JP3925172B2 - Fuel cell module - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極層及び酸化剤極層にて電解質層を挟持して構成された発電セルを有する固体酸化物型の燃料電池モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池として、特開平6−13088号公報に記載された固体電解質型燃料電池が知られている。この固体電解質型燃料電池には、アノード、固体電解質体及びカソードの積層体からなる集合体と、反応ガス供給管が配されたセパレータとが交互に積層され、セパレータの一方の面に燃料ガスが通流する溝が形成され、セパレータの他方の面に酸化剤ガスが通流する溝が形成されたことが記載されている。この燃料電池では、反応ガス供給管が少なくとも一部がアルミナ磁器管等のセラミック管により形成された燃料ガス供給管と酸化剤供給管とからなる。燃料ガス供給管はセパレータの側面に接続されて燃料ガスの通流する溝に連通し、酸化剤供給管はセパレータの側面に接続されて酸化剤ガスの通流する溝に連通するように構成される。また燃料ガス供給管はセラミックにより形成された燃料ガス分配器に接続され、酸化剤供給管はセラミックにより形成された酸化剤ガス分配器に接続される。
このように構成された固体酸化物型燃料電池では、反応ガス供給管が各セパレータに個別に接続されるため、従来、集合体及びセパレータに形成された円形のガスマニホルドをシールする円形のガラスリングを不要にできるとともに、従来、集合体及びセパレータ間の外形をガスシールしていた四角形のガラスリングを不要にできるようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平6−13088号公報に示された固体電解質型燃料電池では、セパレート板のリブ付多孔質基材には反応ガスを所定の方向に導くリブが形成されているため、発電に寄与する発電セルの表面積がリブのアノード又はカソードへの接触面積分だけ小さくなって、発電効率が低下する問題点があった。
また、上記従来の特開平6−13088号公報に示された固体電解質型燃料電池では、アノード及びカソードとリブ付多孔質基板とがリブのみで接触しているため、アノード及びカソードのセパレート板との電子伝導性が低く、アノード及びカソードとリブとが接触する部分近傍のみで反応が起こり易い。即ち、上記リブ間の溝中央部分ではアノード及びカソードと接触していないため、反応により生成した電子がリブに到達する前に、アノード及びカソードの電気抵抗により消滅してしまい、発電セル全面で反応させることが難しい問題点もあった。
更に、上記従来の特開平6−13088号公報に示された固体電解質型燃料電池では、反応ガス供給管の一部又は全部を比較的脆いセラミック管により形成されているため、その組付作業を慎重に行わなければならず、組付作業時間が増大し、また燃料電池の発熱及び冷却の繰返しで反応ガス供給管に作用する熱応力により反応ガス供給管が損傷するおそれがあった。
【0004】
本発明の第1の目的は、発電に寄与する発電セルの表面を全て発電に寄与させることにより発電効率を向上できる、燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明の第2の目的は、酸化剤ガスを酸化剤極層の全体に略均一に流すことにより、発電セルを均一に加熱・冷却できる、燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明の第3の目的は、燃料ガスの燃料極層内での流れを制御し、燃料ガスと燃料極層との衝突回数を増大することにより、発電効率を向上できる、燃料電池モジュール。
本発明の第4の目的は、起動時に昇温時間を短縮できるとともに、均一な昇温により発電セルの損傷を防止できる、燃料電池モジュールを提供することにある。
【0005】
本発明の第5の目的は、燃料ガス及び酸化剤ガスを発電に適した温度で各発電セルに供給することにより、発電効率を向上できる、燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明の第6の目的は、ステンレス鋼製のセパレータ、第1端板及び第2端板に燃料極集電体又は酸化剤極集電体のいずれか一方又は双方を接合し、接合部分が溶着されてその接合部分の酸化を防止することにより、セパレータ、第1端板又は第2端板と、燃料極集電体又は酸化剤極集電体との長期的な電気的導通が得られる、燃料電池モジュールを提供することにある。
本発明の第7の目的は、燃料ガスを改質するための改質器を不要にすることにより、部品点数を低減しかつ小型化を図ることができる、燃料電池モジュールを提供することにある。
【0006】
請求項1に係る発明は、図1及び図2に示すように、電解質層12aとこの電解質層12aの両面に配設された燃料極層12b及び酸化剤極層12cとからなる発電セル12が(n+1)個(nは正の整数である。)積層された燃料電池であって、i番目(i=1,2,…,n)の発電セル12の燃料極層12bとこの燃料極層12bに隣接する(i+1)番目の発電セル12の酸化剤極層12cとの間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ16がそれぞれ1枚ずつ合計n枚介装され、i番目の発電セル12の燃料極層12bとj番目(j=1,2,…,n)のセパレータ16との間に導電性を有する多孔質の燃料極集電体17が介装され、(i+1)番目の発電セル12の酸化剤極層12cとj番目のセパレータ16との間に導電性を有する多孔質の酸化剤極集電体18が介装され、1番目の発電セル12の酸化剤極層12cに酸化剤極集電体18を介して導電性材料により板状に形成された単一の第1端板21が積層され、(n+1)番目の発電セル12の燃料極層12bに燃料極集電体17を介して導電性材料により板状に形成された単一の第2端板22が積層され、n枚のセパレータ16が燃料ガスをセパレータ16外周面から導入してセパレータ16の中心から燃料極集電体17に向って吐出させる燃料供給通路23と、酸化剤ガスをセパレータ16外周面から導入してセパレータ16の酸化剤極集電体18に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路24とをそれぞれ有し、単一の第1端板21が酸化剤ガスを第1端板21の酸化剤極集電体18に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路27を有し、単一の第2端板22が燃料ガスを第2端板22の中心から燃料極集電体18に向って吐出させる燃料供給通路26を有し、燃料供給通路23,26に燃料ガスをそれぞれ供給する燃料用ディストリビュータ13が燃料電池11の側方に間隔をあけて設けられ、酸化剤供給通路24,27に酸化剤ガスをそれぞれ供給する酸化剤用ディストリビュータ14が燃料電池11の側方に間隔をあけて設けられ、第1端板21及び第2端板22に一対の電極端子41,42が電気的にそれぞれ接続され、n枚のセパレータ16に形成された各酸化剤供給通路24が酸化剤ガスをセパレータ16外周面から導入してセパレータ16の酸化剤極集電体18に対向する面からシャワー状に吐出させるように構成され、単一の第1端板21に形成された酸化剤供給通路27が酸化剤ガスを第1端板21の酸化剤極集電体18に対向する面からシャワー状に吐出させるように構成されたことを特徴とする燃料電池モジュールである。
【0007】
この請求項1に記載された燃料電池モジュールでは、燃料ガスを燃料用ディストリビュータ13に導入すると、燃料ガスはセパレータ16及び第2端板22の燃料供給通路23,26を通って、セパレータ16及び第2端板22の中心から燃料極集電体17の中心に向って吐出する。この吐出した燃料は燃料極集電体17内を通過して燃料極層12bの略中心から外周縁に向って流れる。同時に酸化剤ガスを酸化剤用ディストリビュータ13に導入すると、酸化剤ガスはセパレータ16及び第1端板21の酸化剤供給通路24,27を通って、セパレータ16及び第1端板21の中心から酸化剤極集電体18の中心に向って吐出する。この吐出した酸化剤ガスは酸化剤極集電体18内を通過して酸化剤極層12c内を固体電解質層11aに沿って流れる。
酸化剤ガスは発電セル12の全面にわたる酸化剤極集電体18と接する部分の酸化剤極層12cから電子を受け取って酸化物イオンにイオン化され、この酸化物イオンは固体電解質層12a内を拡散移動して燃料極層12bとの界面近傍に到達する。これにより酸化物イオンは燃料ガスと反応して反応生成物を生じ、燃料極層12bに電子を放出するので、この電子を燃料極集電体17の全面から取り出すことにより大電流が発生し、電力が得られる。(n+1)個の発電セル12は導電性材料により形成されたセパレータ16、燃料極集電体17及び空気極集電体18を介して直列に接続され、かつ両端に導電性材料により形成された第1端板21及び第2端板22が設けられているため、一対の電極端子41,42から大きな電力を取出すことができる。
【0008】
化剤ガスが酸化剤供給通路24,27からシャワー状に酸化剤極集電体18に向って略均一に吐出されるので、この酸化剤ガスにより発電セル12を均一に加熱・冷却できる。また燃料電池11の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セル12が加熱されて設定温度より上昇したときに、この設定温度より低い温度の酸化剤ガスを上記酸化剤供給通路24,27から吐出させることにより、発電セル12を均一に冷却できるので、発電セル12の局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。
【0009】
請求項に係る発明は、請求項に係る発明であって、更に図2及び図3に示すように、燃料供給通路23,26及び酸化剤供給通路24,27のいずれにも連通しないようにn枚のセパレータ16、単一の第1端板21又は単一の第2端板22のいずれか1つ又は2つ以上に複数の挿入穴16aが形成され、複数の挿入穴16aに第1ヒータ31又は温度センサのいずれか一方又は双方が挿入されたことを特徴とする。
この請求項に記載された燃料電池モジュールでは、燃料電池11の起動時に、第1ヒータ31に通電することにより発電セル12を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セル12が均一に昇温し、発電セル12の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル12の損傷を防止できる。更に温度センサの検出出力に基づいて第1ヒータを制御すれば、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
【0010】
請求項に係る発明は、請求項に係る発明であって、更に燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにn枚のセパレータ、単一の第1端板又は単一の第2端板のいずれか1つ又は2つ以上に複数の軽量化穴が形成されたことを特徴とする。
