JP3857960B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平板型の固体電解質型燃料電池に関し、更に詳しくは、固体電解質体を含む単セルに穴あけ加工をすることなく、積層時の位置決めが非常に容易で、熱応力に対して強い強靭な固体電解質型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、平板型の固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣとも記載する。）は、複数の単セルを積層した構造（以下、スタックとも記載する。）として使用される。平板型ＳＯＦＣスタックには、スタック内部にガス通路を備えた「内部マニホールド型」と、スタック外部にガス通路を備えた「外部マニホールド型」とがある。これらのうち、内部マニホールド型の従来技術として、例えば、図１３に示すものが知られている。
同図の平板型ＳＯＦＣスタックは、イットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺとも記載する。）からなる平板状の固体電解質体４１Ａの一方の面にニッケルとＹＳＺからなる燃料極を設け、他方の面にペロブスカイト複合酸化物｛例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト（略称、ＬＳＭ）｝からなる空気極を設けて単セル４Ａを構成し、複数の単セル４Ａが、ランタンクロマイト系複合酸化物もしくは耐熱性金属からなるセパレータ５Ａを介して積層された構造をなす。そして、固体電解質体４１Ａ及びセパレータ５Ａの四隅角部には、ガス通路用の貫通孔２２Ａが形成され、夫々の貫通孔２２Ａが単セル４Ａの燃料極及び空気極へのガスの出入り口となっている。さらに、固体電解質体４１Ａ及びセパレータ５Ａはガラス質のシール材で気密シールされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の平板型ＳＯＦＣスタックでは、下記のような問題点が挙げられる。
▲１▼加工性の悪いセラミックス材である固体電解質体に穴あけ加工を施しているので、歩留まりが悪くコスト高となる。
▲２▼上記の穴あけ加工で、固体電解質体の有する構造的な強度が大きく低下する。
▲３▼平板状の単セルやセパレータであるため積層時に位置ズレしやすい。また、室温で位置ズレすることなく積層したとしても、高温保持時にシール材であるガラスが溶融したときに再び位置ズレが起きやすく、ガス通路が塞がってしまう可能性がある。
▲４▼ガラス質のシール材を使用し、セパレータがランタンクロマイトである場合には、構成材料の全てが脆性材料であり熱応力に対して非常に弱い。
【０００４】
本発明は、上記従来技術で示した問題点を解決するため、固体電解質体を含む単セルに穴あけ加工をすることなく、積層時の位置決めが非常に容易で、熱応力に対して強い強靭な固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体電解質型燃料電池は、固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の面に空気極が設けられた単セルと、平板状の底壁部と、該底壁部の周縁から傾斜して延びる筒状の側壁部と、該側壁部の端縁から延びる環状のつば壁部とを有してなり、該底壁部と該側壁部とで形成される凹部に上記単セルが配置される皿状のセパレータと、上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、上記セパレータの上記つば壁部の上面側に配置される環状の外側隔離部と、上記単セルの上記固体電解質体の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部と、該外側隔離部及び該内側隔離部を連繋する側壁部とを有し、皿状の他のセパレータを配置するための凹部を有し、上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータと、を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備え、上記空気極は、上記固体電解質体の平面全域より小さな領域を有して形成されており、上記セパレータの上記凹部側に上記燃料極が位置するように上記単セルを配置するとともに、上記燃料極と上記セパレータの上記底壁部との間には第１弾性体が設けられ、上記空気極と上記他のセパレータの底壁部との間には第２弾性体が設けられ、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記固体電解質体の上面の周縁部との間には第３弾性体が設けられ、上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記セパレータの上記つば壁部との間には第４弾性体が設けられ、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記他のセパレータの底壁部との間、及び上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記他のセパレータのつば壁部との間には第５弾性体が設けられていることを特徴とする。
上記「固体電解質体」としては、いずれの従来公知の固体電解質を用いてもよい。例えば、安定化ジルコニア系酸化物（92mol%ＺｒＯ２-8mol%Ｙ２Ｏ３、89mol%ＺｒＯ２-11mol%Ｓｃ２Ｏ３）、ＬａＧａＯ３系酸化物（Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ３−δ、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0. １５Ｃｏ0.05Ｏ３−δ、不定比組成のため酸素欠陥分をδで示す、０<δ<０．３）、ＢａＣｅＯ３系酸化物（ＢａＣｅ0.8Ｙ0.2Ｏ3- δ、ＢａＣｅ0.9Ｎｄ0.1Ｏ3- δ、不定比組成のため酸素欠陥分をδで示す、０<δ<０．２）などを挙げることができる。また、上記「燃料極」としては、いずれの従来公知の材料でも良いが、例えば、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属、又は前記金属とＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＭｎＯ2等の金属酸化物との混合物を挙げることができる。また、上記「空気極」としては、いずれの従来公知の材料でも良いが、例えば、白金、又は金属酸化物、例えば、酸化ランタン、酸化ストロンチウム、酸化セリウム、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄又はこれらの組合せの複合酸化物等が挙げられる。また、上記「燃料極と空気極とを気密に隔離する」とは、燃料極へ通気されるガスと、空気極へ通気されるガスとを気密に隔離することを意味する。
【０００６】
また、前記セパレータ及び前記隔離セパレータの何れもが耐熱性金属で構成されていることができる。この耐熱性金属としては、例えば、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金（例えば、インコネル）、Ｍｏ基合金、Ｃｏ基合金、サーメット、分散強化形合金等を挙げることができる。特に、安価でかつ熱膨張係数がセラミックス材料に近いためフェライト系ステンレス合金であることが好ましい。
また、前記単セルは、ニッケルとＺｒＯ ２ 、ＣｅＯ ２ 、ＭｎＯ ２ 又はイットリア安定化ジルコニアとからなるサーメットからなる燃料極と、ペロブスカイト複合酸化物からなる空気極とを備えるとともに、前記第１弾性体がニッケルからなり、前記第２弾性体が耐熱性金属からなり、前記第３弾性体、前記第４弾性体及び前記第５弾性体の何れもがセラミックスからなることができる。なお、上記サーメットを主成分とするとは、燃料極を１００質量％とした場合に、サーメット成分が８０質量％以上（好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特に好ましくは実質的に１００％）であることを意味する。また、上記ペロブスカイト複合酸化物を主成分とするとは、空気極を１００質量％とした場合に、ペロブスカイト複合酸化物成分が８０質量％以上（好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特に好ましくは実質的に１００％）であることを意味する。また、ニッケルを主成分としてなりとは、第１弾性体を１００重量％とした場合に、ニッケル成分が８０質量％以上（好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特に好ましくは実質的に１００％）であることを意味する。また、耐熱性金属を主成分としてなりとは、第２弾性体を１００重量％とした場合に、耐熱性金属成分が８０質量％以上（好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特に好ましくは実質的に１００％）であることを意味する。さらに、セラミックスを主成分としてなるとは、前記第３弾性体（又は第４弾性体若しくは第５弾性体）を１００重量％とした場合に、セラミックス成分が８０質量％以上（好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特に好ましくは実質的に１００％）であることを意味する。
また、前記第１弾性体がニッケルフェルト又はニッケル発泡体からなることができる。好ましくは、ニッケルフェルトである。また、前記第２弾性体が耐熱性金属繊維の成形体、耐熱性金属フェルト及び耐熱性金属発泡体のうちのいずれか一種からなることができる。好ましくは、耐熱性金属フェルトである。さらに、前記第３弾性体、前記第４弾性体及び前記第５弾性体の何れもがアルミナ、シリカ及びジルコニアのうちの少なくとも一種からなる繊維からなる材質から構成されることができる。好ましくは、ムライト質アルミナ繊維マット（アルミナ70%-シリカ30%）、アルミナ繊維マット（アルミナ96%-シリカ4%）である。なお、繊維を主成分とするとは、第３弾性体（又は第４弾性体若しくは第５弾性体）を１００重量％とした場合に、上記繊維成分が８０質量％以上（好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特に好ましくは実質的に１００％）であることを意味する。
また、２以上の前記燃料電池ユニットが積層され、該２以上の燃料電池ユニットの最上端部の隔離セパレータに積層される皿状の蓋体と、該２以上の燃料電池ユニット、該蓋体及び前記弾性体を積層方向に加圧して保持する加圧保持手段と、を備えることができる。
【０００７】
他の本発明の固体電解質型燃料電池は、固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の面に空気極が設けられた単セルと、平板状の底壁部と、該底壁部の周縁から傾斜して延びる筒状の側壁部と、該側壁部の端縁から延びる環状のつば壁部とを有してなり、該底壁部と該側壁部とで形成される凹部に上記単セルが配置される皿状のセパレータと、上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、上記セパレータの上記つば壁部の上面側に配置される環状の外側隔離部と、上記単セルの上記固体電解質体の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部と、該外側隔離部及び該内側隔離部を連繋する側壁部とを有し、他の皿状のセパレータを配置するための凹部を有し、上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータと、を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備え、上記空気極は、上記固体電解質体の平面全域より小さな領域を有して形成されており、上記セパレータの上記凹部側に上記燃料極が位置するように上記単セルを配置するとともに、上記燃料極と上記セパレータの上記底壁部との間には第１弾性体が設けられ、上記空気極と上記他のセパレータの底壁部との間には第２弾性体が設けられ、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記固体電解質体の上面の周縁部との間、上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記セパレータの上記つば壁部との間、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記他のセパレータの底壁部との間、及び上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記他のセパレータのつば壁部との間には溶融形成されたシール体が設けられていることを特徴とする。ここで、上記シール体としては、公知の材料が使用でき、例えば、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２を主成分とする結晶化ガラス、雲母結晶（ＫＭｇ３ＡｌＳｉ３Ｏ１０Ｆ２等）を含有するガラスセラミックス等のガラス質、又は銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ）、パラジウムろう（Ｐｄ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ）等の金属質からなるもの等を挙げることができる。
また、前記セパレータ及び前記隔離セパレータの何れもが耐熱性金属で構成されていることができる。
また、前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間に設けられる前記シール体は、溶融形成された一対のシール層と、該シール層間に介在される絶縁層とを有することができる。ここで、上記絶縁層としては、例えば、マグネシアとマグネシアスピネルとの混合物の焼結体等を挙げることができる。なお、例えば、上記シール体として金属質のシール体を用いる場合には、単セル間の短絡を防止するために、上記シール体は上記絶縁層を有する必要がある。一方、例えば、上記シール体としてガラス質のシール体を用いる場合には、そのシール体が良好な絶縁性を有するのであれば、上記シール体は、上記絶縁層を必ずしも有する必要はないが、単セル間の短絡をより確実に防止するために、上記絶縁層を有することが好ましい。
また、前記単セルは、ニッケルとＺｒＯ ２ 、ＣｅＯ ２ 、ＭｎＯ ２ 又はイットリア安定化ジルコニアとからなるサーメットからなる燃料極と、ペロブスカイト複合酸化物からなる空気極とを備えるとともに、前記第１弾性体がニッケルからなり、前記第２弾性体が耐熱性金属からなり、前記シール体がガラス質又は金属質からなることができる。ここで、上記燃料極、空気極、第１弾性体及び第２弾性体は、上述した通りの成分構成であることができる。
また、前記第１弾性体がニッケルフェルト又はニッケル発泡体からなることができる。好ましくは、ニッケルフェルトである。また、前記第２弾性体が耐熱性金属繊維の成形体、耐熱性金属フェルト及び耐熱性金属発泡体のうちのいずれか一種からなることができる。好ましくは、耐熱性金属フェルトである。
また、前記絶縁層がマグネシアとマグネシアスピネルとの混合物からなることができる。
さらに、積層される２以上の前記燃料電池ユニットと、該２以上の前記燃料電池ユニットの最上端部に位置する隔離セパレータに積層される皿状の蓋体と、を備え、前記固体電解質体と前記隔離セパレータとの間、前記隔離セパレータと前記セパレータとの間、前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間及び前記隔離セパレータと前記蓋体との間に前記溶融形成された前記シール体が配設されていることができる。
