JP2016058362A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Maki Hoshino
真樹 星野
隆夫 和泉
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隆夫 和泉
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Tatsuya Yaguchi
竜也 矢口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem of a conventional solid oxide fuel cell that it is required to up-size a cathode gas supply device for ensuring a sufficient cooling function, and thereby the system efficiency lowers.SOLUTION: A solid oxide fuel cell C includes a single cell 1, a separator 2 bonded to a single cell so as to face a fuel electrode layer 1B, a gas guide member 3 interposed between the single cell 1 and separator 2, and forming a gas flow path F from an anode gas introduction part 3A to discharge part 3B, and endothermic reaction promotion means 5, 7 arranged in gas flow path F and suppressing temperature rise incident to power generation. Endothermic reaction is produced in the anode gas flow path F by the endothermic reaction promotion means, heat generation incident to power generation is suppressed, and significant increase in the cathode gas is eliminated during heavy load operation, thus simplifying the system configuration and maintaining system efficiency.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池の改良に関するものである。   The present invention relates to an improvement in a solid oxide fuel cell.

固体酸化物型燃料電池は、運転温度は高いが高効率であることが特徴であり、近年では、家庭用や業務用を中心に実用化が進んでいる。この燃料電池は、運転温度が高温になり過ぎると、金属腐食による電気抵抗の増大、単セルにおける電極と電解質の界面剥離による発電出力の低下、部材接合部の強度低下による破壊などが生じる可能性があるので、目標とする出力を安定して得るためには、運転温度を所定範囲に保つ必要がある。   Solid oxide fuel cells are characterized by high operating temperature but high efficiency. In recent years, solid oxide fuel cells have been put into practical use mainly for home use and business use. In this fuel cell, if the operating temperature becomes too high, the electrical resistance may increase due to metal corrosion, the power generation output may decrease due to the interface separation between the electrode and electrolyte in a single cell, and the damage may occur due to the strength reduction of the joint part. Therefore, in order to stably obtain the target output, it is necessary to keep the operating temperature within a predetermined range.

温度制御を行う固体酸化物燃料電池としては、特許文献１に記載されているように、アノードガスの流路面積を上流部と下流部とで変えて、発電により生じる発熱の分布の均一化を図ったものがある。この種の燃料電池では、単セルの空気極層を電池外部に露出させて、カソードガスを一方向から流通させる構造にしている。そこで、従来の燃料電池には、カソードガスの流量を増加させたり、導入するカソードガスの温度を下げたりすることで、発電に伴う温度上昇を制御するものがあった。   As described in Patent Document 1, as a solid oxide fuel cell that performs temperature control, the flow area of the anode gas is changed between the upstream part and the downstream part, and the distribution of heat generated by power generation is made uniform. There is something planned. In this type of fuel cell, the air electrode layer of a single cell is exposed to the outside of the cell, and the cathode gas is circulated from one direction. Therefore, some conventional fuel cells control the temperature rise accompanying power generation by increasing the flow rate of the cathode gas or lowering the temperature of the introduced cathode gas.

特開２０１２−２４８５２３号公報JP 2012-248523 A

しかしながら、カソードガスによる温度制御を行う固体酸化物型燃料電池では、高負荷運転時には、発電量の増大とともに発熱量も増大するので、定格運転時よりも非常に多くのカソードガスが必要になる。このため、従来の燃料電池では、充分な冷却機能を確保するためには、カソードガスの供給装置を大型化する必要があり、この場合、定格運転時の高効率運転が困難になって、システム効率が低下するという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。   However, in a solid oxide fuel cell that performs temperature control using a cathode gas, the amount of heat generated increases with an increase in the amount of power generated during a high load operation, so a much larger amount of cathode gas is required than during a rated operation. For this reason, in the conventional fuel cell, in order to ensure a sufficient cooling function, it is necessary to increase the size of the cathode gas supply device. In this case, it becomes difficult to perform high-efficiency operation during rated operation. There is a problem that efficiency is lowered, and it has been a problem to solve such a problem.

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、アノードガスのガス流路内で吸熱反応を生じさせて、発電に伴う発熱を抑制することができ、また、高負荷運転時におけるカソードガスの大幅増量を不要にして、システム構成の簡略化やシステム効率の維持を実現することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。   The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and can generate an endothermic reaction in the gas flow path of the anode gas to suppress heat generation due to power generation. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of simplifying the system configuration and maintaining the system efficiency without requiring a significant increase in the cathode gas during operation.

本発明に係わる固体酸化物型燃料電池は、電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セルと、燃料極層に相対向する状態にして単セルに接合したセパレータと、単セルとセパレータとの間に介装してアノードガスの導入部から排出部に至るガス流路を形成する少なくとも１つの流路形成部と、ガス流路内に面して配置され且つ発電に伴う温度上昇を抑制するための吸熱反応促進手段とを備えたことを特徴としている。   A solid oxide fuel cell according to the present invention includes a single cell having a structure in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an air electrode layer, and a separator bonded to the single cell in a state facing the fuel electrode layer. And at least one flow path forming section that is interposed between the single cell and the separator to form a gas flow path from the anode gas introduction section to the discharge section, and is disposed facing the gas flow path and generates power. And an endothermic reaction accelerating means for suppressing a temperature rise accompanying the above.

本発明の燃料電池は、吸熱反応促進手段によりアノードガスのガス流路内で吸熱反応を生じさせて、発電に伴う発熱を抑制することができ、これにより、高負荷運転時におけるカソードガスの大幅増量を不要にして、システム構成の簡略化やシステム効率の維持を実現することができる。   The fuel cell of the present invention can generate an endothermic reaction in the gas flow path of the anode gas by the endothermic reaction accelerating means, and can suppress the heat generated by the power generation, thereby greatly increasing the cathode gas during the high load operation. It is possible to simplify the system configuration and maintain the system efficiency without increasing the amount.

本発明に係わる固体酸化物型燃料電池の第１基本構成を説明する要部の模式的断面図（Ａ１）及び分解状態の斜視図（Ａ２）、並びに第２基本構成を説明する要部の模式的断面図（Ｂ１）及び分解状態の斜視図（Ｂ２）である。Schematic sectional view (A1) and exploded perspective view (A2) of the main part for explaining the first basic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention, and schematic diagram of the main part for explaining the second basic configuration They are a general sectional view (B1) and an exploded perspective view (B2). 本発明に係わる固体酸化物型燃料電池の第１実施形態を示す平面説明図（Ａ）、図Ａ中のＡ−Ａ線に基づく断面図（Ｂ）、及び流路形成部の要部を説明する平面図（Ｃ）である。Plane explanatory view (A) showing a first embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention, a cross-sectional view (B) based on the line AA in FIG. It is a top view (C) to do. 本発明に係わる固体酸化物型燃料電池の第２実施形態を示す平面説明図（Ａ）、及び第３実施形態を示す平面説明図（Ｂ）である。It is plane explanatory drawing (A) which shows 2nd Embodiment of the solid oxide fuel cell concerning this invention, and plane explanatory drawing (B) which shows 3rd Embodiment. 本発明に係わる固体酸化物型燃料電池の第４実施形態を示す平面説明図（Ａ）、及び第５実施形態を示す平面説明図（Ｂ）である。FIG. 6 is an explanatory plan view (A) showing a fourth embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention, and an explanatory plan view (B) showing a fifth embodiment. 本発明に係わる固体酸化物型燃料電池の第３基本構成を説明する要部の模式的断面図（Ａ１）及び分解状態の斜視図（Ａ２）、並びに第４基本構成を説明する要部の模式的断面図（Ｂ１）及び分解状態の斜視図（Ｂ２）である。Schematic cross-sectional view (A1) and exploded perspective view (A2) of the main part explaining the third basic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention, and schematic diagram of the main part explaining the fourth basic configuration They are a general sectional view (B1) and an exploded perspective view (B2). 図５に示す燃料電池のガスガイド部材及び流路形成部を示す平面図（Ａ）、及び図５に示す燃料電池を積層して成る燃料電池スタックを説明する斜視図（Ｂ）である。FIG. 6 is a plan view (A) showing a gas guide member and a flow path forming portion of the fuel cell shown in FIG. 5, and a perspective view (B) explaining a fuel cell stack formed by stacking the fuel cells shown in FIG. 本発明に係わる固体酸化物型燃料電池の第６実施形態を示す平面説明図（Ａ）、及び図Ａ中のＢ−Ｂ線に基づく断面図（Ｂ）である。It is plane explanatory drawing (A) which shows 6th Embodiment of the solid oxide fuel cell concerning this invention, and sectional drawing (B) based on the BB line in FIG. 本発明に係わる固体酸化物型燃料電池の第７実施形態を示す平面説明図（Ａ）、図Ａ中のＣ−Ｃ線に基づく断面図（Ｂ）、図Ａ中のＤ−Ｄ線に基づく断面図（Ｃ）、及び図Ａ中のＥ−Ｅ線に基づく断面図（Ｄ）である。Plan explanatory drawing (A) which shows 7th Embodiment of the solid oxide fuel cell concerning this invention, Sectional drawing (B) based on CC line in FIG. A, Based on DD line in FIG. A It is sectional drawing (D) based on sectional drawing (C) and the EE line in FIG. 水素分離膜の配置や形状の他の例を説明する各断面図（Ａ）〜（Ｄ）である。It is each sectional drawing (A)-(D) explaining other examples of arrangement and shape of a hydrogen separation membrane.

