JP3466960B2 - Flat cell with holding thin frame and fuel cell using the same - Google Patents

Flat cell with holding thin frame and fuel cell using the same

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JP3466960B2 JP13979999A JP13979999A JP3466960B2 JP 3466960 B2 JP3466960 B2 JP 3466960B2 JP 13979999 A JP13979999 A JP 13979999A JP 13979999 A JP13979999 A JP 13979999A JP 3466960 B2 JP3466960 B2 JP 3466960B2
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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、平板型単電池とセ
パレータとを積層した固体電解質燃料電池に関し、特に
固体電解質燃料電池に供給したガスの積層間での漏洩を
防止した固体電解質燃料電池の平板型単電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell in which a flat type cell and a separator are laminated, and more particularly, to a solid electrolyte fuel cell in which leakage of gas supplied to the solid electrolyte fuel cell is prevented between laminations. The present invention relates to a flat cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近、例えば空気と水素をそれぞれ、酸
化剤ガスおよび燃料ガスとして、燃料が本来持っている
化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電
池が、省資源、環境保護の観点から注目されており、特
に固体電解質燃料電池は発電効率が高く、廃熱を有効に
利用できるなど多くの利点を有するため研究、開発が進
んでいる。
2. Description of the Related Art Recently, a fuel cell which directly converts chemical energy originally possessed by a fuel into electric energy by using, for example, air and hydrogen as an oxidant gas and a fuel gas respectively, has attracted attention from the viewpoint of resource saving and environmental protection. In particular, solid electrolyte fuel cells have many advantages such as high power generation efficiency and effective utilization of waste heat, and thus research and development are progressing.

【0003】図21に、従来の内部マニホールド方式の
平板型固体電解質燃料電池を示す。
FIG. 21 shows a conventional internal manifold type flat plate type solid electrolyte fuel cell.

【0004】固体電解質燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガ
スとを供給するため、固体電解質燃料電池のセパレータ
等にそれぞれのガスの給排気孔を設け、これらの孔から
各平板型単電池の各電極面に各ガスを給排気するように
したものを内部マニホールド形式と称している。
In order to supply the fuel gas and the oxidant gas to the solid electrolyte fuel cell, the gas supply / exhaust holes for the respective gas are provided in the separator of the solid electrolyte fuel cell, etc., and the electrodes of each flat plate type cell are formed through these holes. An internal manifold type is one in which each gas is supplied and exhausted.

【0005】図21に示すように平板型固体電解質燃料
電池100は、イットリアなどをドープしたジルコニア
焼結体(YSZ)からなる平板型固体電解質層6の両面
に、それぞれ(La、Sr)MnO3 の空気極8と、
Ni/YSZサーメットの燃料極10とを配置してなる
平板型単電池4と、隣接する平板型単電池4同士を電気
的に直列に接続し、かつ平板型単電池4に燃料ガスと酸
化剤ガスとを分配するセパレータ12からなり、セパレ
ータ12に形成された収容部16に平板型単電池4を収
容し、順次セパレータ12と平板型単電池4とを交互に
積層し、通路14からそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスと
導入し、各平板型単電池4の各電極8、10面にこれら
燃料ガスと酸化剤ガスを接触させることにより起電力を
発生させている。
As shown in FIG. 21, in a flat plate type solid electrolyte fuel cell 100, (La, Sr) MnO 3 is formed on both surfaces of a flat plate type solid electrolyte layer 6 made of a zirconia sintered body (YSZ) doped with yttria or the like. Air electrode 8
A flat plate type cell 4 in which a fuel electrode 10 of Ni / YSZ cermet is arranged and adjacent flat plate type cells 4 are electrically connected in series, and a fuel gas and an oxidizer are added to the flat plate type cell 4. A flat plate type cell 4 is housed in a containing portion 16 formed in the separator 12, and the separator 12 and the flat plate type cell 4 are alternately stacked in order, and fuel is discharged from the passage 14 respectively. A gas and an oxidant gas are introduced, and an electromotive force is generated by bringing the fuel gas and the oxidant gas into contact with the surfaces of the electrodes 8 and 10 of each flat-type cell 4.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱応力
に対応するためセパレータ12の収容部16と平板型単
電池4との間には若干の隙間が設けてあり、その隙間を
通して燃料ガスや酸化剤ガスが他方のガスの側に流入し
たり、あるいはセパレータ12の積層間でガスのリーク
が発生することがある。このように、スタックの内部で
供給ガスのリークが生じると燃料ガスと酸化剤ガスが混
合して燃焼してしまい、燃料利用率が低下して燃料電池
の効率が低下し、更に燃料ガスの燃焼により局部的な温
度上昇を生じさせ、熱応力分布が不均一となり、クラッ
クや歪みの発生によりスタックの寿命を短縮させてしま
うことが発生することがあった。
However, a slight gap is provided between the accommodating portion 16 of the separator 12 and the flat cell 4 in order to cope with the thermal stress, and the fuel gas and the oxidizer are passed through the gap. The gas may flow into the other gas side, or a gas leak may occur between the stacked layers of the separators 12. In this way, when the supply gas leaks inside the stack, the fuel gas and the oxidant gas are mixed and burned, the fuel utilization rate is lowered, the efficiency of the fuel cell is lowered, and the combustion of the fuel gas is further reduced. As a result, a local temperature rise may occur, the thermal stress distribution may become non-uniform, and cracks and strains may occur, which may shorten the life of the stack.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
解決するため、燃料電池を次のように構成した。すなわ
ち、固体電解質燃料電池における平板型単電池に、この
平板型単電池の周囲に突出する保持薄板枠を設けること
とした。このように保持薄板枠を平板型単電池に設ける
ことにより、平板型単電池をセパレータの収容部に収容
したとき平板型単電池の保持薄板枠とセパレータとの間
とを密着させることにより、ガスが流通しないようにで
き、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止する。また、
平板型単電池とセパレータとを複数積層し、加熱した場
合の熱膨張差を緩和させることができる。
In the present invention, in order to solve the above problems, a fuel cell is constructed as follows. That is, it was decided to provide a flat plate single cell in a solid oxide fuel cell with a holding thin plate frame projecting around the flat plate single cell. By providing the holding thin plate frame in the flat plate type battery in this manner, when the flat plate type battery is housed in the housing portion of the separator, the holding thin plate frame of the flat plate type battery and the separator are brought into close contact with each other, so that the gas Can be prevented from flowing, and mixing of the fuel gas and the oxidant gas is prevented. Also,
It is possible to reduce the difference in thermal expansion when a plurality of flat plate type cells and separators are stacked and heated.

