JP2013037789A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、板状のセル本体と、枠体状のフレームと、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータとを備えた燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell including a plate-shaped cell body, a frame-shaped frame, and an isolation separator that separates a fuel gas channel and an oxidant gas channel.
従来から、固体電解質層の両側に燃料極層と空気極層とを配置した板状のセル本体と、燃料極層に供給される燃料ガスの流路と空気極層に供給される酸化剤ガス（空気）の流路とを隔離する隔離セパレータとを備えた燃料電池が知られている。このような燃料電池においては、例えば、薄い金属板からなる隔離セパレータに開口部を形成し、セル本体の表面の周縁部を隔離セパレータの内周側に接合するとともにセル本体の側面を枠体状のフレームで取り囲む構造が採用される。そして、燃料ガス及び空気のそれぞれの流路構造をフレームに形成することで、外部から導入した燃料ガス及び空気をフレームの流路構造を経由してセル本体の燃料極層と空気極層のそれぞれに供給することができる。上記従来の燃料電池においては、平坦な断面形状を有する隔離セパレータを用いる構造が一般的であるが、燃料電池の強度の確保や電気的性能の向上など多様な目的から、湾曲形状等の非平坦な断面形状を有する隔離セパレータを用いる構造も提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。 Conventionally, a plate-shaped cell body in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on both sides of a solid electrolyte layer, a flow path of fuel gas supplied to the fuel electrode layer, and an oxidant gas supplied to the air electrode layer There is known a fuel cell including an isolation separator that isolates the (air) flow path. In such a fuel cell, for example, an opening is formed in an isolation separator made of a thin metal plate, the peripheral edge of the surface of the cell body is joined to the inner peripheral side of the isolation separator, and the side surface of the cell body is framed The structure surrounded by the frame is adopted. Then, by forming the flow structures of the fuel gas and air in the frame, the fuel gas and air introduced from the outside pass through the flow structure of the frame, respectively, in the fuel electrode layer and the air electrode layer of the cell body. Can be supplied to. In the conventional fuel cell described above, a structure using an isolating separator having a flat cross-sectional shape is generally used. However, for various purposes such as ensuring the strength of the fuel cell and improving electrical performance, the non-flat shape such as a curved shape is used. A structure using an isolation separator having a simple cross-sectional shape has also been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 5).
上記従来の燃料電池において、隔離セパレータに接合されたセル本体の近辺の構造に着目すると、隔離セパレータに接合されたセル本体の側面とフレームの内周側面との間には空間が存在する。例えば、セル本体が燃料極層によって支持される構造を想定すると、フレームの一端に燃料ガス流路の供給口部が設けられ、この燃料ガス流路を流れる燃料ガスが供給口部から燃料極層に供給されることになる。この場合、セル本体にはある程度の厚みがあるので、燃料ガス流路の供給口部の位置が隔離セパレータに近接していると、供給口部から排出される燃料ガスの流れに対してセル本体の側面が障壁となるので、燃料極層の表面に対して供給される燃料ガスの流れを妨げて、発電に寄与する燃料ガスの量が減少するという第１の問題がある。また、隔離セパレータから下方の位置に供給口部を設けたとしても、その近傍に上記空間があるので、供給口部から排出される燃料ガスが上記空間内に滞留して燃料極層の表面に対して燃料ガスを円滑に供給できなくなり、発電に寄与する燃料ガスの量が不安定になるという第２の問題がある。一方、湾曲形状等の非平坦な断面形状を有する隔離セパレータを用いたとしても、特許文献１〜５に開示された構造から明らかなように、セル本体の側面とフレームの内周側面との間の上記空間の体積が大きいために燃料ガスの滞留は避けられず、第１の問題は解消されない。また、燃料ガスの供給口部の位置に応じてセル本体の側面が障壁となる構造は同様であり、これにより燃料ガスの流れが妨げられるので、第２の問題も解消されない。かかる問題は、燃料ガスを酸化剤ガスに置き換えても同様である。このように、上記従来の構造の隔離セパレータを備えた燃料電池においては、ガス流路からセル本体への安定的なガス供給を実現するための構造が十分に確立されていない。 In the conventional fuel cell, when attention is paid to the structure in the vicinity of the cell main body joined to the separator, there is a space between the side surface of the cell main body joined to the separator and the inner peripheral side of the frame. For example, assuming a structure in which the cell body is supported by the fuel electrode layer, a supply port portion of the fuel gas flow path is provided at one end of the frame, and the fuel gas flowing through the fuel gas flow path is supplied from the supply port portion to the fuel electrode layer. Will be supplied. In this case, since the cell body has a certain thickness, if the position of the supply port portion of the fuel gas flow path is close to the separator, the cell body against the flow of the fuel gas discharged from the supply port portion Therefore, there is a first problem that the amount of fuel gas contributing to power generation is reduced by preventing the flow of fuel gas supplied to the surface of the fuel electrode layer. Even if the supply port is provided at a position below the separator, the fuel gas discharged from the supply port stays in the space on the surface of the fuel electrode layer because the space is in the vicinity of the supply port. On the other hand, there is a second problem that the fuel gas cannot be supplied smoothly and the amount of fuel gas contributing to power generation becomes unstable. On the other hand, even if an isolation separator having a non-flat cross-sectional shape such as a curved shape is used, as is apparent from the structures disclosed in Patent Documents 1 to 5, the gap between the side surface of the cell body and the inner peripheral side surface of the frame Due to the large volume of the space, the stagnation of the fuel gas cannot be avoided, and the first problem cannot be solved. Further, the structure in which the side surface of the cell body becomes a barrier according to the position of the fuel gas supply port is the same, and this prevents the flow of the fuel gas, so the second problem cannot be solved. This problem is the same even when the fuel gas is replaced with an oxidant gas. As described above, in the fuel cell including the isolation separator having the conventional structure, a structure for realizing a stable gas supply from the gas flow path to the cell body has not been sufficiently established.
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、セル本体及びフレームとの配置に応じて隔離セパレータの断面形状を最適化し、セル本体に対する安定的なガス供給を実現することで、発電効率の向上と信頼性の確保が可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and by optimizing the cross-sectional shape of the separator according to the arrangement of the cell body and the frame, and realizing a stable gas supply to the cell body, An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of improving power generation efficiency and ensuring reliability.
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された板状の固体電解質層とが積層された板状のセル本体と、前記セル本体（前記燃料極層又は前記空気極層）の側面を取り囲む枠体状のフレームと、内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、を備えた燃料電池において、前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側と前記外周側とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有することを特徴としている。 In order to solve the above problems, a fuel cell according to the present invention includes at least a fuel electrode layer in contact with a fuel gas, an air electrode layer in contact with an oxidant gas, and the fuel electrode layer disposed on one surface side. A plate-shaped cell body in which a plate-shaped solid electrolyte layer having the air electrode layer disposed on the surface side is laminated, and a frame shape surrounding the side surface of the cell body (the fuel electrode layer or the air electrode layer) The frame and the inner peripheral side are joined to the peripheral portion of the first surface of the cell body, and the outer peripheral side is disposed on one surface of the frame on the same side as the first surface in the stacking direction, In the fuel cell comprising: a separator for separating the fuel gas flow path for guiding the fuel gas to the fuel electrode layer and the oxidant gas flow path for guiding the oxidant gas to the air electrode layer; , Side surface of the cell body and the frame A projecting portion having a cross-sectional shape projecting toward the second surface facing the first surface of the cell main body is formed between the inner peripheral side surface, the side surface of the cell main body, and the inner side of the frame. The residence space surrounded by the peripheral side surface, the protrusion, and the first virtual plane when the second surface of the cell body is extended to the region facing the protrusion, the side surface of the cell body, An approximate volume of a virtual space surrounded by the first virtual plane and the second virtual plane when the inner peripheral side of the frame is connected to the inner peripheral side and the outer peripheral side of the separator by a plane. The volume is less than half.
本発明の燃料電池によれば、隔離セパレータは、内周側がセル本体の第１の表面の周縁部に接合され、外周側が枠体状のフレームの表面に配置された状態で、セル本体の側面とフレームの内周側面との間で、セル本体の第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成されている。そして、上下の第１仮想平面及び第２仮想平面と、セル本体の側面及びフレームの内周側面とによって規定される仮想空間に対し、この仮想空間の第２仮想平面を隔離セパレータの突出部で置き換えた滞留空間の体積（Ｖａ）は、仮想空間の体積（Ｖ１）の略半分以下に設定される（Ｖａ＜（Ｖ１／２））。よって、滞留空間においてガス流路から供給されるガスが滞留する体積が抑制されるので、その分だけセル本体の第２の表面（燃料極層又は空気極層）に効率的にガスを供給して、発電反応に寄与するガスの量を安定化することができる。 According to the fuel cell of the present invention, the separator separator has the inner peripheral side joined to the peripheral portion of the first surface of the cell main body, and the outer peripheral side is disposed on the surface of the frame-like frame. And a projecting portion having a cross-sectional shape projecting toward the second surface side of the cell body is formed between the inner peripheral surface of the frame and the inner peripheral side surface of the frame. Then, with respect to the virtual space defined by the upper and lower first virtual planes and the second virtual plane, and the side surface of the cell body and the inner peripheral side surface of the frame, The volume (Va) of the replaced staying space is set to approximately half or less of the volume (V1) of the virtual space (Va <(V1 / 2)). Therefore, since the volume in which the gas supplied from the gas flow path stays in the stay space is suppressed, the gas is efficiently supplied to the second surface (fuel electrode layer or air electrode layer) of the cell body accordingly. Thus, the amount of gas contributing to the power generation reaction can be stabilized.