〈第１及び第２の基本構成〉
図１は、本発明に係わる固体酸化物型燃料電池（以下、「燃料電池」と記載する）の第１及び第２の基本構成を夫々示す図である。図１に示す燃料電池Ｃ１は、いずれも矩形状を成すものである。 <First and second basic configurations>
FIG. 1 is a diagram showing first and second basic configurations of a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “fuel cell”) according to the present invention. Each fuel cell C1 shown in FIG. 1 has a rectangular shape.

図１（Ａ１）及び（Ａ２）に示す燃料電池Ｃ１は、電解質層１Ａを燃料極層１Ｂと空気極層１Ｃとで挟んだ構造を有する単セル１と、燃料極層１Ｂに相対向する状態にして単セル１に接合したセパレータ２とを備えている。また、燃料電池Ｃ１は、単セル１とセパレータ２との間に介装してアノードガスの導入部３Ａから排出部３Ｂに至るガス流路Ｆを形成するガスガイド部材３と、ガス流路Ｆ内に面して配置され且つ発電に伴う温度上昇を抑制するための吸熱反応促進手段とを備えている。   A fuel cell C1 shown in FIGS. 1A1 and 1A2 has a single cell 1 having a structure in which an electrolyte layer 1A is sandwiched between a fuel electrode layer 1B and an air electrode layer 1C, and a state opposite to the fuel electrode layer 1B. And a separator 2 joined to the single cell 1. The fuel cell C1 includes a gas guide member 3 that is interposed between the single cell 1 and the separator 2 to form a gas flow path F from the anode gas introduction part 3A to the discharge part 3B, and a gas flow path F. And an endothermic reaction accelerating means for suppressing an increase in temperature accompanying power generation.

図示の燃料電池Ｃ１は、単セル１の空気極側（図１中で上面側）にもガスガイド部材４を備えており、さらに図示しないセパレータを配置して、ガスガイド部材４とセパレータとの間にカソードガスのガス流路を形成する。   The illustrated fuel cell C1 also includes a gas guide member 4 on the air electrode side (upper surface side in FIG. 1) of the single cell 1, and a separator (not shown) is further disposed between the gas guide member 4 and the separator. A gas flow path for the cathode gas is formed between them.

単セル１において、一例として、固体電解質層１Ａは、８モル％イットリア安定化ジルコニアであり、燃料極層１Ｂは、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットであり、空気極層１Ｃは、ランタンストロンチュウムマンガナイトである。なお、アノードガスは、基本的には水素ガス若しくは水素含有ガスであるが、ガソリンやエタノールなどの液体燃料を気化させたガスや、メタンやプロパン、天然ガスなどの炭化水素系ガスを用いることができる。カソードガスは、基本的には酸素若しくは酸素含有ガスであるが、一般的に空気である。   In the single cell 1, as an example, the solid electrolyte layer 1A is 8 mol% yttria stabilized zirconia, the fuel electrode layer 1B is cermet of nickel + yttria stabilized zirconia, and the air electrode layer 1C is lanthanum strontium Mumanga Night. The anode gas is basically a hydrogen gas or a hydrogen-containing gas, but a gas obtained by vaporizing a liquid fuel such as gasoline or ethanol, or a hydrocarbon gas such as methane, propane, or natural gas may be used. it can. The cathode gas is basically oxygen or an oxygen-containing gas, but is generally air.

セパレータ２は、単セル１との間に閉空間を形成するほか、インターコネクタとしても機能するものであって、金属製であり、一例としてステンレス製である。図示のセパレータ２は、一方の短辺側に、燃料導入口Ｈ１と空気排出口Ｈ２とを有すると共に、他方の短辺側に、空気導入口Ｈ３と燃料排出口Ｈ４とを有しており、その中央領域に、後記する水素透過膜とともに吸熱反応促進手段を構成する吸熱反応促進触媒５が設けてある。   The separator 2 forms a closed space with the single cell 1 and also functions as an interconnector. The separator 2 is made of metal, and is made of stainless steel as an example. The illustrated separator 2 has a fuel inlet H1 and an air outlet H2 on one short side, and an air inlet H3 and a fuel outlet H4 on the other short side. An endothermic reaction promoting catalyst 5 that constitutes an endothermic reaction promoting means together with a hydrogen permeable membrane described later is provided in the central region.

アノード側のガスガイド部材３は、セパレータ２と同様に、燃料導入口Ｈ１、空気排出口Ｈ２、空気導入口Ｈ３及び燃料排出口Ｈ４を有していると共に、燃料導入口Ｈ１及び燃料排出口Ｈ４が、中央領域であるガス流路Ｆに連通しており、夫々の連通部分がアノードガスの導入部３Ａ及び排出部３Ｂである。   Like the separator 2, the gas guide member 3 on the anode side has a fuel inlet H1, an air outlet H2, an air inlet H3, and a fuel outlet H4, as well as the fuel inlet H1 and the fuel outlet H4. However, it communicates with the gas flow path F which is the central region, and the respective communicating portions are the anode gas introduction part 3A and the discharge part 3B.

また、上記のガスガイド部材３は、少なくとも１つの流路形成部６を有している。この流路形成部６は、多孔質体から成り且つガス流路の一部である２つの流路域を区画するものである。図示例の流路形成部６は、直線状を成す複数の部材であって、ガスガイド部材３のガス流路Ｆにおいて、ガスガイド部材３の長辺と平行に且つ短辺方向に所定間隔をおいて配置されている。流路形成部６を形成する多孔質体としては、例えば、発泡金属などを用いることができる。   The gas guide member 3 has at least one flow path forming portion 6. The flow path forming part 6 is composed of a porous body and partitions two flow path areas that are part of the gas flow path. The flow path forming portion 6 in the illustrated example is a plurality of members that form a straight line, and in the gas flow path F of the gas guide member 3, a predetermined interval is provided in parallel with the long side of the gas guide member 3 and in the short side direction. Arranged. As the porous body that forms the flow path forming portion 6, for example, foam metal can be used.

他方、カソード側のガスガイド部材４は、アノード側と同様に、燃料導入口Ｈ１、空気排出口Ｈ２、空気導入口Ｈ３及び燃料排出口Ｈ４、並びにカソードガスの導入部４Ａ及び排出部４Ｂを有すると共に、アノード側と同様の流路形成部６を備えている。   On the other hand, the cathode-side gas guide member 4 has a fuel inlet H1, an air outlet H2, an air inlet H3 and a fuel outlet H4, and a cathode gas inlet 4A and an outlet 4B, as in the anode side. In addition, a flow path forming portion 6 similar to that on the anode side is provided.

上記の燃料電池Ｃ１は、図中に実線矢印で示すように、燃料導入口Ｈ１及び導入部３Ａを通してアノードガスをガス流路Ｆに導入すると共に、アノードガスを単セル１の燃料極層１Ｂに供給し、その排ガスを排出部３Ｂから燃料排出口Ｈ４に排出する。カソードガスは、図中の点線矢印で示すように、空気導入口Ｈ３、導入部４Ａ、ガス流路Ｆ、排出部４Ｂ及び空気排出口Ｈ２の順で流通する。なお、図中では、ガスガイド部材３（４）において、導入部３Ａ（４Ａ）から排出部３Ｂ（４Ｂ）に至るガス流れを直線的な矢印で示したが、実際には、各流路形成部６の間をガスが流れる。   The fuel cell C1 introduces an anode gas into the gas flow path F through the fuel introduction port H1 and the introduction portion 3A, and the anode gas into the fuel electrode layer 1B of the single cell 1 as indicated by a solid arrow in the drawing. Then, the exhaust gas is discharged from the discharge part 3B to the fuel discharge port H4. The cathode gas flows in the order of the air inlet H3, the inlet 4A, the gas flow path F, the outlet 4B, and the air outlet H2, as indicated by the dotted arrows in the figure. In the figure, in the gas guide member 3 (4), the gas flow from the introduction part 3A (4A) to the discharge part 3B (4B) is indicated by a straight arrow. Gas flows between the sections 6.

図１（Ｂ１）及び（Ｂ２）に示す燃料電池Ｃ１は、図１（Ａ１）及び（Ａ２）に示すものと同等の基本構成を備えており、単セル１の燃料極層１Ｂに、後記する水素透過膜とともに吸熱反応促進手段を構成する吸熱反応促進触媒５が設けてある。   A fuel cell C1 shown in FIGS. 1 (B1) and (B2) has a basic configuration equivalent to that shown in FIGS. 1 (A1) and (A2), and will be described later in the fuel electrode layer 1B of the single cell 1. An endothermic reaction promoting catalyst 5 which constitutes an endothermic reaction promoting means together with the hydrogen permeable membrane is provided.