この請求項に記載された燃料電池では、軽量化穴の形成によりセパレータ、第1端板又は第2端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【0013】
請求項に係る発明は、請求項1ないしいずれか1項に係る発明であって、更に図1に示すように、燃料用ディストリビュータ13に燃料ガスを供給する燃料予熱管43が燃料電池11の外周面に巻回され、酸化剤用ディストリビュータ14に酸化剤ガスを供給する酸化剤予熱管44が燃料電池11の外周面に巻回され、燃料電池11が燃料予熱管43及び酸化剤予熱管44とともにインナケース46に収容され、発電セル12から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスをインナケース46外に排出する排気管51がインナケース46に接続され、インナケース46の少なくとも内面が銀めっき、又はニッケル下地めっきを介する銀めっきされたことを特徴とする。
この請求項に記載された燃料電池モジュールでは、燃料予熱管43内を通る燃料ガスが発電セル12から排出される高温の排ガス(燃料ガス及び酸化剤ガスより生成された水蒸気やCO2)により加熱されて燃料用ディストリビュータ13に供給され、酸化剤予熱管44内を通る酸化剤ガスも発電セル12から排出される上記高温の排ガスにより加熱されて酸化剤用ディストリビュータ44に供給される。このため燃料ガス及び酸化剤ガスが発電に適した温度で各発電セル12に供給されるので、発電効率を向上できる。
また燃料電池11の運転中に発電セル12が発生する輻射熱を利用することにより、発電セル12及びセパレータ16の保温効果を更に高めることができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、燃料電池モジュール10は積層された(n+1)個の発電セル12を有する燃料電池11と、この燃料電池11の近傍にそれぞれ設けられた単一の燃料用ディストリビュータ13及び単一の空気用ディストリビュータ14(酸化剤用ディストリビュータ)とを備える。ここで、nは正の整数である。発電セル12は円板状の固体電解質層12aと、この固体電解質層12aの両面に配設された円板状の燃料極層12b及び空気極層12c(酸化剤極層)とからなる。i番目(i=1,2,…,n)の発電セル12の燃料極層12bとこの燃料極層12bに隣接する(i+1)番目の発電セル12の空気極層12cとの間には導電性材料により正方形板状に形成されたセパレータ16がそれぞれ1枚ずつ合計n枚介装される。またi番目の発電セル12の燃料極層12bとj番目(j=1,2,…,n)のセパレータ16との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の燃料極集電体17が介装され、(i+1)番目の発電セル12の空気極層12cとj番目のセパレータ16との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の空気極集電体18(酸化剤極集電体)が介装される。更に1番目の発電セル12の空気極層12cには空気極集電体18を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第1端板21が積層され、(n+1)番目の発電セル12の燃料極層12bには燃料極集電体17を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第2端板22が積層される。
【0031】
なお、固体電解質層、燃料極層、空気極層、燃料極集電体及び空気極集電体は円板状ではなく、四角形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。また、セパレータ、第1端板及び第2端板は正方形板状ではなく、円板状、或いは長方形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。この場合、燃料ガスを発電セル12の略中心より均等に外周方向へ流すために、後述する燃料供給通路23の第2燃料穴23bは1個とは限らず、略中心に2個或いは3個以上であってもよい。
【0032】
また発電セルの積層方向が鉛直方向と一致するように、即ち各発電セルが水平方向に延びるように燃料電池を設置した場合、燃料ガスはセパレータの略中心から吐出させることが好ましいけれども、発電セルの積層方向が水平方向と一致するように、即ち各発電セルが鉛直方向に延びるように燃料電池を設置した場合、燃料ガスはセパレータの中心より幾分下方にずらした部分から吐出させることが好ましい。この理由は、各発電セルが鉛直方向に延びるように燃料電池を設置した状態で、水素又はメタンである燃料ガスをセパレータの中心から吐出させると、重力の影響により水素又はメタンが上昇して、発電セルの上部が下部に比較して電池反応が活発になるためである。そこで各発電セルが鉛直方向に延びるように燃料電池を設置した場合、上述のように発電セルの全面において均一に発電させるために、第2燃料穴の位置をセパレータの中心より多少下方にずらすことが好ましい。
【0033】
更に後述する空気供給通路24の第3空気穴24cをシャワー状(縦横に多数並んだ状態)に形成する場合、発電セル11全面に空気を均等に流すために、セパレータ16の外周部分に比べ中央部分に第3空気穴24cを多く(密に)形成することが好ましい。これは、シャワー状の第3空気穴24cを均等間隔で形成すると、セパレータ16の中央部分より外周部分で多くの空気が吐出してしまうためである。
【0034】
固体電解質層12aは酸化物イオン伝導体により形成される。具体的には、一般式(1):Ln1 A Ga B1 B2 B3 Oで示される酸化物イオン伝導体である。但し、上記一般式(1)において、Ln1はLa,Ce,Pr,Nd及びSmからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であって43.6〜51.2重量%含まれ、AはSr,Ca及びBaからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であって5.4〜11.1重量%含まれ、Gaは20.0〜23.9重量%含まれ、B1はMg,Al及びInからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であり、B2はCo,Fe,Ni及びCuからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であり、B3はAl,Mg,Co,Ni,Fe,Cu,Zn,Mn及びZrからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であり、B1とB3又はB2とB3がそれぞれ同一の元素でないとき、B1は1.21〜1.76重量%含まれ、B2は0.84〜1.26重量%含まれ、B3は0.23〜3.08重量%含まれ、B1とB3又はB2とB3がそれぞれ同一の元素であるとき、B1の含有量とB3の含有量の合計が1.41〜2.70重量%であり、B2の含有量とB3の含有量の合計が1.07〜2.10重量%である。
【0035】
また固体電解質層12aを一般式(2):Ln11-x x Ga1-y-z-w B1y B2z B3w 3-dで示される酸化物イオン伝導体により形成してもよい。但し、上記一般式(2)において、Ln1はLa,Ce,Pr,Nd及びSmからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であって、AはSr,Ca及びBaからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であって、B1はMg,Al及びInからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であって、B2はCo,Fe,Ni及びCuからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であって、B3はAl,Mg,Co,Ni,Fe,Cu,Zn,Mn及びZrからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であって、xは0.05〜0.3、yは0.025〜0.29、zは0.01〜0.15、wは0.01〜0.15、y+z+wは0.035〜0.3及びdは0.04〜0.3である。上記のような酸化物イオン伝導体にて固体電解質層12aを形成することにより、燃料電池11の発電効率を低下させずに、発電運転を650±50℃と比較的低温で行うことが可能となる。
【0036】
燃料極層12bはNi等の金属により構成されたり、又はNi−YSZ等のサーメットにより構成されたり、或いはNiと一般式(3):Ce1-mm2で表される化合物との混合体により多孔質に形成される。但し、上記一般式(3)において、DはSm,Gd,Y及びCaからなる群より選ばれた1種又は2種以上の元素であり、mはD元素の原子比であり、0.05〜0.4、好ましくは0.1〜0.3の範囲に設定される。
【0037】
空気極層12cは一般式(4):Ln21-x Ln3x1-y Coy3+dで示される酸化物イオン伝導体により多孔質に形成される。 但し、上記一般式(4)において、Ln2はLa又はSmのいずれか一方又は双方の元素であり、Ln3はBa,Ca又はSrのいずれか一方又は双方の元素であり、EはFe又はCuのいずれか一方又は双方の元素である。またxはLn3の原子比であり、0.5を越え1.0未満の範囲に設定される。yはCo元素の原子比であり、0を越え1.0以下、好ましくは0.5以上1.0以下の範囲に設定される。dは−0.5以上0.5以下の範囲に設定される。
【0038】
上記発電セル12の製造方法の一例を下記に示す。先ず原料粉末として、La23,SrCO3,Ga23,MgO,CoOの各粉末をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.052.8となるように秤量して混合した後に、1100℃で予備焼成して仮焼体を作製する。次いでこの仮焼体を粉砕した後に、所定のバインダ、溶剤などを加えて混合することによりスラリーを調製し、このスラリーをドクタブレード法によりグリーンシートを作製する。次にこのグリーンシートを空気中で十分に乾燥し、所定の寸法に切出した後に、1450℃で焼結することにより固体電解質層12aを得る。この固体電解質層12aの一方の面に、Niと(Ce0.8Sm0.2)O2が体積比で6:4となるように、NiO粉末と(Ce0.8Sm0.2)O2粉末とを混合した後に、この混合粉末を1100℃で焼付けることにより燃料極層12bを形成する。更に上記固体電解質層12aの他方の面に(Sm0.5Sr0.5)CoO3を1000℃で焼付けることにより空気極層12cを形成する。このようにして発電セル12が作製される。
【0039】