本発明において、前記フレームの内周側に、前記燃料極層（前記空気極層）に前記燃料ガス（前記酸化剤ガス）を供給する前記燃料ガス流路（前記酸化剤ガス流路）の供給口部を形成してもよい。この場合、前記突出部の前記断面形状において、前記突出部の突出した先端部分と前記セル本体の側面との面方向の距離（Ｘ１）を、前記先端部分と前記フレームの前記内周側面との面方向の距離（Ｘ２）よりも短く設定し（Ｘ１＜Ｘ２）、かつ、前記先端部分と前記第１仮想平面との積層方向の距離（Ｙ１）を、前記供給口部と前記第１仮想平面との積層方向の距離（Ｙ２）よりも短く設定する（Ｙ１＜Ｙ２）ことが望ましい。これにより、隔離セパレータの付近の断面構造において、供給口部から排出されるガスは、突出部によってセル本体の第２の表面の側に流れるようになり、セル本体の側面が障壁となることを防止し、発電反応に寄与する十分なガスの量を確保することができる。 In the present invention, supply of the fuel gas channel (the oxidant gas channel) for supplying the fuel gas (the oxidant gas) to the fuel electrode layer (the air electrode layer) on the inner peripheral side of the frame. A mouth portion may be formed. In this case, in the cross-sectional shape of the projecting portion, the distance (X1) in the surface direction between the projecting tip portion of the projecting portion and the side surface of the cell body is defined as the distance between the tip portion and the inner peripheral side surface of the frame. It is set shorter than the distance (X2) in the surface direction (X1 <X2), and the distance (Y1) in the stacking direction between the tip portion and the first virtual plane is set to the supply port portion and the first virtual plane. It is desirable to set it shorter than the distance (Y2) in the stacking direction (Y1 <Y2). As a result, in the cross-sectional structure in the vicinity of the isolation separator, the gas discharged from the supply port portion flows to the second surface side of the cell body by the protrusion, and the side surface of the cell body becomes a barrier. It is possible to prevent and secure a sufficient amount of gas that contributes to the power generation reaction.
本発明において、前記突出部の前記断面形状が、前記セル本体の前記第２の表面における外周端部と前記供給口部とを結ぶ仮想直線と部分的に重なるようにしてもよい。これにより、隔離セパレータの付近の断面構造において、供給口部から排出される燃料ガスがセル本体の第２の表面に向かって流れる経路の上方を突出部が遮ることになるので、燃料ガスに対してセル本体の側面が障壁となることを防止し、発電反応に寄与する十分なガスの量を確保することができる。 In this invention, you may make it the said cross-sectional shape of the said protrusion part overlap with the virtual straight line which connects the outer peripheral edge part in the said 2nd surface of the said cell main body, and the said supply port part. As a result, in the cross-sectional structure in the vicinity of the separator, the protruding portion blocks the upper part of the path through which the fuel gas discharged from the supply port flows toward the second surface of the cell body. Thus, the side surface of the cell body can be prevented from becoming a barrier, and a sufficient amount of gas contributing to the power generation reaction can be secured.
前記隔離セパレータは、外周側を前記フレームの一方の表面に配置する場合に限られず、外周側の前記フレームの一方の表面に対向する他方の表面に配置してもよい。これにより、隔離セパレータの外周側の領域が突出部の先端部分に近い高さになり、滞留空間を縮小するための適した構造を実現することができる。 The isolation separator is not limited to the case where the outer peripheral side is disposed on one surface of the frame, and may be disposed on the other surface facing the one surface of the frame on the outer peripheral side. Thereby, the area | region of the outer peripheral side of an isolation | separation separator becomes the height close | similar to the front-end | tip part of a protrusion part, and can implement | achieve the suitable structure for reducing a residence space.
前記フレームは、１つのフレームから構成する場合に限らず、複数のフレーム単層を積層して構成してもよい。この場合、枠体状のフレームにおける２以上の前記フレーム単層を、前記セル本体（前記燃料極層又前記空気極層）の側面を取り囲むように配置することが望ましい。複数のフレーム単層には、例えば、絶縁材料からなり、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスをシールするガスシール部材を含めてもよい。なお、ガス流路の供給口部は、枠体状のフレームのうちの所望のフレーム単層に形成可能である。 The frame is not limited to a single frame, and a plurality of frame single layers may be stacked. In this case, it is desirable that two or more frame single layers in a frame-like frame are arranged so as to surround a side surface of the cell main body (the fuel electrode layer or the air electrode layer). The plurality of frame single layers may include, for example, a gas seal member made of an insulating material and sealing the fuel gas or the oxidant gas. In addition, the supply port part of a gas flow path can be formed in the desired flame | frame single layer among frame-shaped frames.
本発明によれば、隔離セパレータに突出部を設け、ガス流路を経由してセル本体に供給されるガスの流れを最適化して発電反応に寄与するガスの量を安定化することができる。すなわち、セル本体の側面とフレームの内周側面との間の滞留空間の体積を抑制するか、あるいは、突出部の断面形状に基づいてガスが流れるときにセル本体の側面がガス障壁となる事態を防止することができる。このような構造によりセル本体に供給されるガスの量を安定化させ、燃料電池における発電効率の向上と信頼性の確保を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to stabilize the amount of gas that contributes to the power generation reaction by providing a protrusion on the separator and optimizing the flow of gas supplied to the cell body via the gas flow path. In other words, the volume of the stay space between the side surface of the cell body and the inner peripheral side surface of the frame is suppressed, or the side surface of the cell body becomes a gas barrier when gas flows based on the cross-sectional shape of the protrusion Can be prevented. With such a structure, the amount of gas supplied to the cell main body can be stabilized, and the power generation efficiency and reliability of the fuel cell can be improved.
以下、本発明を適用した燃料電池の一例である固体酸化物形燃料電池の好適な実施形態について具体的に説明する。図１は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１の側面図を示し、図２は、図１の固体酸化物形燃料電池１の上面図を示している。なお、図１は、図２の矢印Ａ方向から見た側面図に対応する。 Hereinafter, a preferred embodiment of a solid oxide fuel cell which is an example of a fuel cell to which the present invention is applied will be specifically described. FIG. 1 shows a side view of the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment, and FIG. 2 shows a top view of the solid oxide fuel cell 1 of FIG. 1 corresponds to a side view seen from the direction of arrow A in FIG.
図１及び図２に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、基本的な構成単位である燃料電池セル（以下、単位セルと呼ぶ）３を複数個積層した燃料電池スタック２を備えている。また、燃料電池スタック２は、複数のボルトＢ１〜Ｂ８及び複数のナットによって一体的に固定されている。各ボルトＢ１〜Ｂ８のうち、図２の方形平面内の四隅に位置する４個のボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７は、燃料電池スタック２を固定する連結部材としてのみ用いられる。一方、各ボルトＢ１〜Ｂ８のうち、図２の方形平面内の四辺に位置する４個のボルトＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８は、上記連結部材に加えて、積層方向に沿う貫通孔に連通し、それぞれ燃料ガスの流路（燃料ガス流路）又は酸化剤ガスの流路（空気流路）の一部として機能する。具体的には、ボルトＢ２は燃料ガス流路の入口側の燃料ガス導入管Ｆｉｎに連通し、ボルトＢ２の対向位置のボルトＢ６は燃料ガス流路の出口側の燃料ガス排出管Ｆｏｕｔに連通する。また、ボルトＢ４は空気流路の入口側の空気導入管Ａｉｎに連通し、ボルトＢ４の対向位置のボルトＢ８は空気流路の出口側の空気排出管Ａｏｕｔに連通する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment is a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells (hereinafter referred to as unit cells) 3, which are basic structural units, are stacked. 2 is provided. The fuel cell stack 2 is integrally fixed by a plurality of bolts B1 to B8 and a plurality of nuts. Of the bolts B1 to B8, the four bolts B1, B3, B5, and B7 located at the four corners in the rectangular plane of FIG. 2 are used only as connecting members for fixing the fuel cell stack 2. On the other hand, among the bolts B1 to B8, the four bolts B2, B4, B6, and B8 located on the four sides in the rectangular plane of FIG. 2 communicate with the through holes along the stacking direction in addition to the connecting members. These function as a part of a fuel gas flow path (fuel gas flow path) or an oxidant gas flow path (air flow path). Specifically, the bolt B2 communicates with the fuel gas introduction pipe Fin on the inlet side of the fuel gas flow path, and the bolt B6 opposite to the bolt B2 communicates with the fuel gas discharge pipe Fout on the outlet side of the fuel gas flow path. . Further, the bolt B4 communicates with the air introduction pipe Ain on the inlet side of the air flow path, and the bolt B8 at a position opposite to the bolt B4 communicates with the air discharge pipe Aout on the outlet side of the air flow path.
