JP3153901B2 - Disc-stacked solid electrolyte fuel cell - Google Patents

Disc-stacked solid electrolyte fuel cell

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JP3153901B2
JP3153901B2 JP34476398A JP34476398A JP3153901B2 JP 3153901 B2 JP3153901 B2 JP 3153901B2 JP 34476398 A JP34476398 A JP 34476398A JP 34476398 A JP34476398 A JP 34476398A JP 3153901 B2 JP3153901 B2 JP 3153901B2
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supply
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cell
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昌史 森
達也 川田
正之 土器屋
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経済産業省産業技術総合研究所長
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は円盤積層固体電解質
型燃料電池に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a disk-stacked solid oxide fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は発電効率が高いばかりでなく
熱電併給が可能であり、しかも負荷変動に対する応答が
柔軟であることから、重要な発電技術として期待されて
いる。これに加えて有害排ガスの発生が極めて少ないこ
と、将来システムの小型化が予想されるため、従来の電
力供給方式即ち電力消費地から遠く離れた場所に設置さ
れて大きな送電ロスの生ずるのを避け得ない、現今の発
電方式に代りうる新しい分散型電源としても期待されて
いる。ところで、燃料電池として例えば第1図に示す分
解斜視図と、第2図に示す組立断面図の如き構成をも
つ、円盤積層固体電解質型燃料電池が提案されている。
この電池は第1図のように固体電解質(1a)と、その両
円盤面に設けた多孔性電極構成材による正電極(1b)と
負電極(1c)よりなる所要複数個の単電池、例えば第
1、第2単電池(1A),(1B)と、セパレータ(2)、第
1,第2,第3,第4のインターコネクタ(3A)(3B)(3
C)(3D)、上蓋(4)と下蓋(5)、供給口(6a)を有
する燃料供給パイプ(6)と燃料排出口(7a)を有する
燃料排法パイプ(7)、供給口(8a)を有する酸化剤
(酸素または空気)供給パイプ(8)と、排出口(9a)
を有する酸化剤排出パイプ(9)とからなる。そして、
第2図(a)に示す第1図のA−A’部断面組立図のよう
に、下蓋(5)、第4インターコネクタ(3D)、第2単電
池(1B)、第3インターコネクタ(3C)、セパレータ
(2)、第2インターコネクタ(3B)、第1単電池(1
A)、第1インターコネクタ(3A)、上蓋(4)の順序で
積層する。このようにして、燃料供給口(6a)と燃料排
出口(7a)が、第2インターコネクタ(3B)によって単
電池(1A)とセパレータ(2)間に形成される内部空間A
と、第4インターコネクタ(3D)によって第2単電池(1
B)と下蓋(5)間に形成される内部空間Bにそれぞれ開
口するように、各構成材との間をガスシール(10)し
ながら燃料供給パイプ(6)と燃料排出パイプ(7)と
を、第1図のように各構成材の周辺に近い対向する2箇所
にそれぞれ設けた貫通孔(4a)(3a)(1d)(2a)(3
c)(1d)に差し込む。また第2図(b)に示す第1図のB
−B’部断面組立図のように酸化剤供給口(8a)と排出
口(9a)とが第3インターコネクク(3c)によって、セ
パレータ(2)と単電池(1B)間に形成される内部空間
A’と第1インターコネクタ(3A)及び第1単電池(1A)
によって形成される内部空間B’にそれぞれ開口するよ
うに、各構成材との間をガスシール(10)しながら、
酸化剤供給及び排出パイプ(8)(9)を、第1図に示す
ように燃料供給及び排出パイプ(6)(7)の各貫通孔と
直角な位置に設けた貫通孔(5a’)(3d’)(1d’)
(2a’)(3d’)(1d’)に差し込み、最後に積層され
た各構成材の隙間から燃料及び空気が各構成材聞から漏
れないように外周面をガスシール(10)して横成され
る。そして第3図に示す発電原理図のようにパイプ(6)
(7)により燃料となる例えば水素H2を供給し、またパ
イプ(8)(9)により酸化剤である例えば空気を供給し
て、第1,第3インターコネクタ(3A)(3C)を介して単
電池(1A)の正電極(1b)と単電池(1B)の負電極(1
C)間に接続された負荷Rに電力を供給する。この円盤積
層固体電解質型燃料電池は固体のみで形成されており、
他の形式であるリン酸型燃料電池、更には溶融塩型燃料
電池のように液体電解質を扱う不利がなく、しかも使用
温度が800〜1000℃と高温であることから高発電
効率が期待できる。これに加えてスチームタービン等に
よるポトミングサイクルの付設や熱電併給にも有利であ
る。また更にこの円盤積層固体電解質型燃料電池では前
記第2図(a)(b)によって明らかなように、電流が
正負電極(1b)(1c)と固体電解質(1a)の盤面と直角
な方向に流れるため、内部抵抗は、ほぼ構成材料の厚み
によってのみ左右される。しかもこの形式のものは原理
上構成材料の厚みを薄くできるのみでなく、単位面積当
りの電極面積の増大が容易であるので、単位面積当りの
出力密度を向上でき、しかも円盤構造をとっていること
から大量生産に適するドクタープレード法や、その他の
湿式法を単電池などを生産に採用でき、製造コストの低
下を図りうるなどの各種の利点がある。また更にこの円
盤積層固体電解質型燃料電池によれば、固体電解質型燃
料電池の基本型として知られている円筒型燃料電池のも
つ諸問題を解決しうるすぐれた効果をもつ。即ち円筒型
燃料電池(ll)は第4図に示す斜視図のように、多孔質
チューブ(11a)の上に負電極(11b)、電解質(11
c)、正電極(11d)、インターコネクタ(11e)の順序
で構成材を積層して単電池またはその集合体を構成し
て、燃料と酸化剤をチューブ(11a)の内と外に流して
発電するものであるが、この型式の燃料電池は次のよう
な諸問題をもつ。即ち第4図中の矢印のように電流が電
極面に沿って横方向(周方向)に流れるため電流通路が
長くなって内部抵抗が大きい、円筒型では出力密度を大
きくしようとする場合、できうる限り長い円チューブを
必要とするが、製造上その長さと細さには限界があるた
め出力密度の増大には限度がある、円筒型では円筒状の
チューブに電解質や電極その他を積層する必要がある
か、低コストのドクタープレード法などによる積層法で
は電解質などのひび割れを生じ易いため、製造コストの
高い気相法を採用せざるを得ないなどの諸問題がある。
しかし、これらの問題点は前記したように電流との方向
が単電池などの盤面と直角である、厚みを薄くすること
が容易であって電極面積の増大が容易であるなどの各種
の利点をもつ円盤積層構造によって一挙に解消される。
2. Description of the Related Art Fuel cells are expected to be an important power generation technology because they not only have high power generation efficiency but also can provide co-generation of heat and have a flexible response to load fluctuations. In addition to this, since the generation of harmful exhaust gas is extremely small and the system is expected to be downsized in the future, it is necessary to avoid the conventional power supply system, that is, installing it in a place far away from the power consumption area and causing large power transmission loss. It is also expected to be a new distributed power source that cannot be obtained and can replace the current power generation system. Meanwhile, as a fuel cell, for example, a disk-stacked solid oxide fuel cell having a configuration as shown in an exploded perspective view shown in FIG. 1 and an assembled sectional view shown in FIG. 2 has been proposed.
As shown in FIG. 1, this battery has a required number of cells including a solid electrolyte (1a), a positive electrode (1b) and a negative electrode (1c) formed of a porous electrode component material provided on both disk surfaces, for example, No.
1, 2nd cell (1A), (1B), separator (2),
1, 2nd, 3rd, 4th interconnector (3A) (3B) (3
C) (3D), upper lid (4) and lower lid (5), fuel supply pipe (6) with supply port (6a) and fuel discharge pipe (7) with fuel discharge port (7a), supply port ( Oxidant (oxygen or air) supply pipe (8) with 8a) and outlet (9a)
And an oxidant discharge pipe (9) having And
As shown in the sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1 shown in FIG. 2 (a), the lower lid (5), the fourth interconnector (3D), the second cell (1B), the third interconnector (3C), separator (2), second interconnector (3B), first cell (1
A), the first interconnector (3A), and the top lid (4) are laminated in this order. In this way, the fuel supply port (6a) and the fuel discharge port (7a) are formed by the second interconnector (3B) between the unit cell (1A) and the separator (2).
And the fourth cell (1D) by the fourth interconnector (3D)
A fuel supply pipe (6) and a fuel discharge pipe (7) while a gas seal (10) is provided between each component so as to open into an internal space B formed between the lower cover (5) and the lower lid (5). And through holes (4a), (3a), (1d), (2a), and (3) provided at two opposing locations near the periphery of each component as shown in FIG.
c) Insert into (1d). In addition, FIG.