他の本発明の固体電解質型燃料電池は、固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の面に空気極が設けられた単セルと、平板状の底壁部と、該底壁部の周縁から傾斜して延びる筒状の側壁部と、該側壁部の端縁から延びる環状のつば壁部とを有してなり、該底壁部と該側壁部とで形成される凹部に上記単セルが配置される皿状のセパレータと、上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、上記セパレータの上記つば壁部の上面側に配置される環状の外側隔離部と、上記単セルの上記固体電解質体の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部と、該外側隔離部及び該内側隔離部を連繋する側壁部とを有し、他の皿状のセパレータを配置するための凹部を有し、上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータと、を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備え、上記単セルと上記セパレータの上記底壁部との間、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記固体電解質体の上面の周縁部との間、及び上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記セパレータの上記つば壁部との間には弾性体が設けられていることを特徴とする。
他の本発明の固体電解質型燃料電池は、固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の面に空気極が設けられた単セルと、平板状の底壁部と、該底壁部の周縁から傾斜して延びる筒状の側壁部と、該側壁部の端縁から延びる環状のつば壁部とを有してなり、該底壁部と該側壁部とで形成される凹部に上記単セルが配置される皿状のセパレータと、上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、上記セパレータの上記つば壁部の上面側に配置される環状の外側隔離部と、上記単セルの上記固体電解質体の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部と、該外側隔離部及び該内側隔離部を連繋する側壁部とを有し、他の皿状のセパレータを配置するための凹部を有し、上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータと、を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備え、上記単セルと上記セパレータの上記底壁部との間には弾性体が設けられるとともに、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記固体電解質体の上面の周縁部との間、及び上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記セパレータの上記つば壁部との間には溶融形成されたシール体が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池によると、単セルと、単セルが配置される凹部を有する皿状のセパレータと、このセパレータを配置可能な凹部を有する隔離セパレータとを有する燃料電池ユニットを備え、この燃料電池ユニットを皿状の積層体としたので、積層時に各部材が自動的に位置決めされ、各部材の位置ズレを防止できる。また、ガラス質のシール材を用いた場合でも、高温保持時のシール材の溶融による各部材の位置ズレを防止できる。さらに、本発明の固体電解質型燃料電池を内部マニホールド型として適用しても、燃料電池ユニットの周縁部にガス通路を形成でき、セラミックス材である固体電解質体を含む単セルに穴あけ加工する必要がない。その結果、コスト低減に寄与すると共に、固体電解質体の構造的な強度の大幅な低下を防止でき、熱応力に対して強い強靭な固体電解質型燃料電池を実現できる等の利点がある。
【０００９】
また、セパレータ及び隔離セパレータの何れをも耐熱性金属で構成することで、その加工性や耐熱応力性を向上させ、かつコストをより低減することができる。
また、単セル、セパレータ及び隔離セパレータの夫々の接触部位に弾性体を介在させることで、構成材料の多くが脆性材料であっても、熱応力に対してさらに強い強靭な固体電解質型燃料電池を実現できる。また、一般的に弾性体は熱伝導率が低いため、スタック外部の急激な温度変化による単セルの破損を防止できる。
また、燃料極とセパレータとの間にニッケルを主成分とする第１弾性体を設けることで、燃料極側では、水素を主成分とするガス中で安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。また、空気極とセパレータとの間に耐熱性金属を主成分とする第２弾性体を設けることで、空気極側では、高温の空気中で安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。さらに、隔離セパレータと固体電解質体との間にセラミックスを主成分とする第３弾性体を設け、隔離セパレータとセパレータとの間にセラミックスを主成分とする第４及び第５弾性体を設けることで、各セパレータ同士の絶縁性を確保することができる。
また、前記第１弾性体をニッケルフェルト又は、ニッケル発泡体とすることで、燃料極側でより安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。また、前記第２弾性体を耐熱性金属繊維の成形体、耐熱性金属フェルト又は耐熱性金属発泡体とすることで、空気極側でより安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。さらに、前記第３、第４及び第５弾性体をアルミナ、シリカ、ジルコニアのうちの少なくとも一種からなる繊維を主成分とする材質から構成することで、各セパレータ同士の絶縁性をより確実に確保することができる。
さらに、２以上の燃料電池ユニット、蓋体及び各弾性体を積層方向に加圧する加圧手段を備えることで、加圧手段の加圧により緻密化された弾性体で一対のガス拡散電極間を気密に隔離でき、熱応力に対して強い強靭な積層構造とすることができる。
【００１０】
また、単セルとセパレータとの接触部位に弾性体を介在させることで、構成材料の多くが脆性材料であっても、熱応力に対してさらに強い強靭な固体電解質型燃料電池を実現できる。また、一般的に弾性体は熱伝導率が低いため、スタック外部の急激な温度変化による単セルの破損を防止できる。さらに、各セパレータ同士の接触部位や固体電解質体と隔離セパレータとの接触部位に溶融形成されたシール体が設けられていることで、これらシール体によって各接触部位を気密に接合させることができる。
また、前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間に設けられるシール体が、溶融形成された一対のシール層と、該一対のシール層間に介在される絶縁層とを有する場合は、単セル間の短絡をより確実に防止することができる。
また、燃料極とセパレータとの間にニッケルを主成分とする第１弾性体を設けることで、燃料極側では、水素を主成分とするガス中で安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。また、空気極とセパレータとの間に耐熱性金属を主成分とする第２弾性体を設けることで、空気極側では、高温の空気中で安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。さらに、各セパレータ同士の接触部位や固体電解質体と隔離セパレータとの接触部位にガラス質又は金属質からなるシール体を設けることで、各接触部位の気密性をより向上させることができる。
また、前記第１弾性体をニッケルフェルト又は、ニッケル発泡体とすることで、燃料極側でより安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。また、前記第２弾性体を耐熱性金属繊維の成形体、耐熱性金属フェルト又は耐熱性金属発泡体とすることで、空気極側でより安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。
また、前記絶縁層がマグネシアとマグネシアスピネルとの混合物からなる場合は、例えば、各セパレータにフェライト系ステンレスを用いた際、スタックに熱サイクル（室温〜作動温度）がかかっても気密シール部の破損を防止することができる。
さらに、２以上の燃料電池ユニットと蓋体とを備え、前記固体電解質体と前記隔離セパレータとの間、前記隔離セパレータと前記セパレータとの間、前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間及び前記隔離セパレータと前記蓋体との間に溶融形成されたシール体が配設されている場合は、一対のガス拡散電極間を気密に隔離でき、熱応力に対して強い強靭な積層構造とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
（１）固体電解質型燃料電池の構成
以下、実施例により、本発明を図１〜図３より具体的に説明する。
本発明に係る固体電解質型燃料電池の積層構造（ＳＯＦＣスタック）は、図１に示すように、平面形状が略正方形の複数（図中２つ）の燃料電池ユニット１，２を積層し、さらに最上端側に蓋体３を積層して構成される。これら各燃料電池ユニット１，２は、図２、３に示すように、皿状のセパレータ５の凹部に単セル４を積層し、さらに単セル４の上面側に皿状の隔離セパレータ６を積層して、全体として皿状の積層体として形成されている。また、このＳＯＦＣスタックでは、単セル４、セパレータ５及び隔離セパレータ６の夫々の接触部位に、後述する弾性体が介在され、各燃料電池ユニット１，２及び蓋体３は、その周縁部の８ヶ所でボルト締めされて積層方向に加圧された状態となっている。
【００１２】
上記単セル４は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる固体電解質体４１の一方の面に、ランタンストロンチウムマンガナイト（Ｌａｌ−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる空気極４２が形成され、他方の面に、ニッケルとＹＳＺのサーメットからなる燃料極４３が形成され、全体として平板状に形成されている。固体電解質体４１の厚みは５００μｍで、各電極４２，４３の厚みは５０μｍに設定されている。また、空気極４２は、固体電解質体４１の平面全域より一回り小さな領域に形成され、燃料極４３は、固体電解質体４１の平面全域に形成されている。
ここで、上記単セル４は、固体電解質体４１の厚みが各電極４２，４３より厚く、セル全体の強度を固体電解質体４１で担っているので、電解質支持型又は自立膜型セルと呼ばれる構造である。このセル構造では、通常、固体電解質体４１の厚みは各電極４２，４３の厚みの５〜２０倍とされている。
【００１３】
上記セパレータ５は、単セル４の平面形状と略一致する大きさの平板状の底壁部５１と、この底壁部５１の周縁から積層方向に傾斜して延びる筒状の側壁部５２と、この側壁部５２の積層方向の端縁から底壁部５１と平行な方向に延びる環状のつば壁部５３とを有し、全体として皿状に形成されている。また、このセパレータ５の底壁部５１と側壁部５２とで形成される凹部に単セル４が配置されることとなる。尚、上記蓋体３は、このセパレータ５と略同じ形状・大きさの底壁部３１、側壁部３２及びつば壁部３３を有している。また、セパレータ５、隔離セパレータ６及び蓋体３は、耐熱性金属であるインコネル６００で形成されている。
【００１４】
上記隔離セパレータ６は、セパレータ５のつば壁部５３の上面側に配置される環状の外側隔離部６１と、固体電解質体４１の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部６２と、両隔離部６１，６２を連繋する側壁部６３とを有している。この側壁部６３は、上記セパレータ５の側壁部５２と略同様にして、積層方向に傾斜して延びる筒状に形成されている。この隔離セパレータ６は、次に積層される単セル４の下面に設けられるセパレータ５あるいは蓋体３を所定位置に配置できる凹部を有している。また、セパレータ５、隔離セパレータ６及び次に積層される単セル４のセパレータ５（あるいは蓋体３）によって、単セル４の空気極４２と連なる空気室７と、単セル４の燃料極４３に連なる燃料室８とが形成されている。両室７，８は、単セル４の周側部を囲み得る環状の空間として形成されている。
【００１５】
尚、近年、ＳＯＦＣの低温作動化の研究が活発化しており、固体電解質体４１としてＹＳＺよりイオン導電率の高いスカンジウム安定化ジルコニアやＬａＧａＯ３系酸化物（例えば、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ2.85）を使用したり、後述するように燃料極支持型ＳＯＦＣのセル構造を使用したりする場合、作動温度を７５０℃以下に低下させることができ、前記セパレータ５、隔離セパレータ６及び蓋体３の耐熱性金属として、安価で熱膨張係数がセラミックス材料に近いフェライト系ステンレス合金を使用することができる。
【００１６】
また、各燃料電池ユニット１，２において、隔離セパレータ６の外側隔離部６１の一側辺（図２、３中の右側辺）には側辺方向に沿って２ヶ所に貫通孔６１１，６１２（内部空隙として例示する。）が形成されている。一方の貫通孔６１１（図２参照）には燃料導入管１１が接続され、この燃料導入管１１の先端開口部は燃料室８に臨んでいる。従って、燃料導入管１１からの水素ガスを単セル４の燃料極４３に供給できる。また他方の貫通孔６１２（図３参照）には空気排出管１４が接続され、この空気排出管１４の先端開口部は空気室７に臨んでいる。また、隔離セパレータ６の外側隔離部６１の一側辺（図２、３中の左側辺）には、側辺方向に沿って２ヶ所に貫通孔６１３，６１４（内部空隙として例示する。）が形成されている。一方の貫通孔６１３（図２参照）には空気導入管１３が接続され、この空気導入管１３の先端開口部は空気室７に臨んでいる。また、他方の貫通孔６１４（図３参照）には燃料排出管１２が接続され、この燃料排出管１２の先端開口部は燃料室８に臨んでいる。
【００１７】
さらに、隔離セパレータ６の内側隔離部６２の一側辺（図２中の左側辺）には、空気導入管１３からの空気を単セル４の空気極４２に供給するための空気導入孔６２１（内部空隙として例示する。）が形成されている。また、隔離セパレータ６の内側隔離部６２の一側辺（図３中の右側辺）には、単セル４の空気極４２からの排ガスを空気排出管１４へ排出するための空気排出孔６２２（内部空隙として例示する。）が形成されている。
ここで、上記各管１１，１２，１３，１４は、燃料導入管１１及び燃料排出管１２を結ぶ直線と、空気導入管１３及び空気排出管１４を結ぶ直線とが略直交するように配置されており、単セル４の燃料極４３側に導入される水素ガスと、空気極４２側に導入される空気とは、固体電解質体４１を隔てて互いに概ね直交するように流れることとなる。
【００１８】
次に、各燃料電池ユニット１，２の単セル４の燃料極４３とセパレータ５の底壁部５１との間にはニッケルフェルト１５（第１弾性体として例示する。）が介装されている。また、単セル４の空気極４２と次に積層される単セル４のセパレータ５の底壁部５１（あるいは蓋体３の底壁部３１）との間には、インコネル繊維メッシュの成形体１６（第２弾性体として例示する。）が介装されている。従って、各積層体１，２を積層した際、各積層体１，２の単セル４を相互に直列接続できる構造となっている。