【0008】したがって、平板型単電池に設けられた保
持薄板枠によりスタック内での燃料ガスと酸化剤ガスの
燃焼を防止し、局所的な温度上昇によるスタック等の破
損や燃料電池の効率低下を防止できる。
Therefore, combustion of the fuel gas and the oxidant gas in the stack is prevented by the holding thin plate frame provided in the flat type cell, and damage to the stack or the like due to a local temperature rise and the efficiency of the fuel cell are reduced. It can be prevented.

【0009】取りつけられる保持薄板枠としては、Al
を0.1%以上含む合金製で厚さが0.5mm以下の薄板
で形成し、例えば平板型単電池の電解質層にガラス材、
ろう材あるいは溶接等により接合し、各ガスの流通、各
電極との接触を妨げないものとする。また、保持薄板枠
にうねりを形成し密着させるようにしてもよい。平板型
単電池としては、燃料極支持、あるいは空気極支持のい
ずれでもよい。
The holding thin plate frame to be mounted is made of Al
Made of an alloy containing 0.1% or more and having a thickness of 0.5 mm or less, for example, a glass material for the electrolyte layer of a flat-type cell,
It should be joined by brazing or welding so as not to prevent the flow of each gas and the contact with each electrode. In addition, the holding thin plate frame may be formed with undulations so as to be in close contact. The flat cell may be supported by the fuel electrode or the air electrode.

【0010】また、上記保持薄板枠と平板型単電池とを
用いて固体電解質燃料電池を構成し、ガスの漏洩を防止
するとともに構成部材間の熱膨張差に起因する応力を吸
収することとした。
Further, a solid electrolyte fuel cell is constructed by using the holding thin plate frame and the flat plate type cell to prevent leakage of gas and absorb stress caused by a difference in thermal expansion between constituent members. .

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明にかかる平板型単電池の実
施形態について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a flat-type cell according to the present invention will be described.

【0012】図5に、内部マニホールド方式の平板型固
体電解質燃料電池を示す。
FIG. 5 shows an internal manifold type flat plate type solid electrolyte fuel cell.

【0013】図5に示すように、燃料電池2は、セパレ
ータ12と平板型単電池4からなり、平板型単電池4を
セパレータ12に形成された収容部16に収容して交互
に積層される。燃料電池2は、セパレータ12等の電池
材料が空気および燃料の各ガスの給排気、分配および電
気的接続の機能を兼ね備える一体型の内部マニホールド
方式の構造である。
As shown in FIG. 5, the fuel cell 2 comprises a separator 12 and a flat plate type cell 4, and the flat plate type cell 4 is housed in a housing portion 16 formed in the separator 12 and stacked alternately. . The fuel cell 2 has a structure of an integral internal manifold system in which the cell material such as the separator 12 has the functions of supplying / exhausting, distributing and electrically connecting each gas of air and fuel.

【0014】セパレータ12は、セラミックからなり、
中央部分に収容部16を、また周囲に各ガスが流通する
通路14を備え、通路14から収容部16へ各ガスが分
配されるようになっている。収容部16は、平板型単電
池4とほぼ同形に形成してあり、底部には複数の溝22
が形成してある。
The separator 12 is made of ceramic,
A housing portion 16 is provided in the central portion, and a passage 14 through which each gas flows is provided around the housing portion, so that each gas is distributed from the passage 14 to the housing portion 16. The accommodating portion 16 is formed in substantially the same shape as the flat-type cell 4, and has a plurality of grooves 22 at the bottom.
Is formed.

【0015】平板型単電池4は、図1、図3に示すよう
にイットリアなどをドープしたジルコニア焼結体(YS
Z)からなる平板型固体電解質層6の両面に、それぞれ
(La、Sr)MnO3 の空気極8と、Ni/YSZ
サーメットの燃料極10とを配置してあり、更に電解質
層6の上面には、保持薄板枠3が取り付けられている。
As shown in FIGS. 1 and 3, the flat plate type cell 4 has a zirconia sintered body (YS) doped with yttria or the like.
Z) on both sides of the flat plate-type solid electrolyte layer 6, an air electrode 8 of (La, Sr) MnO 3 and Ni / YSZ, respectively.
A cermet fuel electrode 10 is disposed, and a holding thin plate frame 3 is attached to the upper surface of the electrolyte layer 6.

【0016】保持薄板枠3は、ステンレス材、あるいは
ステンレスにアルミニウムを0.1%以上10%以下含
有した合金等の薄板からなり、図4に示すように中央部
分が平板型単電池4の空気極8を避けるように空間にな
っている。保持薄板枠3の厚みは0.5mmかそれ以下
であり、外辺は燃料ガスの通路14等に達しない長さで
ある。保持薄板枠3の厚みを0.5mm以上とすると、
セパレータ12の熱応力を緩和させる効果が減少してし
まうため好ましくない。これにより、保持薄板枠3は適
度な柔らかさと密閉性を備えている。またアルミニウム
の含有量が、0.1%以下では鋼表面に表われるCr
の皮膜が電池を劣化させ、一方10%以上では、材
質がもろくなり、好ましくない。更に、保持薄板枠3の
熱膨張係数は、14ppm(25℃〜800℃)以下で
ある。熱膨張係数を14ppm以下としたのは、この数
値を超えると、熱膨張等に起因する応力がセパレータ1
2を破損させることが生じるためである。
The holding thin plate frame 3 is made of a thin plate made of stainless steel or an alloy containing 0.1% or more and 10% or less of aluminum in stainless steel, and as shown in FIG. It is a space that avoids pole 8. The holding thin plate frame 3 has a thickness of 0.5 mm or less, and the outer periphery thereof has a length that does not reach the fuel gas passage 14 or the like. If the thickness of the holding thin plate frame 3 is 0.5 mm or more,
This is not preferable because the effect of relaxing the thermal stress of the separator 12 decreases. As a result, the holding thin plate frame 3 has appropriate softness and hermeticity. When the content of aluminum is 0.1% or less, Cr 2 appearing on the steel surface
The film of O 3 deteriorates the battery, while if it is 10% or more, the material becomes brittle, which is not preferable. Furthermore, the thermal expansion coefficient of the holding thin plate frame 3 is 14 ppm (25 ° C. to 800 ° C.) or less. The coefficient of thermal expansion is set to 14 ppm or less, because when the value exceeds this value, the stress due to thermal expansion or the like is increased by the separator 1.
This is because the 2 may be damaged.