The oxidant supply port (8a) and the discharge port (9a) are formed between the separator (2) and the unit cell (1B) by the third interconnect (3c) as shown in the sectional view of the section B '. Interior space
A 'and 1st interconnector (3A) and 1st cell (1A)
Gas seal (10) between each component so as to open to the internal space B 'formed by
As shown in FIG. 1, the oxidant supply and discharge pipes (8) and (9) are provided with through holes (5a ') and (5a') (at right angles to the through holes of the fuel supply and discharge pipes (6) and (7)). 3d ') (1d')
(2a ') (3d') (1d ') Insert the gasket (10) on the outer peripheral surface so that fuel and air do not leak from each component through the gap between the components stacked last. Is done. Then, as shown in the power generation principle diagram in Fig. 3, the pipe (6)
(7), for example, hydrogen H2 as a fuel is supplied, and pipes (8), (9), for example, air as an oxidant, are supplied through the first and third interconnectors (3A) (3C). The positive electrode (1b) of the cell (1A) and the negative electrode (1
C) Supply power to the load R connected between them. This disk-stacked solid oxide fuel cell is made of only solid,
Unlike other types of phosphoric acid type fuel cells and furthermore, molten salt type fuel cells, there is no disadvantage in handling the liquid electrolyte, and since the operating temperature is as high as 800 to 1000 ° C., high power generation efficiency can be expected. In addition to this, it is also advantageous for installing a potting cycle using a steam turbine or the like and for cogeneration. Further, in this disk-stacked solid electrolyte fuel cell, as is clear from FIGS. 2 (a) and 2 (b), the electric current flows in a direction perpendicular to the disk surface of the positive and negative electrodes (1b) and (1c) and the solid electrolyte (1a). Because of the flow, the internal resistance depends almost exclusively on the thickness of the constituent materials. In addition, this type not only allows the thickness of the constituent materials to be reduced in principle, but also facilitates an increase in the electrode area per unit area, so that the output density per unit area can be improved, and the disk structure is adopted. Therefore, the doctor blade method suitable for mass production and other wet methods can be used for the production of cells and the like, and there are various advantages such as a reduction in manufacturing cost. Further, according to the disk-stacked solid oxide fuel cell, there is an excellent effect that can solve various problems of the cylindrical fuel cell known as a basic type of the solid oxide fuel cell. That is, as shown in the perspective view of FIG. 4, the cylindrical fuel cell (ll) has a negative electrode (11b) and an electrolyte (11) on a porous tube (11a).
c) The components are stacked in the order of positive electrode (11d) and interconnector (11e) to form a unit cell or its assembly, and fuel and oxidant are flowed into and out of the tube (11a). Although it generates electricity, this type of fuel cell has the following problems. That is, current flows in the lateral direction (circumferential direction) along the electrode surface as shown by the arrow in FIG. 4, so that the current path becomes long and the internal resistance is large. The longest possible circular tube is required, but its length and thinness are limited in production, so there is a limit to increase in power density. However, there is a problem that a low-cost lamination method using a doctor blade method or the like easily causes cracking of an electrolyte or the like, so that a gas phase method having a high production cost must be adopted.
However, these problems have various advantages such as the direction of the current is perpendicular to the panel surface of a unit cell or the like as described above, the thickness can be easily reduced, and the electrode area can be easily increased. It is eliminated at once by the disk lamination structure.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしその一方円盤積
層固体電解質型燃料電池にも弱点がある。即ち燃料及び
酸化剤の供給がそれぞれ円盤の外周の2点間において行
われてガスが供給口から排出口に短絡的に流れ易いた
め、燃料及び酸化剤の流れが電池面において均一になり
にくく電極面積の有効利用を図りにくい。このため単電
池の面積を大きくしても単位面積当りの出力密度の向上
が充分ではない。また層状のインターコネクタを用いて
いるため集電距離の短縮が充分ではなく内部抵抗の低下
が充分ではない。また更に構成材が円盤状であるため原
理的には面積の増大が容易であるが、増大と共に機械的
強度が低下するため、この点で大容量の電池の実現が難
しい。また動作温度が1000℃前後の高温であるため、熱
バランスがとりにくく、熱バランスを得るためには供給
ガスを加熱装置を用いて1000℃前後に加温して供給する
必要があるが、このような高温加熱は現在の技術では大
きな困難を伴い実用が難しいなどの諸問題がある。 従
って円盤積層固体電解質型燃料電池は前記のような数多
い利点をもちながら、従来殆ど積極的な研究開発が行わ
れることなく現在に到っている。
However, on the other hand, disk-stacked solid oxide fuel cells also have disadvantages. That is, the fuel and the oxidant are supplied between the two points on the outer periphery of the disk, and the gas easily flows from the supply port to the discharge port in a short-circuit manner. It is difficult to effectively use the area. Therefore, even if the area of the unit cell is increased, the output density per unit area is not sufficiently improved. Further, since a layered interconnector is used, the current collecting distance is not sufficiently reduced and the internal resistance is not sufficiently reduced. Further, since the components are disk-shaped, the area can be easily increased in principle, but the mechanical strength decreases with the increase, and it is difficult to realize a large-capacity battery in this respect. In addition, since the operating temperature is as high as about 1000 ° C., it is difficult to balance the heat, and in order to obtain the heat balance, the supply gas must be heated to about 1000 ° C. using a heating device and supplied. Such high-temperature heating has various problems such as difficulty in practical use with current technology. Accordingly, the disk-stacked solid oxide fuel cell has attained the present without much active research and development, while having many advantages as described above.