また、隔離セパレータ６の内側隔離部６２と固体電解質体４１の上面の周縁部との間には環状のセラミックス（ムライト質アルミナ繊維）弾性体１７（第３弾性体として例示する。）が介装されている。また、隔離セパレータ６の外側隔離部６１とセパレータ５のつば壁部５３との間には環状のセラミックス（ムライト質アルミナ繊維）弾性体１９（第４弾性体として例示する。）が介装されている。また、隔離セパレータ６の内側隔離部６２と次に積層される単セル４のセパレータ５の底壁部５１（あるいは蓋体３の底壁部３１）との間には環状のセラミックス（ムライト質アルミナ繊維）弾性体１８（第５弾性体として例示する。）が介装されている。さらに、隔離セパレータ６の外側隔離部６１と次に積層される単セル４のセパレータ５のつば壁部５３（あるいは蓋体３のつば壁部３３）との間には環状のセラミックス（ムライト質アルミナ繊維）弾性体２０（第５弾性体として例示する。）が介装されている。
【００１９】
そして、上述のように、ＳＯＦＣスタックが積層方向に加圧されることによって、各セラミックス弾性体１７，１８，１９，２０が圧縮（緻密化）され、空気極４２側の空気室７と燃料極４３側の燃料室８と外部とが気密に隔離されることとなる。さらに、この積層方向への加圧は、次に積層される単セル４のセパレータ５（あるいは蓋体３）と成形体１６と空気極４２との間、及び、セパレータ５とニッケルフェルト１５と燃料極４３との間の接触抵抗低減にも有効である。ただし、過度に加圧すると、単セル破損の原因となるため、各部材の圧縮時の厚みと反発力を充分考慮して各構成部材の厚さを決める必要がある。尚、前記セラミックス弾性体１７，１８，１９，２０として、アルミナの含有率の高い繊維からなる弾性体を使用すると、高温での絶縁性に優れるため特に好ましい。
【００２０】
以上のように構成されるＳＯＦＣスタックでは、所定の作動温度に昇温して保持し、燃料導入管１１に水素ガスを、空気導入管１３に空気を導入することで、空気極４２と燃料極４３との間に起電力が生じ、この電力を外部に取り出すことで発電装置となる。単セル４で発生した電気のうち、燃料極４３側はニッケルフェルト１５を介してセパレータ５に取り出され、空気極４２側は成形体１６を介して上層の単セル４のセパレータ５もしくは蓋体３に取り出される。そして、最終的には、蓋体３と最下層のセパレータ５との間でスタック全体の電力が取り出されることとなる。
【００２１】
（２）第１実施例の効果
次に、本実施例に係るＳＯＦＣスタックでは、下記に示す効果により、熱応力に強い強靭なスタックを低コストで実現できる。
▲１▼加工性の悪いセラミックス材である固体電解質体４１を含む単セル４にガス通路のための穴加工をすることがないので、コスト低減に寄与すると共に、セラミックス材が有する構造的な強度を大きく低下させることがない。
▲２▼単セル４を収容してなる燃料電池ユニット１，２を皿状の積層体として形成することにより、各部材間の位置ズレの心配がなくなる。さらに、従来周知のように、ガラス質のシール材を用いた場合でも、スタックの高温保持時におけるシール材の溶融による各部材間の位置ズレの心配もなくなる。
▲３▼各燃料電池ユニット１，２内に収容保持される単セル４は、その周囲がニッケルフェルト１５、インコネル繊維メッシュの成形体１６及びセラミックス弾性体１７，１８，１９，２０によって囲まれているので、この単セル４に過大な応力が掛かることがない。
▲４▼ニッケルフェルト１５、インコネル繊維メッシュの成形体１６及びセラミックス弾性体１７，１８，１９，２０は熱伝導率が低いため、スタック外部の急激な温度変化に対して単セル４の破損を防止する効果がある。
▲５▼積層方向への加圧によりニッケルフェルト１５、インコネル繊維メッシュの成形体１６及びセラミックス弾性体１７，１８，１９，２０を圧縮変形させたコンプレッションシールであるので、熱膨張係数の異なる材料（例えば、ジルコニア固体電解質体と耐熱性金属セパレータ）であっても、スタックの作動温度までの昇温時に応力はほとんど発生しない。
【００２２】
尚、本発明においては、上記実施例に限らず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、上記第１実施例では、スタックを構成する積層体１，２及び蓋体３の周縁部を直接ボルト締めして積層方向へ加圧するように構成したが、これに限定されず、例えば、スタックの外部で加圧するようにしてもよい。例えば、図４に示すように、蓋体３の周縁部及び下層側のセパレータ５の周縁部に沿った形状の一対の保持金具２１を二組用い、スタックの外側で一対の保持金具２１をボルト締めして各積層体１，２を積層方向へ加圧してもよい。これにより、隔離セパレータ６、セパレータ５、蓋体３及びセラミックス弾性体１９，２０にも、ボルト用の貫通孔を設ける必要がなく、さらにコスト低減に寄与すると共に、より熱応力に強い強靭なスタックを提供できる。
【００２３】
（第２実施例）
以下、固体電解質型燃料電池の第２実施例について図７〜図１０に従って説明する。尚、この第２実施例では、上述の第１実施例におけるセラッミクス弾性体の代わりに溶融可能なシール体を用いていることに特徴があり、第１実施例と同様な構成については同符号を付け詳細な説明は省略する。
【００２４】
（１）固体電解質型燃料電池の構成
先ず、図８及び図９に示すように、隔離セパレータ６の内側隔離部６２と固体電解質体４１の上面の周縁部との間には、溶融形成された環状の第１ガラスシール体２３が設けられている。また、隔離セパレータ６の外側隔離部６１とセパレータ５のつば壁部５３との間には、溶融形成された環状の第２ガラスシール体２４が設けられている。また、隔離セパレータ６の内側隔離部６２と次に積層される単セル４のセパレータ５の底壁部５１（あるいは蓋体３の底壁部３１）との間には、溶融形成された環状の第３ガラスシール体２５が設けられている。さらに、隔離セパレータ６の外側隔離部６１と次に積層される単セル４のセパレータ５のつば壁部５３（あるいは蓋体３のつば壁部３３）との間には、溶融形成された環状の第４ガラスシール体２６が設けられている。これら第１〜第４ガラスシール体２３，２４，２５，２６によって、各セパレータ５，６同士の接触部位や隔離セパレータ６と固体電解質体４１との接触部位が気密に接合される。
【００２５】
また、上記第３及び第４ガラスシール体２５，２６は、図１０に示すように、隔離セパレータ６に接するシール層２５ａ，２６ａと、次に積層される単セル４のセパレータ５（あるいは蓋体３）に接するシール層２５ｂ，２６ｂとの２層構造で構成されている。そして、これら２層のシール層２５ａ，２５ｂ（２６ａ，２６ｂ）間には、単セル４間の短絡を防止するための絶縁層２７が介在されている。この絶縁層２７は、例えば、ＭｇＯ（マグネシア）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアスピネル）との混合物からなる焼結体であることができる。これにより、例えば、耐熱性金属からなるセパレータ５及び隔離セパレータ６としてフェライト系ステンレス合金を採用した場合、これらのセパレータ５，６と上記絶縁層（焼結体）とは熱膨張係数が近い値であるので、スタックに熱サイクル（室温〜作動温度）がかかっても、気密シール部の破損を防止することができる。
【００２６】
（２）第２実施例の効果
次に、第２実施例に係るＳＯＦＣスタックにおいても、上述の第１実施例の効果と略同様な下記に示す効果により、熱応力に強い強靭なスタックを低コストで実現できる。
▲１▼加工性の悪いセラミックス材である固体電解質体４１を含む単セル４にガス通路のための穴加工をすることがないので、コスト低減に寄与すると共に、セラミックス材が有する構造的な強度を大きく低下させることがない。
▲２▼単セル４を収容してなる燃料電池ユニット１，２を皿状の積層体として形成することにより、各部材間の位置ズレの心配がなくなる。さらに、各セパレータ同士等を気密に接合するために第１〜第４ガラスシール体２３，２４，２５，２６を用いた場合でも、スタックの高温保持時におけるシール体の溶融による各部材間の位置ズレの心配もなくなる。
▲３▼各燃料電池ユニット１，２内に収容保持される単セル４は、その周囲がニッケルフェルト１５、インコネル繊維メッシュの成形体１６によって囲まれているので、この単セル４に過大な応力が掛かることがない。
▲４▼ニッケルフェルト１５、インコネル繊維メッシュの成形体１６は熱伝導率が低いため、スタック外部の急激な温度変化に対して単セル４の破損を防止する効果がある。
【００２７】
尚、本発明においては、上記実施例に限らず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、上記第２実施例では、シール体としてガラス質のシール体を例示したが、これに限定されず、金属質のシール体としてもよい。例えば、図１１及び図１２に示すように、各セパレータ５，６間や隔離セパレータ６と固体電解質体４１との間等に溶融形成された環状の第１〜第４金属シール体１２３，１２４，１２５，１２６を設けることができる。但し、このように金属質のシール体を用いる場合、隔離セパレータ６と次に積層されるセパレータ５（あるいは蓋体３）との間に設けられる第３及び第４金属シール体１２５，１２６を一対のシール層間に絶縁層を介在させて構成し、この絶縁層によって単セル間の短絡を防止する必要がある。
【００２８】
また、上記実施例では、固体電解質体４１の厚さを５００μｍ、各電極４２，４３の厚さを５０μｍとし、電解質支持型（自立膜型セル）のセル構造を例示したが、これに限定されず、例えば、燃料極支持型と呼ばれるセル構造としてもよい。例えば、図５、図６、図１１及び図１２に示すように、比較的厚く（例えば、７００〜２５００μｍ、好ましくは１５００μｍ）形成された燃料極基板４３の上に、できるだけ薄く（例えば、２〜５０μｍ、好ましくは２０μｍ）形成された固体電解質体４１を設けて構成される。このようなセル構造では、７００℃程度の作動温度でも電力を取り出すことが可能であり、耐熱性金属からなるセパレータとしてフェライト系ステンレス合金を採用できる。このフェライト系ステンレス合金は、熱膨張係数が燃料極基板と近くコストも安いため特に好ましい。
【００２９】
また、上記実施例では、ＳＯＦＣスタックとして、スタック外部にガス通路（各種管１１〜１４）を備えてなる外部マニホールド型を例示したが、これに限定されず、例えば、各燃料電池ユニット１，２及び蓋体３の周縁部に、即ち、各燃料電池ユニット１，２のセパレータ５のつば壁部５３、隔離セパレータ６の外側隔離部６１、蓋体３のつば壁部３３及びセラミックス弾性体１９，２０（又はガラスシール体２４，２６若しくは金属シール体１２４，１２６）に積層方向に沿うガス通路を形成して内部マニホールド型とすることができる。さらに、上記実施例では、燃料電池ユニット１，２として平面形状が略正方形のものを例示したが、これに限定されず、例えば、平面形状が円形や多角形状の積層体とすることもできる。特に、燃料電池ユニットとして平面形状が円形のものとすると、熱応力や機械的な応力に対する耐久性が強くなり、より好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体電解型燃料電池を示す外観斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】固体電解質型燃料電池のその他の態様を示す外観斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】その他の実施例に係る固体電解型燃料電池を示す外観斜視図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】図７のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１０】図８の要部拡大断面図である。
【図１１】固体電解質型燃料電池のその他の態様を説明するための縦断面図（図７のＡ−Ａ線断面図に対応）である。
【図１２】同じく、固体電解質型燃料電池のその他の態様を説明するための縦断面図（図７のＢ−Ｂ線断面図に対応）である。
【図１３】従来の固体電解質型燃料電池を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１，２：燃料電池ユニット、３：蓋体、４：単セル、４１：固体電解質体、４２：空気極、４３：燃料極、５：セパレータ、６：隔離セパレータ、１５：ニッケルフェルト、１６：インコネル繊維メッシュの成形体、１７，１８，１９，２０：セラミックス弾性体、２３，２４，２５，２６：ガラスシール体、１２３，１２４，１２５，１２６：金属シール体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flat-plate-type solid electrolyte fuel cell, and more specifically, without being drilled in a single cell containing a solid electrolyte body, positioning at the time of stacking is very easy and strong against heat stress. The present invention relates to a solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In general, a flat plate type solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) is used as a structure in which a plurality of single cells are stacked (hereinafter also referred to as a stack). The flat plate type SOFC stack includes an “internal manifold type” having a gas passage inside the stack and an “external manifold type” having a gas passage outside the stack. Among these, as shown in FIG. 13, for example, an internal manifold type prior art is known.
The flat plate type SOFC stack shown in the figure is provided with a fuel electrode made of nickel and YSZ on one surface of a flat solid electrolyte body 41A made of yttria stabilized zirconia (hereinafter also referred to as YSZ), and on the other surface. A single cell 4A is formed by providing an air electrode made of a perovskite complex oxide {for example, lanthanum strontium manganite (abbreviation, LSM)}, and the plurality of single cells 4A are made of a lanthanum chromite complex oxide or a refractory metal. A structure in which the layers are stacked via the separator 5A is formed. Then, through holes 22A for gas passages are formed at the four corners of the solid electrolyte body 41A and the separator 5A, and the respective through holes 22A serve as gas entrances to the fuel electrode and the air electrode of the single cell 4A. Yes. Further, the solid electrolyte body 41A and the separator 5A are hermetically sealed with a glassy sealing material.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described conventional flat plate type SOFC stack has the following problems.