次に、図１の固体酸化物形燃料電池１に含まれる単位セル３の基本構造について説明する。図３は、１個の単位セル３に関し、各構成要素を分解した状態の模式的な断面構造を示している。図３に示す単位セル３は、発電機能を担う板状のセル本体１０を備えている。セル本体１０は、下層側から順に、燃料極層１１と、固体電解質層１２と、空気極層１３とが積層形成されてなる。また、単位セル３は、上下１対のインターコネクタ２０、２１と、下側のインターコネクタ２０と燃料極層１１との間に配置された燃料極側集電体２２と、上側のインターコネクタ２１と空気極層１３との間に配置された空気極側集電体２３と、燃料極層１１の側面を取り囲む金属フレーム２４と、セル本体１０と一体的に接合され、燃料極層１１の側の燃料ガスの流路と空気極層１３の側の空気の流路とを隔離する隔離セパレータ２５と、金属フレーム２４と下側のインターコネクタ２０との間に配置されたガスシール部材２６と、隔離セパレータ２５と上側のインターコネクタ２１との間に配置されたガスシール部材２７とを備えている。なお、金属フレーム２４及びガスシール部材２６、２７は一体的に本発明の枠体状のフレームを構成している。 Next, the basic structure of the unit cell 3 included in the solid oxide fuel cell 1 of FIG. 1 will be described. FIG. 3 shows a schematic cross-sectional structure of each unit cell 3 in a state where each component is disassembled. The unit cell 3 shown in FIG. 3 includes a plate-shaped cell body 10 that performs a power generation function. The cell body 10 is formed by laminating a fuel electrode layer 11, a solid electrolyte layer 12, and an air electrode layer 13 in order from the lower layer side. The unit cell 3 includes a pair of upper and lower interconnectors 20, 21, a fuel electrode side current collector 22 disposed between the lower interconnector 20 and the fuel electrode layer 11, and an upper interconnector 21. The air electrode side current collector 23 disposed between the air electrode layer 13, the metal frame 24 surrounding the side surface of the fuel electrode layer 11, and the cell body 10 are integrally joined to the fuel electrode layer 11 side. An isolation separator 25 that separates the fuel gas flow path and the air flow path on the air electrode layer 13 side, a gas seal member 26 disposed between the metal frame 24 and the lower interconnector 20, A gas seal member 27 disposed between the isolation separator 25 and the upper interconnector 21 is provided. The metal frame 24 and the gas seal members 26 and 27 integrally constitute a frame-like frame of the present invention.
燃料極層１１は、水素源となる燃料ガスに接触し、単位セル３のアノードとして機能する。図３の例では、燃料極層１１がセル本体１０を支持する支持基体層となるので、機械的強度を確保できる程度の十分な厚みで形成することが望ましい。例えば、燃料極層１１の材料としては、Ｎｉ等の金属粒子とセラミック粒子からなるサーメットを用いることができる。固体電解質層１２は、イオン導電性を有する各種の固体電解質からなる。例えば、固体電解質層１２の材料としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等を用いることができる。空気極層１３は、酸素源となる空気ガスに接触し、単位セル３のカソードとして機能する。例えば、空気極層１３の材料としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットを用いることができる。なお、燃料極層１１、固体電解質層１２、空気極層１３は、いずれも方形（例えば、正方形）の平面形状を有する。 The fuel electrode layer 11 is in contact with a fuel gas serving as a hydrogen source and functions as an anode of the unit cell 3. In the example of FIG. 3, the fuel electrode layer 11 serves as a support base layer that supports the cell main body 10, and therefore, it is desirable that the fuel electrode layer 11 be formed with a sufficient thickness to ensure mechanical strength. For example, as the material of the fuel electrode layer 11, cermet made of metal particles such as Ni and ceramic particles can be used. The solid electrolyte layer 12 is made of various solid electrolytes having ionic conductivity. For example, as the material of the solid electrolyte layer 12, YSZ, ScSZ, SDC, GDC, perovskite oxide, or the like can be used. The air electrode layer 13 is in contact with air gas serving as an oxygen source and functions as a cathode of the unit cell 3. For example, as the material of the air electrode layer 13, perovskite oxides, various noble metals, and cermets of noble metals and ceramics can be used. The fuel electrode layer 11, the solid electrolyte layer 12, and the air electrode layer 13 all have a square (eg, square) planar shape.
以下、単位セル３内の主な構成部材の構造について、図４〜図８を参照して説明する。なお、図４〜図８に示す各部材の平面構造は、いずれも図２と平面内で方向が一致する。まず、下側のインターコネクタ２０は下層に隣接する単位セル３との電気的接続を担い、上側のインターコネクタ２１は上層に隣接する単位セル３との電気的接続を担う。図４に示すように、インターコネクタ２０、２１は、例えばフェライト系ステンレスからなる薄型の金属板であり、その外縁部には上記ボルトＢ１〜Ｂ８が貫通する８つの丸孔が形成されている。また、下側のインターコネクタ２０に接合された燃料極側集電体２２は、例えば、通気性を有するＮｉフェルトからなり、上側のインターコネクタ２１に接合された空気極側集電体２３は、例えば、金属及び導電性セラミックからなる。 Hereinafter, the structure of the main structural members in the unit cell 3 will be described with reference to FIGS. In addition, as for the planar structure of each member shown to FIGS. 4-8, the direction corresponds in FIG. First, the lower interconnector 20 is responsible for electrical connection with the unit cell 3 adjacent to the lower layer, and the upper interconnector 21 is responsible for electrical connection with the unit cell 3 adjacent to the upper layer. As shown in FIG. 4, the interconnectors 20 and 21 are thin metal plates made of, for example, ferritic stainless steel, and eight round holes through which the bolts B1 to B8 pass are formed in the outer edge portions. The fuel electrode side current collector 22 joined to the lower interconnector 20 is made of, for example, Ni felt having air permeability, and the air electrode side current collector 23 joined to the upper interconnector 21 is For example, it consists of a metal and a conductive ceramic.
金属フレーム２４は、例えばフェライト系ステンレス等の金属材料からなり、セル本体１０及び隔離セパレータ２５を単位セル３に固定する役割がある。図５に示すように、金属フレーム２４の中央には方形の開口部３０が形成されている。また、金属フレーム２４の４辺に沿って４つの開口部３１が形成され、四隅には上記ボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７に対応する４つの丸孔が形成されている。４つの開口部３１は、インターコネクタ２０、２１の各辺中央に位置する丸孔に重なる部分から辺方向の両側に延びる溝状に形成されている。 The metal frame 24 is made of a metal material such as ferritic stainless steel, for example, and has a role of fixing the cell body 10 and the separator 25 to the unit cell 3. As shown in FIG. 5, a square opening 30 is formed in the center of the metal frame 24. Further, four openings 31 are formed along the four sides of the metal frame 24, and four round holes corresponding to the bolts B1, B3, B5, and B7 are formed at the four corners. The four openings 31 are formed in a groove shape extending from the portion overlapping the round hole located at the center of each side of the interconnectors 20 and 21 to both sides in the side direction.
隔離セパレータ２５は、可撓性を有する金属材料として、例えばフェライト系ステンレス等の金属材料を用いて、厚み０．０２〜０．３ｍｍ程度の枠体状の薄板に形成されている。図６に示すように、隔離セパレータ２５の中央には方形の開口部３２が形成され、４辺に沿って４つの開口部３３が形成され、四隅には上記ボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７に対応する４つの丸孔が形成されている。このうち、４つの開口部３３及び４つの丸孔については、金属フレーム２４と同位置及び同形状に形成されている。一方、中央の開口部３２は、金属フレーム２４の開口部３０よりもサイズが小さい方形であり、厚み方向で金属フレーム２４の開口部３０に対向する位置関係にある。さらに、隔離セパレータ２５は、図３の断面構造に示すように、平坦な板状の断面形状ではなく、開口部３２を取り囲む帯状の所定領域が下方に突出した断面形状（突出部）を有しているが、詳しくは後述する。 The isolation separator 25 is formed in a frame-like thin plate having a thickness of about 0.02 to 0.3 mm using a metal material such as ferritic stainless steel as a flexible metal material. As shown in FIG. 6, a rectangular opening 32 is formed at the center of the separator 25, four openings 33 are formed along the four sides, and the bolts B1, B3, B5, B7 are formed at the four corners. Four corresponding round holes are formed. Among these, the four openings 33 and the four round holes are formed in the same position and the same shape as the metal frame 24. On the other hand, the central opening 32 is a square having a smaller size than the opening 30 of the metal frame 24 and is in a positional relationship facing the opening 30 of the metal frame 24 in the thickness direction. Further, as shown in the cross-sectional structure of FIG. 3, the isolation separator 25 has a cross-sectional shape (protruding portion) in which a predetermined band-like region surrounding the opening 32 protrudes downward instead of a flat plate-like cross-sectional shape. The details will be described later.
セル本体１０は、図７に示すように、方形の外周形状を有する。セル本体１０の周縁部は、隔離セパレータ２５に接合されるので、隔離セパレータ２５の外周形状よりサイズが小さく、かつ隔離セパレータ２５の開口部３２よりもサイズが大きい方形の外周形状を有する。一方、セル本体１０の上層の空気極層１３の外周形状は、セル本体１０の外周形状よりもサイズが小さく、さらには隔離セパレータ２５の開口部３２よりもサイズが小さい方形に形成されている。これにより、図３の断面構造に示すように、セル本体１０の外周側が隔離セパレータ２５に接合された状態で、開口部３２から空気極層１３が露出可能な構造を実現することができる。 As shown in FIG. 7, the cell body 10 has a square outer peripheral shape. Since the periphery of the cell body 10 is joined to the isolation separator 25, the cell body 10 has a rectangular outer peripheral shape that is smaller in size than the outer peripheral shape of the isolation separator 25 and larger in size than the opening 32 of the isolation separator 25. On the other hand, the outer peripheral shape of the upper air electrode layer 13 of the cell body 10 is smaller in size than the outer peripheral shape of the cell body 10, and is formed in a rectangular shape smaller in size than the opening 32 of the isolation separator 25. Thereby, as shown in the cross-sectional structure of FIG. 3, it is possible to realize a structure in which the air electrode layer 13 can be exposed from the opening 32 in a state where the outer peripheral side of the cell body 10 is joined to the isolation separator 25.