【0004】本発明は前記した円盤積層固体電解質型燃
料電池の数多くの利点を最大限に生かしながら、上記の
諸問題点の解決を図って、製作面においても性能面にお
いても従来のものにまさる燃料電池を提供し、電力供給
源としての実用化を促進しうるようにしたものである。
The present invention solves the above-mentioned problems while maximizing the many advantages of the above-mentioned disk-stacked solid oxide fuel cell, and is superior to the conventional one in both production and performance. It is intended to provide a fuel cell and promote its practical use as a power supply source.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは第1図によって前記した環状のインターコネクタに
代えて、第6図に示すように中心のガス供給部(12a)
と、これに連通し外周部において開口する供給されたガ
スが十分に電極表面に供給されるように、ジグザグ状拡
散通路(12b)を備え、気孔率の高い材質で作られたイ
ンターコネクタを用いると同時に、中心のガス拡散空間
部(12a)に燃料または酸化剤が供給されるようにした
点にある。
A feature of the present invention is that, instead of the annular interconnector described with reference to FIG. 1, a central gas supply section (12a) as shown in FIG.
And an interconnector made of a material having a high porosity and having a zigzag diffusion passage (12b) so that the supplied gas communicating with the gas and opening at the outer peripheral portion is sufficiently supplied to the electrode surface. At the same time, the fuel or oxidant is supplied to the central gas diffusion space (12a).