セパレータ16はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかにより形成されることが好ましい。例えば、SUS316、インコネル600、ハステロイX(Haynes Stellite社の商品名)、ヘインズアロイ214などが挙げられる。またセパレータ16には燃料供給通路23と、空気供給通路24(酸化剤供給通路)と、複数の挿入穴16aが形成される(図2及び図3)。燃料供給通路23はセパレータ16の外周面から略中心に向う第1燃料穴23aと、第1燃料穴23aに連通しセパレータ16の略中心から燃料極集電体17に臨む第2燃料穴23bとを有する。また空気供給通路24はセパレータ16の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端がセパレータ16外周面に開口しかつ先端が閉止された略T字状の第1空気穴24aと、セパレータ16の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され第1空気穴24aに連通し更に両端が閉止された複数の第2空気穴24bと、セパレータ16の空気極集電体18に対向する面に所定の間隔をあけかつ第2空気穴24bに連通するように形成された多数の第3空気穴24cとを有する。
【0040】
第1空気穴24aは第1燃料穴23aと穴芯が同一のベース穴24dと、このベース穴24dに連通するとともに複数の第2空気穴24bに連通し両端が閉止された分配穴24eからなる。分配穴24eはベース穴24dの基端が形成されたセパレータ16の一方の側面に隣接する側面からベース穴24dに直交するように形成した後に、この隣接する側面に閉止板25を接合することにより両端が閉止された長穴となる。また複数の第2空気穴24bはベース穴24dの基端が形成されたセパレータ16の一方の側面からベース穴24dに平行に形成した後に、この側面に閉止板25を接合することにより両端が閉止された複数の長穴となる。複数の挿入穴16aは燃料供給通路23及び空気供給通路24のいずれにも連通しないように第1燃料穴23a及び第2空気穴24bに平行に形成され、これらの挿入穴16aには第1ヒータ31がそれぞれ挿入される(図3)。またセパレータ16の燃料極集電体17に対向する面には3本のスリット16bがセパレータ16の略中心から渦巻き状にそれぞれ形成され(図4)、これらのスリット16bの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは3本ではなく、2本又は4本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【0041】
図2に戻って、燃料極集電体17はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀、銀合金、白金又は銅により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、ニッケルめっき、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは銅めっきを施すことが好ましい。空気極集電体18は銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき又は白金めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、銀合金又は白金により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは白金めっきを施すことが好ましい。なお、燃料ガスとして炭化水素を用いた場合には、燃料極集電体はニッケルめっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケルにより形成され、燃料ガスとして水素を用いた場合には、燃料極集電体は銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、銀合金、白金又は銅により形成される。上記燃料極集電体13の製造方法の一例を下記に示す。先ずステンレス鋼などのアトマイズ粉末とHPMC(水溶性樹脂結合剤)を混練した後に、蒸留水及び添加剤(n−ヘキサン(有機溶剤)、DBS(界面活性剤)、グリセリン(可塑剤)など)を加えて混練して混合スラリーを調製する。次にこの混合スラリーをドクタブレード法により成形体を作製した後に、所定の条件で発泡、脱脂及び焼結して多孔質板を得る。更にこの多孔質板を所定の寸法に切出して燃料極集電体17を作製する。なお、ステンレス鋼のアトマイズ粉末を用いた場合には、表面にニッケルめっき、クロムめっき、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっきが施される。また上記空気極集電体18も上記燃料極集電体17とほぼ同様にして作製される。
【0042】
第1端板21及び第2端板22はセパレータ16と同一材料により同一形状(正方形板状)に形成される。第1端板21には空気供給通路27及び複数の挿入穴(図示せず)が形成され、第2端板22には燃料供給通路26及び複数の挿入穴(図示せず)が形成される。空気供給通路27は空気供給通路23と同様に形成され、第1端板21の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端が第1端板21外周面に開口しかつ先端が閉止されたT字状の第1空気穴27aと、第1端板21の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され第1空気穴27aに連通し更に両端が閉止された複数の第2空気穴(図示せず)と、第1端板21の空気極集電体14に対向する面に所定の間隔をあけかつ第2空気穴に連通するように形成された多数の第3空気穴(図示せず)とを有する。また燃料供給通路26は燃料供給通路23と同様に形成され、第2端板22の外周面から略中心に向う第1燃料穴26aと、第1燃料穴26aに連通し第2端板22の略中心から燃料極集電体13に臨む第2燃料穴26bとを有する。
【0043】
第1端板21に形成された第1空気穴27aはベース穴27dと、このベース穴27dに連通するとともに複数の第2空気穴に連通し両端が閉止された分配穴27eからなる。分配穴27eはベース穴27dの基端が形成された第1端板21の一方の側面に隣接する側面からベース穴24dに直交するように形成した後に、この隣接する側面に閉止板25を接合することにより両端が閉止された長穴となる。複数の第2空気穴はベース穴24dの基端が形成された第1端板21の一方の側面からベース穴27dに平行に形成した後に、この側面に閉止板を接合することにより両端が閉止された複数の長穴となる。また第1端板21の複数の挿入穴は空気供給通路27に連通しないように第2空気穴に平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ(図示せず)がそれぞれ挿入される。第2端板22の複数の挿入穴は燃料供給通路26に連通しないように第1燃料穴26aに平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ(図示せず)がそれぞれ挿入される。第2端板22の上面、即ち第2端板22の燃料極集電体13への対向面には3本のスリット22bが第2端板22の略中心から渦巻き状に形成される(図2)。これらのスリット22bの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは3本ではなく、2本又は4本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【0044】
更にセパレータ16、第1端板21及び第2端板22の四隅にはボルト(図示せず)を挿通可能な通孔16cが形成される(図3及び図4)。(n+1)個の発電セル12と、n枚のセパレータ16と、(n+1)個の燃料極集電体17と、(n+1)個の空気極集電体18と、単一の第1端板21と、単一の第2端板22とを積層したときに、上記セパレータ16、第1端板21及び第2端板22の四隅に形成された通孔16cにボルトをそれぞれ挿通した後に、これらのボルトの先端にナットをそれぞれ螺合することにより、燃料電池11が上記積層した状態で固定されるようになっている。
【0045】
図1に戻って、燃料用ディストリビュータ13及び空気用ディストリビュータ14は発電セル12の積層方向に延びてそれぞれ設けられ、両端が閉止された筒状に形成される。燃料用ディストリビュータ13は(n+1)本の燃料用短管28を通ってn枚のセパレータ16の燃料供給通路23の第1燃料穴23a及び単一の第2端板22の燃料供給通路26aの第1燃料穴26aにそれぞれ連通接続され、空気用ディストリビュータ14は(n+1)本の空気用短管29を通ってn枚のセパレータ16の空気供給通路24の第1空気穴24a及び単一の第1端板21の空気供給通路27の第1空気穴27aにそれぞれ連通接続される。この実施の形態では、燃料用ディストリビュータ13、空気用ディストリビュータ14、燃料用短管28及び空気用短管29はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金などの導電性材料により形成される。
【0046】
燃料用短管28と燃料用ディストリビュータ13との電気的絶縁を確保するために、燃料用短管28と燃料用ディストリビュータ13との間にはアルミナ等の電気絶縁性材料により形成された燃料用絶縁管36が介装され、これらの隙間はガラスやセメント等の電気絶縁性を有する燃料用封止部材37により封止される。また空気用短管29と空気用ディストリビュータ14との電気的絶縁を確保するために、空気用短管29と空気用ディストリビュータ14との間にはアルミナ等の電気絶縁性材料により形成された空気用絶縁管38が介装され、これらの隙間はガラスやセメント等の電気絶縁性を有する空気用封止部材39により封止される。
【0047】
第1端板21の上面中央及び第2端板22の下面中央には一対の電極端子41,42(この実施の形態では電極棒)が電気的にそれぞれ接続される。燃料用ディストリビュータ13の上部外周面には燃料予熱管43が接続され、この燃料予熱管43は燃料電池11の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子41,42の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。また空気用ディストリビュータ14の外周面には空気予熱管44(酸化剤予熱管)が接続され、この空気予熱管44は燃料電池11の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子41,42の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。更に燃料電池11の外周面には第2ヒータ32が燃料電池11の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子41,42の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。上記燃料予熱管43の螺旋半径は上記空気予熱管44の螺旋半径より小さく形成され、第2ヒータ32の螺旋半径は燃料予熱管43の螺旋半径と空気予熱管44の螺旋半径の中間の値になるように形成される。
【0048】