下側のガスシール部材２６は、例えば、マイカ等の絶縁材料からなり、燃料極層１１の周囲の燃料ガスをシールする役割がある。図８に示すように、ガスシール部材２６の中央には開口部３４が形成されるとともに、周縁部には上記ボルトＢ１〜Ｂ８が貫通する８つの丸孔が形成されている。また、開口部３４には、方形の対向する２辺において、周縁部に延伸される各４本の切り欠き部３４ａが形成されている。開口部３４に形成される切り欠き部３４ａは、枠体状のフレームにおける後述の燃料ガス流路Ｆｐの一部となる。なお、上側のガスシール部材２７は、図８のガスシール部材２６を、平面内で９０度回転させた平面構造を有するので、その説明は省略する。この場合、上側のガスシール部材２７の開口部３４に形成される切り欠き部３４ａは、枠体状のフレームにおける後述の空気流路Ａｐの一部となる。 The lower gas seal member 26 is made of an insulating material such as mica, for example, and has a role of sealing fuel gas around the fuel electrode layer 11. As shown in FIG. 8, an opening 34 is formed at the center of the gas seal member 26, and eight round holes through which the bolts B1 to B8 pass are formed at the peripheral edge. The opening 34 is formed with four notches 34a each extending to the peripheral edge on two opposing sides of the square. The notch 34a formed in the opening 34 becomes a part of a fuel gas flow path Fp described later in the frame-like frame. Note that the upper gas seal member 27 has a planar structure obtained by rotating the gas seal member 26 of FIG. 8 by 90 degrees in a plane, and a description thereof will be omitted. In this case, the notch 34a formed in the opening 34 of the upper gas seal member 27 becomes a part of an air channel Ap described later in the frame-like frame.
次に、本実施形態の単位セル３の特徴的な構造について説明する。図９は、図３の単位セル３の断面構造において、セル本体１０、金属フレーム２４、隔離セパレータ２５、ガスシール部材２６を含む部分の第１の構造例を示している。第１の構造例においては、隔離セパレータ２５の内周側が、セル本体１０の固体電解質層１２の表面（本発明の第１の表面）の周縁部と例えばロウ材等を介して接合されるとともに、隔離セパレータ２５の外周側が金属フレーム２４の一方の表面に密着した状態で配置されている。また、隔離セパレータ２５のうちの内周側及び外周側に挟まれた部分には、セル本体１０の燃料極層１１の表面（本発明の第２の表面）の側に突出した突出部２５ａが形成されている。この突出部２５ａの断面形状は、燃料ガスに対する滞留空間を最適化するように設定されるが、詳しくは後述する。 Next, a characteristic structure of the unit cell 3 of the present embodiment will be described. FIG. 9 shows a first structural example of a portion including the cell main body 10, the metal frame 24, the isolation separator 25, and the gas seal member 26 in the cross-sectional structure of the unit cell 3 of FIG. 3. In the first structural example, the inner peripheral side of the separator 25 is joined to the peripheral portion of the surface of the solid electrolyte layer 12 of the cell body 10 (the first surface of the present invention) via, for example, a brazing material. The isolation separator 25 is disposed in a state in which the outer peripheral side thereof is in close contact with one surface of the metal frame 24. Further, a protruding portion 25a protruding toward the surface of the fuel electrode layer 11 of the cell body 10 (the second surface of the present invention) is formed in a portion sandwiched between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the isolation separator 25. Is formed. The cross-sectional shape of the protruding portion 25a is set so as to optimize the staying space for the fuel gas, which will be described later in detail.
一方、燃料ガス導入管Ｆｉｎ（図１）に連通する導入側の燃料ガス流路Ｆｐは、隔離セパレータ２５の開口部３３と、金属フレーム２４の開口部３１と、ガスシール部材２６の切り欠き部３４ａとをそれぞれ含んで構成されている。燃料ガス流路Ｆｐに流れる燃料ガスは、ガスシール部材２６の表面における切り欠き部３４ａに沿う供給口部を経由して燃料極層１１の表面に供給される。なお、燃料ガス排出管Ｆｏｕｔ（図１）に連通する排出側の燃料ガス流路Ｆｐについては図示を省略しているが、図９の導入側の燃料ガス流路Ｆｐと対称的な構造を有している。 On the other hand, the fuel gas flow path Fp on the introduction side communicating with the fuel gas introduction pipe Fin (FIG. 1) includes an opening 33 of the separator 25, an opening 31 of the metal frame 24, and a notch of the gas seal member 26. 34a, respectively. The fuel gas flowing through the fuel gas flow path Fp is supplied to the surface of the fuel electrode layer 11 via the supply port portion along the notch 34a on the surface of the gas seal member 26. Note that the illustration of the fuel gas flow path Fp on the discharge side communicating with the fuel gas discharge pipe Fout (FIG. 1) is omitted, but it has a symmetrical structure with the fuel gas flow path Fp on the introduction side in FIG. doing.
ここで、図９に示す第１の構造例における条件及び効果について、図１０を参照して説明する。図１０（Ａ）は、図９の第１の構造例のうち、隔離セパレータ２５の突出部２５ａの近辺を拡大して模式的に示した断面構造図であり、図１０（Ｂ）は、図９の隔離セパレータ２５の突出部２５ａの部分を平坦な断面構造で置き換えた比較例としての断面構造図である。まず、図１０（Ａ）に示すように、第１の構造例において、セル本体１０の周縁部は、上部の表面１０ａ（固体電解質層１２の表面）が隔離セパレータ２５の内周部２５ｂに接合され、セル本体１０の下部の表面１０ｂ（燃料極層１１の表面）及び側面１０ｃはいずれも露出した状態にある。また、金属フレーム２４は、上部の表面が隔離セパレータ２５の外周部２５ｃと接し、内周側面２４ａがセル本体１０ｃと対向する位置において露出した状態にある。さらに、ガスシール部材２６のうちの露出した部分が、上述したようにガス流路Ｆｐにおける供給口部Ｆｅを形成している。 Here, conditions and effects in the first structural example shown in FIG. 9 will be described with reference to FIG. FIG. 10A is a cross-sectional structure diagram schematically showing the vicinity of the protrusion 25a of the isolation separator 25 in the first structural example of FIG. 9, and FIG. FIG. 9 is a cross-sectional structure diagram as a comparative example in which a portion of a protruding portion 25a of 9 isolation separator 25 is replaced with a flat cross-sectional structure. First, as shown in FIG. 10A, in the first structural example, the peripheral portion of the cell body 10 is bonded to the inner peripheral portion 25b of the isolation separator 25 at the upper surface 10a (the surface of the solid electrolyte layer 12). The lower surface 10b (surface of the fuel electrode layer 11) and the side surface 10c of the cell body 10 are both exposed. Further, the metal frame 24 is in a state where the upper surface is in contact with the outer peripheral portion 25c of the isolation separator 25 and the inner peripheral side surface 24a is exposed at a position facing the cell body 10c. Further, the exposed portion of the gas seal member 26 forms the supply port portion Fe in the gas flow path Fp as described above.
図１０の隔離セパレータ２５の突出部２５ａの近辺において、仮想空間Ｓ１と滞留空間Ｓａをそれぞれ以下のように定義する。仮想空間Ｓ１は、セル本体１０の側面１０ｃと、金属フレーム２４の内周側面２４ａと、下方の仮想平面Ｐ１（本発明の第１仮想平面）と、上方の仮想平面Ｐ２（本発明の第２仮想平面）とによって囲まれた断面矩形のリング状の空間である。このうち、下方の仮想平面Ｐ１は、セル本体１０の上記表面１０ｂを突出部２５ａが存在する領域に延長した平面であり、上方の仮想平面Ｐ２は、隔離セパレータ２５の内周部２５ｂ及び外周部２５ｃとの間を結ぶ平面である。図１０（Ａ）の断面構造では、両方の仮想平面Ｐ１、Ｐ２がともに直線で表される。一方、図１０（Ａ）に示す滞留空間Ｓａは、セル本体１０の側面１０ｃと、金属フレーム２４の内周側面２４ａと、下方の仮想平面Ｐ１と、上方の突出部２５ａとによって囲まれた空間であって、突出部２５ａによって内周と外周とに分断された２つのリング状の空間である。これに対し、図１０（Ｂ）の比較例に示す滞留空間Ｓａは、隔離セパレータ２５の突出部２５ａが設けられず平坦であって、上記の仮想空間Ｓ１と完全に一致していることがわかる。 In the vicinity of the protrusion 25a of the isolation separator 25 in FIG. 10, the virtual space S1 and the staying space Sa are defined as follows. The virtual space S1 includes a side surface 10c of the cell body 10, an inner peripheral side surface 24a of the metal frame 24, a lower virtual plane P1 (first virtual plane of the present invention), and an upper virtual plane P2 (second of the present invention). A ring-shaped space having a rectangular cross section surrounded by a virtual plane. Among these, the lower virtual plane P1 is a plane obtained by extending the surface 10b of the cell body 10 to a region where the protruding portion 25a exists, and the upper virtual plane P2 is the inner peripheral portion 25b and the outer peripheral portion of the isolation separator 25. 25c is a plane connecting to 25c. In the cross-sectional structure of FIG. 10A, both virtual planes P1 and P2 are both represented by straight lines. On the other hand, the staying space Sa shown in FIG. 10A is a space surrounded by the side surface 10c of the cell body 10, the inner peripheral side surface 24a of the metal frame 24, the lower virtual plane P1, and the upper protrusion 25a. And it is two ring-shaped space divided | segmented into the inner periphery and the outer periphery by the protrusion part 25a. On the other hand, the staying space Sa shown in the comparative example of FIG. 10B is flat without the protruding portion 25a of the separator 25 and is completely coincident with the virtual space S1. .