【0006】そして、これにより単電池(1)の電極
(1b)(1c)の広い面積において集電しうるようにし
て、電流経路の短縮を図って内部技抗の充分な低下を図
る。単電池の強度補強体となりうるようにして単電池
の機械的強度の増大を図るようにして電極面積の増大の
容易化を実現すると同時に製作保守を容易とする。ジ
グザグ状拡散通路(12b)にジグザグ状にガスが流れて
燃料などの良い拡散体として作用するようにして、ガス
の流れの均一化を大きく促進し電極面積の有効な利用を
図りうるようにして、発電効率を向上させるようにした
ものである。
[0006] As a result, current can be collected over a wide area of the electrodes (1b) and (1c) of the unit cell (1), and the current path is shortened to sufficiently reduce the internal resistance. By increasing the mechanical strength of the unit cell so as to increase the mechanical strength of the unit cell so as to become a strength reinforcing body of the unit cell, it is possible to facilitate the increase of the electrode area and at the same time, to facilitate the production and maintenance. The gas flows in a zig-zag diffusion path (12b) in a zig-zag fashion and acts as a good diffuser for fuel and the like, greatly facilitating the uniform flow of the gas and enabling effective use of the electrode area. The power generation efficiency is improved.

【0007】また、更に燃料及び酸化剤の供給と排出
を、第2図により前記したように単電池(1)の周辺部
に近い対向した離れた2点において行うことなく、例え
ば第7図の断面組立図のように単電池(1)その他の構成
材の中心に設けたパイプ(03)により、第5図で前記し
たようにインターコネクタ(12)のガス供給部(1
2)において行うようにし、かつ供給ガスの濃度が単電
池(1)の外周方向に向かうに伴い希薄となったのち外
界に排出されるように拡散通路(12b)の長さや幅,形
状などを考慮した点にある。そして、これにより単電
池(1)の中心部の燃料濃度が高くなるようにして発電
性能の向上を図ると同時に、燃料及び空気がインターコ
ネクタ(12)の拡散通路(12b)を通過する間に殆ど
消費されるようにして、燃料の利用率への影響が殆どな
く、しかも外周からの放出ガスの燃焼による温度上昇が
殆ど問題にならないようにして、所謂外側ガスシールレ
ス構造としたものである。即ちガスシールを、中心に設
けた燃料及び酸化剤供給パイプ(13)と、単電池
(1)とその他の構成材間のみに限定できるようにし
て、従来のような外周を含むほぼ完全なシールの必要を
なくして製造を著しく容易としたものである。またガス
シール材(10)による各構成機の連結固定に当たっ
て、各構成材の熱膨張係数の差にもとづくトラブルを少
なくして、構成材の使用の自由度を大きくしたものであ
る。
Further, the supply and discharge of the fuel and the oxidizing agent are not performed at two opposing and separated points near the periphery of the unit cell (1) as described above with reference to FIG. As shown in the sectional view, the gas supply unit (1) of the interconnector (12) is connected to the pipe (03) provided at the center of the unit cell (1) and other components as described above with reference to FIG.
The length, width, shape, etc. of the diffusion passage (12b) are adjusted so that the concentration of the supply gas becomes thinner toward the outer periphery of the cell (1) and then discharged to the outside. It is in consideration of this. This increases the fuel concentration at the center of the unit cell (1) to improve the power generation performance, and at the same time as the fuel and air pass through the diffusion passage (12b) of the interconnector (12). A so-called outer gas sealless structure is adopted so that the fuel is almost consumed, there is almost no influence on the fuel utilization rate, and the temperature rise due to the combustion of the gas released from the outer periphery is hardly a problem. . That is, the gas seal can be limited only between the fuel and oxidant supply pipe (13) provided at the center and the unit cell (1) and other components, so that a substantially complete seal including the outer periphery as in the conventional case is obtained. The production is remarkably facilitated by eliminating the need for Further, in connecting and fixing each component machine by the gas seal material (10), troubles based on the difference in thermal expansion coefficient of each component are reduced, and the degree of freedom of use of the components is increased.