この実施の形態では、燃料予熱管43及び空気予熱管44はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金などにより形成される。また空気予熱管44は空気用ディストリビュータ14の長手方向の略中央に接続される。これは、発電中に燃料電池11の内部抵抗によりジュール熱を発生し、燃料電池11の積層方向の中央部分が最も熱くなり、この部分に空気予熱管44及び空気用ディストリビュータ14を通って比較的低い温度の酸化剤ガスを供給することにより、発電セル12の均熱を保つためである。
【0049】
上記燃料電池11は螺旋状の燃料予熱管43、螺旋状の空気予熱管44及び螺旋状の第2ヒータ32とともにインナケース46に収容される。このインナケース46の下部外周面及び上面には発電セル12から排出された燃料ガス及び空気をインナケース46外に導く第1排気管51及び第2排気管52がそれぞれ接続される。またインナケース46の外面は断熱材47により被覆されるとともに、インナケース46の外周面には燃料予熱管43、空気予熱管44及び第1排気管51がそれぞれ螺旋状に巻回される。この実施の形態では、第1排気管51は燃料予熱管43及び空気予熱管44より大径に形成され、燃料予熱管43及び空気予熱管44を内部に遊挿した状態でインナケース46の外周面から所定の間隔をあけて螺旋状に巻回される。なお、燃料予熱管及び空気予熱管を第1排気管の内部に遊挿するのではなく、第1排気管の外周面に密着させた状態でインナケースの外周面に螺旋状に巻回してもよい。
【0050】
上記インナケース46は螺旋状の第1排気管51と、この第1排気管51に遊挿された燃料予熱管43及び空気予熱管44と、断熱材47とともにアウタケース48に収容される。上記第1排気管51はこの第1排気管51に遊挿された燃料予熱管43及び空気予熱管44とともに、アウタケース48の上部外周面からアウタケース48外に突出し、燃料予熱管43及び空気予熱管44はこの突出した部分から第1排気管51外に突出する。第1排気管51から突出した燃料予熱管43にはこの燃料予熱管43内の燃料ガスに水蒸気を混合するための水供給管49の先端が挿入され、この水供給管49には噴霧器(図示せず)が接続される。上記水供給管の49先端はアウタケース48内に位置することが好ましい。なお、燃料ガスとしては、例えばメタンガス(CH4))が挙げられる。また図示しないが上記噴霧器から噴射された霧状の水は第2排気管52内を通る排ガスの熱により気化されて水蒸気になるように構成される。燃料予熱管43には燃料ガスが流通可能な密度で改質粒子(図示せず)が充填される。この改質粒子はNi、NiO、Al23、SiO2、MgO、CaO、Fe23、Fe34、V23、NiAl24、ZrO2、SiC、Cr23、ThO2、Ce23、B23、MnO2、ZnO、Cu、BaO及びTiO2からなる群より選ばれた1種又は2種以上を含む元素又は酸化物により形成されることが好ましい。
【0051】
燃料電池11に螺旋状に巻回された燃料予熱管43のうちインナケース46内に位置する最下端には、水分離器53が接続される。これは、燃料電池モジュール10が停止して温度が低下し、水蒸気が液化して水になったときに、この水は水分離器53に溜るように構成される。この結果、燃料電池モジュール10を再始動しても、水が液体のまま発電セル12に供給されないので、発電セル12の性能は低下せず、発電セル12は破損しないようになっている。なお、上記水分離器はインナケース外の燃料予熱管に接続してもよい。
【0052】
また燃料電池11に螺旋状に巻回された空気予熱管44のうちインナケース46内に位置する上端には、冷却空気(冷却酸化剤ガス)を空気予熱管44に供給可能な冷却管56が接続される。また空気予熱管44のうち冷却管56の接続部と空気用ディストリビュータ14の接続部との間には、空気予熱管44内の空気と冷却管56内の冷却空気とを混合する混合部が接続される。この混合部には図示しないが上記空気及び冷却空気を混合するためにバッフル板や撹拌機等が内蔵される。また燃料電池11にはこの燃料電池11の温度を検出する温度センサ58が挿入され、冷却管56には冷却空気の流量を調整する流量調整弁59が設けられる。温度センサ58の検出出力はコントローラ(図示せず)の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は流量調整弁59に接続される。なお、図1の符号54はインナケース46及びアウタケース48を一対の電極端子41,42から電気的に絶縁するための絶縁リングである。
【0053】
このように構成された燃料電池モジュール10の動作を説明する。
燃料ガス(例えば、メタンガス(CH4))を燃料予熱管43に供給し、水(H2O)を水供給管49から上記燃料予熱管43に供給して水蒸気にし、この水蒸気を上記燃料ガスに混合する。一方、空気(酸化剤ガス)を空気予熱管44に供給する。上記水蒸気を含む燃料ガスは第1排気管51に挿入された燃料予熱管43内でインナケース46の外周面を螺旋状に回りながら高温の排ガス(発電セル12から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガス)と熱交換することにより加熱され、上記空気は第1排気管51に挿入された空気予熱管44内でインナケース46の外周面を螺旋状に回りながら高温の排ガスと熱交換することにより加熱される。また燃料予熱管43及び空気予熱管44が遊挿された第1排気管51は断熱材47により覆われているため、上記第1排気管51内を通る排ガスは冷え難い。
【0054】
インナケース46の外周面を螺旋状に回りながら加熱された燃料ガス及び空気はインナケース46内に入るときに第1排気管51から出て燃料電池11の外周面を螺旋状に回る。このとき燃料予熱管43内を通る燃料ガスは発電セル12から排出される高温の排ガス及び第2ヒータ32により加熱される。上記燃料予熱管43内には改質粒子が充填されているため、水蒸気を含む燃料ガスを上述のように加熱することにより、この水蒸気を含む燃料ガスは改質粒子により改質されて(例えば、水素ガス(H2)に改質される。)て、燃料用ディストリビュータ13に供給される。また空気予熱管44内を通る空気も上記高温の排ガス及び第2ヒータ32により加熱されて空気用ディストリビュータ14に供給される。
【0055】
発電に最適な温度に加熱されかつ改質された燃料ガスを燃料用ディストリビュータ13に導入すると、この燃料ガスは燃料用短管28及び燃料供給通路23,26を通り、セパレータ16及び第2端板22の略中心から燃料極集電体17の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体17内の気孔を通過して燃料極層12bの略中心に速やかに供給され、更にスリット16b,22bにより案内されて燃料極層12bの略中心から外周縁に向って渦巻き状に流れる。同時に発電に最適な温度に加熱された空気を空気用ディストリビュータ14に導入すると、この空気は空気用短管29及び空気供給通路24,27を通り、セパレータ16の多数の第3空気穴24c及び第1端板21の多数の第3空気穴からシャワー状に空気極集電体18に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体18内の気孔を通過して空気極層11cに略均一に供給される。
【0056】
空気極層12cに供給された空気は空気極層12c内の気孔を通って固体電解質層12aとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層12cから電子を受け取って、酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは燃料極層12bの方向に向って固体電解質層12a内を拡散移動し、燃料極層12bとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物(例えば、H2O)を生じ、燃料極層12bに電子を放出する。この電子を燃料極集電体17により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。上記のように燃料ガスがセパレータ16の略中央及び第2端板22の略中央から吐出され、かつスリット16b,22bにより案内されるので、燃料ガスの反応経路が長くなる。この結果、燃料ガスがセパレータ16及び第2端板22の外周縁に到達するまでに、燃料ガスが燃料極層12bと極めて多く衝突するので、上記反応回数が増え、燃料電池11の性能向上を図ることができる。従って、セパレータ16及び第2端板22の外径が大きくなればなるほど、燃料ガスの反応経路が長くなり、これに伴って反応回数が増え、燃料電池11の出力向上に繋がる。なお、(n+1)個の発電セル12は導電性材料により形成されたセパレータ16、燃料極集電体17及び空気極集電体18を介して直列に接続され、かつ燃料電池11の両端の第1端板21及び第2端板22には一対の電極端子41,42が設けられているため、これらの電極端子41,42から大きな電力を取出すことができる。
【0057】
また従来の燃料電池、即ちアノードとカソードが接触する部分の近傍のみで反応が起こり発電効率が低下する、空気極集電体及び燃料極集電体を有しない構造の燃料電池と比較して、本発明の燃料電池モジュール10では、発電セル12の表面の全てが発電に寄与するので、発電効率が向上する。
また燃料電池モジュール10の起動時には、第1ヒータ31に通電することにより発電セル12を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できるとともに、発電セル12が均一に昇温し、発電セル12の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル12の損傷を防止できる。なお、挿入穴にヒータを挿入しない場合、即ち挿入穴を軽量化穴とした場合には、セパレータ、第1端板及び第2端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【0058】
またインナケース46の両面及びアウタケース48の内面には銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき又は白金めっきが施され、更に燃料用短管28、燃料用ディストリビュータ13、燃料予熱管43、空気用短管29、空気用ディストリビュータ14及び空気予熱管44の外面には銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき又は白金めっきが施されることが好ましい。これにより燃料電池11の運転中に発電セル12が発生する輻射熱を、燃料予熱管43及び酸化剤予熱管44の保温のために利用でき、発電セル12及びセパレータ16の保温効果を高めることができる。