第１の構造例の特徴は、上記の仮想空間Ｓ１が体積Ｖ１を有し、上記の滞留空間Ｓａが体積Ｖａを有するとしたとき、（１）式を満たす点である。
Ｖａ＜（Ｖ１／２） （１）
A feature of the first structural example is that the above-described virtual space S1 has a volume V1 and the above-mentioned staying space Sa has a volume Va, satisfying the expression (1).
Va <(V1 / 2) (1)
すなわち、図１０（Ａ）に示すように、滞留空間Ｓａの体積Ｖａが、仮想空間Ｓ１の体積Ｖ１の略半分以下となるように寸法条件が設定される。なお、図１０（Ａ）は、体積Ｖａが体積Ｖ１の半分より僅かに小さい場合の例である。これに対し、図１０（Ｂ）の場合は、上記の（１）式を満たすことなく、Ｖａ＝Ｖ１の関係にある。このような相違は、図１０（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ矢印で示すように、ガスシール部材２６の供給口部Ｆｅからの燃料ガスの流れ方の違いに反映される。具体的には、Ｖａ＝Ｖ１を満たす図１０（Ｂ）の比較例の構造を採用すると、供給口部Ｆｅから排出される燃料ガスの多くが上方の滞留空間Ｓａに流れ込んで滞留し、セル本体１０の表面１０ｂに達する燃料ガスの量が不十分になる。これに対し、Ｖａ＜（Ｖ１／２）の関係を満たす図１０（Ａ）の構造を採用すると、供給口部Ｆｅから排出される燃料ガスのうち上方の滞留空間Ｓａに流れ込む量が減少し、相対的にセル本体１０の表面１０ｂに達する燃料ガスの量が増加する。従って、図１０（Ａ）に示す第１の構造例を採用すれば、図１０（Ｂ）に示す比較例に比べると、燃料極層１１（表面１０ｂ）に対して十分な燃料ガスを安定的に供給し、発電効率と信頼性を高めることが可能となる。 That is, as shown in FIG. 10A, the dimensional condition is set so that the volume Va of the staying space Sa is approximately half or less of the volume V1 of the virtual space S1. FIG. 10A shows an example in which the volume Va is slightly smaller than half of the volume V1. On the other hand, in the case of FIG. 10B, Va = V1 is satisfied without satisfying the above expression (1). Such a difference is reflected in a difference in the flow of fuel gas from the supply port portion Fe of the gas seal member 26 as indicated by arrows in FIGS. 10 (A) and 10 (B). Specifically, when the structure of the comparative example in FIG. 10B that satisfies Va = V1 is adopted, most of the fuel gas discharged from the supply port Fe flows into the upper stay space Sa and stays there, and the cell body The amount of the fuel gas reaching the surface 10b of 10 becomes insufficient. On the other hand, when the structure of FIG. 10A that satisfies the relationship Va <(V1 / 2) is adopted, the amount of fuel gas discharged from the supply port Fe that flows into the upper residence space Sa decreases, The amount of fuel gas that reaches the surface 10b of the cell body 10 relatively increases. Therefore, if the first structural example shown in FIG. 10A is adopted, sufficient fuel gas can be stably supplied to the fuel electrode layer 11 (surface 10b) as compared with the comparative example shown in FIG. 10B. It is possible to improve power generation efficiency and reliability.
次に図１１は、本実施形態の単位セル３における断面構造の第２の構造例を示している。第２の構造例では、単位セル１０及び隔離セパレータ２５の構造は図９と同様であるが、金属フレーム２４及びガスシール部材２６の構造が図９とは異なっている。すなわち、図１１に示す金属フレーム２４及びガスシール部材２６における燃料ガス流路Ｆｐの形成方法に違いがある。第２の構造例における金属フレーム２４及びガスシール部材２６のそれぞれの構造に関し、図１２及び図１３を参照して説明する。まず、図１２に示すように、金属フレーム２４における中央の開口部３０、４辺の４つの開口部３１、４隅の丸孔については、図５と同じ構造であるが、これらに加えて、対向する２辺の各開口部３１から中央の開口部３０にかけて各４つの貫通孔３０ａが形成されている。これらの貫通孔３０ａは、後述するように、開口部３０に沿う内周側面２４ａのうち積層方向の略中央に位置し、図８のガスシール部材２６の各切り欠き部３４ａと同様、枠体状のフレームにおける燃料ガス流路Ｆｐの一部となる。一方、図１３に示すように、ガスシール部材２６においては、図８とは異なり、矩形の開口部３４のみが形成され、切り欠き部３４ａが形成されていない。 Next, FIG. 11 shows a second structural example of the cross-sectional structure in the unit cell 3 of the present embodiment. In the second structure example, the structure of the unit cell 10 and the isolation separator 25 is the same as that in FIG. 9, but the structure of the metal frame 24 and the gas seal member 26 is different from that in FIG. That is, there is a difference in the method of forming the fuel gas flow path Fp in the metal frame 24 and the gas seal member 26 shown in FIG. The structures of the metal frame 24 and the gas seal member 26 in the second structure example will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 12, the central opening 30 in the metal frame 24, the four openings 31 on the four sides, and the round holes at the four corners have the same structure as in FIG. 5, but in addition to these, Four through holes 30 a are formed from the openings 31 on the two opposite sides to the central opening 30. As will be described later, these through-holes 30a are positioned substantially at the center of the inner circumferential side surface 24a along the opening 30 in the stacking direction, and are similar to the notches 34a of the gas seal member 26 in FIG. It becomes a part of the fuel gas flow path Fp in the shaped frame. On the other hand, as shown in FIG. 13, in the gas seal member 26, unlike FIG. 8, only the rectangular opening 34 is formed, and the notch 34a is not formed.
ここで、図１１に示す第２の構造例における条件及び効果について、図１４を参照して説明する。図１４（Ａ）は、図１１の第２の構造例のうち、図１０（Ａ）と同様の領域を拡大して模式的に示した断面構造図であり、図１４（Ｂ）は、図１０（Ｂ）と同様に突出部２５ａの部分を平坦な断面構造で置き換えた比較例としての断面構造図である。第２の構造例においては、金属フレーム２４の内周側面２４ａに、上述したように図１２の貫通孔３０ａに対応する部分がガス流路Ｆｐにおける供給口部Ｆｅを形成している。なお、図１４（Ａ）では省略しているが、図１０（Ａ）と同様の仮想空間Ｓ１及び滞留空間Ｓａとそれらの体積Ｖ１、Ｖａを想定したとき、（１）式を満たしている。 Here, conditions and effects in the second structure example shown in FIG. 11 will be described with reference to FIG. FIG. 14A is a cross-sectional structure diagram schematically showing an enlarged region similar to FIG. 10A in the second structural example of FIG. 11, and FIG. 10B is a cross-sectional structure diagram as a comparative example in which the protruding portion 25a is replaced with a flat cross-sectional structure as in FIG. In the second structural example, on the inner peripheral side surface 24a of the metal frame 24, as described above, the portion corresponding to the through hole 30a in FIG. 12 forms the supply port portion Fe in the gas flow path Fp. Although omitted in FIG. 14 (A), equation (1) is satisfied when a virtual space S1 and a stay space Sa and their volumes V1, Va similar to those in FIG. 10 (A) are assumed.
第２の構造例の特徴は、（１）式に加えて、次の（２）式及び（３）式を満たす点である。
Ｘ１＜Ｘ２ （２）
Ｙ１＜Ｙ２ （３）
The feature of the second structure example is that it satisfies the following expressions (2) and (3) in addition to the expression (1).