本発明に係わる燃料電池Ｃ１は、燃料極層１Ｂに隣接する部位すなわちセパレータ２に設けた吸熱反応促進触媒５（図１（Ａ１，Ａ２））による吸熱反応、若しくは燃料極層１Ｂに設けた吸熱反応促進触媒５（図１（Ｂ１，Ｂ２））による吸熱反応を利用して、発電に伴う発熱を抑制する。   The fuel cell C1 according to the present invention has an endothermic reaction by an endothermic reaction promoting catalyst 5 (FIG. 1 (A1, A2)) provided in a portion adjacent to the fuel electrode layer 1B, that is, the separator 2, or an endothermic provided in the fuel electrode layer 1B. The endothermic reaction by the reaction promoting catalyst 5 (FIG. 1 (B1, B2)) is used to suppress heat generation accompanying power generation.

燃料極層１Ｂに隣接する部位で吸熱反応を進行させるのは、燃料極触媒上では吸熱反応による吸熱が見込めない場合、若しくは内部改質反応により炭素析出等が顕著になって、発電することができなくなる電極触媒材料を用いた場合である。これらの場合には、燃料極層１Ｂに隣接するセパレータ２などの部位に、吸熱反応を促進可能な触媒を設置する。例えば、燃料の水蒸気改質反応であれば、ロジウム（Ｒｈ）触媒等である。吸熱反応促進触媒を設置し、吸熱反応に必要な原料を供給することで、燃料極層１Ｂでの発電に伴う発熱を吸熱することができる。   The endothermic reaction is allowed to proceed at a portion adjacent to the fuel electrode layer 1B when the endothermic reaction due to the endothermic reaction cannot be expected on the fuel electrode catalyst, or carbon deposition or the like becomes noticeable due to the internal reforming reaction. This is a case where an electrode catalyst material that cannot be used is used. In these cases, a catalyst capable of promoting an endothermic reaction is installed in a portion such as the separator 2 adjacent to the fuel electrode layer 1B. For example, in the case of a steam reforming reaction of fuel, a rhodium (Rh) catalyst or the like is used. By installing an endothermic reaction promoting catalyst and supplying raw materials necessary for the endothermic reaction, heat generated by power generation in the fuel electrode layer 1B can be absorbed.

これに対して、燃料極層１Ｂで吸熱反応を進行させるのは、いわゆる内部改質型燃料電池の場合である。この場合には、燃料極触媒が改質機能も有し、燃料から水素を生成する等の吸熱反応を進行させることが可能な触媒を用いる。なお、上記の各燃料電池Ｃ１では、集電を強化するための集電補助層や、クロム（Ｃｒ）の拡散を防止するための拡散防止層等を設けた構成としても良い。   On the other hand, the endothermic reaction is advanced in the fuel electrode layer 1B in the case of a so-called internal reforming fuel cell. In this case, the fuel electrode catalyst has a reforming function, and a catalyst capable of proceeding an endothermic reaction such as generating hydrogen from the fuel is used. Each fuel cell C1 may have a configuration in which a current collecting auxiliary layer for enhancing current collection, a diffusion preventing layer for preventing diffusion of chromium (Cr), and the like are provided.

〈第１実施形態〉
図２に示す燃料電池は、図１（Ｂ１）及び（Ｂ２）に示す基本構成を備えたものであって、図２（Ａ）に示すガスガイド部材３には、アノードガスの導入部３Ａから排出部３Ｂに至るガス流路Ｆが形成してあり、このガス流路Ｆ内に、直線状の複数の流路形成部６が配列されている。流路形成部６は、導入部３Ａから排出部３Ｂに至る方向（図２中で下方向）に平行で且つ所定間隔をおいて配置してあり、ガス流路Ｆの一部である隣接する２つの流路域を区画している。 <First Embodiment>
The fuel cell shown in FIG. 2 has the basic configuration shown in FIGS. 1 (B1) and 1 (B2). The gas guide member 3 shown in FIG. A gas flow path F leading to the discharge part 3B is formed, and a plurality of linear flow path forming parts 6 are arranged in the gas flow path F. The flow path forming part 6 is arranged in parallel with a predetermined interval in the direction from the introduction part 3A to the discharge part 3B (downward in FIG. 2), and is adjacent to a part of the gas flow path F. Two flow path areas are defined.

また、上記の燃料電池は、図２（Ｂ）に示すように、ガス流路Ｆ内に面して配置され且つ発電に伴う温度上昇を抑制するための吸熱反応促進手段として、流路形成部６に設けた水素透過膜７と、燃料極層１Ｂに設けた吸熱反応促進触媒５とを備えている。   In addition, as shown in FIG. 2 (B), the fuel cell is provided with a flow path forming section as an endothermic reaction promoting means that is disposed facing the gas flow path F and suppresses a temperature rise accompanying power generation. 6 and a hydrogen permeable membrane 7 provided on the fuel electrode layer 1 and an endothermic reaction promoting catalyst 5 provided on the fuel electrode layer 1B.

ここで、燃料電池は、ガス流路Ｆにおいて相対的に水素濃度が高い流路域に水素透過膜７を設け、水素透過膜７及び多孔質体から成る流路形成部６を通して、相対的に水素濃度が高い領域から相対的に水素濃度が低い領域に水素を供給する構成になっている。   Here, in the fuel cell, the hydrogen permeable membrane 7 is provided in the gas flow path region where the hydrogen concentration is relatively high, and the hydrogen permeable film 7 and the flow path forming portion 6 made of a porous body are relatively disposed. Hydrogen is supplied from a region having a high hydrogen concentration to a region having a relatively low hydrogen concentration.

ところで、図示のガスガイド部材３を備えた燃料電池では、図２（Ｃ）に示すように、流路形成部６の導入部３Ａ側の端部において、アノードガスが回り込む際に、その回り込みの後方側によどみ領域Ｍが発生する。また、図示の如く複数の流路形成部６を配列した構造では、導入部３Ａから離れた位置でよどみ領域Ｍが発生し易い。このよどみ領域Ｍは、アノードガスが供給され難くい領域であるから、水素濃度が低くなり、発電に寄与することが困難になる。   By the way, in the fuel cell provided with the illustrated gas guide member 3, as shown in FIG. 2 (C), when the anode gas wraps around at the end of the flow path forming portion 6 on the introduction portion 3A side, A stagnation region M occurs on the rear side. Further, in the structure in which a plurality of flow path forming portions 6 are arranged as shown in the figure, the stagnation region M is likely to occur at a position away from the introduction portion 3A. Since the stagnation region M is a region where the anode gas is difficult to be supplied, the hydrogen concentration becomes low and it is difficult to contribute to power generation.

そこで、この実施形態の燃料電池では、流路形成部６の端部において、相対的に水素濃度が高い流路域（よどみ領域Ｍの反対側の流路域）に、水素透過膜７を設け、水素透過膜７及び流路形成部６を通して、相対的に水素濃度が低いよどみ領域Ｍに水素を供給する構成になっている。   Therefore, in the fuel cell of this embodiment, the hydrogen permeable membrane 7 is provided in the flow channel region (the flow channel region on the opposite side of the stagnation region M) having a relatively high hydrogen concentration at the end of the flow channel forming unit 6. In addition, hydrogen is supplied to the stagnation region M having a relatively low hydrogen concentration through the hydrogen permeable membrane 7 and the flow path forming unit 6.

上記の燃料電池は、相対的に水素濃度が高い流路域から、相対的に水素濃度が低いよどみ領域Ｍに水素を引き抜き供給することができる。これにより、燃料電池では、水素の引き抜きによって反応場の平衡がずれ、吸熱反応が促進されて冷却することができる。   The fuel cell can draw and supply hydrogen from a flow path region having a relatively high hydrogen concentration to a stagnation region M having a relatively low hydrogen concentration. As a result, in the fuel cell, the reaction field is out of balance by the extraction of hydrogen, and the endothermic reaction is promoted to be cooled.

このようにして、燃料電池では、吸熱反応促進手段（水素透過膜７及び吸熱反応促進触媒５）によりアノードガスのガス流路Ｆ内で吸熱反応を生じさせて、発電に伴う発熱を抑制することができる。また、燃料電池では、吸熱反応促進手段の冷却機能により、高負荷運転時におけるカソードガスの大幅増量が不要になるので、システム構成の簡略化やシステム効率の維持を実現することができる。   Thus, in the fuel cell, the endothermic reaction promoting means (the hydrogen permeable membrane 7 and the endothermic reaction promoting catalyst 5) causes the endothermic reaction to occur in the gas flow path F of the anode gas, thereby suppressing the heat generated by the power generation. Can do. Moreover, in the fuel cell, the cooling function of the endothermic reaction promoting means eliminates the need for a significant increase in cathode gas during high load operation, so that the system configuration can be simplified and the system efficiency can be maintained.

さらに、燃料電池では、ガスガイド部材３が、多孔質体から成り且つガス流路Ｆの一部である２つの流路域を区画する少なくとも１つの流路形成部６を備え、吸熱反応促進手段が、水素透過膜７と吸熱反応促進触媒５とから成るものとしたので、発電に伴う発熱を防ぎ、かつ水素透過膜７による水素の引き抜きにより平衡をずらし、吸熱反応をさらに促進させることが可能となる。   Further, in the fuel cell, the gas guide member 3 includes at least one flow path forming portion 6 that is divided into two flow path regions that are made of a porous body and are a part of the gas flow path F, and includes an endothermic reaction promoting means. However, since it is composed of the hydrogen permeable membrane 7 and the endothermic reaction accelerating catalyst 5, it is possible to prevent heat generation due to power generation, shift the equilibrium by extracting hydrogen with the hydrogen permeable membrane 7, and further promote the endothermic reaction. It becomes.