また燃料予熱管43、燃料用ディストリビュータ13、燃料用短管28、酸化剤予熱管44、酸化剤用ディストリビュータ14及び酸化剤用短管27がステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかにより形成されかつ内面に銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき又は白金めっきが施されることが好ましい。これにより酸化剤予熱管44、酸化剤用ディストリビュータ14及び酸化剤用短管27の内部が酸化されず、酸化スケール(粉状の酸化物)の生成を抑制できる。一方、還元雰囲気である燃料予熱管43、燃料用ディストリビュータ13及び燃料用短管28の内部には水蒸気が存在するけれども、この水蒸気による酸化スケールの発生を抑制できる。
また燃料予熱管43、燃料用ディストリビュータ13及び燃料用短管28の内面にニッケルめっきが施されることが好ましい。これにより燃料予熱管43、燃料用ディストリビュータ13及び燃料用短管28の内部で炭化水素の改質反応が可能となる。
【0059】
一方、セパレータ16の下面及び第1端板21の下面には多数の第3空気穴24cが所定の間隔をあけて並んで形成されているため、空気がセパレータ16の下面及び第1端板21の下面から略均一に吐出される。この結果、空気により発電セル12を均一に加熱・冷却できる。特に、燃料電池モジュール10の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セル12が加熱されて設定温度(例えば、650℃)より上昇したときに、この設定温度より僅かに低い温度(例えば、630)の空気を上記空気供給通路24,27から吐出させることにより、発電セル12を均一に冷却できるので、発電セル12の局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。また上述の燃料電池11の温度制御は温度センサ58の検出出力に基づくコントローラの流量調整弁59の制御により行うことができる。即ち、燃料電池11の運転中に燃料電池11が設定温度(例えば、650℃)を越えたことを温度センサ58が検出すると、コントローラが温度センサ58の検出出力に基づいて流量調整弁59の開度を変え、空気予熱管44を通る空気に冷却管56を通る冷却空気を混ぜ、設定温度より低い温度(例えば、630℃)の空気を燃料電池11に供給する。
【0060】
更にステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製のセパレータ16及び第2端板22の上面に、ニッケルめっき、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは銅めっきが施されたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀、銀合金、白金又は銅製の燃料極集電体17をそれぞれ接合し、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製のセパレータ16及び第2端板22の下面に、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは白金めっきが施されたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、銀合金又は白金製の空気極集電体18をそれぞれ接合すれば、セパレータ16及び第1端板21が高温で空気に曝されても、即ちセパレータ16及び第1端板21が高温酸化雰囲気に曝されても、セパレータ16及び空気極集電体18の接合部分と、第1端板22及び空気極集電体18の溶着された接合部分が溶着されているため、これらの接合部分の酸化を防止できる。この結果、セパレータ16及び燃料極集電体17の電気的導通と、第2端板22及び燃料極集電体17の電気的導通のみならず、セパレータ16及び空気極集電体18の電気的導通と、第1端板21及び空気極集電体18の電気的導通を上記接合部分を通して長期間保持できるとともに、上記接合により燃料電池モジュール10の組立作業時間を短縮し、組立作業性を向上できる。なお、上記接合方法としては銀ろう付け、スポット溶接又はレーザ溶接等が挙げられる。またステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製の上記セパレータ16、第1端板21及び第2端板22にニッケルめっき、クロムめっき、銀めっき又はニッケル下地めっきを介する銀めっきを施せば、セパレータ16、第1端板21及び第2端板22と、燃料極集電体17及び空気極集電体18との電気的導通を更に長期間保持できる。
【0061】
なお、上記実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いたが、酸素又はその他の酸化剤ガスを用いてもよい。
また、上記実施の形態では、燃料電池として、発電セルが燃料極層及び空気極層(酸化剤極層)にて固体電解質層を挟持して構成された固体酸化物型の燃料電池を挙げたが、固体高分子型燃料電池や炭酸溶融塩型燃料電池や燐酸型燃料電池などでもよい。
また、上記実施の形態では、セパレータをステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかにより形成したが、ランタンクロマイト(La0.9Sr0.1CrO3)等の導電性を有するセラミックにより形成してもよい。
また、上記実施の形態では、セパレータ、第1端板及び第2端板の挿入穴に第1ヒータをそれぞれ挿入したが、第1ヒータ及び温度センサ(温度測定用熱電対)を交互に挿入してもよい。この場合、温度センサの検出出力に基づいて第1ヒータを制御することにより、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
【0062】
また、上記実施の形態では、燃料予熱管に水供給管の先端を挿入し、この水供給管に噴霧器を接続したが、燃料予熱管の上部に水供給管の先端を挿入し、この水供給管の基端にポンプを接続してもよい。この場合、燃料予熱管に供給された水は第2排気管内を通る排ガスの熱により、燃料予熱管を下るに従って気化される。
更に、発電セル12から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスをインナケース46及びアウタケース48外に導く排気管51,52を水蒸気タービンに接続してもよい。この場合、燃料電池モジュール10から排出された高温の排ガスを利用して水を加熱し、圧縮水蒸気を発生させ、この圧縮水蒸気をタービンに噴射して回転させることにより、発電機を回転させて熱エネルギを電気エネルギに変換することができる。
【0063】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、i番目の発電セルの燃料極層と(i+1)番目の発電セルの酸化剤極層との間にセパレータを1枚ずつ介装し、燃料極層及びセパレータ間に多孔質の燃料極集電体を介装し、酸化剤極層及びセパレータ間に多孔質の酸化剤極集電体を介装し、各セパレータに燃料供給通路及び酸化剤供給通路を形成し、第1端板に酸化剤供給通路を形成し、第2端板に燃料供給通路を形成し、燃料供給通路に燃料ガスを供給する燃料用ディストリビュータを燃料電池の近傍に設け、酸化剤供給通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤用ディストリビュータを燃料電池の近傍に設け、更に第1端板及び第2端板に一対の電極端子を電気的にそれぞれ接続したので、燃料用ディストリビュータに導入した燃料ガスが燃料供給通路及び燃料極集電体を通って燃料極層の略中心から外周縁に向って放射状に流れ、同時に酸化剤用ディストリビュータに導入された酸化剤ガスが酸化剤供給通路及び酸化剤極集電体を通って酸化剤極層の略中心から外周縁に向って放射状に流れる。この結果、発電セルの表面の全てが発電に寄与するので、燃料ガス及び燃料極層の衝突回数と、酸化剤ガス及び酸化剤ガスの衝突回数が多くなるので、発電効率が向上する。また各発電セルが導電性材料により形成されたセパレータ等を介して直列に接続されているので、一対の電極端子から大きな電力を取出すことができる。なお、本発明の燃料電池の外径を大きくするに従って反応経路が増大するので、発電性能の向上に繋がる。
【0064】
またセパレータ又は第1端板に形成された各酸化剤供給通路が酸化剤ガスをセパレータ又は第1端板の外周面から導入してセパレータ又は第1端板の酸化剤極集電体に対向する面からシャワー状に略均一に吐出させるように構成すれば、酸化剤ガスが酸化剤供給通路からシャワー状に酸化剤極集電体に向って略均一に吐出されるので、この酸化剤ガスにより発電セルを均一に加熱・冷却できる。また燃料電池の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セルが加熱されて設定温度より上昇したときに、この設定温度より僅かに低い温度の酸化剤ガスを上記酸化剤供給通路から吐出させることにより、発電セルを均一に冷却できるので、発電セルの局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。
また燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにn枚のセパレータ、単一の第1端板及び単一の第2端板のそれぞれに複数の挿入穴を形成し、これらの挿入穴に第1ヒータを挿入すれば、燃料電池の起動時に第1ヒータに通電することにより発電セルを速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セルが均一に昇温し、発電セルの中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セルの損傷を防止できる。また複数の挿入穴に第1ヒータ及び温度センサを挿入すれば、温度センサの検出出力に基づいて第1ヒータを制御することにより、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
また燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにn枚のセパレータ、単一の第1端板及び単一の第2端板のそれぞれに複数の軽量化穴を形成すれば、セパレータ、第1端板及び第2端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【0066】
また燃料用ディストリビュータに燃料ガスを供給する燃料予熱管を燃料電池の外周面に巻回し、酸化剤用ディストリビュータに酸化剤ガスを供給する酸化剤予熱管を燃料電池の外周面に巻回し、燃料電池を燃料予熱管及び酸化剤予熱管とともにインナケースに収容し、発電セルから排出された燃料ガス及び酸化剤ガスをインナケース外に導く排気管をインナケースに接続すれば、燃料予熱管内を通る燃料ガスが発電セルから排出される高温の排ガスにより加熱されて燃料用ディストリビュータに供給され、酸化剤予熱管内を通る酸化剤ガスも発電セルから排出される上記高温の排ガスにより加熱されて酸化剤用ディストリビュータに供給される。この結果、燃料ガス及び酸化剤ガスが発電に適した温度で各発電セルに供給されるので、発電効率を向上できる
【0067】
たインナケースの少なくとも内面に銀めっき又はニッケル下地めっきを介する銀めっきを施せば、燃料電池の運転中に発電セルが発生した輻射熱を利用することにより、発電セル及びセパレータの保温効果を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施形態の燃料電池モジュールの縦断面図。