X1 <X2 (2)
Y1 <Y2 (3)
ただし、４つの距離Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２の意味は以下の通りである。すなわち、図１４（Ａ）の隔離セパレータ２５の断面形状において、距離Ｘ１は、突出部２５ａの先端部分とセル本体１０の側面１０ｃとの面方向（図１４（Ａ）の紙面横方向）の距離である。距離Ｘ２は、突出部２５ａの先端部分と金属フレーム２４の内周側面２４ａとの面方向の距離である。また、距離Ｙ１は、突出部２５ａの先端部分と仮想平面Ｐ１との積層方向（図１４（Ａ）の紙面縦方向）の距離である。距離Ｙ２は、供給口部Ｆｅ（の中央位置）と仮想平面Ｐ１との積層方向の距離である。 However, the meanings of the four distances X1, X2, Y1, and Y2 are as follows. That is, in the cross-sectional shape of the separation separator 25 in FIG. 14A, the distance X1 is the distance in the surface direction (lateral direction in FIG. 14A) between the tip portion of the protrusion 25a and the side surface 10c of the cell body 10. It is. The distance X <b> 2 is a distance in the surface direction between the distal end portion of the protruding portion 25 a and the inner peripheral side surface 24 a of the metal frame 24. The distance Y1 is a distance in the stacking direction (the vertical direction in the drawing of FIG. 14A) between the tip portion of the protrusion 25a and the virtual plane P1. The distance Y2 is a distance in the stacking direction between the supply port portion Fe (the center position thereof) and the virtual plane P1.
また、上記（２）式及び（３）に加えて、第２の構造例においては、セル本体１０の表面１０ｂにおける外周端部と供給口部Ｆｅ（の中央位置）とを結ぶ仮想直線Ｌ１を想定したとき、突出部２５ａの断面形状が仮想直線Ｌ１と部分的に交差している（重なっている）。これに対し、図１４（Ｂ）の場合は、隔離セパレータ２５の突出部２５ａが設けられていないので、（２）式及び（３）式を満たすことなく、かつ隔離セパレータ２５の断面形状が仮想直線Ｌ１と重なることはない。このような相違は、図１４（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ矢印で示すように、金属フレーム２４の供給口部Ｆｅからの燃料ガスの流れ方の違いに反映される。具体的には、図１４（Ａ）の構造を採用すると、供給口部Ｆｅから排出される燃料ガスの流れが突出部２５ａによって妨げられるため、その分だけセル本体１０の表面１０ｂに達する燃料ガスの量が増加する。一方、突出部２５ａが存在しない図１４（Ｂ）の構造を採用すると、供給口部Ｆｅから排出される燃料ガスがセル本体１０の側面１０ｃに向かって流れ、その近辺で滞留するか、あるいは後述する他の側面に回り込むため、相対的にセル本体１０の表面１０ｂに達する燃料ガスの量が不十分になる。 Further, in addition to the above formulas (2) and (3), in the second structural example, an imaginary straight line L1 connecting the outer peripheral end portion of the surface 10b of the cell body 10 and the supply port portion Fe (center position thereof) is provided. Assuming that the cross-sectional shape of the protrusion 25a partially intersects (overlaps) the virtual straight line L1. On the other hand, in the case of FIG. 14B, the protruding portion 25a of the separation separator 25 is not provided, so that the cross-sectional shape of the separation separator 25 is virtual without satisfying the expressions (2) and (3). It does not overlap with the straight line L1. Such a difference is reflected in the difference in the flow of fuel gas from the supply port Fe of the metal frame 24 as indicated by arrows in FIGS. 14 (A) and 14 (B). Specifically, when the structure of FIG. 14A is adopted, the flow of the fuel gas discharged from the supply port portion Fe is hindered by the protruding portion 25a, so that the fuel gas reaching the surface 10b of the cell main body 10 correspondingly. The amount of increases. On the other hand, when the structure of FIG. 14B in which the protruding portion 25a does not exist is adopted, the fuel gas discharged from the supply port portion Fe flows toward the side surface 10c of the cell body 10 and stays in the vicinity thereof, or described later. Therefore, the amount of fuel gas that reaches the surface 10b of the cell body 10 is relatively insufficient.
さらに、図１５は、第２の構造例の効果を明確化すべく、図１４の断面構造図を下方から見たときの模式的な平面図を示している。図１５（Ａ）は、図１４（Ａ）に対応する平面図であり、図１５（Ｂ）は、図１４（Ｂ）に対応する平面図であり、それぞれの燃料ガスの流れを太さの異なる矢印にて表している。図１５（Ａ）に示す第２の構造例によれば、供給口部Ｆｅから供給される燃料ガスの多くがセル本体１０の表面１０ｂを流れるとともに、セル本体１０の側面１０ｃから、これに直交する両側の２つの側面１０ｄ、１０ｅに流れ込む燃料ガスの量は少ない。これに対し、図１５（Ｂ）に示す比較例によれば、供給口部Ｆｅから供給される燃料ガスがセル本体１０の側面１０ｃに妨げられて、表面１０ｂに流れ込む燃料ガスの量が少なくなり、両側の２つの側面１０ｄ、１０ｅに流れ込む燃料ガスの量が増加する。以上のように、第２の構造例を採用すれば、上述の比較例に比べ、燃料極層１１（表面１０ｂ）に供給される燃料ガスの流れ方を適切に制御し、発電効率を一層高めることが可能となる。 Further, FIG. 15 shows a schematic plan view when the sectional structural view of FIG. 14 is viewed from below in order to clarify the effect of the second structural example. 15 (A) is a plan view corresponding to FIG. 14 (A), and FIG. 15 (B) is a plan view corresponding to FIG. 14 (B). Represented by different arrows. According to the second structural example shown in FIG. 15A, most of the fuel gas supplied from the supply port Fe flows on the surface 10b of the cell main body 10 and is orthogonal to the side surface 10c of the cell main body 10. The amount of fuel gas flowing into the two side surfaces 10d and 10e on both sides is small. On the other hand, according to the comparative example shown in FIG. 15B, the amount of fuel gas flowing into the surface 10b is reduced because the fuel gas supplied from the supply port Fe is obstructed by the side surface 10c of the cell body 10. The amount of fuel gas flowing into the two side surfaces 10d and 10e on both sides increases. As described above, when the second structural example is adopted, the flow of the fuel gas supplied to the fuel electrode layer 11 (surface 10b) is appropriately controlled and the power generation efficiency is further increased as compared with the comparative example described above. It becomes possible.
なお、第２の構造例として、上記（１）、（２）、（３）式の各条件と上記仮想直線に関する条件をそれぞれ満たす例を説明したが、これらの条件を全て満たさないとしても本発明の適用は可能である。例えば、上記（１）、（２）、（３）式の各条件を満たし上記仮想直線に関する条件を満たさない構造や、上記（１）、（２）、（３）式の各条件を満たさずに上記仮想直線に関する条件を満たす構造に対しても本発明を適用することができる。また、上記（２）、（３）式の各条件のみを満たし、他の条件を満たさない構造に対しても本発明の適用の余地がある。 As an example of the second structure, the example in which each of the above conditions (1), (2), and (3) and the condition relating to the virtual line are satisfied has been described. The invention can be applied. For example, a structure that satisfies the conditions of the above formulas (1), (2), and (3) and does not satisfy the conditions for the virtual line, or does not satisfy the conditions of the above formulas (1), (2), and (3) In addition, the present invention can be applied to a structure that satisfies the condition regarding the virtual line. In addition, there is room for application of the present invention to a structure that satisfies only the conditions of the above expressions (2) and (3) and does not satisfy other conditions.
本実施形態において、上記第１及び第２の構造例をそれぞれ挙げて具体的に説明したが、これらは本発明を適用可能な構造の具体例であり、以下に挙げる多様な変形例に対して本発明を適用することができる。図１６には、第１の変形例の断面構造を示している。第１の変形例は、図９の第１の構造例を基本としつつ、隔離セパレータ２５の断面形状を変更したものである。すなわち、図９の場合は、隔離セパレータ２５の内周部２５ｂと外周部２５ｃが同じ高さに配置されているのに対し、図１６の場合は、隔離セパレータ２５の内周部２５ｂよりも外周部２５ｃが低い位置に配置されている。そして、図１６の金属フレーム２４は、図９と比べて小さい厚さで形成され、隔離セパレータ２５の外周部２５ｃの上部に配置されるガスシール部材２７は、部分的にセル本体１０を取り囲む位置まで下がっている。第１の変形例においても、第１の構造例と同様、上記（１）式を満たしており、その効果も共通である。 In the present embodiment, the first and second structural examples have been specifically described, but these are specific examples of the structure to which the present invention can be applied, and various modifications described below are possible. The present invention can be applied. FIG. 16 shows a cross-sectional structure of the first modification. In the first modification, the cross-sectional shape of the separator 25 is changed based on the first structural example of FIG. That is, in the case of FIG. 9, the inner peripheral portion 25b and the outer peripheral portion 25c of the separator separator 25 are arranged at the same height, whereas in the case of FIG. The part 25c is arranged at a low position. The metal frame 24 of FIG. 16 is formed with a smaller thickness than that of FIG. 9, and the gas seal member 27 disposed on the outer peripheral portion 25 c of the isolation separator 25 partially surrounds the cell body 10. It is down to. Also in the first modification, the above equation (1) is satisfied as in the first structure example, and the effect is also common.
図１７には、第２の変形例の断面構造を示している。第２の変形例は、図１１の第２の構造例を基本としつつ、隔離セパレータ２５の断面形状を、図１６と同様に変更したものである。図１７の金属フレーム２４は図１６と同様であって、図１１と比べると小さい厚さで形成されているが、供給口部Ｆｅは金属フレーム２４の積層方向の中央より上方の位置に形成されている。第２の変形例においても、第２の構造例と同様、上記（１）式に加えて、上記（２）式及び（３）式を満たしており、その効果も共通である。 FIG. 17 shows a cross-sectional structure of the second modification. The second modification is obtained by changing the cross-sectional shape of the isolation separator 25 in the same manner as in FIG. The metal frame 24 of FIG. 17 is the same as that of FIG. 16 and is formed with a smaller thickness than that of FIG. 11, but the supply port portion Fe is formed at a position above the center of the metal frame 24 in the stacking direction. ing. In the second modified example, in the same way as the second structural example, in addition to the above equation (1), the above equations (2) and (3) are satisfied, and the effects are also common.