さらに、燃料電池では、相対的に水素濃度が高い領域から、相対的に水素濃度が低い領域に水素を供給することができるようになるので、アノードガスが供給され難いよどみ領域Ｍのような領域や、ガス流路Ｆ中で水素濃度の低い出口部分でも発電に寄与することができ、全体の発電効率が高められる。   Further, in the fuel cell, since hydrogen can be supplied from a region having a relatively high hydrogen concentration to a region having a relatively low hydrogen concentration, a region such as a stagnation region M in which anode gas is difficult to be supplied. In addition, the outlet portion having a low hydrogen concentration in the gas flow path F can also contribute to power generation, and the overall power generation efficiency is improved.

さらに、燃料電池では、吸熱反応促進触媒５として、水蒸気改質反応、分解反応、及び脱水素反応の少なくとも一つの反応を促進する触媒を用いることができる。これにより、燃料電池は、水素を生成しつつ、発電に伴う発熱を防止することができる。   Furthermore, in the fuel cell, a catalyst that promotes at least one of a steam reforming reaction, a decomposition reaction, and a dehydrogenation reaction can be used as the endothermic reaction promoting catalyst 5. As a result, the fuel cell can prevent heat generation due to power generation while generating hydrogen.

〈第２実施形態〉
図３（Ａ）に示す燃料電池は、ガスガイド部材３が、多孔質体から成る直線状の流路形成部６を備えていて、ガス流路Ｆを２つの流路域に区画している。図３（Ａ）において、実線矢印はアノードガスの流れ方向を示しており、ガス流路Ｆの上端部がアノードガスの導入部３Ａであり、下端部が排出部３Ｂである。 Second Embodiment
In the fuel cell shown in FIG. 3A, the gas guide member 3 includes a linear flow path forming portion 6 made of a porous body, and divides the gas flow path F into two flow path areas. . In FIG. 3A, the solid line arrow indicates the flow direction of the anode gas, the upper end portion of the gas flow path F is the anode gas introduction portion 3A, and the lower end portion is the discharge portion 3B.

この燃料電池は、相対的に水素濃度が高い上流領域から相対的に水素濃度が低い下流領域に水素を供給するものとなっていて、流路形成部６が、水素の透過を抑制する緻密体８を備えており、水素透過膜７及び緻密体８により流路形成部６の内部に水素の透過経路を形成している。緻密体８としては、例えば、発泡金属を加圧成形して緻密化したものを用いることができる。   The fuel cell is configured to supply hydrogen from an upstream region having a relatively high hydrogen concentration to a downstream region having a relatively low hydrogen concentration, and the flow path forming unit 6 is a dense body that suppresses hydrogen permeation. 8, and a hydrogen permeation path is formed inside the flow path forming part 6 by the hydrogen permeable membrane 7 and the dense body 8. As the dense body 8, for example, a dense metal foamed metal can be used.

具体的には、燃料電池は、図中左側の一方の流路域において、流路形成部６の上流側端部に水素透過膜７を設けると共に、他方の流路域において、流路形成部６の上流側端部から所定の範囲に緻密体８を設けている。これにより、燃料電池は、図中の点線矢印で示すように、水素透過膜７から流路形成部６の内部を経て、流路形成部６の下流側端部から図中右側の他方の流路域に至る透過経路を形成している。   Specifically, the fuel cell is provided with the hydrogen permeable membrane 7 at the upstream end of the flow path forming portion 6 in one flow path area on the left side in the drawing, and in the other flow path area, A dense body 8 is provided in a predetermined range from the upstream end of 6. As a result, the fuel cell passes from the hydrogen permeable membrane 7 through the inside of the flow path forming part 6 and from the downstream end of the flow path forming part 6 to the other flow on the right side in the figure, as indicated by the dotted arrows in the figure. A transmission path to the road area is formed.

上記の燃料電池では、必要な流路域（下流領域）に水素を供給するにあたり、供給したくない部分に対して緻密体８を配置する。これにより、燃料電池は、アノードガスの導入部３Ａでの発電に伴う発熱を抑制しつつ、必要な部分へ水素を供給することができる。また、緻密体８を備えた流路形成部６を採用することで、水素の透過経路を明確に設定し得る。   In the fuel cell described above, when supplying hydrogen to a necessary flow path region (downstream region), the dense body 8 is disposed in a portion that is not desired to be supplied. Thereby, the fuel cell can supply hydrogen to a necessary portion while suppressing heat generation accompanying power generation in the anode gas introduction portion 3A. In addition, by employing the flow path forming unit 6 including the dense body 8, the hydrogen permeation path can be clearly set.

〈第３実施形態〉
図３（Ｂ）に示す燃料電池は、ガスガイド部材３が、多孔質体から成る直線状の流路形成部６を備えていて、ガス流路Ｆを２つの流路域に区画している。図３（Ａ）において、実線矢印はアノードガスの流れ方向を示しており、ガス流路Ｆの上端部がアノードガスの導入部３Ａであり、下端部が排出部３Ｂである。 <Third Embodiment>
In the fuel cell shown in FIG. 3B, the gas guide member 3 includes a linear flow path forming portion 6 made of a porous body, and divides the gas flow path F into two flow path areas. . In FIG. 3A, the solid line arrow indicates the flow direction of the anode gas, the upper end portion of the gas flow path F is the anode gas introduction portion 3A, and the lower end portion is the discharge portion 3B.

燃料電池は、両側の流路域において、流路形成部６の上流側端部に水素透過膜７を設けると共に、これに連続して緻密体８を設けている。これにより、燃料電池は、図中の点線矢印で示すように、両側の水素透過膜７，７から両側の緻密体７，７の間となる流路形成部６の内部を経て、流路形成部６の下流側両端部から両側に流路域に至る透過経路を形成している。   In the fuel cell, the hydrogen permeable membrane 7 is provided at the upstream end of the flow path forming portion 6 in the flow path areas on both sides, and the dense body 8 is provided continuously therewith. As a result, as shown by the dotted arrows in the figure, the fuel cell passes through the inside of the flow path forming portion 6 between the hydrogen permeable membranes 7 and 7 on both sides and the dense bodies 7 and 7 on both sides, thereby forming a flow path. A permeation path extending from the downstream end portions of the portion 6 to the flow path area is formed on both sides.

上記の燃料電池にあっても、必要な流路域に水素を供給するにあたり、供給したくない部分に対して緻密体８を配置する。これにより、燃料電池は、アノードガスの導入部３Ａでの発電に伴う発熱を抑制しつつ、必要な部分へ水素を供給することができる。また、緻密体８を備えた流路形成部６を採用することで、流路形成部６における水素の透過経路を明確に設定し得る。   Even in the fuel cell described above, when supplying hydrogen to a necessary flow path region, the dense body 8 is disposed in a portion that is not desired to be supplied. Thereby, the fuel cell can supply hydrogen to a necessary portion while suppressing heat generation accompanying power generation in the anode gas introduction portion 3A. In addition, by employing the flow path forming unit 6 including the dense body 8, the hydrogen permeation path in the flow path forming unit 6 can be clearly set.

〈第４実施形態〉
図４（Ａ）に示す燃料電池は、ガスガイド部材３が、アノードガスの導入部３Ａと、この導入部３Ａに隣接したアノードガスの排出部３Ｂとを備えている。この燃料電池は、図中に実線矢印でガス流れ方向を示すように、多孔質体から成る直線状の流路形成部６により、アノードガスの導入部３Ａから隣接する排出部３Ｂに至るＵターン型のガス流路Ｆを形成している。このような構造においても、流路形成部６は、ガス流路Ｆを往路Ｐと復路Ｑの２つの流路域に区画している。 <Fourth embodiment>
In the fuel cell shown in FIG. 4A, the gas guide member 3 includes an anode gas introduction part 3A and an anode gas discharge part 3B adjacent to the introduction part 3A. This fuel cell has a U-turn extending from an anode gas introduction part 3A to an adjacent discharge part 3B by a linear flow path forming part 6 made of a porous material, as indicated by a solid arrow in the figure. A gas flow path F of the mold is formed. Even in such a structure, the flow path forming unit 6 divides the gas flow path F into two flow path areas, the forward path P and the return path Q.

また、燃料電池は、導入部３Ａ側では、水素濃度が高くて発電に伴う発熱も多いが、排出部３Ｂ側では、水素濃度が低くて発電に伴う発熱も少ない。そこで、燃料電池は、往路Ｐにおいて、流路形成部６の上流側端部に水素透過膜７を設けている。   Further, the fuel cell has a high hydrogen concentration on the introduction part 3A side and generates a lot of heat due to power generation, but on the discharge part 3B side, the hydrogen concentration is low and generates a little heat due to power generation. Therefore, in the forward path P, the fuel cell is provided with the hydrogen permeable membrane 7 at the upstream end portion of the flow path forming section 6.