(1) Since the solid electrolyte body, which is a ceramic material with poor workability, is drilled, the yield is poor and the cost is high.
(2) The structural strength of the solid electrolyte body is greatly reduced by the drilling process.
(3) Since it is a flat unit cell or separator, it is easy to be misaligned during lamination. Further, even if the layers are laminated without being displaced at room temperature, when the glass serving as the sealing material is melted at the time of holding at a high temperature, the displacement is likely to occur again, and the gas passage may be blocked.
(4) When a glassy sealing material is used and the separator is lanthanum chromite, all of the constituent materials are brittle materials and are very weak against thermal stress.
[0004]
In order to solve the problems shown in the above-mentioned prior art, the present invention is very easy to position at the time of stacking without being drilled in a single cell containing a solid electrolyte body, and is strong against heat stress. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  The solid oxide fuel cell of the present invention includes a single cell in which a fuel electrode is provided on one surface of a solid electrolyte body and an air electrode on the other surface;The bottom wall portion has a flat bottom wall portion, a cylindrical side wall portion extending obliquely from the periphery of the bottom wall portion, and an annular collar wall portion extending from an edge of the side wall portion. And a recess formed by the side wallThe dish-shaped separator in which the single cell is disposed, and provided on the opposite surface side of the separator of the single cell,An annular outer separator disposed on the upper surface side of the collar wall of the separator; an annular inner separator disposed on a peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body of the single cell; and the outer separator; A side wall connecting the inner isolation part,1 or 2 or more of the fuel cell unit which has the recessed part for arrange | positioning other dish-shaped separators, and has the dish-shaped isolation separator which isolate | separates the said fuel electrode and the said air electrode airtightlyThe air electrode is formed to have a region smaller than the entire plane area of the solid electrolyte body, and the single cell is disposed so that the fuel electrode is positioned on the concave side of the separator, and the fuel A first elastic body is provided between the pole and the bottom wall portion of the separator, and a second elastic body is provided between the air electrode and the bottom wall portion of the other separator. A third elastic body is provided between the inner separator and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, and a third elastic body is provided between the outer separator of the separator and the collar wall of the separator. 4 elastic bodies are provided, between the inner separator of the separator and the bottom wall of the other separator, and between the outer separator of the separator and the collar wall of the other separator. Is provided with a fifth elastic body AreIt is characterized by that.
  As the “solid electrolyte body”, any conventionally known solid electrolyte may be used. For example, stabilized zirconia-based oxide (92 mol% ZrO2-8mol% Y2O389mol% ZrO2-11mol% Sc2O3), LaGaO3Oxides (La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ, La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0. 15Co0.05O3-δ, Oxygen defects are represented by δ due to non-stoichiometric composition, 0 <δ <0.3), BaCeO3Oxide (BaCe0.8Y0.2O3- δ, BaCe0.9Nd0.1O3- δIn addition, the oxygen defect component is represented by δ due to the non-stoichiometric composition, and 0 <δ <0.2). The “fuel electrode” may be any conventionally known material, for example, a metal such as Au, Pd, Ni and Fe, or the metal and ZrO2, CeO2, MnO2And a mixture thereof with a metal oxide. The “air electrode” may be any conventionally known material. For example, platinum or a metal oxide such as lanthanum oxide, strontium oxide, cerium oxide, cobalt oxide, manganese oxide, iron oxide, or these Or a composite oxide of the combination. Further, the above-mentioned “separating the fuel electrode and the air electrode in an airtight manner” means that the gas vented to the fuel electrode and the gas vented to the air electrode are hermetically isolated.
[0006]
  In addition, both the separator and the separator can be made of a heat resistant metal. Examples of the heat-resistant metal include an Fe-based alloy, Ni-based alloy (for example, Inconel), Mo-based alloy, Co-based alloy, cermet, and dispersion strengthened alloy. In particular, a ferritic stainless steel alloy is preferable because it is inexpensive and has a thermal expansion coefficient close to that of a ceramic material.
  The single cell may be nickel andZrO 2 , CeO 2 , MnO 2 Or yttria stabilized zirconiaCermet consisting ofConsist ofFuel electrode and perovskite complex oxideConsist ofAn air electrode, and the first elastic body is nickel.Consist ofThe second elastic body is a heat resistant metal.Consist ofThe third elastic body, the fourth elastic body, and the fifth elastic body are all ceramics.Consist ofbe able to.In additionThe cermet as a main component means that the cermet component is 80% by mass or more (preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, particularly preferably substantially when the fuel electrode is 100% by mass. 100%). The perovskite complex oxide as a main component means that the perovskite complex oxide component is 80 mass% or more (preferably 90 mass% or more, more preferably 95 mass% or more) when the air electrode is 100 mass%. , Particularly preferably substantially 100%). In addition, the main component of nickel is that when the first elastic body is 100% by weight, the nickel component is 80% by mass or more (preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, particularly preferably Means substantially 100%). The heat-resistant metal as a main component means that the heat-resistant metal component is 80% by mass or more (preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more) when the second elastic body is 100% by weight. , Particularly preferably substantially 100%). Furthermore, the ceramic as a main component means that the ceramic component is 80% by mass or more (preferably 90% by mass or more) when the third elastic body (or the fourth elastic body or the fifth elastic body) is 100% by weight. , More preferably 95% by mass or more, particularly preferably substantially 100%).