図１８には、第３の変形例の断面構造を示している。第３の変形例は、図９の第１の構造例を基本としつつ、セル本体１０の積層順を逆にしたものである。すなわち、図１８のセル本体１０は、下層側から順に、支持基体層としての空気極層１３と、固体電解質層１２と、燃料極層１１とが積層形成されてなる。そのため、金属フレーム２４及びガスシール部材２６には空気流路Ａｐの一部が形成され、下側のガスシール部材２６の切り欠き部３４ａに対応して空気の供給口部Ａｅが形成される。隔離セパレータ２５及び上側のガスシール部材２７の構造については第１の構造例と同様である。なお、図１〜図３の構造に対応させるには、図１８の断面構造として、平面内で９０度回転させた状態を想定すればよい。第３の変形例は、セル本体１０への空気の流れに関して、第１の構造例の燃料ガスと同様の効果を得ることができる。 FIG. 18 shows a cross-sectional structure of the third modification. The third modification is based on the first structural example of FIG. 9 and the cell stacking order of the cell bodies 10 is reversed. That is, the cell body 10 in FIG. 18 is formed by laminating the air electrode layer 13 as a support base layer, the solid electrolyte layer 12 and the fuel electrode layer 11 in order from the lower layer side. Therefore, a part of the air flow path Ap is formed in the metal frame 24 and the gas seal member 26, and an air supply port Ae is formed corresponding to the notch 34a of the lower gas seal member 26. The structures of the isolation separator 25 and the upper gas seal member 27 are the same as in the first structure example. In addition, what is necessary is just to assume the state rotated 90 degree | times within the plane as a cross-sectional structure of FIG. The third modification can obtain the same effect as the fuel gas of the first structure example with respect to the air flow to the cell body 10.
図１９には、第４の変形例の断面構造を示している。第４の変形例は図１１の第２の構造例を基本としつつ、図１８と同様、セル本体１０の積層順を逆にしたものである。図１９に示すように、セル本体１０、隔離セパレータ２５、上側のガスシール部材２７の構造については第２の構造例と同様である。また、金属フレーム２４及び下側のガスシール部材２６の構造については、上述したように、図１１のガス流路Ｆｐ及びその供給口部Ｆｅを、空気流路Ａｐ及びその供給口部Ａｅで置き換え、かつ平面内で９０度回転させた状態を想定すればよい。第４の変形例は、セル本体１０への空気の流れに関して、第２の構造例の燃料ガスと同様の効果を得ることができる。 FIG. 19 shows a cross-sectional structure of a fourth modification. The fourth modified example is based on the second structural example of FIG. 11 and reverses the stacking order of the cell main bodies 10 as in FIG. As shown in FIG. 19, the structure of the cell body 10, the separator 25, and the upper gas seal member 27 is the same as that of the second structural example. As for the structure of the metal frame 24 and the lower gas seal member 26, as described above, the gas flow path Fp and its supply port portion Fe in FIG. 11 are replaced with the air flow channel Ap and its supply port portion Ae. And the state rotated 90 degree | times within the plane should just be assumed. The fourth modification can obtain the same effect as the fuel gas of the second structure example with respect to the air flow to the cell body 10.
以上のように、本実施形態の単位セル３の特徴的な構造について説明したが、本実施形態の単位セル３を所定の積層数だけ積層すれば、図１の構造を有する燃料電池スタック２に対して本発明を適用することができる。燃料電池スタック２及び複数の単位セル３のそれぞれは周知の製造方法によって作製することができる。この場合、突出部２５ａを有する隔離セパレータ２５を形成するには、例えば、突出部２５ａに対応する所定の断面形状を有する金型等で金属薄板をプレスすればよい。 As described above, the characteristic structure of the unit cell 3 of the present embodiment has been described. However, if a predetermined number of the unit cells 3 of the present embodiment are stacked, the fuel cell stack 2 having the structure of FIG. The present invention can be applied to this. Each of the fuel cell stack 2 and the plurality of unit cells 3 can be manufactured by a known manufacturing method. In this case, in order to form the isolation separator 25 having the protruding portion 25a, for example, a metal thin plate may be pressed with a mold having a predetermined cross-sectional shape corresponding to the protruding portion 25a.
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、突出部２５ａを有する隔離セパレータ２５は、本発明の作用及び効果を得られる限り、多様な構造で形成することが可能である。さらに、燃料ガス流路Ｆｐや空気流路Ａｐについても、本実施形態の構造には制約されず、多様な構造で形成することができる。さらに、本発明は、固体酸化物形燃料電池に限られることなく、板状のセル本体を備える多様な燃料電池に対して適用することができる。その他の点についても上記各実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、適宜に変更可能である。 The contents of the present invention have been specifically described above based on the present embodiment, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the isolation separator 25 having the protruding portion 25a can be formed in various structures as long as the operation and effect of the present invention can be obtained. Furthermore, the fuel gas flow path Fp and the air flow path Ap are not limited by the structure of the present embodiment, and can be formed in various structures. Furthermore, the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell, but can be applied to various fuel cells including a plate-shaped cell body. Regarding the other points, the contents of the present invention are not limited by the above embodiments, and can be appropriately changed as long as the effects of the present invention can be obtained.
１…固体酸化物形燃料電池
２…燃料電池スタック
３…単位セル（燃料電池セル）
１０…セル本体
１１…燃料極層
１２…固体電解質層
１３…空気極層
２０、２１…インターコネクタ
２２…燃料極側集電体
２３…空気極側集電体
２４…金属フレーム
２５…隔離セパレータ
２５ａ…突出部
２６、２７…ガスシール部材
Ｂ１〜Ｂ８…ボルト
Ａｉｎ…空気導入管
Ａｏｕｔ…空気排出管
Ａｐ…空気流路
Ａｅ…供給口部
Ｆｉｎ…燃料ガス導入管
Ｆｏｕｔ…燃料ガス排出管
Ｆｐ…燃料ガス流路
Ｆｅ…供給口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid oxide fuel cell 2 ... Fuel cell stack 3 ... Unit cell (fuel cell)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Cell main body 11 ... Fuel electrode layer 12 ... Solid electrolyte layer 13 ... Air electrode layer 20, 21 ... Interconnector 22 ... Fuel electrode side collector 23 ... Air electrode side collector 24 ... Metal frame 25 ... Isolation separator 25a ... Projections 26 and 27 ... Gas seal members B1 to B8 ... Bolt Ain ... Air introduction pipe Aout ... Air discharge pipe Ap ... Air flow path Ae ... Supply port Fin ... Fuel gas introduction pipe Fout ... Fuel gas discharge pipe Fp ... Fuel Gas flow path Fe ... Supply port
Claims (13)
前記セル本体のうちの前記燃料極層の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
を備えた燃料電池において、
前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側と前記外周側とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有することを特徴とする燃料電池。 At least a fuel electrode layer in contact with the fuel gas, an air electrode layer in contact with the oxidant gas, a plate-like solid in which the fuel electrode layer is disposed on one surface side and the air electrode layer is disposed on the other surface side A plate-like cell body on which an electrolyte layer is laminated;
A frame-like frame surrounding a side surface of the fuel electrode layer in the cell body;
The inner peripheral side is joined to the peripheral portion of the first surface of the cell body, and the outer peripheral side is disposed on one surface of the frame on the same side as the first surface in the stacking direction, and the fuel gas is An isolation separator that separates the fuel gas flow path leading to the fuel electrode layer and the oxidant gas flow path leading the oxidant gas to the air electrode layer;
In a fuel cell comprising
The isolation separator has a projecting portion having a cross-sectional shape projecting to the second surface side facing the first surface of the cell body between the side surface of the cell body and the inner peripheral side surface of the frame. Formed,
Surrounded by a side surface of the cell body, the inner peripheral side surface of the frame, the projecting portion, and a first virtual plane when the second surface of the cell body is extended to a region facing the projecting portion. The staying space is formed by connecting the side surface of the cell body, the inner peripheral side surface of the frame, the inner peripheral side of the separator and the outer peripheral side with a second virtual plane, and the first A fuel cell having a volume approximately equal to or less than half the volume of a virtual space surrounded by a virtual plane.
前記突出部の前記断面形状において、前記突出部の突出した先端部分と前記セル本体の側面との面方向の距離が、前記先端部分と前記フレームの前記内周側面との面方向の距離よりも短く、かつ、前記先端部分と前記第１仮想平面との積層方向の距離が、前記供給口部と前記第１仮想平面との積層方向の距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 A supply port portion of the fuel gas flow path for supplying the fuel gas to the fuel electrode layer is formed on the inner peripheral side of the frame,
In the cross-sectional shape of the protruding portion, the distance in the surface direction between the protruding tip portion of the protruding portion and the side surface of the cell body is greater than the distance in the surface direction between the tip portion and the inner peripheral side surface of the frame. The distance in the stacking direction between the tip portion and the first virtual plane is set shorter than the distance in the stacking direction between the supply port portion and the first virtual plane. Item 4. The fuel cell according to Item 1.