【図2】その燃料電池の図3のA−A線断面図。
【図3】図2のB−B線断面図。
【図4】図2のC−C線断面図。
【符号の説明】
10 燃料電池モジュール
11 燃料電池
12 発電セル
12a 固体電解質層
12b 燃料極層
12c 空気極層(酸化剤極層)
13 燃料用ディストリビュータ
14 空気用ディストリビュータ(酸化剤用ディストリビュータ)
16 セパレータ
16a 挿入穴
16b,21b,22b スリット
17 燃料極集電体
18 空気極集電体(酸化剤極集電体)
21 第1端板
22 第2端板
23,26 燃料供給通路
24,27 空気供給通路(酸化剤供給通路)
28 燃料用短管
29 空気用短管(酸化剤用短管)
31 第1ヒータ
32 第2ヒータ
36 燃料用絶縁管
37 燃料用封止部材
38 空気用絶縁管(酸化剤用絶縁管)
39 空気用封止部材(酸化剤用封止部材)
41,42 電極端子
43 燃料予熱管
44 空気予熱管(酸化剤予熱管)
46 インナケース
47 断熱材
48 アウタケース
51 第1排気管
52 第2排気管
53 水分離器
58 温度センサ
59 流量調整弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell module having a power generation cell configured by sandwiching an electrolyte layer between a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of fuel cell, a solid oxide fuel cell described in JP-A-6-13088 has been known. In this solid oxide fuel cell, an assembly composed of a laminate of an anode, a solid electrolyte body, and a cathode, and a separator provided with a reaction gas supply pipe are alternately stacked, and fuel gas is supplied to one surface of the separator. It is described that a groove through which an oxidant gas flows is formed on the other surface of the separator. In this fuel cell, the reaction gas supply pipe is composed of a fuel gas supply pipe and an oxidant supply pipe formed at least in part by a ceramic pipe such as an alumina porcelain pipe. The fuel gas supply pipe is connected to the side of the separator and communicates with the groove through which the fuel gas flows, and the oxidant supply pipe is connected to the side of the separator and is configured to communicate with the groove through which the oxidant gas flows. The The fuel gas supply pipe is connected to a fuel gas distributor made of ceramic, and the oxidant supply pipe is connected to an oxidant gas distributor made of ceramic.
In the solid oxide fuel cell configured as described above, since the reaction gas supply pipe is individually connected to each separator, a circular glass ring that conventionally seals the circular gas manifold formed on the assembly and the separator. In addition, a rectangular glass ring that conventionally gas-sealed the outer shape between the assembly and the separator can be eliminated.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the solid oxide fuel cell shown in the above-mentioned conventional Japanese Patent Laid-Open No. 6-13088, the ribbed porous substrate of the separation plate is formed with ribs for guiding the reaction gas in a predetermined direction. The surface area of the power generation cell that contributes to power generation is reduced by the contact area of the rib with the anode or cathode, and there is a problem in that power generation efficiency decreases.
Further, in the solid oxide fuel cell disclosed in the above-mentioned conventional JP-A-6-13088, since the anode and cathode and the ribbed porous substrate are in contact with each other only by the rib, Therefore, the reaction is likely to occur only in the vicinity of the portion where the anode and the cathode are in contact with the rib. In other words, since the central portion of the groove between the ribs is not in contact with the anode and the cathode, the electrons generated by the reaction disappear due to the electrical resistance of the anode and the cathode before reaching the rib, and the reaction occurs on the entire surface of the power generation cell. There were also problems that were difficult to make.
Furthermore, in the solid oxide fuel cell shown in the above-mentioned conventional Japanese Patent Laid-Open No. 6-13088, part or all of the reaction gas supply pipe is formed of a relatively brittle ceramic pipe. This has to be done carefully, increasing the assembly time, and possibly causing damage to the reaction gas supply pipe due to thermal stress acting on the reaction gas supply pipe due to repeated heating and cooling of the fuel cell.
[0004]
A first object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of improving power generation efficiency by causing all the surfaces of power generation cells contributing to power generation to contribute to power generation.
A second object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of uniformly heating and cooling a power generation cell by flowing an oxidant gas substantially uniformly throughout the oxidant electrode layer.
A third object of the present invention is a fuel cell module which can improve the power generation efficiency by controlling the flow of fuel gas in the fuel electrode layer and increasing the number of collisions between the fuel gas and the fuel electrode layer.
A fourth object of the present invention is to provide a fuel cell module that can shorten the temperature raising time at startup and can prevent damage to the power generation cell by uniform temperature raising.