【0017】平板型単電池4と保持薄板枠3は、ガラス
等の接合材11により平板型単電池4表面の周囲に一体
に固着してある。図2に保持薄板枠3を取り付けた平板
型単電池4を示す。
The flat type cell 4 and the holding thin plate frame 3 are integrally fixed to the periphery of the surface of the flat type cell 4 by a bonding material 11 such as glass. FIG. 2 shows a flat plate type cell 4 to which the holding thin plate frame 3 is attached.

【0018】次に、燃料電池2の作用について説明す
る。
Next, the operation of the fuel cell 2 will be described.

【0019】平板型単電池4をセパレータ12の収容部
16に取りつけ、順次積層して燃料電池2を組み立てる
と、保持薄板枠3がセパレータ12間に挟まれ、平板型
単電池4と収容部16との周囲の隙間を上方から閉塞す
る。
When the flat-type cell 4 is attached to the accommodating portion 16 of the separator 12 and the fuel cell 2 is assembled by sequentially stacking the holding thin plate frame 3 between the separators 12, the flat-type cell 4 and the accommodating portion 16 are sandwiched. The gap around and is closed from above.

【0020】すると、平板型単電池4の空気極8側部分
と収容部16内に収容された燃料極6側の部分が保持薄
板枠3により遮断され、燃料電池2に空気および燃料ガ
スを供給して発電を開始したとき、燃料ガスが空気等の
酸化剤ガスと接して燃焼することがなく、燃料ガスと酸
化剤ガスの燃焼による効率の低下や局所的な温度上昇に
よるセパレータ12やスタックの割れ、破損等を防止す
ることができる。
Then, the air electrode 8 side portion of the flat plate type cell 4 and the fuel electrode 6 side portion accommodated in the accommodating portion 16 are cut off by the holding thin plate frame 3, and air and fuel gas are supplied to the fuel cell 2. Then, when the power generation is started, the fuel gas does not come into contact with the oxidant gas such as air and burns, and the efficiency of the combustion of the fuel gas and the oxidant gas is reduced and the temperature of the separator 12 or the stack is locally increased. It is possible to prevent cracking and damage.

【0021】次に、保持薄板枠3の他の例を説明する。
図6は、保持薄板枠3にプレス加工等を行ない、周囲に
湾曲部を形成したものである。形成する湾曲部は、保持
薄板枠3の全周に形成しても、あるいは、一部箇所でも
よい。このようにすると、積層した際湾曲部が応力を吸
収し、安全性を高めることができる。
Next, another example of the holding thin plate frame 3 will be described.
In FIG. 6, the holding thin plate frame 3 is subjected to press working or the like to form a curved portion on the periphery. The curved portion to be formed may be formed on the entire circumference of the holding thin plate frame 3, or may be a part thereof. In this way, the curved portion absorbs the stress when laminated and the safety can be improved.

【0022】図7は、接合材11を平板型単電池4の周
縁に配置し、保持薄板枠3を固着させたものである。こ
のようにすると、燃料極10に直接接合材11を接合さ
せることができ、電解質6の剥離の影響を受けることが
ない。また、燃料極10は、溶接することができること
から、保持薄板枠3を溶接によって固着させてもよい。
In FIG. 7, the bonding material 11 is arranged at the periphery of the flat plate type cell 4 and the holding thin plate frame 3 is fixed. By doing so, the bonding material 11 can be directly bonded to the fuel electrode 10 and is not affected by the separation of the electrolyte 6. Further, since the fuel electrode 10 can be welded, the holding thin plate frame 3 may be fixed by welding.

【0023】図8は、保持薄板枠3を所定の形状に形成
したもので、保持薄板枠3は平板でなく、セパレータ1
2、あるいは支持手段の形状に応じて適宜加工してもよ
い。
FIG. 8 shows the holding thin plate frame 3 formed in a predetermined shape. The holding thin plate frame 3 is not a flat plate but a separator 1
2, or may be appropriately processed depending on the shape of the supporting means.

【0024】図9は、保持薄板枠3を電解質6上に直接
載せ、保持薄板枠3の内側に接合材11を塗布したもの
で、このようにして保持薄板枠3を固定してもよい。
In FIG. 9, the holding thin plate frame 3 is directly placed on the electrolyte 6, and the bonding material 11 is applied to the inside of the holding thin plate frame 3. The holding thin plate frame 3 may be fixed in this way.

【0025】図10は、保持薄板枠3を燃料極10側に
固定した例である。保持薄板枠3は接合材11で燃料極
10に接着してあり、更に、燃料極10の側面全周に接
合材11が塗布してある。これは、燃料極10は多孔質
であることから、接合材11によって燃料極10の内部
を通過して漏洩するガスを遮断するためである。また、
このように燃料極10側に固定した保持薄板枠3を屈曲
させて空気極8側に延設してもよい。
FIG. 10 shows an example in which the holding thin plate frame 3 is fixed to the fuel electrode 10 side. The holding thin plate frame 3 is adhered to the fuel electrode 10 with a bonding material 11, and the bonding material 11 is applied to the entire circumference of the side surface of the fuel electrode 10. This is because, since the fuel electrode 10 is porous, the bonding material 11 blocks the gas passing through the inside of the fuel electrode 10 and leaking. Also,
In this way, the holding thin plate frame 3 fixed to the fuel electrode 10 side may be bent and extended to the air electrode 8 side.