上記の燃料電池は、導入部３Ａの近傍に水素透過膜７を設けることで、図中に点線矢印で示すように、多孔質体から成る流路形成部６を通して、水素を排出部３Ｂ付近に供給することができる。導入部３Ａ側と排出部３Ｂ側とでは水素濃度差が大きいので、その水素濃度差に応じて速やかに水素が排出部３Ｂ側に引き抜かれる。   In the fuel cell described above, by providing the hydrogen permeable membrane 7 in the vicinity of the introduction portion 3A, as shown by the dotted arrow in the figure, the hydrogen is passed through the flow path forming portion 6 made of a porous material to the vicinity of the discharge portion 3B. Can be supplied. Since the difference in hydrogen concentration is large between the introduction part 3A side and the discharge part 3B side, hydrogen is quickly extracted to the discharge part 3B side according to the difference in hydrogen concentration.

これにより、燃料電池では、水素が引き抜かれることで、改質反応をはじめとする吸熱反応が促進され、冷却機能が得られると共に、導入部３Ａ側から水素をはじめとする改質ガスによる発電が可能となる。また、燃料電池は、吸熱反応促進手段の冷却機能により、高負荷運転時におけるカソードガスの大幅増量が不要になるので、システム構成の簡略化やシステム効率の維持を実現することができる。   As a result, in the fuel cell, by extracting hydrogen, an endothermic reaction such as a reforming reaction is promoted, a cooling function is obtained, and power generation using reformed gas such as hydrogen is performed from the introduction part 3A side. It becomes possible. Further, since the fuel cell does not require a large increase in cathode gas during high load operation due to the cooling function of the endothermic reaction promoting means, the system configuration can be simplified and the system efficiency can be maintained.

〈第５実施形態〉
図４（Ｂ）に示す燃料電池は、第４実施形態と同様の構成を備えたもので、流路形成部６により、アノードガスの導入部３Ａから隣接する排出部３Ｂに至るＵターン型のガス流路Ｆを形成している。このような構造を有する燃料電池では、流路形成部６の先端部において、アノードガスが往路Ｐから復路Ｑに回り込む際に、その回り込みの後方側によどみ領域Ｍが発生する。 <Fifth Embodiment>
The fuel cell shown in FIG. 4B has the same configuration as that of the fourth embodiment. A U-turn type fuel cell is formed by the flow path forming unit 6 from the anode gas introduction unit 3A to the adjacent discharge unit 3B. A gas flow path F is formed. In the fuel cell having such a structure, when the anode gas flows from the forward path P to the return path Q at the front end portion of the flow path forming portion 6, a stagnation region M is generated on the rear side of the wraparound.

そこで、燃料電池は、ガス流路Ｆの往路Ｐにおいて、流路形成部６の上流側端部に水素透過膜７を設けると共に、ガス流路Ｆの復路Ｑにおいて、流路形成部６の上流側端部から所定の範囲に緻密体８を設けている。これにより、燃料電池は、図中の点線矢印で示すように、水素透過膜７から流路形成部６の内部を経て、流路形成部６の先端部から復路Ｑに至る透過経路を形成している。   Therefore, the fuel cell is provided with the hydrogen permeable membrane 7 at the upstream end of the flow path forming portion 6 in the forward path P of the gas flow path F, and upstream of the flow path forming section 6 in the return path Q of the gas flow path F. The dense body 8 is provided in a predetermined range from the side end. As a result, the fuel cell forms a permeation path from the hydrogen permeable membrane 7 through the inside of the flow path forming portion 6 to the return path Q from the tip of the flow path forming portion 6 as indicated by the dotted arrow in the figure. ing.

上記の燃料電池では、相対的に水素濃度が高い往路Ｐの上流側端部に水素透過膜７を設け、水素透過膜７及び流路形成部６を通して、相対的に水素濃度が低いよどみ領域Ｍに水素を供給する構成になっている。   In the above fuel cell, the hydrogen permeable membrane 7 is provided at the upstream end of the forward path P having a relatively high hydrogen concentration, and the stagnation region M having a relatively low hydrogen concentration through the hydrogen permeable membrane 7 and the flow path forming portion 6. It is the structure which supplies hydrogen to.

上記の燃料電池は、相対的に水素濃度が高い流路域から、相対的に水素濃度が低いよどみ領域Ｍに水素を引き抜き供給することができる。これにより、燃料電池では、水素の引き抜きによって反応場の平衡がずれ、吸熱反応が促進されて冷却することができる。また、緻密体８を備えた流路形成部６を採用したので、流路形成部６における水素の透過経路を明確に設定し得る。   The fuel cell can draw and supply hydrogen from a flow path region having a relatively high hydrogen concentration to a stagnation region M having a relatively low hydrogen concentration. As a result, in the fuel cell, the reaction field is out of balance by the extraction of hydrogen, and the endothermic reaction is promoted to be cooled. Moreover, since the flow path forming unit 6 including the dense body 8 is employed, the hydrogen permeation path in the flow path forming unit 6 can be clearly set.

〈第３及び第４の基本構成〉
図５は、本発明に係わる固体酸化物型燃料電池の第３及び第４の基本構成を夫々示す図である。図５に示す燃料電池Ｃ２は、いずれも円盤状を成すものである。なお、先の基本構成と同じ構成部位は、形状が相違するものであっても、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 <Third and fourth basic configuration>
FIG. 5 is a diagram showing third and fourth basic configurations of the solid oxide fuel cell according to the present invention. Each of the fuel cells C2 shown in FIG. 5 has a disk shape. Note that the same components as those of the previous basic configuration are given the same reference numerals and will not be described in detail even if they have different shapes.

図５（Ａ１）及び（Ａ２）に示す燃料電池Ｃ２は、電解質層１Ａを燃料極層１Ｂと空気極層１Ｃとで挟んだ構造を有する単セル１と、燃料極層１Ｂに相対向する状態にして単セル１に接合したセパレータ２とを備えている。また、燃料電池Ｃ１は、単セル１とセパレータ２との間に介装してアノードガスの導入部３Ａから排出部３Ｂに至るガス流路を形成するガスガイド部材３と、ガス流路Ｆ内に面して配置され且つ発電に伴う温度上昇を抑制するための吸熱反応促進手段とを備えている。   A fuel cell C2 shown in FIGS. 5A1 and 5A2 has a single cell 1 having a structure in which an electrolyte layer 1A is sandwiched between a fuel electrode layer 1B and an air electrode layer 1C, and a state opposed to the fuel electrode layer 1B. And a separator 2 joined to the single cell 1. Further, the fuel cell C1 includes a gas guide member 3 interposed between the single cell 1 and the separator 2 to form a gas flow path from the anode gas introduction part 3A to the discharge part 3B; And an endothermic reaction accelerating means for suppressing a temperature rise caused by power generation.

この燃料電池Ｃ２は、単セル１及びセパレータ２が円盤状であると共に、その中央にガスガイド部材３が配置してあり、ガスガイド部材３が、外周に沿って導入部３Ａ及び排出部３Ｂを交互に配置した円形状の本体部３Ｃを備えると共に、本体部３Ｃを中心にして複数の流路形成部６が放射状に配置してある。   In the fuel cell C2, the single cell 1 and the separator 2 are disk-shaped, and a gas guide member 3 is disposed at the center thereof. The gas guide member 3 is provided with an introduction portion 3A and a discharge portion 3B along the outer periphery. In addition to circular body parts 3C arranged alternately, a plurality of flow path forming parts 6 are radially arranged around the body part 3C.

セパレータ２は、燃料極層１Ｂに相対向する状態にして単セル１に接合してあり、単セル１側の面に、後記する水素透過膜とともに吸熱反応促進手段を構成する吸熱反応促進触媒５が設けてある。   The separator 2 is bonded to the single cell 1 so as to face the fuel electrode layer 1B, and the endothermic reaction promoting catalyst 5 that constitutes an endothermic reaction promoting means together with a hydrogen permeable film described later on the surface of the single cell 1 side. Is provided.

このセパレータ２は、単セル１の空気極層１Ｃ側の面において、単セル１の外周部に、ガラス接合材やロウ付けなどの接合材を介して、外周リング部材８を接合する。そして、外周リング部材８とセパレータ２の外周部を拡散接合等の手段により気密的に接合する。これにより、単セル１の燃料極層１Ｂとセパレータ２との間には、一定の厚さを有する空間（ガス流路）が形成され、この空間にアノードガスを流通させる。   The separator 2 joins the outer peripheral ring member 8 to the outer peripheral portion of the single cell 1 on the surface of the single cell 1 on the air electrode layer 1C side through a bonding material such as a glass bonding material or brazing. Then, the outer peripheral ring member 8 and the outer peripheral portion of the separator 2 are airtightly bonded by means such as diffusion bonding. Thereby, a space (gas flow path) having a certain thickness is formed between the fuel electrode layer 1B of the single cell 1 and the separator 2, and the anode gas is circulated in this space.

