embodiment.
[Explanation of symbols]
1,10 Fuel cell stack
3 stack case
31,39 Compressor (pressurizing means)
45 unit batteries
49 Gas joint (holder)
53 Fuel electrode
55 air electrode (oxidizer electrode)
67 current collector
69 Current collector with air permeability
71 Current plate
75 Exhaust unit (suction means)
90 Gas discharge passage (mixed gas passage)

Claims

A fuel cell is formed by stacking a plurality of unit cells each having a fuel electrode on one surface of the solid electrolyte and an oxidizer electrode on the other surface, and storing the fuel cell stack in a stack case. In a fuel cell system that supplies and exhausts fuel and oxidant to and from the fuel cell stack in a stack case, the fuel cell stack has a structure in which one of the fuel electrode side and the air electrode side opens into the stack case. Wherein a gas corresponding to the electrode on the open side is supplied into the stack case, and the supplied gas is exhausted from the center of the fuel cell stack to the outside of the stack case. Fuel cell system.

2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising pressurizing means for pressurizing a gas supplied into the stack case.

3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising suction means for sucking gas exhausted from a central portion of the fuel cell stack from outside the fuel cell stack.

4. The fuel cell system according to claim 3, further comprising suction means for sucking, from the outside, a gas different from a gas exhausted from a central portion of the fuel cell stack.

5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the electrode that opens into the stack case is open over the entire circumference of the fuel cell stack. 6.

6. The fuel cell system according to claim 1, wherein a current collector is provided on the electrode that opens into the stack case to electrically connect the unit cells. And a fuel cell system.

7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the current collector has air permeability.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein a rectifying plate is provided on the electrode that opens into the stack case.

9. The fuel cell system according to claim 1, wherein a gas supplied to another electrode other than the electrode that is opened into the stack case is provided on the other electrode at a center of the unit cell. 10. A fuel cell system characterized in that the fuel cell system flows toward the outer periphery from the fuel cell.

9. The fuel cell system according to claim 1, wherein a gas supplied to another electrode other than the electrode that opens into the stack case is provided on the other electrode on the outer peripheral side of the unit cell. 10. A fuel cell system characterized in that the fuel flows toward the center of the fuel cell.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein the unit cells are formed in a disk shape, a holder portion is provided at a central portion of the disk-shaped unit cells, and the unit cells are provided via the holder portions. Wherein the fuel cell stack is formed by stacking a plurality of the fuel cell stacks.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11, wherein a gas to be supplied to an electrode that is different from the electrode that opens into the stack case is supplied to an electrode that is open to the stack case. A fuel cell system, wherein the gas is exhausted from the center of the fuel cell stack to the outside of the stack case together with the gas.

13. The fuel cell system according to claim 12, wherein a gas to be supplied to an electrode that opens into the stack case and a gas to be supplied to the another electrode are mixed from a central portion of the fuel cell stack. A fuel cell system, characterized in that the exhaust gas is exhausted to the outside of the fuel cell and a catalyst for mixed gas combustion is provided in the mixed gas passage in the central portion.