[0005]
A fifth object of the present invention is to provide a fuel cell module that can improve power generation efficiency by supplying fuel gas and oxidant gas to each power generation cell at a temperature suitable for power generation.
A sixth object of the present invention is to join one or both of a fuel electrode current collector and an oxidant electrode current collector to a stainless steel separator, a first end plate, and a second end plate, By welding and preventing oxidation of the joint portion, long-term electrical conduction between the separator, the first end plate or the second end plate and the fuel electrode current collector or the oxidant electrode current collector can be obtained. It is to provide a fuel cell module.
A seventh object of the present invention is to provide a fuel cell module that can reduce the number of components and can be miniaturized by eliminating the need for a reformer for reforming fuel gas. .
[0006]
  As shown in FIGS. 1 and 2, the invention according to claim 1 includes a power generation cell 12 including an electrolyte layer 12a and a fuel electrode layer 12b and an oxidant electrode layer 12c disposed on both surfaces of the electrolyte layer 12a. (N + 1) (n is a positive integer) stacked fuel cell, the fuel electrode layer 12b of the i-th (i = 1, 2,..., N) power generation cell 12 and the fuel electrode layer A total of n separators 16 each formed in a plate shape with a conductive material are interposed between the oxidant electrode layer 12c of the (i + 1) th power generation cell 12 adjacent to 12b, and the i th power generation. Between the fuel electrode layer 12b of the cell 12 and the jth (j = 1, 2,..., N) separator 16, a porous anode current collector 17 having conductivity is interposed, and the (i + 1) th Between the oxidant electrode layer 12 c of the power generation cell 12 and the j-th separator 16. A porous oxidant electrode current collector 18 having a conductive property is interposed, and the oxidant electrode layer 12c of the first power generation cell 12 is formed in a plate shape by a conductive material via the oxidant electrode current collector 18. In addition, a single first end plate 21 is laminated, and a single first end plate 21 is formed on the fuel electrode layer 12b of the (n + 1) th power generation cell 12 with a conductive material via the fuel electrode current collector 17 in a plate shape. The two end plates 22 are stacked, and the n separators 16 introduce fuel gas from the outer peripheral surface of the separator 16 so that the separator 16centerThe fuel supply passage 23 is discharged from the fuel electrode current collector 17 toward the fuel electrode current collector 17, and the oxidant supply is introduced from the outer surface of the separator 16 and discharged from the surface of the separator 16 facing the oxidant electrode current collector 18. Each having a passage 24, and a single first end plate 21 has an oxidant supply passage 27 for discharging the oxidant gas from the surface of the first end plate 21 facing the oxidant electrode current collector 18, A single second end plate 22 delivers fuel gas to the second end plate 22centerA fuel supply passage 26 that discharges from the fuel electrode current collector 18 toward the fuel electrode current collector 18, and a fuel distributor 13 that supplies fuel gas to the fuel supply passages 23 and 26 is provided in the fuel cell 11.With a gap on the sideAn oxidant distributor 14 provided for supplying oxidant gas to the oxidant supply passages 24 and 27 is provided in the fuel cell 11.With a gap on the sideA pair of electrode terminals 41 and 42 are electrically connected to the first end plate 21 and the second end plate 22, respectively.Each of the oxidant supply passages 24 formed in the n separators 16 introduces oxidant gas from the outer peripheral surface of the separator 16 and discharges it in a shower form from the surface of the separator 16 facing the oxidant electrode current collector 18. The oxidant supply passage 27 formed in the single first end plate 21 discharges the oxidant gas from the surface of the first end plate 21 facing the oxidant electrode current collector 18 in a shower shape. ConfiguredThis is a fuel cell module.
[0007]
  In the fuel cell module according to claim 1, when the fuel gas is introduced into the fuel distributor 13, the fuel gas passes through the separator 16 and the fuel supply passages 23 and 26 of the second end plate 22, and the separator 16 and the second Of the two end plates 22centerTo the center of the fuel electrode current collector 17. The discharged fuel passes through the anode current collector 17 and flows from the approximate center of the anode layer 12b toward the outer periphery. At the same time, when the oxidant gas is introduced into the oxidant distributor 13, the oxidant gas passes through the oxidant supply passages 24 and 27 of the separator 16 and the first end plate 21, and passes through the separator 16 and the first end plate 21.centerTo the center of the oxidant electrode current collector 18. The discharged oxidant gas passes through the oxidant electrode current collector 18 and flows along the solid electrolyte layer 11a in the oxidant electrode layer 12c.
  The oxidant gas receives electrons from the oxidant electrode layer 12c in contact with the oxidant electrode current collector 18 over the entire surface of the power generation cell 12, and is ionized into oxide ions. The oxide ions diffuse in the solid electrolyte layer 12a. It moves and reaches the vicinity of the interface with the fuel electrode layer 12b. As a result, the oxide ions react with the fuel gas to produce a reaction product, and electrons are emitted to the fuel electrode layer 12b. Therefore, a large current is generated by taking out these electrons from the entire surface of the fuel electrode current collector 17, Electric power is obtained. The (n + 1) power generation cells 12 are connected in series via a separator 16, a fuel electrode current collector 17, and an air electrode current collector 18 formed of a conductive material, and are formed of a conductive material at both ends. Since the first end plate 21 and the second end plate 22 are provided, large electric power can be taken out from the pair of electrode terminals 41 and 42.
[0008]
acidSince the oxidant gas is discharged almost uniformly from the oxidant supply passages 24 and 27 in the form of a shower toward the oxidant electrode current collector 18, the power generation cell 12 can be uniformly heated and cooled by the oxidant gas. When the power generation cell 12 is heated and rises above a set temperature due to generation of Joule heat during power generation of the fuel cell 11, an oxidant gas having a temperature lower than the set temperature is discharged from the oxidant supply passages 24 and 27. By doing so, the power generation cell 12 can be cooled uniformly, so that damage due to local heating or cooling of the power generation cell 12 can be prevented.
[0009]
  Claim2The invention according to claim1As shown in FIGS. 2 and 3, the n separators 16 are connected to the fuel supply passages 23, 26 and the oxidant supply passages 24, 27 so that the single separator A plurality of insertion holes 16a are formed in one or more of the first end plate 21 and the single second end plate 22, and either the first heater 31 or the temperature sensor or the plurality of insertion holes 16a or Both are inserted.
  This claim2In the fuel cell module described in (1), the temperature of the power generation cell 12 can be quickly raised by energizing the first heater 31 when the fuel cell 11 is started, so that the temperature raising time can be shortened. In addition, since the temperature of the power generation cell 12 is increased uniformly and the temperature difference between the center and the outer periphery of the power generation cell 12 is eliminated and the thermal expansion is performed uniformly, damage to the power generation cell 12 can be prevented. Furthermore, if the first heater is controlled based on the detection output of the temperature sensor, the temperature of the separator or the like can be finely controlled.
[0010]
  Claim3The invention according to claim1The n-type separator, a single first end plate, or a single second end plate so as not to communicate with either the fuel supply passage or the oxidant supply passage. A plurality of lightening holes are formed in two or more.
  This claim3In the fuel cell described in (1), the weight of the separator, the first end plate, or the second end plate can be reduced by forming the weight reduction hole, so that the weight of the fuel cell can be reduced.
[0013]
  Claim4The invention according to claim 1 to claim 13either1 itemFurther, as shown in FIG. 1, a fuel preheating pipe 43 for supplying fuel gas to the fuel distributor 13 is wound around the outer peripheral surface of the fuel cell 11, and the oxidant gas is supplied to the oxidant distributor 14. The oxidant preheating pipe 44 for supplying the fuel is wound around the outer peripheral surface of the fuel cell 11, and the fuel cell 11 is accommodated in the inner case 46 together with the fuel preheating pipe 43 and the oxidant preheating pipe 44 and discharged from the power generation cell 12. An exhaust pipe 51 for discharging gas and oxidant gas out of the inner case 46 is connected to the inner case 46.At least the inner surface of the inner case 46 is silver-plated via silver plating or nickel base plating.It is characterized by that.
  This claim4In the fuel cell module described in 1), the fuel gas passing through the fuel preheating pipe 43 is discharged from the power generation cell 12 at high temperature exhaust gas (water vapor generated from the fuel gas and oxidant gas, CO 22) Is supplied to the fuel distributor 13, and the oxidant gas passing through the oxidant preheating pipe 44 is also heated by the high-temperature exhaust gas discharged from the power generation cell 12 and supplied to the oxidant distributor 44. For this reason, since fuel gas and oxidant gas are supplied to each power generation cell 12 at a temperature suitable for power generation, power generation efficiency can be improved.