単セル１の開口部Ｋには、中央流路部材９を同心状に配置する。中央流路部材９は、金属製であって、単セル１と同等の厚さを有し、スペーサとして機能する。また、単セル１の空気極層１Ｃ側の中央には、内周リング部材１０を同心状に配置する。内周リング部材１０は、金属製であって、中央流路部材９に対して拡散接合等の手段により接合される。この燃料電池Ｃ２は、外周リング部材８と内周リング部材１０との間において、空気極層１Ｃが電池外部に露出している。   The central flow path member 9 is concentrically disposed in the opening K of the single cell 1. The central flow path member 9 is made of metal, has the same thickness as the single cell 1, and functions as a spacer. Further, an inner peripheral ring member 10 is concentrically disposed in the center of the single cell 1 on the air electrode layer 1C side. The inner ring member 10 is made of metal and is bonded to the central flow path member 9 by means such as diffusion bonding. In the fuel cell C2, the air electrode layer 1C is exposed to the outside of the battery between the outer ring member 8 and the inner ring member 10.

ガスガイド部材３は、図６（Ａ）に示すように、円板状である単セル１及びセパレータ２に対応して、外周に沿って複数の導入部３Ａと複数の排出部３Ｂを交互に配置した円形状の本体部３Ｃと、この本体部３Ｃから放射状に配置した流路形成部６を有している。この実施形態では、導入部３Ａ及び排出部３Ｂが夫々８つずつであり、これらを互いに隔てるように１６本の流路形成部６が設けてある。流路形成部６は、単セル１の燃料極層１Ｂ上に突き出しており、単セル１の外周部における周方向のガスの流れを妨げない長さである。   As shown in FIG. 6 (A), the gas guide member 3 has a plurality of introduction portions 3A and a plurality of discharge portions 3B alternately arranged along the outer periphery corresponding to the disk-like single cell 1 and separator 2. It has the circular main body part 3C arranged and the flow path forming part 6 arranged radially from the main body part 3C. In this embodiment, there are eight introduction sections 3A and eight discharge sections 3B, and sixteen flow path forming sections 6 are provided so as to be separated from each other. The flow path forming part 6 protrudes on the fuel electrode layer 1 </ b> B of the single cell 1 and has a length that does not hinder the circumferential gas flow in the outer peripheral part of the single cell 1.

ここで、セパレータ２、ガスガイド部材３、中央流路部材９及び内周リング部材１０は、図６（Ａ）にガスガイド部材３を代表的に示すように、中心部に中央孔ＨＡを有し、この中央孔ＨＡから離間した同心円上に、８つの側部孔ＨＢが４５度間隔で形成してある。各中央孔ＨＡは、各導入部３Ａに連通し、組み立てた各部材（２，３，７，８）間で互いに連通してアノードガスの供給経路を形成する。また、各側部孔ＨＢは、各排出部３Ｂ連通し、同じく組み立てた部材間で互いに連通してアノードガスの排出経路を形成する。   Here, the separator 2, the gas guide member 3, the central flow path member 9, and the inner peripheral ring member 10 have a central hole HA at the center, as representatively shown in FIG. 6 (A). In addition, eight side holes HB are formed at intervals of 45 degrees on concentric circles spaced from the central hole HA. Each central hole HA communicates with each introduction portion 3A and communicates with each other between the assembled members (2, 3, 7, 8) to form an anode gas supply path. Each side hole HB communicates with each discharge part 3B, and communicates with each other between the assembled members to form an anode gas discharge path.

上記のガスガイド部材３は、本体部３Ｃ及び複数の流路形成部６を有する構成により、図６（Ａ）に示すように、往路部Ｐ及び復路部Ｑを有するガス流路Ｆを形成する。このガス流路Ｆは、図６（Ａ）中にアノードガスの流れを太い矢印で示すように、各導入部３Ａから往路部Ｐに入り、流路形成部６に沿って単セル外周に向かい、流路形成部６の先端を折り返して隣接する両側の復路部Ｑに入り、単セル中心に向かって排出部３Ｂに至るＵターン状を成すものである。なお、カソードガスは、空気極層１Ｃが電池外部に露出しているので、図５（Ａ２）及び図６（Ａ）中に点線矢印で示すように、一方側から他方側に供給される。   As shown in FIG. 6A, the gas guide member 3 has a structure having the main body 3C and a plurality of flow path forming sections 6 to form a gas flow path F having a forward path portion P and a return path portion Q. . As shown by a thick arrow in FIG. 6A, the gas flow path F enters the forward path portion P from each introduction portion 3A and moves toward the outer periphery of the single cell along the flow path formation portion 6. The tip of the flow path forming portion 6 is folded to enter the return path portions Q on both sides adjacent to each other, and forms a U-turn shape toward the discharge portion 3B toward the center of the single cell. Since the cathode electrode 1C is exposed to the outside of the battery, the cathode gas is supplied from one side to the other side as indicated by a dotted arrow in FIGS. 5 (A2) and 6 (A).

上記の燃料電池Ｃ２は、図６（Ｂ）に示すように、互いに間隙を介して複数積層し、その積層方向に所定の荷重を付与して燃料電池スタックＳを構成する。このとき、燃料電池スタックＳは、積層方向の両端部に配置したエンドプレートや、各燃料電池Ｃの中央孔ＨＡの中心線上を貫通するボルトにより、積層方向の加圧状態が維持される。この燃料電池スタックＳは、同図中に破線で示すケース５０に収容される。そして、燃料電池Ｃは、電池内部の燃料極層１Ｂにアノードガスを供給し、ケース５０内にカソードガスを導入してこれを電池外部の空気極層１Ｃに供給することで、単セル１における電気化学反応により電気エネルギを発生する。   As shown in FIG. 6B, a plurality of the fuel cells C2 are stacked with a gap therebetween, and a predetermined load is applied in the stacking direction to form the fuel cell stack S. At this time, the fuel cell stack S is maintained in the pressurizing state in the stacking direction by the end plates disposed at both ends in the stacking direction and the bolts penetrating the center line of the central hole HA of each fuel cell C. The fuel cell stack S is accommodated in a case 50 indicated by a broken line in FIG. The fuel cell C supplies the anode gas to the fuel electrode layer 1B inside the battery, introduces the cathode gas into the case 50, and supplies it to the air electrode layer 1C outside the battery, so that the single cell 1 Electric energy is generated by an electrochemical reaction.

図５（Ｂ１）及び（Ｂ２）に示す燃料電池Ｃ２は、図５（Ａ１）及び（Ａ２）に示すものと同等の基本構成を備えており、単セル１の燃料極層１Ｂに、後記する水素透過膜とともに吸熱反応促進手段を構成する吸熱反応促進触媒５が設けてある。   A fuel cell C2 shown in FIGS. 5 (B1) and (B2) has a basic configuration equivalent to that shown in FIGS. 5 (A1) and (A2), and will be described later in the fuel electrode layer 1B of the single cell 1. An endothermic reaction promoting catalyst 5 which constitutes an endothermic reaction promoting means together with the hydrogen permeable membrane is provided.

本発明に係わる燃料電池Ｃ２は、燃料極層１Ｂに隣接する部位すなわちセパレータ２に設けた吸熱反応促進触媒５（図５（Ａ１，Ａ２））による吸熱反応、若しくは燃料極層１Ｂに設けた吸熱反応促進触媒５（図５（Ｂ１，Ｂ２））による吸熱反応を利用して、発電に伴う発熱を抑制するものである。   The fuel cell C2 according to the present invention has an endothermic reaction by the endothermic reaction promoting catalyst 5 (FIG. 5 (A1, A2)) provided in the portion adjacent to the fuel electrode layer 1B, that is, the separator 2, or the heat absorption provided in the fuel electrode layer 1B. An endothermic reaction by the reaction promoting catalyst 5 (FIG. 5 (B1, B2)) is used to suppress heat generation accompanying power generation.

〈第６実施形態〉
図７に示す燃料電池は、図５（Ｂ１）及び（Ｂ２）に示す基本構成を備えたものであって、ガスガイド部材３が、アノードガスの導入部３Ａと、この導入部３Ａに隣接したアノードガスの排出部３Ｂとを備えている。この燃料電池は、図中に実線矢印でガス流れ方向を示すように、多孔質体から成る直線状の流路形成部６により、アノードガスの導入部３Ａから隣接する排出部３Ｂに至るＵターン型のガス流路Ｆを形成している。このような構造においても、流路形成部６は、ガス流路Ｆを往路Ｐと復路Ｑの２つの流路域に区画している。 <Sixth Embodiment>
The fuel cell shown in FIG. 7 has the basic structure shown in FIGS. 5B1 and 5B2. The gas guide member 3 is adjacent to the anode gas introduction part 3A and the introduction part 3A. And an anode gas discharge part 3B. This fuel cell has a U-turn extending from an anode gas introduction part 3A to an adjacent discharge part 3B by a linear flow path forming part 6 made of a porous material, as indicated by a solid arrow in the figure. A gas flow path F of the mold is formed. Even in such a structure, the flow path forming unit 6 divides the gas flow path F into two flow path areas, the forward path P and the return path Q.

上記の燃料電池は、導入部３Ａ側では、水素濃度が高くて発電に伴う発熱も多いが、排出部３Ｂ側では、水素濃度が低くて発電に伴う発熱も少ない。そこで、燃料電池は、往路Ｐにおいて、流路形成部６の上流側端部から所定の範囲に水素透過膜７を設けている。   The fuel cell has a high hydrogen concentration on the introduction part 3A side and generates a lot of heat due to power generation, but on the discharge part 3B side, it has a low hydrogen concentration and a little heat generation due to power generation. Therefore, in the forward path P, the fuel cell is provided with the hydrogen permeable membrane 7 in a predetermined range from the upstream end of the flow path forming portion 6.