【0008】また更に中心部からの燃料及び空気の供
給システムにより、その供給ガス温度の低下を図って、
従来のように加熱装置により約1000℃の動作温度ま
で加熱供給する困難の解決を図り、実用化を大きく前進
した点にある。即ち本発明のように発電部の中心から外
周に向けて燃料及び酸化剤を流してガス濃度が中心にお
いて高く、外周方向に行くに伴い希薄となるようにすれ
ば、温度は中心か最も高く外周方向に行くに伴い低い分
布となり、中心部の温度は1000℃以上の高温となる。従
って熱バランスを保つためには何等かの対策が必要とな
る。本発明では欠点とも云える上記の点を逆用して、濃
度差にもとづくジュール熱により燃料及び酸化剤を加熱
するようにして、実用化の困難な高温供給を回避できる
ようにしたものである。このようにして、円盤積層固体
電解質型燃料電池のもつ諸問題点の解決を因って、その
実用化を促進しうるようにしたものである。次に本発明
の実施例について説明する。
Further, the temperature of the supplied gas is reduced by a fuel and air supply system from the center,
It is a point of solving the difficulty of heating and supplying to an operating temperature of about 1000 ° C. by a heating device as in the prior art, and has greatly advanced practical use. That is, as in the present invention, if the gas concentration is high at the center by flowing the fuel and the oxidant from the center of the power generation unit toward the outer periphery, and the gas concentration becomes leaner toward the outer periphery, the temperature is the highest at the center or the outer periphery. The distribution becomes lower as going in the direction, and the temperature at the center becomes higher than 1000 ° C. Therefore, some measures are required to maintain the heat balance. In the present invention, by reversing the above-mentioned point, which is a drawback, the fuel and the oxidant are heated by Joule heat based on the concentration difference, so that high-temperature supply which is difficult to put into practical use can be avoided. . In this manner, the practical application of the disk-stacked solid oxide fuel cell can be promoted by solving the problems of the various problems. Next, examples of the present invention will be described.

【0009】[0009]

【実施例】第5図、第6図、第7図は、本発明の一実施例
図を示し、このうち第5図は分解斜視図、第6図はインタ
ーコネクタの平面図、第7図(a),(b)は燃料及び酸
化剤供給パイプの断面図、第8図は断面組立図であっ
て、第1図、第2図と同一符号部分は同等部分を示す。第
5図において(1A)(1B)は単電池、(1a)はその固体
電解質であって、別えばイットリア安定化ジルコニアや
イットリア部分安定化ジルコニアなどにより作られる。
(1b)は正電極であって、例えばストロンチウムまたは
マグネシウムをドープしたランタンマンガネートにより
作られる.(1c)は負電極であって、例えばニッケルジ
ルコニアサーメットにより作られる。そして、この単電
池(1A)(1B)の中心には、同一径をもつ長円状のパイ
プ貫通孔(1d)を備える。(2)はセパレータであっ
て、ストロンチウムまたはマグネシウムをドープしたラ
ンタアンクロマイト、もしくはインコネル等のニッケル
クロム合金によって作られ、その中心には前記単電池
(1A)(1B)のパイプ貫通孔と同一大きさ形状の長円状
のパイプ貫通孔(2a)を有する。(12A)(12B)(12
C)(12D)は本究明の要部である第1,第2,第3,第4
のインターコネクタであって、例えばセパレータ(2)
と同一材料で作られ、そのそれぞれの中心には第6図を
用いて前記したように単電池のパイプ貫通孔の径より大
きい円形のガス供給部(12a)とそれぞれ同じ通路長を
もったジグザグ状拡散通路(12b)をもち、ガス供給部
(12a)と外周とを接続する。(4)は上蓋、(5)は下
蓋であって、その中心には前記単電池に設けたパイプ貫
通孔と同一寸法の長円状のパイプ貫通孔(4a)と(5a)
を有する。
FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7 show one embodiment of the present invention. FIG. 5 is an exploded perspective view, FIG. 6 is a plan view of an interconnector, and FIG. (A) and (b) are cross-sectional views of the fuel and oxidant supply pipes, and FIG. 8 is an assembled cross-sectional view, in which the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2 denote equivalent parts. No.
In FIG. 5, (1A) and (1B) are unit cells, and (1a) is a solid electrolyte thereof, which is made of yttria-stabilized zirconia or yttria partially stabilized zirconia, for example.
(1b) is a positive electrode, for example, made of strontium or magnesium doped lanthanum manganate. (1c) is a negative electrode, which is made of, for example, nickel zirconia cermet. An oval pipe through-hole (1d) having the same diameter is provided at the center of the unit cells (1A) (1B). (2) is a separator made of lanthanum chromium doped with strontium or magnesium, or a nickel chromium alloy such as Inconel, the center of which is the same size as the pipe through hole of the unit cells (1A) and (1B). It has an elliptical pipe through hole (2a). (12A) (12B) (12
C) (12D) is the first, second, third, and fourth parts of this investigation.
Interconnector, for example, a separator (2)
The center of each of them has a zigzag with the same passage length as the circular gas supply part (12a) larger than the diameter of the cell through-hole as described above with reference to FIG. The gas supply part (12a) has an annular diffusion passage (12b) and is connected to the outer periphery. (4) is an upper lid, (5) is a lower lid, and at the center thereof, oval pipe through-holes (4a) and (5a) having the same dimensions as the pipe through-hole provided in the cell.
Having.