【0026】更に保持薄板枠3は、平板型単電池4の周
囲のみでなく、図11に示すように保持薄板枠3の外周
部分をセパレータ12の形状と同様に形成してもよい。
このように形成すれば、積層した際保持薄板枠3の段差
が生じることがなく、密着度を高めることができる。
Further, the holding thin plate frame 3 may have not only the periphery of the flat plate type cell 4 but also the outer peripheral portion of the holding thin plate frame 3 having the same shape as the separator 12 as shown in FIG.
If formed in this way, a level difference of the holding thin plate frame 3 does not occur when stacked, and the degree of adhesion can be improved.

【0027】更に、保持薄板枠付き平板型単電池を他の
構造の固体電解質燃料電池に用いた例を説明する。
Further, an example in which the flat plate type single cell with a holding thin plate frame is used in a solid electrolyte fuel cell having another structure will be described.

【0028】図14に、固体電解質燃料電池を示す。FIG. 14 shows a solid oxide fuel cell.

【0029】燃料電池42は、セラミックセパレータ4
4と、合金セパレータ46と、平板型単電池48を組み
合わせて構成された単電池50を複数積層して形成して
あり、セラミックセパレータ44や合金セパレータ46
が、空気および燃料の各ガスの給排気、分配および電気
的接続の機能を兼ね備える一体型の内部マニホールド方
式の平板型固体電解質燃料電池である。
The fuel cell 42 comprises a ceramic separator 4
4, an alloy separator 46, and a flat-type cell 48 are combined to form a plurality of unit cells 50. The ceramic separator 44 and the alloy separator 46 are formed.
Is a flat-type solid electrolyte fuel cell of an integrated internal manifold type having the functions of supply / exhaust of air and fuel, distribution, and electrical connection.

【0030】セラミックセパレータ44は、ほぼ正方形
で、アルミナ、マグネシア等のセラミック材から形成さ
れている。セラミックセパレータ44の中央には、図1
4に示すように平板型単電池8を収容する収容部52が
形成してあり、収容部52の周囲に燃料ガス用供給通路
54と、燃料ガス用排気通路56と、酸化剤ガス用供給
通路58と、酸化剤ガス用排気通路60が形成されてい
る。
The ceramic separator 44 has a substantially square shape and is made of a ceramic material such as alumina or magnesia. The center of the ceramic separator 44 is shown in FIG.
4, a housing portion 52 for housing the flat plate type cell 8 is formed, and a fuel gas supply passage 54, a fuel gas exhaust passage 56, and an oxidant gas supply passage are formed around the housing portion 52. 58 and an oxidant gas exhaust passage 60 are formed.

【0031】収容部52は、平板型単電池48にほぼ等
しい正方形状に形成してあり、収容部52の底部には、
燃料ガス用供給通路54から燃料ガス用排気通路56に
向かう方向に沿って底部全面に溝53と、中心に導電材
を詰める導電孔51が形成してある。
The accommodating portion 52 is formed in a square shape almost equal to the flat type cell 48, and the bottom of the accommodating portion 52 is
A groove 53 is formed on the entire bottom surface along the direction from the fuel gas supply passage 54 to the fuel gas exhaust passage 56, and a conductive hole 51 for filling a conductive material is formed at the center.

【0032】図12、図13に、保持薄板枠3の外周部
分をセラミックセパレータ44の形状と同様に加工した
内部マニホールド方式の平板型固体電解質燃料電池42
の断面図を示す。図12は、図15におけるA矢視の断
面図であり、図13は、図15におけるB矢視の断面図
である。
12 and 13, a flat plate type solid electrolyte fuel cell 42 of the internal manifold type in which the outer peripheral portion of the holding thin plate frame 3 is processed in the same manner as the shape of the ceramic separator 44.
FIG. 12 is a sectional view taken along arrow A in FIG. 15, and FIG. 13 is a sectional view taken along arrow B in FIG.

【0033】燃料ガス用供給通路54と、燃料ガス用排
気通路56は、収容部52を挟んで対向して形成してあ
り、かつ収容部52の向き合う辺と平行にほぼ同じ長さ
に形成してある。また燃料ガス用供給通路54と燃料ガ
ス用排気通路56の内側には、通路74、76が形成し
てある。通路74、76は、溝53に開口し、かつ図1
2に示すように段部70、71が形成してあり、段部7
0、71により通路74、76が燃料ガス用供給通路5
4と燃料ガス用排気通路56にそれぞれ連通している。
The fuel gas supply passage 54 and the fuel gas exhaust passage 56 are formed so as to face each other with the accommodating portion 52 interposed therebetween, and are formed to have substantially the same length in parallel with the facing sides of the accommodating portion 52. There is. Passages 74 and 76 are formed inside the fuel gas supply passage 54 and the fuel gas exhaust passage 56. The passages 74, 76 open into the groove 53 and
As shown in FIG. 2, stepped portions 70 and 71 are formed, and the stepped portion 7
0, 71 make the passages 74, 76 the fuel gas supply passage 5
4 and the fuel gas exhaust passage 56, respectively.

【0034】また、合金セパレータ46は、耐熱性合金
からなり、裏面側に酸化剤ガス用供給通路58から酸化
剤ガス用排気通路60に向かう方向に沿った溝(図示せ
ず)が複数形成してある。溝は、平板型単電池48を積
層したとき、その空気極に対面するように平板型単電池
48とほぼ同一形状の部分に形成してある。酸化剤ガス
用供給通路58と酸化剤ガス用排気通路60は、溝が形
成されている箇所の向き合う辺と平行に、かつその辺と
ほぼ同じ長さに形成してある。
The alloy separator 46 is made of a heat-resistant alloy and has a plurality of grooves (not shown) formed on the back surface thereof along the direction from the oxidant gas supply passage 58 to the oxidant gas exhaust passage 60. There is. The groove is formed in a portion having substantially the same shape as the flat plate type single battery 48 so as to face the air electrode when the flat plate type single battery 48 is stacked. The oxidant gas supply passage 58 and the oxidant gas exhaust passage 60 are formed in parallel with the facing sides of the portion where the groove is formed and with substantially the same length as the sides.