上記の燃料電池は、図中に点線矢印で示すように、多孔質体から成る流路形成部６を通して、水素を復路Ｑ側に供給することができる。導入部３Ａ側（往路Ｐ側）と排出部３Ｂ側（復路Ｑ側）とでは、水素濃度差が大きいので、その水素濃度差に応じて速やかに水素が排出部３Ｂ側に引き抜かれる。   The fuel cell can supply hydrogen to the return path Q side through the flow path forming portion 6 made of a porous material, as indicated by a dotted arrow in the drawing. Since the hydrogen concentration difference is large between the introduction part 3A side (outward path P side) and the discharge part 3B side (return path Q side), hydrogen is quickly extracted to the discharge part 3B side according to the hydrogen concentration difference.

これにより、燃料電池では、水素が引き抜かれることで、改質反応をはじめとする吸熱反応が促進され、冷却機能が得られると共に、導入部３Ａ側から水素をはじめとする改質ガスによる発電が可能となる。また、燃料電池は、吸熱反応促進手段の冷却機能により、高負荷運転時におけるカソードガスの大幅増量が不要になるので、システム構成の簡略化やシステム効率の維持を実現することができる。   As a result, in the fuel cell, by extracting hydrogen, an endothermic reaction such as a reforming reaction is promoted, a cooling function is obtained, and power generation using reformed gas such as hydrogen is performed from the introduction part 3A side. It becomes possible. Further, since the fuel cell does not require a large increase in cathode gas during high load operation due to the cooling function of the endothermic reaction promoting means, the system configuration can be simplified and the system efficiency can be maintained.

〈第７実施形態〉
図８に示す燃料電池は、第６実施形態と同様の構成を備えたもので、流路形成部６により、アノードガスの導入部３Ａから隣接する排出部３Ｂに至るＵターン型のガス流路Ｆを形成している。このような構造を有する燃料電池では、流路形成部６の先端部において、アノードガスが往路Ｐから復路Ｑに回り込む際に、その回り込みの後方側によどみ領域Ｍが発生する。 <Seventh embodiment>
The fuel cell shown in FIG. 8 has the same configuration as that of the sixth embodiment, and a U-turn type gas flow path extending from the anode gas introduction part 3A to the adjacent discharge part 3B by the flow path forming part 6. F is formed. In the fuel cell having such a structure, when the anode gas flows from the forward path P to the return path Q at the front end portion of the flow path forming portion 6, a stagnation region M is generated on the rear side of the wraparound.

そこで、燃料電池は、ガス流路Ｆの往路Ｐにおいて、流路形成部６の上流側端部に水素透過膜７を設けると共に、ガス流路Ｆの復路Ｑにおいて、流路形成部６の上流側端部から所定の範囲に緻密体８を設けている。これにより、燃料電池は、図中の点線矢印で示すように、水素透過膜７から流路形成部６の内部を経て、流路形成部６の先端部から復路Ｑに至る透過経路を形成している。   Therefore, the fuel cell is provided with the hydrogen permeable membrane 7 at the upstream end of the flow path forming portion 6 in the forward path P of the gas flow path F, and upstream of the flow path forming section 6 in the return path Q of the gas flow path F. The dense body 8 is provided in a predetermined range from the side end. As a result, the fuel cell forms a permeation path from the hydrogen permeable membrane 7 through the inside of the flow path forming portion 6 to the return path Q from the tip of the flow path forming portion 6 as indicated by the dotted arrow in the figure. ing.

上記の燃料電池は、導入部３Ａ側（往路Ｐ側）と排出部３Ｂ側（復路Ｑ側）とでは、水素濃度差が大きいので、その水素濃度差に応じて速やかに水素が排出部３Ｂ側に引き抜かれることとなり、相対的に水素濃度が低いよどみ領域Ｍに水素を引き抜き供給することができる。これにより、燃料電池では、水素の引き抜きによって反応場の平衡がずれ、吸熱反応が促進されて冷却することができ、とくに、温度が上昇しやすい中心部の発熱を防ぐことができる。また、緻密体８を備えた流路形成部６を採用したので、流路形成部６における水素の透過経路を明確に設定し得る。   The fuel cell has a large hydrogen concentration difference between the introduction part 3A side (outward path P side) and the discharge part 3B side (return path Q side), so that hydrogen is quickly discharged to the discharge part 3B side according to the hydrogen concentration difference. Thus, hydrogen can be extracted and supplied to the stagnation region M having a relatively low hydrogen concentration. As a result, in the fuel cell, the reaction field is out of balance due to the extraction of hydrogen, the endothermic reaction is promoted, and cooling can be performed. In particular, heat generation at the center where the temperature tends to rise can be prevented. Moreover, since the flow path forming unit 6 including the dense body 8 is employed, the hydrogen permeation path in the flow path forming unit 6 can be clearly set.

図９は、水素分離膜の配置や形状の他の例を説明する図であって、水素透過膜７が、図中に点線矢印で示すガス流れ方向に対して、水素透過量を変化させる配置又は形状になっている。別の表現として、水素透過膜７を離散的又は段階的に設け、若しくは水素透過膜７を不連続的又は連続的に設けている   FIG. 9 is a diagram for explaining another example of the arrangement and shape of the hydrogen separation membrane, in which the hydrogen permeable membrane 7 changes the hydrogen permeation amount with respect to the gas flow direction indicated by the dotted arrow in the figure. Or it has a shape. As another expression, the hydrogen permeable membrane 7 is provided discretely or stepwise, or the hydrogen permeable membrane 7 is provided discontinuously or continuously.

図９（Ａ）に示す燃料電池は、流路形成部６に、同流路形成部６の高さとほぼ同じ縦寸法の矩形状の水素透過膜７が、ガス流れ方向に所定間隔で設けてある。図９（Ｂ）に示す燃料電池は、流路形成部６に、同流路形成部６の高さよりも小さい同じ縦寸法の矩形状の水素透過膜７が、ガス流れ方向に所定間隔で設けてある。図９（Ｃ）に示す燃料電池は、流路形成部６に、ガス流れ方向に対して縦寸法が漸次減少するように、三角形状の水素透過膜７が設けてある。   In the fuel cell shown in FIG. 9A, a rectangular hydrogen permeable membrane 7 having a vertical dimension substantially the same as the height of the flow path forming portion 6 is provided in the flow path forming portion 6 at predetermined intervals in the gas flow direction. is there. In the fuel cell shown in FIG. 9B, a rectangular hydrogen permeable membrane 7 having the same vertical dimension smaller than the height of the flow path forming portion 6 is provided in the flow path forming portion 6 at predetermined intervals in the gas flow direction. It is. In the fuel cell shown in FIG. 9C, a triangular hydrogen permeable membrane 7 is provided in the flow path forming portion 6 so that the vertical dimension gradually decreases with respect to the gas flow direction.

水素透過膜７は、一般にパラジウム（Ｐｄ）等の金属膜と、分子ふるい作用を利用したゼオライト膜等の無機膜がある。流路形成部６は、流路形成の他に、集電機能を有していることが望ましい。   The hydrogen permeable membrane 7 generally includes a metal membrane such as palladium (Pd) and an inorganic membrane such as a zeolite membrane utilizing a molecular sieving action. The flow path forming unit 6 desirably has a current collecting function in addition to the flow path formation.

金属膜を用いる場合には、流路形成部６に水素透過膜７を設けても集電面積が低下することはないが、ゼオライト等の無機膜を用いた場合には、水素透過膜を設置した分だけ、集電面積が低下する。その場合には、図９（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、金属多孔体からなる流路形成部６を上下に残し、中央部のみ無機膜からなる水素透過膜７を設置することが望ましい。   When a metal membrane is used, the current collection area does not decrease even if the hydrogen permeable membrane 7 is provided in the flow path forming part 6, but when an inorganic membrane such as zeolite is used, a hydrogen permeable membrane is installed. As a result, the current collection area decreases. In that case, as shown in FIGS. 9B and 9C, the flow path forming part 6 made of a metal porous body is left up and down, and the hydrogen permeable film 7 made of an inorganic film is installed only in the central part. desirable.

なお、本発明における水素透過膜７は、高純度な水素ガスを得ることが目的ではないので、多少のピンホールや欠損があっても構わず、水素を選択的に透過させることができれば良い。また、パラジウム（Ｐｄ）を含む金属膜を用いる場合には、コストを低減するために図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、水素透過膜７を所定間隔で（）離散的に）設置しても良い。さらに、発熱量に応じて、水素透過量を変化させたい場合には、図９（Ｃ）に示すように、ガス流れ方向に透過面積が漸次減少する水素透過膜７を設置しても良い。   In addition, since the hydrogen permeable membrane 7 in the present invention is not intended to obtain a high-purity hydrogen gas, it may have some pinholes or defects, and only needs to be able to selectively permeate hydrogen. Further, in the case of using a metal film containing palladium (Pd), in order to reduce the cost, as shown in FIGS. 9A and 9B, the hydrogen permeable film 7 is discretely (with a predetermined interval). May be installed. Furthermore, when it is desired to change the hydrogen permeation amount in accordance with the heat generation amount, as shown in FIG. 9C, a hydrogen permeable membrane 7 whose permeation area gradually decreases in the gas flow direction may be provided.