【0010】次に、(13)は燃料と酸化剤の供給パイ
プであって、ここには上端が閉塞の燃料供給流路(13
a)と、下端が閉塞された空気供給流路(13b)とを有す
る。また燃料供給流路(13a)には第7図(a)(b)に示
すパイプの断面図のように燃料の供給空間の間隔に応じ
た間隔をおいてパイプ(13)を貫通するように設け
た、1乃至放射状に設けた複数個の燃料供給口(13al)
を有し、空気供給流路(13b)には空気の供給空間め間
隔に応じた間隔をおいて、パイプ(13)を貫通して設
けた1乃至放射状に設けた空気供給路(13bl)を有す
る。
[0010] Next, (13) is a fuel and oxidant supply pipe, in which a fuel supply flow path (13
a) and an air supply channel (13b) whose lower end is closed. Also, as shown in the sectional views of the pipes shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), the fuel supply passage (13a) penetrates the pipe (13) at intervals corresponding to the interval of the fuel supply space. A plurality of fuel supply ports (13al) provided 1 to radially provided
The air supply flow path (13b) is provided with 1 to radially provided air supply paths (13bl) provided through the pipe (13) at intervals corresponding to the air supply space. Have.

【0011】そして、以上の各部は次のように組立られ
る。先ず下蓋(5)の長円状貫通孔(5a)内に供給パイ
プ(13)を挿通して、第8図のように下蓋(5)とパイ
プ(13)間をニッケル合金などのシール材(10)に
より、ガスシールしたのち、パイプ(13)に第4イン
ターコネクタ(12D)をその中心のガス供給部(12a)を
差込んで重ね合わせて、併給パイプ(13)の燃料供給
路(13a)が、第8図のように第4インターコネクタ(12
D)のガス供給部(12a)部分に開口するようにする。次
にパイプ貫通孔(1d)をパイプ(13)に差込むことに
より、第4インターコネクタ(12 D)上に第2単電池
(1B)を重ね合わせたのち、ガス供給部(12a)をパイ
プ(13)に差込んで、第3インターコネクタ(12C)を
第2単電池(1B)上に重ね合わせる。そしてパイプ(1
3)と第2単電池(1B)間をガスシール材(10)によ
りガスシールし、かつ、この第3インターコネクタ(12
C)のガス洪給部(12a)に空気供給路(13bl)が開口す
るようにする。そして、更に第3インターコネクタ(12
C)上にセパレータ(2)を重ね合わせたのち、以下同一
要領により第2インターコネクタ(12B)のガス供給部
(12a)に燃料供給路(13al)が開口し、第1インターコ
ネクタ(12A)のガス供給部(12a)に空気供給路(13b
l)が開口するように、第2インターコネクタ(12B)、
第1単電池(1A)第1インターコネクタ(12A)、上蓋
(4)の順序でガスシール材(10)によりガスシール
しながら重ね合わせて第8図のように構成する。そし
て、下蓋(5)外に露呈したパイプ(13)の燃料供給
流路(13a)に燃料例えば所要温度に加熱された水素H2
を供給して、その燃料供給路(13al)により、第4イン
ターコネクタ(12D)によって下蓋(5)と第2単電池(1
B)間に形成されるジグザグ状拡散通路(12b)と、第2
インターコネクタ(12B)によってセパレータ(2)と第
1単電池(1A)間に形成されるジグザグ状拡散通路(12
b)に送りこむ。また一方上蓋(4)外に突出したパイプ
(13)の酸化剤洪給通路(13b)に酸化剤例えば所要温
度に加熱された空気を供給し、その供給路(13al)によ
り第3インターコネク夕(12C)によって第2単電池とセ
パレータ(2)間に形成されるジグザグ状拡散通路(12
b)と、第1インターコネクタによって第1単電池(1A)
と上蓋間に形成されるジグザグ状拡散通路(12b)に送
りこんで発電する。
The above components are assembled as follows. First, the supply pipe (13) is inserted into the oval through hole (5a) of the lower lid (5), and a seal made of a nickel alloy or the like is provided between the lower lid (5) and the pipe (13) as shown in FIG. In material (10)
After the gas sealing , the fourth interconnector (12D) is inserted into the pipe (13) with the gas supply part (12a) at the center thereof overlapped, and the fuel supply path (13a) of the co-supply pipe (13) is formed. And the fourth interconnector (12
An opening is provided in the gas supply section (12a) of D). Next, by inserting the pipe through hole (1d) into the pipe (13), the second cell (1B) is superimposed on the fourth interconnector (12D), and then the gas supply section (12a) is connected to the pipe. (13), and superimpose the third interconnector (12C) on the second cell (1B). And the pipe (1
A gas sealing material (10) is used between 3) and the second cell (1B) .
Gas seal and the third interconnector (12
The air supply channel (13bl) should be open to the gas flooding section (12a) in C). Then, the third interconnector (12
C) After the separator (2) is superimposed on the first interconnector (12A), the fuel supply passage (13al) opens in the gas supply section (12a) of the second interconnector (12B) in the same manner. Air supply path (13b) to the gas supply section (12a)
l) the second interconnector (12B), so that the opening
The first unit cell (1A), the first interconnector (12A), and the top cover (4) are superposed in this order while being gas-sealed by the gas seal material (10) , as shown in FIG. Then, a fuel such as hydrogen H2 heated to a required temperature is supplied to a fuel supply passage (13a) of a pipe (13) exposed outside the lower lid (5).
The lower lid (5) and the second cell (1) are supplied by the fourth interconnector (12D) through the fuel supply path (13al).
B) a zigzag diffusion passage (12b) formed between
Separator (2) and second by interconnector (12B)
A zigzag diffusion path formed between one cell (1A) (12
b). Also, an oxidant, for example, air heated to a required temperature is supplied to the oxidant supply passage (13b) of the pipe (13) projecting out of the upper cover (4), and the third interconnector is supplied through the supply passage (13al). (12C), a zigzag diffusion passage (12) formed between the second cell and the separator (2).
b) and the first cell (1A) by the first interconnector
It is sent to a zigzag diffusion passage (12b) formed between the upper lid and the upper lid to generate power.