【0035】また、酸化剤ガス用供給通路58と酸化剤
ガス用排気通路60の内側には、溝に開口する通路7
8、80が形成してある。更に酸化剤ガス用供給通路5
8と通路78の間、及び酸化剤ガス用排気通路60と通
路70の間に、図13に示すように段部72、73が形
成してあり、段部72、73により通路78、80が酸
化剤ガス用供給通路58と酸化剤ガス用排気通路60と
それぞれ連通している。
Inside the oxidant gas supply passage 58 and the oxidant gas exhaust passage 60, there is a passage 7 that opens into a groove.
8 and 80 are formed. Further, the oxidant gas supply passage 5
8 and the passage 78, and between the oxidant gas exhaust passage 60 and the passage 70, step portions 72 and 73 are formed as shown in FIG. 13, and the step portions 72 and 73 form the passages 78 and 80. The oxidant gas supply passage 58 and the oxidant gas exhaust passage 60 communicate with each other.

【0036】平板型単電池48は、ほぼ正方形で、YS
Zからなる平板型固体電解質層の両面にそれぞれ(L
a、Sr)MnO の空気極とNi/YSZサーメッ
トの燃料極(いずれも図示せず)とを配置して形成して
ある。更に平板型単電池8の表面には保持薄板枠3が取
り付けられている。
The flat type cell 48 has a substantially square shape and is of the YS type.
On both sides of the flat plate type solid electrolyte layer made of Z (L
a, Sr) MnO 3 air electrode and Ni / YSZ cermet fuel electrode (neither shown). Further, the holding thin plate frame 3 is attached to the surface of the flat plate type cell 8.

【0037】次に、燃料電池42の作用について説明す
る。
Next, the operation of the fuel cell 42 will be described.

【0038】燃料電池42は、図12または図13に示
すように、セラミックセパレータ44と平板型単電池4
8と合金セパレータ46を交互に積層し、上下方向に所
定の荷重等をかけ、互いの隙間を密閉する。すると、各
セラミックセパレータ44と合金セパレータ46の燃料
ガス用供給通路54、燃料ガス用排気通路56、酸化剤
ガス用供給通路58、酸化剤ガス用排気通路60が縦方
向にそれぞれ連通し、燃料電池40の内部に各ガスの通
路が上下方向に4本形成される。更に、保持薄板枠3に
より収容部と平板型単電池48との間が閉鎖される。
As shown in FIG. 12 or 13, the fuel cell 42 includes a ceramic separator 44 and a flat-type cell 4.
8 and the alloy separator 46 are alternately laminated, and a predetermined load or the like is applied in the vertical direction to seal the gap between them. Then, the fuel gas supply passage 54, the fuel gas exhaust passage 56, the oxidant gas supply passage 58, and the oxidant gas exhaust passage 60 of the ceramic separators 44 and the alloy separators 46 communicate with each other in the vertical direction, and the fuel cell Four passages for each gas are formed inside 40 in the vertical direction. Further, the holding thin plate frame 3 closes the space between the accommodation portion and the flat plate type cell 48.

【0039】そして、燃料ガス用供給通路54に燃料ガ
スを供給すると、図12の矢印に示すように燃料ガス
は、段部70を通って通路74を通り、溝53を流れ、
平板型単電池48の燃料極に接触する。平板型単電池4
8の燃料極に接触した燃料ガスは、溝53を通過して通
路76を通り、段部71から燃料ガス用排気通路56に
流入し、排気される。
When the fuel gas is supplied to the fuel gas supply passage 54, the fuel gas flows through the step portion 70, the passage 74 and the groove 53 as shown by the arrow in FIG.
It contacts the fuel electrode of the flat cell 48. Flat type cell 4
The fuel gas that has come into contact with the fuel electrode of No. 8 passes through the groove 53, passes through the passage 76, flows from the step portion 71 into the fuel gas exhaust passage 56, and is exhausted.

【0040】また、図13に示すように空気を酸化剤ガ
ス用供給通路58に供給すると、空気は段部72を通
り、通路78から溝に流入して平板型単電池48の空気
極に接触する。平板型単電池48の空気極に接触した空
気は、溝を通過して通路80を通り、段部73から酸化
剤ガス用排気通路60に流入し、排気される。
Further, as shown in FIG. 13, when air is supplied to the oxidizing gas supply passage 58, the air passes through the stepped portion 72, flows into the groove from the passage 78, and comes into contact with the air electrode of the flat type cell 48. To do. The air in contact with the air electrode of the flat plate type cell 48 passes through the groove, passes through the passage 80, flows from the stepped portion 73 into the oxidant gas exhaust passage 60, and is exhausted.

【0041】燃料電池42を所定の温度に上昇させた上
で、このように平板型単電池48の燃料極と空気極にそ
れぞれ燃料ガスと空気とを接触させると、平板型単電池
48で発電がおこなわれ、各単電池50を直列に接続し
て、電流を取り出すことができる。
When the fuel cell 42 is heated to a predetermined temperature and the fuel gas and the air are respectively brought into contact with the fuel electrode and the air electrode of the flat plate type cell 48, the flat plate type cell 48 generates electricity. Then, the electric currents can be taken out by connecting the unit cells 50 in series.

【0042】このように燃料電池42によれば、各ガス
の通路が平板型単電池48の各辺に対して平行で、しか
も各辺とほぼ同じ長さに形成してあることから、燃料ガ
ス及び空気等の酸化剤ガスが均等に平板型単電池48に
接触することから、効率のよい発電作用を実現すること
ができる。更に、保持薄板枠3により燃料ガスと空気と
の遮断が完全に行なわれ、ガスのリークによる発電効率
の低下を防止し、また局所的な温度上昇を防止してセパ
レータ44の破損、われ等を防止することができる。
As described above, according to the fuel cell 42, the passage of each gas is formed in parallel to each side of the flat plate type cell 48 and is formed to have substantially the same length as each side. Since the oxidant gas such as air and the air are evenly contacted with the flat-type cell 48, an efficient power generation operation can be realized. Further, the holding thin plate frame 3 completely shuts off the fuel gas from the air to prevent a decrease in power generation efficiency due to a gas leak, and also to prevent a local rise in temperature to prevent the separator 44 from being damaged or cracked. Can be prevented.