前記セル本体のうちの前記空気極層の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
を備えた燃料電池において、
前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側と前記外周側とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有することを特徴とする燃料電池。 At least a fuel electrode layer in contact with the fuel gas, an air electrode layer in contact with the oxidant gas, a plate-like solid in which the fuel electrode layer is disposed on one surface side and the air electrode layer is disposed on the other surface side A plate-like cell body on which an electrolyte layer is laminated;
A frame-like frame surrounding a side surface of the air electrode layer in the cell body;
The inner peripheral side is joined to the peripheral portion of the first surface of the cell body, and the outer peripheral side is disposed on one surface of the frame on the same side as the first surface in the stacking direction, and the fuel gas is An isolation separator that separates the fuel gas flow path leading to the fuel electrode layer and the oxidant gas flow path leading the oxidant gas to the air electrode layer;
In a fuel cell comprising
The isolation separator has a projecting portion having a cross-sectional shape projecting to the second surface side facing the first surface of the cell body between the side surface of the cell body and the inner peripheral side surface of the frame. Formed,
Surrounded by a side surface of the cell body, the inner peripheral side surface of the frame, the projecting portion, and a first virtual plane when the second surface of the cell body is extended to a region facing the projecting portion. The staying space is formed by connecting the side surface of the cell body, the inner peripheral side surface of the frame, the inner peripheral side of the separator and the outer peripheral side with a second virtual plane, and the first A fuel cell having a volume approximately equal to or less than half the volume of a virtual space surrounded by a virtual plane.
前記突出部の前記断面形状において、前記突出部の突出した先端部分と前記セル本体の側面との面方向の距離が、前記先端部分と前記フレームの前記内周側面との面方向の距離よりも短く、かつ、前記先端部分と前記第１仮想平面との積層方向の距離が、前記供給口部と前記第１仮想平面との積層方向の距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 A supply port of the oxidant gas flow path for supplying the oxidant gas to the air electrode layer is formed on the inner peripheral side of the frame,
In the cross-sectional shape of the protruding portion, the distance in the surface direction between the protruding tip portion of the protruding portion and the side surface of the cell body is greater than the distance in the surface direction between the tip portion and the inner peripheral side surface of the frame. The distance in the stacking direction between the tip portion and the first virtual plane is set shorter than the distance in the stacking direction between the supply port portion and the first virtual plane. Item 4. The fuel cell according to Item 1.
前記セル本体のうちの前記燃料極層の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記セル本体の前記一方の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に対向する他方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
を備えた燃料電池において、
前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側と前記外周側とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有することを特徴とする燃料電池。 At least a fuel electrode layer in contact with the fuel gas, an air electrode layer in contact with the oxidant gas, a plate-like solid in which the fuel electrode layer is disposed on one surface side and the air electrode layer is disposed on the other surface side A plate-like cell body on which an electrolyte layer is laminated;
A frame-like frame surrounding a side surface of the fuel electrode layer in the cell body;
The other surface facing the one surface of the frame whose inner peripheral side is joined to the peripheral portion of the first surface of the cell main body and whose outer peripheral side is on the same side as the one surface of the cell main body in the stacking direction A separator for separating the fuel gas flow path for guiding the fuel gas to the fuel electrode layer and the oxidant gas flow path for guiding the oxidant gas to the air electrode layer;
In a fuel cell comprising
The isolation separator has a projecting portion having a cross-sectional shape projecting to the second surface side facing the first surface of the cell body between the side surface of the cell body and the inner peripheral side surface of the frame. Formed,
Surrounded by a side surface of the cell body, the inner peripheral side surface of the frame, the projecting portion, and a first virtual plane when the second surface of the cell body is extended to a region facing the projecting portion. The staying space is formed by connecting the side surface of the cell body, the inner peripheral side surface of the frame, the inner peripheral side of the separator and the outer peripheral side with a second virtual plane, and the first A fuel cell having a volume approximately equal to or less than half the volume of a virtual space surrounded by a virtual plane.
前記セル本体のうちの前記空気極層の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記セル本体の前記一方の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に対向する他方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
を備えた燃料電池において、
前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側と前記外周側とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有することを特徴とする燃料電池。 At least a fuel electrode layer in contact with the fuel gas, an air electrode layer in contact with the oxidant gas, a plate-like solid in which the fuel electrode layer is disposed on one surface side and the air electrode layer is disposed on the other surface side A plate-like cell body on which an electrolyte layer is laminated;
A frame-like frame surrounding a side surface of the air electrode layer in the cell body;
The other surface facing the one surface of the frame whose inner peripheral side is joined to the peripheral portion of the first surface of the cell main body and whose outer peripheral side is on the same side as the one surface of the cell main body in the stacking direction A separator for separating the fuel gas flow path for guiding the fuel gas to the fuel electrode layer and the oxidant gas flow path for guiding the oxidant gas to the air electrode layer;
In a fuel cell comprising
The isolation separator has a projecting portion having a cross-sectional shape projecting to the second surface side facing the first surface of the cell body between the side surface of the cell body and the inner peripheral side surface of the frame. Formed,
Surrounded by a side surface of the cell body, the inner peripheral side surface of the frame, the projecting portion, and a first virtual plane when the second surface of the cell body is extended to a region facing the projecting portion. The staying space is formed by connecting the side surface of the cell body, the inner peripheral side surface of the frame, the inner peripheral side of the separator and the outer peripheral side with a second virtual plane, and the first A fuel cell having a volume approximately equal to or less than half the volume of a virtual space surrounded by a virtual plane.
前記セル本体の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
前記フレームの内周側に形成され、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する前記燃料ガス流路の供給口部と、
を備えた燃料電池において、
前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
前記突出部の前記断面形状は、前記セル本体の前記第２の表面における外周端部と前記供給口部とを結ぶ仮想直線と部分的に重なることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 At least a fuel electrode layer in contact with the fuel gas, an air electrode layer in contact with the oxidant gas, a plate-like solid in which the fuel electrode layer is disposed on one surface side and the air electrode layer is disposed on the other surface side A plate-like cell body on which an electrolyte layer is laminated;
A frame-like frame surrounding the side surface of the cell body;
The inner peripheral side is joined to the peripheral portion of the first surface of the cell body, and the outer peripheral side is disposed on one surface of the frame on the same side as the first surface in the stacking direction, and the fuel gas is An isolation separator that separates the fuel gas flow path leading to the fuel electrode layer and the oxidant gas flow path leading the oxidant gas to the air electrode layer;
A supply port portion of the fuel gas passage formed on the inner peripheral side of the frame for supplying the fuel gas to the fuel electrode layer;
In a fuel cell comprising
The isolation separator is formed with a protruding portion having a cross-sectional shape protruding between the side surface of the cell main body and the inner peripheral side surface of the frame toward the second surface facing the first surface of the cell main body. And
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the cross-sectional shape of the projecting portion partially overlaps an imaginary straight line connecting an outer peripheral end portion of the second surface of the cell body and the supply port portion. .
前記突出部の前記断面形状において、前記突出部の突出した先端部分と前記セル本体の側面との面方向の距離が、前記先端部分と前記フレームの前記内周側面との面方向の距離よりも短く、かつ、前記先端部分と前記第１仮想平面との積層方向の距離が、前記供給口部と前記第１仮想平面との積層方向の距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。 A plane when the second surface of the cell body is extended to a region facing the projecting portion as a first virtual plane,
In the cross-sectional shape of the protruding portion, the distance in the surface direction between the protruding tip portion of the protruding portion and the side surface of the cell body is greater than the distance in the surface direction between the tip portion and the inner peripheral side surface of the frame. The distance in the stacking direction between the tip portion and the first virtual plane is set shorter than the distance in the stacking direction between the supply port portion and the first virtual plane. Item 12. The fuel cell according to Item 11.
13. The frame according to claim 11 or 12, wherein the frame includes a plurality of laminated frame single layers, and two or more frame single layers are disposed so as to surround a side surface of the cell body. Fuel cell.
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Cited By (3)
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| JP2015220022A (en) * | 2014-05-15 | 2015-12-07 | 株式会社デンソー | Fuel cell |
| CN107636876A (en) * | 2015-06-10 | 2018-01-26 | 日本特殊陶业株式会社 | Electrochemical reaction unit and fuel cell pack |
| CN109216723A (en) * | 2017-07-03 | 2019-01-15 | 松下知识产权经营株式会社 | Fuel cell |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006331944A (en) * | 2005-05-27 | 2006-12-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
-
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006331944A (en) * | 2005-05-27 | 2006-12-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015220022A (en) * | 2014-05-15 | 2015-12-07 | 株式会社デンソー | Fuel cell |
| CN107636876A (en) * | 2015-06-10 | 2018-01-26 | 日本特殊陶业株式会社 | Electrochemical reaction unit and fuel cell pack |
| US20180191003A1 (en) * | 2015-06-10 | 2018-07-05 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Electro-chemical reaction unit and fuel cell stack |
| US10497949B2 (en) * | 2015-06-10 | 2019-12-03 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Electro-chemical reaction unit and fuel cell stack |
| CN107636876B (en) * | 2015-06-10 | 2020-10-27 | 森村索福克科技股份有限公司 | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack |
| CN109216723A (en) * | 2017-07-03 | 2019-01-15 | 松下知识产权经营株式会社 | Fuel cell |
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