  The first elastic body may be made of nickel felt or nickel foam. Nickel felt is preferable. The second elastic body may be formed of any one of a heat-resistant metal fiber molded body, a heat-resistant metal felt, and a heat-resistant metal foam. A heat resistant metal felt is preferable. Further, the third elastic body, the fourth elastic body, and the fifth elastic body are all fibers made of at least one of alumina, silica, and zirconia.Consist ofIt can be made of a material. Preferred are mullite alumina fiber mat (alumina 70% -silica 30%) and alumina fiber mat (alumina 96% -silica 4%).In additionWhen the third elastic body (or the fourth elastic body or the fifth elastic body) is 100% by weight, the fiber component is 80% by mass or more (preferably 90% by mass or more, More preferably 95% by mass or more, particularly preferably substantially 100%).
  Also, two or more fuel cell units are stacked, and a dish-shaped lid that is stacked on an uppermost separator of the two or more fuel cell units, the two or more fuel cell units, the lid, and Pressure holding means for pressing and holding the elastic body in the stacking direction.
[0007]
  Another solid oxide fuel cell of the present invention includes a unit cell in which a fuel electrode is provided on one surface of a solid electrolyte body and an air electrode on the other surface, a flat bottom wall portion, It has a cylindrical side wall extending obliquely from the periphery and an annular collar wall extending from the edge of the side wall, and the recess is formed by the bottom wall and the side wall. A dish-shaped separator in which the cells are disposed, an annular outer separator disposed on the upper surface side of the collar wall portion of the separator, the single cell being disposed on the opposite side of the separator of the single cell; In order to dispose other dish-shaped separators, including an annular inner separator disposed on the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, and an outer separator and a side wall connecting the inner separator. A dish-shaped isolation separator that hermetically isolates the fuel electrode and the air electrode, The air electrode is formed to have a region smaller than the entire planar area of the solid electrolyte body, and the fuel electrode is positioned on the concave side of the separator. And the first elastic body is provided between the fuel electrode and the bottom wall portion of the separator, and between the air electrode and the bottom wall portion of the other separator. A second elastic body is provided, between the inner separator of the separator and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, between the outer separator of the separator and the collar wall of the separator; A sealing body that is melt-formed between the inner separator of the separator and the bottom wall of the other separator, and between the outer separator of the separator and the collar wall of the other separator. But Vignetting wherein the are.Here, a known material can be used as the sealing body, for example, CaO-Al.2O3-SiO2Crystallized glass with a main component of mica crystal (KMg3AlSi3O10F2And the like, or those made of metallic materials such as silver brazing (Ag—Cu—Ni) and palladium brazing (Pd—Ag—Cu—Ni).
  In addition, both the separator and the separator can be made of a heat resistant metal.
  Further, the seal body provided between the isolation separator and the other separator may have a pair of melt-formed seal layers and an insulating layer interposed between the seal layers. Here, examples of the insulating layer include a sintered body of a mixture of magnesia and magnesia spinel. For example, when a metallic seal body is used as the seal body, the seal body needs to have the insulating layer in order to prevent a short circuit between single cells. On the other hand, for example, when a glassy sealing body is used as the sealing body, the sealing body does not necessarily have the insulating layer as long as the sealing body has good insulating properties. In order to more reliably prevent a short circuit between cells, it is preferable to have the insulating layer.
  The single cell may be nickel andZrO 2 , CeO 2 , MnO 2 Or yttria stabilized zirconiaCermet consisting ofConsist ofFuel electrode and perovskite complex oxideConsist ofAn air electrode, and the first elastic body is nickel.Consist ofThe second elastic body is a heat resistant metal.Consist ofThe sealing body may be made of glass or metal. Here, the fuel electrode, the air electrode, the first elastic body, and the second elastic body may have a component configuration as described above.
  The first elastic body may be made of nickel felt or nickel foam. Nickel felt is preferable. The second elastic body may be formed of any one of a heat-resistant metal fiber molded body, a heat-resistant metal felt, and a heat-resistant metal foam. A heat resistant metal felt is preferable.
  The insulating layer may be made of a mixture of magnesia and magnesia spinel.
  Furthermore, the two or more fuel cell units to be stacked, and a dish-shaped lid stacked on an isolation separator located at the uppermost end of the two or more fuel cell units, the solid electrolyte body, Between the separator, the separator and the separator, between the separator and the other separator, and between the separator and the lid, the melted seal body is disposed. Can be installed.
  Another solid oxide fuel cell of the present invention includes a unit cell in which a fuel electrode is provided on one surface of a solid electrolyte body and an air electrode on the other surface, a flat bottom wall portion, It has a cylindrical side wall extending obliquely from the periphery and an annular collar wall extending from the edge of the side wall, and the recess is formed by the bottom wall and the side wall. A dish-shaped separator in which the cells are disposed, an annular outer separator disposed on the upper surface side of the collar wall portion of the separator, the single cell being disposed on the opposite side of the separator of the single cell; In order to dispose other dish-shaped separators, including an annular inner separator disposed on the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, and an outer separator and a side wall connecting the inner separator. A dish-shaped isolation separator that hermetically isolates the fuel electrode and the air electrode, One or more of the fuel cell units having, between the single cell and the bottom wall of the separator, between the inner separator of the separator and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, and An elastic body is provided between the outer separator of the separator and the collar wall of the separator.
  Another solid oxide fuel cell of the present invention includes a unit cell in which a fuel electrode is provided on one surface of a solid electrolyte body and an air electrode on the other surface, a flat bottom wall portion, It has a cylindrical side wall extending obliquely from the periphery and an annular collar wall extending from the edge of the side wall, and the recess is formed by the bottom wall and the side wall. A dish-shaped separator in which the cells are disposed, an annular outer separator disposed on the upper surface side of the collar wall portion of the separator, the single cell being disposed on the opposite side of the separator of the single cell; In order to dispose other dish-shaped separators, including an annular inner separator disposed on the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, and an outer separator and a side wall connecting the inner separator. A dish-shaped isolation separator that hermetically isolates the fuel electrode and the air electrode, 1 or 2 or more of fuel cell units having an elastic body provided between the single cell and the bottom wall of the separator, and the inner separator of the separator and the upper surface of the solid electrolyte body A sealing body formed by melting is provided between the outer peripheral portion of the separator and the outer separator of the separator and the collar wall of the separator.
[0008]
【The invention's effect】
According to the solid oxide fuel cell of the present invention, the fuel cell unit includes a single cell, a dish-shaped separator having a recess in which the single cell is disposed, and an isolation separator having a recess in which the separator can be disposed, Since this fuel cell unit is a dish-shaped laminated body, each member is automatically positioned at the time of lamination, and displacement of each member can be prevented. Further, even when a glassy sealing material is used, it is possible to prevent positional displacement of each member due to melting of the sealing material during high temperature holding. Furthermore, even when the solid electrolyte fuel cell of the present invention is applied as an internal manifold type, a gas passage can be formed in the peripheral portion of the fuel cell unit, and it is necessary to drill a single cell including a solid electrolyte body made of a ceramic material. Absent. As a result, there is an advantage that it contributes to cost reduction, can prevent a significant decrease in the structural strength of the solid electrolyte body, and can realize a tough solid electrolyte fuel cell that is strong against thermal stress.
[0009]
In addition, when both the separator and the separator are made of a heat-resistant metal, the workability and heat stress resistance can be improved, and the cost can be further reduced.
In addition, by interposing an elastic body at each contact portion of the single cell, the separator, and the separator separator, even if most of the constituent materials are brittle materials, a tough solid oxide fuel cell that is more resistant to thermal stress can be obtained. realizable. In general, since the elastic body has a low thermal conductivity, the single cell can be prevented from being damaged by a rapid temperature change outside the stack.
In addition, by providing the first elastic body mainly composed of nickel between the fuel electrode and the separator, the fuel electrode side is stable in a gas mainly composed of hydrogen and exhibits excellent electron conductivity. Can do. In addition, by providing the second elastic body mainly composed of a heat-resistant metal between the air electrode and the separator, the air electrode side can exhibit stable and excellent electronic conductivity in high-temperature air. . Furthermore, a third elastic body mainly composed of ceramics is provided between the separator separator and the solid electrolyte body, and fourth and fifth elastic bodies mainly composed of ceramics are provided between the separator separator and the separator. Insulating properties between the separators can be ensured.
In addition, when the first elastic body is made of nickel felt or nickel foam, more stable and excellent electron conductivity can be exhibited on the fuel electrode side. In addition, by using the second elastic body as a heat-resistant metal fiber molded body, heat-resistant metal felt, or heat-resistant metal foam, more stable and excellent electronic conductivity can be exhibited on the air electrode side. Furthermore, the third, fourth and fifth elastic bodies are made of a material whose main component is a fiber made of at least one of alumina, silica and zirconia, so that the insulation between the separators can be more reliably ensured. can do.
Furthermore, by providing a pressurizing unit that pressurizes two or more fuel cell units, a lid, and each elastic body in the stacking direction, an elastic body densified by the pressurizing unit pressurizes between the pair of gas diffusion electrodes. It can be hermetically isolated and can have a tough laminated structure resistant to thermal stress.
[0010]
In addition, by interposing an elastic body at the contact portion between the single cell and the separator, a tough solid oxide fuel cell that is stronger against thermal stress can be realized even if many of the constituent materials are brittle materials. In general, since the elastic body has a low thermal conductivity, the single cell can be prevented from being damaged by a rapid temperature change outside the stack. Furthermore, since the sealing body melt-formed is provided at the contact site between the separators or the contact site between the solid electrolyte body and the separator, the contact sites can be airtightly joined by the seal body.
Further, when the sealing body provided between the isolation separator and the other separator has a pair of melt-formed seal layers and an insulating layer interposed between the pair of seal layers, Can be more reliably prevented.
In addition, by providing the first elastic body mainly composed of nickel between the fuel electrode and the separator, the fuel electrode side is stable in gas mainly composed of hydrogen and exhibits excellent electronic conductivity. Can do. In addition, by providing the second elastic body mainly composed of a heat-resistant metal between the air electrode and the separator, the air electrode can be stable in high-temperature air and exhibit excellent electron conductivity. . Furthermore, by providing a sealing body made of glass or metal at the contact portion between the separators or the contact portion between the solid electrolyte body and the separator, the airtightness of each contact portion can be further improved.
In addition, when the first elastic body is made of nickel felt or nickel foam, more stable and excellent electron conductivity can be exhibited on the fuel electrode side. In addition, by using the second elastic body as a heat-resistant metal fiber molded body, heat-resistant metal felt, or heat-resistant metal foam, more stable and excellent electronic conductivity can be exhibited on the air electrode side.
In addition, when the insulating layer is made of a mixture of magnesia and magnesia spinel, for example, when ferritic stainless steel is used for each separator, the hermetic seal is damaged even if the stack is subjected to a thermal cycle (room temperature to operating temperature). Can be prevented.