【0043】また、保持薄板枠3は、平板型単電池4の
周囲のみでなく、図15に示すように保持薄板枠3の外
周部分をセパレータ44と同様の形状に形成してもよ
い。
Further, the holding thin plate frame 3 may have not only the periphery of the flat plate type cell 4 but also the outer peripheral portion of the holding thin plate frame 3 in the same shape as the separator 44 as shown in FIG.

【0044】更に他の実施形態を図16に示す。FIG. 16 shows still another embodiment.

【0045】この燃料電池82は、セパレータ92に4
箇所の収容部96を備え、また各収容部96に適合した
平板型単電池84を収容部96と同数備えて構成されて
いる。平板型単電池84の構成は、形状が異なるのみで
上記平板型単電池4と同様の構成である。更に保持薄板
枠83は、平板型単電池84の空気極88に合わせて切
り欠きが形成してある。
This fuel cell 82 has four separators 92.
It is configured such that it is provided with the accommodating portions 96 at some locations, and the same number of the plate type single cells 84 that are suitable for each accommodating portion 96 are provided. The flat plate type cell 84 has the same configuration as the flat plate type cell 4 described above except for the shape. Further, the holding thin plate frame 83 is formed with a notch in accordance with the air electrode 88 of the flat plate type cell 84.

【0046】このように平板型単電池84を複数有する
燃料電池82においても、保持薄板枠83を用いること
により、ガスのシール性を向上させ、しかも熱応力差を
解消させることができる。
As described above, also in the fuel cell 82 having a plurality of flat type cells 84, by using the holding thin plate frame 83, the gas sealability can be improved and the thermal stress difference can be eliminated.

【0047】また、保持薄板枠3は、平板型単電池84
の周囲のみでなく、図17に示すように保持薄板枠3の
外周部分をセパレータ92と同様の形状に形成してもよ
い。
Further, the holding thin plate frame 3 is a flat type cell 84.
In addition to the periphery, the outer peripheral portion of the holding thin plate frame 3 may be formed in the same shape as the separator 92 as shown in FIG.

【0048】尚上記例では、接合材11をガラス製とし
たが、本発明は接合材11をニッケルをベースとしたろ
う材、あるいは活性化金属ろう(Ag−Cu−Ti等)
としてもよく、これを用いて保持薄板枠3を固着させて
もよい。接合材11にガラスを用いた場合は、接合作業
が容易であり、また、ろう材等を用いて接合した場合
は、強固な接合力を得ることができる。
In the above example, the joining material 11 is made of glass, but in the present invention, the joining material 11 is a nickel-based brazing material or an activated metal brazing material (Ag-Cu-Ti, etc.).
The holding thin plate frame 3 may be fixed by using this. When glass is used as the bonding material 11, the bonding work is easy, and when bonding is performed using a brazing material or the like, a strong bonding force can be obtained.

【0049】また、平板型単電池4の形状は、四角形に
限らず、他の角形、楕円形、あるいは図18から図20
に示すような円形等他の形状であってもよい。図18
は、他の例にかかる保持薄板枠3付きの平板型単電池4
の平面図であり、図19は図18に示す平板型単電池4
の平面図であり、図20は、図18に示す保持薄板枠3
を示す図である。さらに、平板型単電池4は平板状に限
らず、曲面状、凹凸を有する等適宜湾曲していてもよ
い。
Further, the shape of the flat plate type cell 4 is not limited to a quadrangle, but other square shapes, elliptical shapes, or FIGS.
Other shapes such as a circle as shown in FIG. FIG.
Is a flat-type cell 4 with a holding thin plate frame 3 according to another example.
FIG. 19 is a plan view of the flat-type cell 4 shown in FIG.
20 is a plan view of the holding thin plate frame 3 shown in FIG.
FIG. Furthermore, the flat plate type battery 4 is not limited to a flat plate shape, and may be curved as appropriate such as having a curved surface shape or unevenness.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明の保持薄板枠付き平板型単電池に
よれば、平板型単電池に取りつけられた保持薄板枠によ
り、平板型単電池とセパレータとを積層した場合、セパ
レータと平板型単電池との隙間を閉鎖し、燃料ガスと酸
化剤ガスの混合を防止し、局所的な燃料ガスの燃焼によ
る温度分布の不均一を防止し、かつ熱膨張の差によるス
タック等の破損を防ぎ、また、燃料電池の発電効率の低
下を防止することができる。
According to the flat plate type single cell with the holding thin plate frame of the present invention, when the flat plate type single cell and the separator are laminated by the holding thin plate frame attached to the flat plate type single cell, the separator and the flat plate type single cell are stacked. Closing the gap with the cell, preventing the mixing of fuel gas and oxidant gas, preventing uneven temperature distribution due to local combustion of fuel gas, and preventing damage to the stack etc. due to difference in thermal expansion, In addition, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency of the fuel cell.

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

【図1】本発明にかかる保持薄板枠付き平板型単電池を
示す図である。
FIG. 1 is a view showing a flat plate type cell with a holding thin plate frame according to the present invention.

【図2】図1に示す保持薄板枠付き平板型単電池の平面
図である。
FIG. 2 is a plan view of the flat plate type cell with a holding thin plate frame shown in FIG.

【図3】平板型単電池の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a flat cell.

【図4】保持薄板枠を示す図である。FIG. 4 is a view showing a holding thin plate frame.

【図5】本発明にかかる固体電解質燃料電池を示す図で
ある。
FIG. 5 is a diagram showing a solid oxide fuel cell according to the present invention.

【図6】本発明にかかる保持薄板枠付き平板型単電池の
他の例を示す図である。
FIG. 6 is a view showing another example of a flat plate type cell with a holding thin plate frame according to the present invention.