【0012】なお以上においてはインターコネクタのガ
ス拡散通路(12b)をジグザグ状としたものである。こ
のようにすることにより、単電池の機械的強度の補強力
を有し、しかも電池全面へのガスの拡散と電池の広い面
積に亘る集電がよく行われるものである。インターコネ
クタに気孔率の高い(気孔率80%以上の)発泡体ないし
はフェルト体を用いることにより、セパレータと電極の
間の通電経路を増加させて内部抵抗を減少させ、しかも
多孔質体がガスを分散させる作用をなすのでガス分散効
率を向上させうる。
In the above description, the gas diffusion passage (12b) of the interconnector has a zigzag shape . This
By doing so, it has a reinforcing force for the mechanical strength of the unit cell, and furthermore, gas diffusion to the entire surface of the cell and current collection over a wide area of the cell are performed well. By using a foam or felt with a high porosity ( 80% or more porosity ) for the interconnector, the current path between the separator and the electrode is increased to reduce the internal resistance, Since it acts to disperse, gas dispersion efficiency can be improved.

【0013】[0013]

【発明の効果】以上のように本発明ではインターコネク
タを中心から外周に向かうジグザグ状 しているので、
燃料と酸化剤を単電池の広い面積においてよく接触さ
せることができ、しかも従来より遥かに広い面積に亘っ
て集電できる。また支持体としての役割りを果たして面
積の増大が容易であるので、体積当たりの実効電極面積
を容易に拡散して出力密度を増大しうる。これに加え
て本発明のインターコネクタは板の打抜きにより形成で
きるので製作が容易であり、しかも盤状であるのでコス
トの安いドクターブレード法などの湿式法により製造で
きる。また本発明では電池の中心部から燃料ならびに酸
化剤を供給し、外周部から排出するようにして燃料と酸
化剤の濃度差による発電性能の差にもとづくジュール熱
を利用して供給ガスを加熱するようにしている.従っ
て、現状では技術的に困難なガスの高温供給を考える
必要がなく、しかも、積層後、電解質とインターコネ
クタ,インターコネクタとセパレータ間など外周部のガ
スシールの必要がない。従って製作条件が大きく緩和さ
れ低いコスト化を期待できる。 またシール材を用い
て異種材による各構成部材を固定する部分が中央のみで
すむので、熱膨張の異なる材料を使い易いなど、従来の
問題点を解決した円盤積層固体電解質型燃料電池が提供
が可能となり電力供給源としての性能向上に大きく寄与
できる.
Since in the present invention as described above, according to the present invention has a zigzag toward the outer periphery from the center of the interconnector,
The fuel and the oxidant can be brought into good contact with each other over a large area of the cell, and current can be collected over a much larger area than before. In addition, since the area can be easily increased by serving as a support, the effective electrode area per volume can be easily diffused to increase the output density. In addition, since the interconnector of the present invention can be formed by punching a plate, it is easy to manufacture, and since it is disk-shaped, it can be manufactured by an inexpensive wet method such as a doctor blade method. In the present invention, fuel and oxidant are supplied from the center of the battery and discharged from the outer periphery, and the supply gas is heated using Joule heat based on a difference in power generation performance due to a difference in concentration between the fuel and the oxidant. I am doing it. Accordingly, it is not necessary to consider the technically difficult high-temperature supply of gas at present, and further, after lamination, there is no need to provide a gas seal at the outer peripheral portion such as between the electrolyte and the interconnector or between the interconnector and the separator. Therefore, the manufacturing conditions are greatly relaxed, and low cost can be expected. In addition, since only a central portion is required to fix each component made of a different material using a sealing material, it is possible to provide a disk-stacked solid electrolyte fuel cell that solves the conventional problems such as easy use of materials having different thermal expansions. This will make it possible to greatly improve the performance as a power supply source.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来装置の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a conventional device.