And two or more fuel cell units and a lid, between the solid electrolyte body and the separator, between the separator and the separator, between the separator and the other separator, and In the case where a melted sealing body is disposed between the separator and the lid, a pair of gas diffusion electrodes can be hermetically isolated and a tough laminated structure resistant to thermal stress. Can do.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
(1) Configuration of solid oxide fuel cell
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell laminate structure (SOFC stack) according to the present invention comprises a plurality of (two in the figure) fuel cell units 1 and 2 having a substantially square planar shape, The lid 3 is laminated on the uppermost end side. As shown in FIGS. 2 and 3, each of these fuel cell units 1, 2 has a single cell 4 stacked in the recess of the dish-shaped separator 5, and a plate-shaped isolation separator 6 stacked on the upper surface side of the single cell 4. And it is formed as a plate-shaped laminated body as a whole. Further, in this SOFC stack, an elastic body, which will be described later, is interposed at each contact portion of the single cell 4, the separator 5 and the separator separator 6, and each of the fuel cell units 1, 2 and the lid body 3 has 8 It is in a state where it is bolted at several points and pressed in the stacking direction.
[0012]
The single cell 4 has a lanthanum strontium manganite (La) on one surface of a solid electrolyte body 41 made of yttria stabilized zirconia (YSZ).l-xSrxMnO3), And a fuel electrode 43 made of cermet of nickel and YSZ is formed on the other surface, and is formed in a flat plate shape as a whole. The thickness of the solid electrolyte body 41 is 500 μm, and the thickness of each of the electrodes 42 and 43 is set to 50 μm. The air electrode 42 is formed in a region that is slightly smaller than the entire area of the solid electrolyte body 41, and the fuel electrode 43 is formed in the entire area of the solid electrolyte body 41.
Here, since the unit cell 4 is thicker than the electrodes 42 and 43 and the solid electrolyte body 41 bears the strength of the entire cell, the unit cell 4 has a structure called an electrolyte support type or a self-supporting membrane type cell. It is. In this cell structure, the thickness of the solid electrolyte body 41 is normally 5 to 20 times the thickness of the electrodes 42 and 43.
[0013]
The separator 5 includes a flat bottom wall 51 having a size substantially matching the planar shape of the unit cell 4, a cylindrical side wall 52 extending from the periphery of the bottom wall 51 in an inclined direction, The side wall portion 52 has an annular collar wall portion 53 extending from the edge in the stacking direction in a direction parallel to the bottom wall portion 51, and is formed in a dish shape as a whole. In addition, the single cell 4 is disposed in a recess formed by the bottom wall portion 51 and the side wall portion 52 of the separator 5. The lid 3 has a bottom wall portion 31, a side wall portion 32, and a collar wall portion 33 having substantially the same shape and size as the separator 5. The separator 5, the separator 6 and the lid 3 are formed of Inconel 600, which is a heat resistant metal.
[0014]
The separator 6 includes an annular outer separator 61 disposed on the upper surface side of the flange wall 53 of the separator 5, an annular inner separator 62 disposed on the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body 41, And a side wall portion 63 that connects the isolation portions 61 and 62. The side wall 63 is formed in a cylindrical shape extending in a slanting direction in the same manner as the side wall 52 of the separator 5. The isolation separator 6 has a recess in which the separator 5 or the lid 3 provided on the lower surface of the unit cell 4 to be stacked next can be placed at a predetermined position. In addition, the separator 5, the separator separator 6, and the separator 5 (or the lid 3) of the single cell 4 to be stacked next to the air chamber 7 connected to the air electrode 42 of the single cell 4 and the fuel electrode 43 of the single cell 4. A continuous fuel chamber 8 is formed. Both chambers 7 and 8 are formed as annular spaces that can surround the peripheral side portion of the unit cell 4.
[0015]
In recent years, studies on low-temperature operation of SOFC have become active, and scandium-stabilized zirconia and LaGaO, which have higher ionic conductivity than YSZ, as the solid electrolyte body 41.3Oxides (eg La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85) Or a fuel electrode supported SOFC cell structure as will be described later, the operating temperature can be lowered to 750 ° C. or lower, and the separator 5, the separator 6 and the lid 3 As the refractory metal, a ferritic stainless alloy having a low thermal expansion coefficient close to that of a ceramic material can be used.
[0016]
Further, in each fuel cell unit 1, two through holes 611, 612 (on the one side of the outer separator 61 of the separator 6 (right side in FIGS. 2 and 3) along the side direction) This is illustrated as an internal void). A fuel introduction pipe 11 is connected to one through hole 611 (see FIG. 2), and a front end opening of the fuel introduction pipe 11 faces the fuel chamber 8. Accordingly, hydrogen gas from the fuel introduction pipe 11 can be supplied to the fuel electrode 43 of the single cell 4. An air exhaust pipe 14 is connected to the other through-hole 612 (see FIG. 3), and the tip opening of the air exhaust pipe 14 faces the air chamber 7. Further, on one side of the outer separator 61 of the isolation separator 6 (left side in FIGS. 2 and 3), there are two through holes 613 and 614 (illustrated as internal voids) along the side direction. Is formed. One through-hole 613 (see FIG. 2) is connected to an air introduction pipe 13, and the tip opening of the air introduction pipe 13 faces the air chamber 7. Further, a fuel discharge pipe 12 is connected to the other through hole 614 (see FIG. 3), and a front end opening of the fuel discharge pipe 12 faces the fuel chamber 8.
[0017]
Further, on one side (the left side in FIG. 2) of the inner separator 62 of the separator 6, an air introduction hole 621 (for supplying air from the air introduction pipe 13 to the air electrode 42 of the single cell 4) This is illustrated as an internal void). An air discharge hole 622 (for discharging exhaust gas from the air electrode 42 of the single cell 4 to the air discharge pipe 14 is provided on one side (the right side in FIG. 3) of the inner separator 62 of the separator 6. This is illustrated as an internal void).
Here, the pipes 11, 12, 13, and 14 are arranged so that a straight line connecting the fuel introduction pipe 11 and the fuel discharge pipe 12 and a straight line connecting the air introduction pipe 13 and the air discharge pipe 14 are substantially orthogonal to each other. The hydrogen gas introduced into the fuel electrode 43 side of the single cell 4 and the air introduced into the air electrode 42 side flow so as to be substantially orthogonal to each other across the solid electrolyte body 41.
[0018]
Next, nickel felt 15 (illustrated as a first elastic body) is interposed between the fuel electrode 43 of the single cell 4 of each fuel cell unit 1 and 2 and the bottom wall portion 51 of the separator 5. . Further, between the air electrode 42 of the single cell 4 and the bottom wall portion 51 (or the bottom wall portion 31 of the lid 3) of the separator 5 of the single cell 4 to be stacked next, the Inconel fiber mesh molded body 16. (Illustrated as the second elastic body). Therefore, when the stacked bodies 1 and 2 are stacked, the single cells 4 of the stacked bodies 1 and 2 can be connected in series with each other.
An annular ceramic (mullite alumina fiber) elastic body 17 (illustrated as a third elastic body) is interposed between the inner separator 62 of the isolation separator 6 and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body 41. Has been. An annular ceramic (mullite alumina fiber) elastic body 19 (illustrated as a fourth elastic body) is interposed between the outer separator 61 of the separator 6 and the collar wall 53 of the separator 5. Yes. An annular ceramic (mullite alumina) is provided between the inner separator 62 of the separator 6 and the bottom wall 51 (or the bottom wall 31 of the lid 3) of the separator 5 of the single cell 4 to be stacked next. A fiber) elastic body 18 (illustrated as a fifth elastic body) is interposed. Further, an annular ceramic (mullite alumina) is provided between the outer separator 61 of the separator 6 and the collar wall 53 of the separator 5 of the single cell 4 to be stacked next (or the collar wall 33 of the lid 3). A fiber) elastic body 20 (illustrated as a fifth elastic body) is interposed.
[0019]
As described above, the ceramic elastic bodies 17, 18, 19, and 20 are compressed (densified) by pressurizing the SOFC stack in the stacking direction, and the air chamber 7 and the fuel electrode on the air electrode 42 side are compressed. The fuel chamber 8 on the 43 side is isolated from the outside in an airtight manner. Further, the pressurization in the stacking direction is performed between the separator 5 (or the cover 3), the molded body 16, and the air electrode 42 of the single cell 4 to be stacked next, and between the separator 5, the nickel felt 15, and the fuel. It is also effective for reducing contact resistance with the electrode 43. However, if excessive pressure is applied, it may cause damage to the single cell. Therefore, it is necessary to determine the thickness of each constituent member by sufficiently considering the thickness and repulsive force of each member during compression. Note that it is particularly preferable to use an elastic body made of fiber having a high alumina content as the ceramic elastic bodies 17, 18, 19, and 20 because of excellent insulation at high temperatures.
[0020]
In the SOFC stack configured as described above, the temperature is raised to a predetermined operating temperature and maintained, and hydrogen gas is introduced into the fuel introduction pipe 11 and air is introduced into the air introduction pipe 13, whereby the air electrode 42 and the fuel electrode are arranged. An electromotive force is generated between the power generation unit 43 and the power generation apparatus. Of the electricity generated in the single cell 4, the fuel electrode 43 side is taken out by the separator 5 via the nickel felt 15, and the air electrode 42 side is taken out by the molded body 16 and the separator 5 or the lid 3 of the upper unit cell 4. To be taken out. Finally, the power of the entire stack is taken out between the lid 3 and the lowermost separator 5.
[0021]
(2) Effects of the first embodiment
Next, in the SOFC stack according to the present embodiment, a tough stack resistant to thermal stress can be realized at low cost due to the following effects.
(1) Since the single cell 4 including the solid electrolyte body 41, which is a poorly workable ceramic material, is not drilled for gas passages, it contributes to cost reduction and the structural strength of the ceramic material. Is not greatly reduced.
{Circle around (2)} By forming the fuel cell units 1 and 2 containing the single cells 4 as a dish-shaped laminated body, there is no need to worry about misalignment between the members. Furthermore, as is well known in the art, even when a glassy sealing material is used, there is no fear of misalignment between members due to melting of the sealing material when the stack is kept at a high temperature.
(3) The single cell 4 accommodated and held in each fuel cell unit 1, 2 is surrounded by a nickel felt 15, an inconel fiber mesh molded body 16 and ceramic elastic bodies 17, 18, 19, 20. Therefore, no excessive stress is applied to the single cell 4.
(4) Nickel felt 15, Inconel fiber mesh molded body 16 and ceramic elastic bodies 17, 18, 19, 20 have low thermal conductivity, thus preventing breakage of single cell 4 against sudden temperature changes outside the stack. There is an effect to.
(5) A compression seal in which the nickel felt 15, the inconel fiber mesh compact 16 and the ceramic elastic bodies 17, 18, 19, 20 are compressed and deformed by pressurization in the laminating direction. For example, even in the case of a zirconia solid electrolyte body and a heat-resistant metal separator, almost no stress is generated when the temperature is raised to the stack operating temperature.