【図7】本発明にかかる保持薄板枠付き平板型単電池の
他の例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing another example of a flat plate type cell with a holding thin plate frame according to the present invention.

【図8】本発明にかかる保持薄板枠付き平板型単電池の
他の例を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing another example of a flat plate type cell with a holding thin plate frame according to the present invention.

【図9】本発明にかかる保持薄板枠付き平板型単電池の
他の例を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing another example of a flat plate type cell with a holding thin plate frame according to the present invention.

【図10】本発明にかかる保持薄板枠付き平板型単電池
の他の例を示す図である。
FIG. 10 is a view showing another example of a flat plate type cell with a holding thin plate frame according to the present invention.

【図11】本発明にかかる固体電解質燃料電池の他の例
を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing another example of the solid electrolyte fuel cell according to the present invention.

【図12】本発明にかかる固体電解質燃料電池の他の例
を示す図である。
FIG. 12 is a view showing another example of the solid electrolyte fuel cell according to the present invention.

【図13】本発明にかかる固体電解質燃料電池の他の例
を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing another example of the solid electrolyte fuel cell according to the present invention.

【図14】本発明にかかる固体電解質燃料電池を示す分
解斜視図である。
FIG. 14 is an exploded perspective view showing a solid oxide fuel cell according to the present invention.

【図15】本発明にかかる固体電解質燃料電池の他の例
を示す分解斜視図である。
FIG. 15 is an exploded perspective view showing another example of the solid electrolyte fuel cell according to the present invention.

【図16】本発明にかかる固体電解質燃料電池の他の例
を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing another example of a solid oxide fuel cell according to the present invention.

【図17】本発明にかかる固体電解質燃料電池の他の例
を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing another example of the solid electrolyte fuel cell according to the present invention.

【図18】他の例にかかる保持薄板枠付き平板型単電池
の平面図である。
FIG. 18 is a plan view of a flat plate type cell with a holding thin plate frame according to another example.

【図19】図18の平板型単電池の平面図である。FIG. 19 is a plan view of the flat plate type cell of FIG. 18.

【図20】図18の保持薄板枠を示す図である。20 is a view showing the holding thin plate frame of FIG.

【図21】従来の固体電解質燃料電池を示す分解斜視図
である。
FIG. 21 is an exploded perspective view showing a conventional solid electrolyte fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2、42、82 燃料電池 3 保持薄板枠 4、48、84 平板型単電池 6 電解質 8、88 空気極 10 燃料極 12、92 セパレータ 16、52、96 収容部 14、54 燃料ガス用供給通路 16、56 燃料ガス用排気通路 18、58 酸化剤ガス用供給通路 20、60 酸化剤ガス用排気通路 22 溝 30、31、32、33 段部 34、36、38、40 通路 44 セラミックセパレータ 46 合金セパレータ 50 単電池 2, 42, 82 Fuel cell 3 holding thin plate frame 4, 48, 84 Flat type single cell 6 electrolyte 8,88 Air electrode 10 fuel pole 12, 92 separator 16, 52, 96 accommodation 14, 54 Fuel gas supply passage 16,56 Fuel gas exhaust passage 18, 58 Oxidant gas supply passage 20, 60 Exhaust passage for oxidant gas 22 groove 30, 31, 32, 33 steps 34, 36, 38, 40 passages 44 Ceramic separator 46 alloy separator 50 single cells

フロントページの続き (72)発明者 浦谷 美由紀 千葉県習志野市津田沼6−7−20−204 (56)参考文献 特開 平10−199555(JP,A) 特開 平9−115530(JP,A) 特開 平10−106597(JP,A) 特開 平7−14591(JP,A) 特開 平6−342668(JP,A) 特開 平6−29034(JP,A) 特開 平6−302328(JP,A) 特開 平4−17266(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 - 8/24 Front page continuation (72) Inventor Miyuki Uraya 6-7-20-204 Tsudanuma, Narashino-shi, Chiba (56) References JP-A-10-199555 (JP, A) JP-A-9-115530 (JP, A) JP 10-106597 (JP, A) JP 7-14591 (JP, A) JP 6-342668 (JP, A) JP 6-29034 (JP, A) JP 6-302328 (JP, A) JP-A-4-17266 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/00-8/24