このように、燃料電池は、ガス流れ方向に対して、水素透過量を変化させる配置又は形状の水素透過膜７を採用することで、流路形成部６の集電機能の有無や、所望の水素透過量に応じた構造にすることができ、設計の自由度の向上などに貢献し得る。   As described above, the fuel cell employs the hydrogen permeable membrane 7 having an arrangement or shape that changes the hydrogen permeation amount with respect to the gas flow direction. A structure corresponding to the hydrogen permeation amount can be obtained, which can contribute to an improvement in design flexibility.

図９（Ｄ）に示す燃料電池は、水素透過膜７と流路形成部６との間に、保護層１１を設けたものである。   In the fuel cell shown in FIG. 9D, a protective layer 11 is provided between the hydrogen permeable membrane 7 and the flow path forming portion 6.

燃料電池は、流路形成部６が金属製の多孔質体から成り、これに対してパラジウム（Ｐｄ）を含む水素透過膜７を使用すると、流路形成部６の金属成分とパラジウムとが合金を形成し、水素透過能が低下する恐れがある。そのような場合には、流路形成部６の表面に保護層１１を設け、その表面に水素透過膜７を設けることで、パラジウムとの合金形成を防ぎ、水素透過能を確保する。この保護層１１としては、アルミナ等の無機酸化物が望ましく、金属及びパラジウムを含む水素透過膜成分と合金を形成しない材料が望ましい。   In the fuel cell, when the flow path forming portion 6 is made of a metal porous body and the hydrogen permeable membrane 7 containing palladium (Pd) is used, the metal component of the flow path forming portion 6 and palladium are alloyed. There is a risk that the hydrogen permeability will be reduced. In such a case, the protective layer 11 is provided on the surface of the flow path forming portion 6 and the hydrogen permeable membrane 7 is provided on the surface, thereby preventing the formation of an alloy with palladium and ensuring the hydrogen permeability. The protective layer 11 is preferably an inorganic oxide such as alumina, and is preferably a material that does not form an alloy with a hydrogen permeable membrane component containing metal and palladium.

以上、各実施形態の燃料電池によれば、吸熱反応促進手段を採用したことにより、発電に伴う発熱により温度が上昇するのを防ぎ、これまで冷却機能を有していたカソードガスを、高負荷運転時にも大幅に増量させる必要がないので、システム効率の低下を招くことがない。また、燃料電池は、アノードガスが供給されにくい部位に水素を供給することが可能となり、燃料極層全面を有効に使用することができるので、小型で車載用に非常に有効なものとなる。   As described above, according to the fuel cell of each embodiment, by adopting the endothermic reaction promoting means, it is possible to prevent the temperature from rising due to the heat generated by the power generation, and to apply the cathode gas having a cooling function until now to a high load. Since it is not necessary to increase the amount significantly during operation, the system efficiency is not reduced. Further, the fuel cell can supply hydrogen to a portion where the anode gas is difficult to be supplied, and the entire fuel electrode layer can be used effectively. Therefore, the fuel cell is small and extremely effective for in-vehicle use.

本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の細部を適宜変更することが可能であり、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせることも可能である。例えば、流路形成部は、ガスガイド部材に対して、別体にしても良いし、一体化することもできる。   The configuration of the fuel cell of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and details of the configuration can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. Can be combined as appropriate. For example, the flow path forming portion may be separated from the gas guide member or may be integrated.

なお、本発明の燃料電池は、円盤状にすれば、反応用ガスの供給路及び排出路を中心部分に配置して、単セル全域に対して反応用ガスを充分に供給することができ、小型で発電効率の良好なものとなる。これにより、燃料電池スタックも小型となり、車載用の電源としても非常に有用である。   In addition, if the fuel cell of the present invention is formed in a disc shape, the reaction gas supply channel and the discharge channel can be arranged in the central portion to sufficiently supply the reaction gas to the entire single cell, Small size and good power generation efficiency. As a result, the fuel cell stack is also reduced in size, and is very useful as an in-vehicle power source.

Ｃ燃料電池
Ｆガス流路
１単セル
１Ａ電解質層
１Ｂ燃料極層
１Ｃ空気極層
２セパレータ
３ガスガイド部材
３Ａ導入部
３Ｂ排出部
５吸熱反応促進触媒（吸熱反応促進手段）
６流路形成部
７水素透過膜（吸熱反応促進手段）
８緻密体 C fuel cell F gas flow path 1 single cell 1A electrolyte layer 1B fuel electrode layer 1C air electrode layer 2 separator 3 gas guide member 3A introduction part 3B discharge part 5 endothermic reaction promoting catalyst (endothermic reaction promoting means)
6 flow path forming part 7 hydrogen permeable membrane (endothermic reaction promoting means)
8 dense body

Claims (8)

電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セルと、
燃料極層に相対向する状態にして単セルに接合したセパレータと、
単セルとセパレータとの間に介装してアノードガスの導入部から排出部に至るガス流路を形成するガスガイド部材と、
ガス流路内に面して配置され且つ発電に伴う温度上昇を抑制するための吸熱反応促進手段とを備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 A single cell having a structure in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an air electrode layer;
A separator joined to a single cell in a state opposite to the fuel electrode layer,
A gas guide member interposed between the single cell and the separator to form a gas flow path from the introduction portion of the anode gas to the discharge portion;
A solid oxide fuel cell comprising an endothermic reaction accelerating means that faces the gas flow path and suppresses a temperature rise caused by power generation. ガスガイド部材が、多孔質体から成り且つガス流路の一部である２つの流路域を区画する少なくとも１つの流路形成部を備えており、
吸熱反応促進手段が、流路形成部に設けた水素透過膜と、吸熱反応促進触媒とから成ることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。 The gas guide member includes at least one flow path forming portion that is divided into two flow path regions that are made of a porous body and are part of the gas flow path;
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the endothermic reaction promoting means comprises a hydrogen permeable membrane provided in the flow path forming portion and an endothermic reaction promoting catalyst. ガス流路において相対的に水素濃度が高い流路域に水素透過膜を設け、水素透過膜及び流路形成部を通して、相対的に水素濃度が高い領域から相対的に水素濃度が低い領域に水素を供給することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。   A hydrogen permeable membrane is provided in the gas flow passage in the flow passage region having a relatively high hydrogen concentration, and hydrogen is passed from the region having a relatively high hydrogen concentration to the region having a relatively low hydrogen concentration through the hydrogen permeable membrane and the flow passage forming portion. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein 流路形成部が、水素の透過を抑制する緻密体を備えており、
水素透過膜及び緻密体により流路形成部の内部に水素の透過経路を形成したことを特徴とする請求項２又は３に記載の固体酸化物型燃料電池。 The flow path forming part includes a dense body that suppresses hydrogen permeation,
4. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein a hydrogen permeation path is formed inside the flow path forming portion by the hydrogen permeable membrane and the dense body. 吸熱反応促進触媒が、水蒸気改質反応、分解反応、及び脱水素反応の少なくとも一つの反応を促進する触媒であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。   The solid oxide according to any one of claims 1 to 4, wherein the endothermic reaction promoting catalyst is a catalyst that promotes at least one of a steam reforming reaction, a decomposition reaction, and a dehydrogenation reaction. Type fuel cell. 水素透過膜が、ガス流路におけるガス流れ方向に対して、水素透過量を変化させる配置又は形状であることを特徴とする第１〜５項記載の固体酸化物型燃料電池。   6. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the hydrogen permeable membrane has an arrangement or shape that changes a hydrogen permeation amount with respect to a gas flow direction in the gas flow path. ガスガイド部材が、アノードガスの導入部と、この導入部に隣接したアノードガスの排出部とを備えていると共に、流路形成部により、アノードガスの導入部から隣接する排出部に至るＵターン型のガス流路を形成していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。   The gas guide member includes an anode gas introduction portion and an anode gas discharge portion adjacent to the introduction portion, and a U-turn extending from the anode gas introduction portion to the adjacent discharge portion by the flow path forming portion. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a gas flow path of a mold is formed. 単セル及びセパレータが円盤状であると共に，その中央にガスガイド部材が配置してあり、
ガスガイド部材が、外周に沿って導入部及び排出部を交互に配置した円形状の本体部を備えると共に、本体部を中心にして複数の流路形成部が放射状に配置してあり、
単セルとセパレータとの間に、導入部から流路形成部の先端を折り返して隣接する排出部に至るＵターン型のガス流路を形成していることを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物型燃料電池。 The single cell and separator are disk-shaped, and a gas guide member is placed in the center.
The gas guide member includes a circular main body portion in which introduction portions and discharge portions are alternately arranged along the outer periphery, and a plurality of flow path forming portions are radially arranged around the main body portion,
8. The U-turn type gas flow path is formed between the single cell and the separator, the leading end of the flow path forming section from the introduction section to the adjacent discharge section. Solid oxide fuel cell.
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