[0022]
In addition, in this invention, it can be set as the Example variously changed within the range of this invention not only according to the said Example but according to the objective and the use. That is, in the said 1st Example, it comprised so that the peripheral part of the laminated bodies 1 and 2 and the cover body 3 which comprise a stack could be bolted directly, and it pressurized to the lamination direction, but it is not limited to this, For example, You may make it pressurize outside a stack. For example, as shown in FIG. 4, two pairs of holding metal fittings 21 having a shape along the peripheral edge of the lid 3 and the peripheral edge of the separator 5 on the lower layer side are used, and the pair of holding metal fittings 21 are bolted outside the stack. The laminated bodies 1 and 2 may be pressed in the laminating direction by tightening. Thereby, it is not necessary to provide through holes for bolts in the separator 6, the separator 5, the lid 3, and the ceramic elastic bodies 19 and 20, which further contributes to cost reduction and a tough stack that is more resistant to thermal stress. Can provide.
[0023]
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the solid oxide fuel cell will be described with reference to FIGS. The second embodiment is characterized in that a meltable seal body is used instead of the ceramic elastic body in the first embodiment, and the same reference numerals are used for the same configurations as in the first embodiment. Detailed description is omitted.
[0024]
(1) Configuration of solid oxide fuel cell
First, as shown in FIGS. 8 and 9, a melt-formed annular first glass seal body 23 is provided between the inner separator 62 of the separator 6 and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body 41. It has been. An annular second glass seal body 24 formed by melting is provided between the outer separator 61 of the separator 6 and the collar wall 53 of the separator 5. Further, a melt-formed annular ring is formed between the inner separator 62 of the separator 6 and the bottom wall 51 of the separator 5 of the single cell 4 to be stacked next (or the bottom wall 31 of the lid 3). A third glass seal body 25 is provided. Further, an annularly formed annular space is formed between the outer separator 61 of the separator 6 and the collar wall 53 of the separator 5 of the single cell 4 to be stacked next (or the collar wall 33 of the lid 3). A fourth glass seal body 26 is provided. By these first to fourth glass seal bodies 23, 24, 25, and 26, the contact portion between the separators 5 and 6 and the contact portion between the isolation separator 6 and the solid electrolyte body 41 are airtightly joined.
[0025]
Further, as shown in FIG. 10, the third and fourth glass seal bodies 25 and 26 are composed of seal layers 25a and 26a in contact with the separator 6 and the separator 5 (or lid) of the single cell 4 to be laminated next. It is constituted by a two-layer structure with seal layers 25b and 26b in contact with 3). An insulating layer 27 is interposed between the two sealing layers 25a and 25b (26a and 26b) to prevent a short circuit between the single cells 4. For example, the insulating layer 27 includes MgO (magnesia) and MgAl.2O4It can be a sintered body made of a mixture with (magnesia spinel). Thereby, for example, when a ferritic stainless steel alloy is adopted as the separator 5 made of a heat resistant metal and the separator 6, these separators 5 and 6 and the insulating layer (sintered body) have close thermal expansion coefficients. Therefore, even if a heat cycle (room temperature to operating temperature) is applied to the stack, it is possible to prevent the hermetic seal portion from being damaged.
[0026]
(2) Effects of the second embodiment
Next, also in the SOFC stack according to the second embodiment, a tough stack resistant to thermal stress can be realized at low cost by the following effects that are substantially the same as the effects of the first embodiment.
(1) Since the single cell 4 including the solid electrolyte body 41, which is a poorly workable ceramic material, is not drilled for gas passages, it contributes to cost reduction and the structural strength of the ceramic material. Is not greatly reduced.
{Circle around (2)} By forming the fuel cell units 1 and 2 containing the single cells 4 as a dish-shaped laminated body, there is no need to worry about misalignment between the members. Further, even when the first to fourth glass seal bodies 23, 24, 25, and 26 are used for airtightly bonding the separators and the like, positions between the members due to melting of the seal bodies when the stack is maintained at a high temperature. No worries about deviation.
(3) Since the single cell 4 accommodated and held in each fuel cell unit 1 and 2 is surrounded by a nickel felt 15 and an inconel fiber mesh molded body 16, excessive stress is applied to the single cell 4. Will not be applied.
(4) Since the nickel felt 15 and the inconel fiber mesh compact 16 have low thermal conductivity, the single cell 4 is prevented from being damaged by a rapid temperature change outside the stack.
[0027]
In addition, in this invention, it can be set as the Example variously changed within the range of this invention not only according to the said Example but according to the objective and the use. That is, in the said 2nd Example, although the glassy sealing body was illustrated as a sealing body, it is not limited to this, It is good also as a metallic sealing body. For example, as shown in FIGS. 11 and 12, annular first to fourth metal seal bodies 123, 124, which are melt-formed between the separators 5, 6 or between the separator separator 6 and the solid electrolyte body 41. 125, 126 can be provided. However, when using a metallic seal body in this way, a pair of third and fourth metal seal bodies 125 and 126 provided between the separator 6 and the separator 5 (or the lid 3) to be stacked next are paired. It is necessary to interpose an insulating layer between the two seal layers, and it is necessary to prevent a short circuit between the single cells by this insulating layer.
[0028]
In the above embodiment, the thickness of the solid electrolyte body 41 is 500 μm, the thickness of each of the electrodes 42 and 43 is 50 μm, and the cell structure of the electrolyte support type (self-supporting membrane type cell) is exemplified, but the present invention is not limited to this. For example, a cell structure called a fuel electrode support type may be used. For example, as shown in FIGS. 5, 6, 11, and 12, the fuel electrode substrate 43 is relatively thin (for example, 700 to 2500 μm, preferably 1500 μm), and is as thin as possible (for example, 2 to 2). 50 [mu] m, preferably 20 [mu] m). In such a cell structure, electric power can be taken out even at an operating temperature of about 700 ° C., and a ferritic stainless alloy can be adopted as a separator made of a heat-resistant metal. This ferritic stainless alloy is particularly preferable because it has a thermal expansion coefficient close to that of the fuel electrode substrate and is low in cost.
[0029]
In the above embodiment, the SOFC stack is exemplified as an external manifold type having gas passages (various pipes 11 to 14) outside the stack. However, the present invention is not limited to this. And the flange 3 of the separator 5 of each fuel cell unit 1, 2, the outer separator 61 of the separator 6, the flange wall 33 of the lid 3, and the ceramic elastic body 19. 20 (or glass seal bodies 24, 26 or metal seal bodies 124, 126) can be formed into an internal manifold type by forming a gas passage along the stacking direction. Furthermore, in the said Example, although the thing whose planar shape is substantially square was illustrated as the fuel cell units 1 and 2, it is not limited to this, For example, it can also be set as a laminated body whose planar shape is circular or a polygonal shape. In particular, a fuel cell unit having a circular planar shape is more preferable because durability against thermal stress and mechanical stress is increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external perspective view showing a solid electrolytic fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 4 is an external perspective view showing another aspect of the solid oxide fuel cell.
5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
6 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 7 is an external perspective view showing a solid electrolytic fuel cell according to another embodiment.
8 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
9 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
10 is an enlarged cross-sectional view of a main part of FIG.
11 is a longitudinal sectional view (corresponding to a sectional view taken along line AA in FIG. 7) for explaining another aspect of the solid oxide fuel cell. FIG.
12 is a longitudinal sectional view (corresponding to a sectional view taken along the line BB in FIG. 7) for explaining another embodiment of the solid oxide fuel cell. FIG.
FIG. 13 is an exploded perspective view showing a conventional solid oxide fuel cell.
[Explanation of symbols]
1, 2: Fuel cell unit, 3: Cover, 4: Single cell, 41: Solid electrolyte body, 42: Air electrode, 43: Fuel electrode, 5: Separator, 6: Isolation separator, 15: Nickel felt, 16: Inconel fiber mesh compacts 17, 18, 19, 20: Ceramic elastic bodies, 23, 24, 25, 26: Glass seal bodies, 123, 124, 125, 126: Metal seal bodies.

Claims (17)

固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の面に空気極が設けられた単セルと、
平板状の底壁部と、該底壁部の周縁から傾斜して延びる筒状の側壁部と、該側壁部の端縁から延びる環状のつば壁部とを有してなり、該底壁部と該側壁部とで形成される凹部に上記単セルが配置される皿状のセパレータと、
上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、上記セパレータの上記つば壁部の上面側に配置される環状の外側隔離部と、上記単セルの上記固体電解質体の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部と、該外側隔離部及び該内側隔離部を連繋する側壁部とを有し、他の皿状のセパレータを配置するための凹部を有し、上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータと、
を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備え、
上記空気極は、上記固体電解質体の平面全域より小さな領域を有して形成されており、
上記セパレータの上記凹部側に上記燃料極が位置するように上記単セルを配置するとともに、上記燃料極と上記セパレータの上記底壁部との間には第１弾性体が設けられ、上記空気極と上記他のセパレータの底壁部との間には第２弾性体が設けられ、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記固体電解質体の上面の周縁部との間には第３弾性体が設けられ、上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記セパレータの上記つば壁部との間には第４弾性体が設けられ、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記他のセパレータの底壁部との間、及び上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記他のセパレータのつば壁部との間には第５弾性体が設けられていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。A single cell provided with a fuel electrode on one side of the solid electrolyte body and an air electrode on the other side;
The bottom wall portion has a flat bottom wall portion, a cylindrical side wall portion extending obliquely from the periphery of the bottom wall portion, and an annular collar wall portion extending from an edge of the side wall portion. And a dish-shaped separator in which the single cell is disposed in a recess formed by the side wall portion ,
Provided on the surface of the single cell opposite to the separator, on the outer periphery of the annular separator disposed on the upper surface side of the collar wall of the separator, and on the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body of the single cell An annular inner separator, a side wall connecting the outer separator and the inner separator, and a recess for arranging another dish-shaped separator, the fuel electrode and the A dish-shaped isolation separator that hermetically isolates the air electrode;
Comprising one or more fuel cell unit having,
The air electrode is formed to have a region smaller than the entire plane area of the solid electrolyte body,
The single cell is arranged so that the fuel electrode is positioned on the concave portion side of the separator, and a first elastic body is provided between the fuel electrode and the bottom wall portion of the separator, and the air electrode And a bottom wall of the other separator, a second elastic body is provided, and a third elastic body is provided between the inner separator of the separator and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body. A fourth elastic body is provided between the outer separator of the separator and the collar wall of the separator, and the inner separator of the separator and the bottom wall of the other separator. And a fifth elastic body is provided between the outer separator of the separator and the flange wall of the other separator . 前記セパレータ及び前記隔離セパレータの何れもが耐熱性金属で構成されている請求項１記載の固体電解質型燃料電池。  The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein both the separator and the separator are made of a heat-resistant metal. 前記単セルは、ニッケルとＺｒＯ ２ 、ＣｅＯ ２ 、ＭｎＯ ２ 又はイットリア安定化ジルコニアとからなるサーメットからなる燃料極と、ペロブスカイト複合酸化物からなる空気極とを備えるとともに、