【図2】従来装置の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a conventional device.

【図3】燃料電池の発電原理図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of power generation by a fuel cell.

【図4】円筒型燃料電池の説明図である。FIG. 4 is an explanatory view of a cylindrical fuel cell.

【図5】本発明の一実施例の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施例の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.

【図7】本発明の一実施例の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施例の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(1A)(1B) 単電池 (1a) 固体電解質 (1b) 正電極 (1c) 負電極 (1d) パイプ貫通孔 (2) セパレータ (3A)(3B)(3C)(3D) 第1,第2,第3、第4インタ
ーコネクタ (4) 上蓋 (4a) パイプ貫通孔 (5) 下蓋 (5a) パイプ貫通孔 (6) 燃料供給パイプ、 (6a) 供給口 (7) 燃料排出パイプ (7a) 排出口 (8) 酸化剤供給パイプ (8a) 供給口 (9) 酸化剤排出パイプ (9a) 排出口 (10) ガスシール材 (11a) 支持チューブ (11b) 負電極 (11c) 電解質 (11d) 正電極 (11e) インターコネクタ (12A)(12B)(12C)(12D)(12) 第1,第2,第
3,第4インターコネクタ (12a) ガス供給部 (12b) ジグザグ状拡散通路 (13) 燃料及び酸化剤供給パイプ (13a) 燃料供給流路 (13al) 供給路、 (13b) 酸化剤供給流路 (13bl) 供給路、
(1A) (1B) Single cell (1a) Solid electrolyte (1b) Positive electrode (1c) Negative electrode (1d) Pipe through hole (2) Separator (3A) (3B) (3C) (3D) First and second , 3rd, 4th interconnector (4) Upper lid (4a) Pipe through hole (5) Lower lid (5a) Pipe through hole (6) Fuel supply pipe, (6a) Supply port (7) Fuel discharge pipe (7a) Discharge port (8) Oxidant supply pipe (8a) Supply port (9) Oxidant discharge pipe (9a) Discharge port (10) Gas seal material (11a) Support tube (11b) Negative electrode (11c) Electrolyte (11d) Positive Electrode (11e) Interconnector (12A) (12B) (12C) (12D) (12) First, Second, Second
Third and fourth interconnectors (12a) Gas supply part (12b) Zigzag diffusion passage (13) Fuel and oxidant supply pipe (13a) Fuel supply passage (13al) Supply passage, (13b) Oxidant supply passage ( 13bl) supply channel,

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02 H01M 8/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/02 H01M 8/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】円盤状固体電解質の片面に正電極物質を配
置し、他面に負電極物質を配置した単電池を、中心に設
けられた燃料ガス供給部とこれと連通し外周部において
開口する拡散通路を備えた燃料ガス拡散通路を有するイ
ンタ−コネクタ及び中心に設けられた酸化剤ガス供給
部とこれと連通し外周部において開口する拡散通路を備
えた酸化剤ガス拡散通路を有するインターコネク夕によ
り挟んで、さらに円盤状セパレータを介して、上蓋と下
蓋間に積層する円盤積層固体電解質型燃料電池におい
て、インターコネクタが80%以上の気孔率の発泡体な
いしフエルト体で構成され中心に設けられた燃料ガス
供給部及びこれと連通し外周部において開口する燃料ガ
ス拡散通路及び中心に設けられた酸化剤ガス供給部及び
これと連通し外周部において開口する酸化剤ガス拡散通
路は、それぞれ円周方向にジグザグ状に進行する複数の
拡散通路により形成され、それぞれの中心部に供給され
る燃料ガスと酸化性ガスの拡散通路内の濃度は、外周に
至るに従い低くなる構造であることを特徽とする円盤積
層固体電解質型燃料電池。
1. A unit cell in which a positive electrode material is disposed on one surface of a disc-shaped solid electrolyte and a negative electrode material is disposed on the other surface are connected to a fuel gas supply portion provided at the center thereof and communicate with the fuel gas supply portion. A fuel gas diffusion passage having a diffusion passage
Connector and centrally provided oxidant gas supply
And a diffusion passage communicating with this and opening at the outer periphery.
Interconnect interconnect with the oxidant gas diffusion path
By pinching the further via a disc-shaped separator, the disc stacking the solid oxide fuel cell stack between the upper cover and the lower cover, the interconnector is composed of foam or felt of 80% or more of porosity, mainly Fuel gas provided
A supply part and a fuel gas communicating with the supply part and opening at an outer peripheral part;
An oxidizing gas supply unit provided in the diffusion passage and the center;
Oxidant gas diffusion passage opening at the outer peripheral portion
The road is divided into a plurality of zigzag
Formed by diffusion channels and supplied to their respective central parts
The concentration of fuel gas and oxidizing gas in the diffusion passage
The disc-stacked solid electrolyte fuel cell has a special feature that the structure becomes lower as it goes.
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