Claims (20)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 固体電解質と、該固体電解質を挟む燃料
極及び空気極とから構成される固体電解質燃料電池の平
板型単電池において、 前記平板型単電池に、該平板型単電池の周囲に突出する
保持薄板枠を取り付け、前記保持薄板枠は、Alを0.
1%以上10%以下含有する合金のみで構成されている
ことを特徴とする薄板枠付き平板型単電池。
1. A flat-type cell for a solid electrolyte fuel cell comprising a solid electrolyte and a fuel electrode and an air electrode sandwiching the solid electrolyte, wherein the flat-type cell is provided around the flat-type cell. A protruding holding thin plate frame is attached, and the holding thin plate frame is made of Al.
A flat plate type cell with a thin plate frame, which is composed only of an alloy containing 1% or more and 10% or less.
【請求項2】 前記保持薄板枠は、0.5mm以下の厚
さであることを特徴とする請求項1に記載の薄板枠付き
平板型単電池。
2. The flat type cell with a thin plate frame according to claim 1, wherein the holding thin plate frame has a thickness of 0.5 mm or less.
【請求項3】 前記保持薄板枠は、熱膨張係数が常温か
ら800℃で平均14ppm以下の合金であることを特
徴とする請求項1または2に記載の薄板枠付き平板型単
電池。
3. The flat type cell with a thin plate frame according to claim 1, wherein the holding thin plate frame is an alloy having an average thermal expansion coefficient of 14 ppm or less at room temperature to 800 ° C.
【請求項4】 前記保持薄板枠は、周囲に応力を吸収す
るためのうねりを有することを特徴とする請求項1〜3
のいずれか1項に記載の薄板枠付き平板型単電池。
4. The holding thin plate frame has undulations for absorbing stress on the periphery thereof.
A flat plate type cell with a thin plate frame according to any one of 1.
【請求項5】 前記保持薄板枠は、前記平板型単電池
と、酸化ケイ素を含むガラス系シール剤を用いて接合さ
れていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項
に記載の薄板枠付き平板型単電池。
5. The holding thin plate frame is joined to the flat plate type cell using a glass-based sealant containing silicon oxide, according to any one of claims 1 to 4. Flat-type cell with thin plate frame.
【請求項6】 前記保持薄板枠は、前記平板型単電池
と、ろう材によりろう付けされていることを特徴とする
請求項1〜4のいずれか1項に記載の薄板枠付き平板型
単電池。
6. The flat-plate single cell with a thin plate frame according to claim 1, wherein the holding thin-plate frame is brazed to the flat-plate cell by a brazing material. battery.
【請求項7】 前記保持薄板枠は、前記燃料極と溶接法
により溶接されていることを特徴とする請求項1〜4の
いずれか1項に記載の薄板枠付き平板型単電池。
7. The flat type cell with a thin plate frame according to claim 1, wherein the holding thin plate frame is welded to the fuel electrode by a welding method.
【請求項8】 前記溶接箇所は前記燃料極の端面である
ことを特徴とする請求項7に記載の薄板枠付き平板型単
電池。
8. The flat cell with a thin plate frame according to claim 7, wherein the welded portion is an end surface of the fuel electrode.
【請求項9】 前記平板型単電池は、燃料極支持の支持
膜型単電池であることを特徴とする請求項1〜8のいず
れか1項に記載の薄板枠付き平板型単電池。
9. The flat plate type single cell with a thin plate frame according to claim 1, wherein the flat plate type single cell is a support membrane type single cell for supporting a fuel electrode.
【請求項10】 前記平板型単電池は、空気極支持の支
持膜型単電池であることを特徴とする請求項1〜6のい
ずれか1項に記載の薄板枠付き平板型単電池。
10. The flat plate type single cell with a thin plate frame according to claim 1, wherein the flat plate type single cell is a support film type single cell that supports an air electrode.
【請求項11】 平板型固体電解質と、該平板型固体電
解質を挟む燃料極及び空気極とから構成される平板型単
電池と、セパレータとからなる固体電解質燃料電池にお
いて、 前記平板型単電池に、該平板型単電池の周囲に突出す
る、Alを0.1%以上10%以下含有する合金のみで
構成される保持薄板枠を取り付け、前記セパレータと前
記平板型単電池とを順次積層し、ガスシールを、前記保
持薄板枠を利用して行なわせることを特徴とした固体電
解質燃料電池。
11. A solid electrolyte fuel cell comprising a flat plate type solid electrolyte, a flat plate type cell composed of a fuel electrode and an air electrode sandwiching the flat plate type solid electrolyte, and a separator, wherein: , Only an alloy containing 0.1% or more and 10% or less of Al protruding around the flat type cell
A solid electrolyte fuel cell characterized in that a holding thin plate frame configured is attached, the separator and the flat plate type cell are sequentially stacked, and gas sealing is performed using the holding thin plate frame.
【請求項12】 前記保持薄板枠は、0.5mm以下の
厚さであることを特徴とする請求項11に記載の固体電
解質燃料電池。
12. The solid electrolyte fuel cell according to claim 11, wherein the holding thin plate frame has a thickness of 0.5 mm or less.
【請求項13】 前記保持薄板枠は、熱膨張係数が常
温から800℃で平均14ppm以下の合金であること
を特徴とする請求項11または12に記載の薄板枠付き
固体電解質燃料電池。
13. The solid electrolyte fuel cell with a thin plate frame according to claim 11, wherein the holding thin plate frame is an alloy having an average thermal expansion coefficient of 14 ppm or less at room temperature to 800 ° C.
【請求項14】 前記保持薄板枠は、応力を吸収するた
めのうねりを周囲に有することを特徴とする請求項11
〜13のいずれか1項に記載の固体電解質燃料電池。
14. The holding thin plate frame has undulations for absorbing stress on the periphery thereof.
The solid electrolyte fuel cell according to any one of 1 to 13.
【請求項15】 前記保持薄板枠は、前記平板型単電池
と、酸化ケイ素を含むガラス系シール剤を用いて接合さ
れていることを特徴とする請求項11〜14のいずれか
1項に記載の固体電解質燃料電池。
15. The holding thin plate frame is joined to the flat plate type cell using a glass-based sealant containing silicon oxide, according to claim 11. Solid electrolyte fuel cell.
【請求項16】 前記保持薄板枠は、前記平板型単電池
と、ろう材によりろう付けされていることを特徴とする
請求項11〜14のいずれか1項に記載の固体電解質燃
料電池。
16. The solid electrolyte fuel cell according to claim 11, wherein the holding thin plate frame is brazed to the flat plate type single cell with a brazing material.
【請求項17】 前記保持薄板枠は、前記燃料極と溶接
法により溶接されていることを特徴とする請求項11〜
14のいずれか1項に記載の固体電解質燃料電池。
17. The holding thin plate frame is welded to the fuel electrode by a welding method.
15. The solid electrolyte fuel cell according to any one of 14 above.
【請求項18】 前記溶接箇所は前記燃料極の端面であ
ることを特徴とする請求項17に記載の固体電解質燃料
電池。
18. The solid electrolyte fuel cell according to claim 17, wherein the welded portion is an end surface of the fuel electrode.
【請求項19】 前記平板型単電池は、燃料極支持の支
持膜型単電池であることを特徴とする請求項11〜18
のいずれか1項に記載の固体電解質燃料電池。
19. The flat membrane type cell is a support membrane type cell for supporting a fuel electrode.
The solid electrolyte fuel cell according to any one of 1.
【請求項20】 前記平板型単電池は、空気極支持の支
持膜型単電池であることを特徴とする請求項11〜16
のいずれか1項に記載の固体電解質燃料電池。
20. The flat plate type cell is a support membrane type cell for supporting an air electrode.
The solid electrolyte fuel cell according to any one of 1.
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