前記第１弾性体がニッケルからなり、前記第２弾性体が耐熱性金属からなり、前記第３弾性体、前記第４弾性体及び前記第５弾性体の何れもがセラミックスからなる請求項１又は２記載の固体電解質型燃料電池。 The single cell includes a fuel electrode made of cermet made of nickel and ZrO 2 , CeO 2 , MnO 2 or yttria-stabilized zirconia, and an air electrode made of a perovskite complex oxide,
The first elastic body is made of nickel, the second elastic body is made of a heat resistant metal, and the third elastic body, the fourth elastic body, and the fifth elastic body are made of ceramics. 3. The solid oxide fuel cell according to 2. 前記第１弾性体がニッケルフェルト又はニッケル発泡体からなる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the first elastic body is made of nickel felt or nickel foam . 前記第２弾性体が耐熱性金属繊維の成形体、耐熱性金属フェルト及び耐熱性金属発泡体のうちのいずれか一種からなる請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。 5. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the second elastic body is formed of any one of a molded body of a heat-resistant metal fiber, a heat-resistant metal felt, and a heat-resistant metal foam. . 前記第３弾性体、前記第４弾性体及び前記第５弾性体の何れもがアルミナ、シリカ及びジルコニアのうちの少なくとも一種からなる繊維からなる材質から構成される請求項１乃至５のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。 Any one of said 3rd elastic body, said 4th elastic body, and said 5th elastic body is comprised from the material which consists of a fiber which consists of at least 1 type of an alumina, a silica, and a zirconia. The solid oxide fuel cell according to Item. ２以上の前記燃料電池ユニットが積層され、該２以上の燃料電池ユニットの最上端部に位置する隔離セパレータに積層される皿状の蓋体と、該２以上の燃料電池ユニット、該蓋体及び前記弾性体を積層方向に加圧して保持する加圧保持手段と、を備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。 Two or more fuel cell units are stacked, and a dish-shaped lid body is stacked on an isolation separator located at the uppermost end of the two or more fuel cell units; the two or more fuel cell units; the lid body; The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, further comprising pressure holding means that pressurizes and holds the elastic body in the stacking direction . 固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の面に空気極が設けられた単セルと、
平板状の底壁部と、該底壁部の周縁から傾斜して延びる筒状の側壁部と、該側壁部の端 縁から延びる環状のつば壁部とを有してなり、該底壁部と該側壁部とで形成される凹部に上記単セルが配置される皿状のセパレータと、
上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、上記セパレータの上記つば壁部の上面側に配置される環状の外側隔離部と、上記単セルの上記固体電解質体の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部と、該外側隔離部及び該内側隔離部を連繋する側壁部とを有し、他の皿状のセパレータを配置するための凹部を有し、上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータと、
を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備え、
上記空気極は、上記固体電解質体の平面全域より小さな領域を有して形成されており、
上記セパレータの上記凹部側に上記燃料極が位置するように上記単セルを配置するとともに、上記燃料極と上記セパレータの上記底壁部との間には第１弾性体が設けられ、上記空気極と上記他のセパレータの底壁部との間には第２弾性体が設けられ、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記固体電解質体の上面の周縁部との間、上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記セパレータの上記つば壁部との間、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記他のセパレータの底壁部との間、及び上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記他のセパレータのつば壁部との間には溶融形成されたシール体が設けられていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 A single cell provided with a fuel electrode on one side of the solid electrolyte body and an air electrode on the other side;
The bottom wall portion has a flat bottom wall portion, a cylindrical side wall portion extending obliquely from the periphery of the bottom wall portion, and an annular collar wall portion extending from an edge of the side wall portion. And a dish-shaped separator in which the single cell is disposed in a recess formed by the side wall portion,
Provided on the surface of the single cell opposite to the separator, on the outer periphery of the annular separator disposed on the upper surface side of the collar wall of the separator, and on the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body of the single cell An annular inner separator, a side wall connecting the outer separator and the inner separator, and a recess for arranging another dish-shaped separator, the fuel electrode and the A dish-shaped isolation separator that hermetically isolates the air electrode;
Comprising one or more fuel cell units having
The air electrode is formed to have a region smaller than the entire plane area of the solid electrolyte body,
The single cell is arranged so that the fuel electrode is positioned on the concave portion side of the separator, and a first elastic body is provided between the fuel electrode and the bottom wall portion of the separator, and the air electrode A second elastic body is provided between the first separator and the bottom wall of the other separator, between the inner separator of the separator and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, and the outer of the separator. Between the separator and the collar wall of the separator, between the inner separator of the separator and the bottom wall of the other separator, and between the outer separator and the other separator of the separator. A solid oxide fuel cell , characterized in that a melt-formed seal body is provided between the flange walls . 前記セパレータ及び前記隔離セパレータの何れもが耐熱性金属で構成されている請求項８記載の固体電解質型燃料電池。The solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein both the separator and the separator are made of a heat-resistant metal . 前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間に設けられる前記シール体は、溶融形成された一対のシール層と、該一対のシール層間に介在される絶縁層とを有する請求項８又は９記載の固体電解質型燃料電池。Wherein said sealing member isolating separator and provided between the other separator, a pair of sealing layer which is molten form, according to claim 8 or 9, wherein and an insulating layer interposed said pair of sealing layers Solid electrolyte fuel cell. 前記単セルは、ニッケルとＺｒＯ ２ 、ＣｅＯ ２ 、ＭｎＯ ２ 又はイットリア安定化ジルコニアとからなるサーメットからなる燃料極と、ペロブスカイト複合酸化物からなる空気極とを備えるとともに、
前記第１弾性体がニッケルからなり、前記第２弾性体が耐熱性金属からなり、前記シール体がガラス質又は金属質からなる請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。The unit cell, with comprises a fuel electrode made of a cermet consisting of nickel and ZrO 2, CeO 2, MnO 2 or yttria-stabilized zirconia, and an air electrode made of a perovskite composite oxide,
The first elastic member is made of nickel, the second elastic body made of a heat-resistant metal, the solid oxide fuel as claimed in any one of claims 8 to 10 wherein the sealing member is made of glassy or metallic battery. 前記第１弾性体がニッケルフェルト又はニッケル発泡体からなる請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。The solid oxide fuel cell according to any one of claims 8 to 11, wherein the first elastic body is made of nickel felt or nickel foam. 前記第２弾性体が耐熱性金属繊維の成形体、耐熱性金属フェルト及び耐熱性金属発泡体のうちのいずれか一種からなる請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。The solid oxide fuel cell according to any one of claims 8 to 12, wherein the second elastic body is formed of any one of a molded body of a heat-resistant metal fiber, a heat-resistant metal felt, and a heat-resistant metal foam. . 前記絶縁層がマグネシアとマグネシアスピネルとの混合物からなる請求項１０記載の固体電解質型燃料電池。The solid oxide fuel cell according to claim 10, wherein the insulating layer is made of a mixture of magnesia and magnesia spinel. 積層される２以上の前記燃料電池ユニットと、該２以上の前記燃料電池ユニットの最上端部に位置する隔離セパレータに積層される皿状の蓋体と、を備え、
前記固体電解質体と前記隔離セパレータとの間、前記隔離セパレータと前記セパレータとの間、前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間及び前記隔離セパレータと前記蓋体との間に前記溶融形成されたシール体が配設されている請求項８乃至１４のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。Two or more fuel cell units to be stacked, and a dish-shaped lid layer stacked on an isolation separator located at the uppermost end of the two or more fuel cell units,
The melt formed between the solid electrolyte body and the separator, between the separator and the separator, between the separator and the other separator, and between the separator and the lid. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 8 to 14, wherein a seal body is disposed. 固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の面に空気極が設けられた単セルと、A single cell provided with a fuel electrode on one side of the solid electrolyte body and an air electrode on the other side;
平板状の底壁部と、該底壁部の周縁から傾斜して延びる筒状の側壁部と、該側壁部の端縁から延びる環状のつば壁部とを有してなり、該底壁部と該側壁部とで形成される凹部に上記単セルが配置される皿状のセパレータと、The bottom wall portion includes a flat bottom wall portion, a cylindrical side wall portion extending obliquely from the periphery of the bottom wall portion, and an annular collar wall portion extending from an edge of the side wall portion. And a dish-shaped separator in which the single cell is disposed in a recess formed by the side wall portion,
上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、上記セパレータの上記つば壁部の上面側に配置される環状の外側隔離部と、上記単セルの上記固体電解質体の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部と、該外側隔離部及び該内側隔離部を連繋する側壁部とを有し、他の皿状のセパレータを配置するための凹部を有し、上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータと、Provided on the surface of the single cell opposite to the separator, on the outer periphery of the annular separator disposed on the upper surface side of the collar wall of the separator, and on the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body of the single cell An annular inner separator, a side wall connecting the outer separator and the inner separator, and a recess for arranging another dish-shaped separator; A dish-shaped isolation separator that hermetically isolates the air electrode;
を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備え、Comprising one or more fuel cell units having
上記単セルと上記セパレータの上記底壁部との間、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記固体電解質体の上面の周縁部との間、及び上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記セパレータの上記つば壁部との間には弾性体が設けられていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。Between the single cell and the bottom wall of the separator, between the inner separator of the separator and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, and between the outer separator of the separator and the separator A solid oxide fuel cell, characterized in that an elastic body is provided between the collar wall portion. 固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の面に空気極が設けられた単セルと、A single cell provided with a fuel electrode on one side of the solid electrolyte body and an air electrode on the other side;
平板状の底壁部と、該底壁部の周縁から傾斜して延びる筒状の側壁部と、該側壁部の端縁から延びる環状のつば壁部とを有してなり、該底壁部と該側壁部とで形成される凹部に上記単セルが配置される皿状のセパレータと、The bottom wall portion includes a flat bottom wall portion, a cylindrical side wall portion extending obliquely from the periphery of the bottom wall portion, and an annular collar wall portion extending from an edge of the side wall portion. And a dish-shaped separator in which the single cell is disposed in a recess formed by the side wall portion,
上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、上記セパレータの上記つば壁部の上面側に配置される環状の外側隔離部と、上記単セルの上記固体電解質体の上面の周縁部に配置される環状の内側隔離部と、該外側隔離部及び該内側隔離部を連繋する側壁部とを有し、他の皿状のセパレータを配置するための凹部を有し、上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータと、Provided on the surface of the single cell opposite to the separator, on the outer periphery of the annular separator disposed on the upper surface side of the collar wall of the separator, and on the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body of the single cell An annular inner separator, a side wall connecting the outer separator and the inner separator, and a recess for arranging another dish-shaped separator; A dish-shaped isolation separator that hermetically isolates the air electrode;
を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備え、Comprising one or more fuel cell units having
上記単セルと上記セパレータの上記底壁部との間には弾性体が設けられるとともに、上記隔離セパレータの上記内側隔離部と上記固体電解質体の上面の周縁部との間、及び上記隔離セパレータの上記外側隔離部と上記セパレータの上記つば壁部との間には溶融形成されたシール体が設けられていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。An elastic body is provided between the single cell and the bottom wall of the separator, and between the inner separator of the separator and the peripheral edge of the upper surface of the solid electrolyte body, and of the separator. A solid oxide fuel cell, wherein a melt-formed seal body is provided between the outer isolation portion and the flange wall portion of the separator.
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