  Further, by utilizing the radiant heat generated by the power generation cell 12 during the operation of the fuel cell 11, the heat retention effect of the power generation cell 12 and the separator 16 can be further enhanced.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the fuel cell module 10 includes a fuel cell 11 having (n + 1) power generation cells 12 stacked, a single fuel distributor 13 and a single fuel cell 11 provided in the vicinity of the fuel cell 11. And an air distributor 14 (oxidant distributor). Here, n is a positive integer. The power generation cell 12 includes a disk-shaped solid electrolyte layer 12a, and disk-shaped fuel electrode layers 12b and air electrode layers 12c (oxidant electrode layers) disposed on both surfaces of the solid electrolyte layer 12a. There is electrical conduction between the fuel electrode layer 12b of the i-th (i = 1, 2,..., n) power generation cell 12 and the air electrode layer 12c of the (i + 1) th power generation cell 12 adjacent to the fuel electrode layer 12b. A total of n separators 16 each having a square plate shape made of a conductive material are interposed. A porous fuel electrode is formed between the fuel electrode layer 12b of the i-th power generation cell 12 and the j-th (j = 1, 2,..., N) separator 16 and has a conductive shape. A current collector 17 is interposed between the air electrode layer 12c of the (i + 1) th power generation cell 12 and the jth separator 16, and is formed into a disk shape and has a conductive porous air electrode collection. An electric body 18 (oxidant electrode current collector) is interposed. Furthermore, a single first end plate 21 formed in a square plate shape with a conductive material is laminated on the air electrode layer 12c of the first power generation cell 12 via the air electrode current collector 18, and the (n + 1) th A single second end plate 22 formed in a square plate shape with a conductive material is stacked on the fuel electrode layer 12 b of the power generation cell 12 via the fuel electrode current collector 17.
[0031]
The solid electrolyte layer, the fuel electrode layer, the air electrode layer, the fuel electrode current collector, and the air electrode current collector are not in the shape of a disk, but a polygonal plate such as a quadrangular plate, a hexagonal plate, or an octagonal plate. You may form in a shape. Further, the separator, the first end plate and the second end plate may be formed in a polygonal plate shape such as a disc shape, a rectangular plate shape, a hexagonal plate shape, an octagonal plate shape, etc. instead of a square plate shape. . In this case, in order to allow the fuel gas to flow evenly from the approximate center of the power generation cell 12, the number of second fuel holes 23b of the fuel supply passage 23 to be described later is not limited to one, but two or three at the approximate center. It may be the above.
[0032]
In addition, when the fuel cell is installed so that the stacking direction of the power generation cells coincides with the vertical direction, that is, each power generation cell extends in the horizontal direction, the fuel gas is preferably discharged from the substantially center of the separator. When the fuel cell is installed so that the stacking direction of the fuel cell coincides with the horizontal direction, that is, each power generation cell extends in the vertical direction, it is preferable that the fuel gas is discharged from a portion shifted slightly below the center of the separator. . The reason for this is that when fuel cells are installed so that each power generation cell extends in the vertical direction, when hydrogen or methane fuel gas is discharged from the center of the separator, hydrogen or methane rises due to the effect of gravity, This is because the battery reaction is more active in the upper part of the power generation cell than in the lower part. Therefore, when the fuel cell is installed so that each power generation cell extends in the vertical direction, the position of the second fuel hole is shifted slightly below the center of the separator in order to generate power uniformly over the entire surface of the power generation cell as described above. Is preferred.
[0033]
Further, when the third air holes 24c of the air supply passage 24, which will be described later, are formed in a shower shape (in a state where a large number of them are arranged in the vertical and horizontal directions) It is preferable to form many (closely) third air holes 24c in the portion. This is because if the shower-like third air holes 24 c are formed at equal intervals, more air is discharged from the outer peripheral portion than the central portion of the separator 16.
[0034]
The solid electrolyte layer 12a is formed of an oxide ion conductor. Specifically, it is an oxide ion conductor represented by the general formula (1): Ln1AGaB1B2B3O. However, in the said General formula (1), Ln1 is 1 type, or 2 or more types of elements chosen from the group which consists of La, Ce, Pr, Nd, and Sm, Comprising: 43.6-51.2 weight% is contained. , A is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and is contained in an amount of 5.4 to 11.1% by weight, and Ga is contained in an amount of 20.0 to 23.9% by weight. B1 is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al and In, and B2 is one or more elements selected from the group consisting of Co, Fe, Ni and Cu. B3 is one or more elements selected from the group consisting of Al, Mg, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Mn, and Zr, and B1 and B3 or B2 and B3 are respectively When they are not the same element, B1 is included in 1.21 to 1.76% by weight, and B2 is .84 to 1.26 wt% contained, B3 contained 0.23 to 3.08 wt%, and when B1 and B3 or B2 and B3 are the same element, the contents of B1 and B3 Is 1.41 to 2.70% by weight, and the total content of B2 and B3 is 1.07 to 2.10% by weight.
[0035]
Moreover, the solid electrolyte layer 12a is made into General formula (2): Ln11-xAxGa1-yzwB1yB2zB3wO3-dYou may form with the oxide ion conductor shown by these. In the general formula (2), Ln1 is one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd and Sm, and A is a group consisting of Sr, Ca and Ba. One or more elements selected from B1, B1 is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al and In, and B2 is Co, Fe, Ni and One or two or more elements selected from the group consisting of Cu, wherein B3 is one or two elements selected from the group consisting of Al, Mg, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Mn and Zr X is 0.05 to 0.3, y is 0.025 to 0.29, z is 0.01 to 0.15, w is 0.01 to 0.15, and y + z + w 0.035-0.3 and d are 0.04-0.3. By forming the solid electrolyte layer 12a from the oxide ion conductor as described above, the power generation operation can be performed at a relatively low temperature of 650 ± 50 ° C. without reducing the power generation efficiency of the fuel cell 11. Become.
[0036]
The fuel electrode layer 12b is made of a metal such as Ni, or is made of a cermet such as Ni-YSZ, or Ni and the general formula (3): Ce1-m Dm O2It is formed porous by a mixture with a compound represented by: However, in the said General formula (3), D is 1 type, or 2 or more types of elements chosen from the group which consists of Sm, Gd, Y, and Ca, m is an atomic ratio of D element, 0.05 It is set in the range of -0.4, preferably 0.1-0.3.
[0037]
The air electrode layer 12c has the general formula (4): Ln21-x Ln3x E1-y Coy O3 + dIt is formed porous by the oxide ion conductor shown by. However, in the said General formula (4), Ln2 is an element of either one or both of La or Sm, Ln3 is an element of either one or both of Ba, Ca, or Sr, E is Fe or Cu. Either one or both elements. X is an atomic ratio of Ln3, and is set in a range of more than 0.5 and less than 1.0. y is an atomic ratio of Co element, and is set in the range of more than 0 and 1.0 or less, preferably 0.5 or more and 1.0 or less. d is set in the range of −0.5 or more and 0.5 or less.
[0038]
An example of a method for manufacturing the power generation cell 12 is shown below. First, as raw material powder, La2OThree, SrCOThree, Ga2OThreeLa, MgO and CoO powders0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O2.8After being weighed and mixed so as to become a pre-fired body at 1100 ° C., a calcined body is produced. Next, after pulverizing the calcined body, a predetermined binder, a solvent, and the like are added and mixed to prepare a slurry, and a green sheet is produced from the slurry by a doctor blade method. Next, this green sheet is sufficiently dried in air, cut out to a predetermined size, and then sintered at 1450 ° C. to obtain the solid electrolyte layer 12a. On one surface of the solid electrolyte layer 12a, Ni and (Ce0.8Sm0.2) O2NiO powder and (Ce0.8Sm0.2) O2After mixing with the powder, this mixed powder is baked at 1100 ° C. to form the fuel electrode layer 12b. Further, on the other surface of the solid electrolyte layer 12a (Sm0.5Sr0.5CoOThreeIs baked at 1000 ° C. to form the air electrode layer 12c. In this way, the power generation cell 12 is manufactured.
[0039]
The separator 16 is preferably formed of any of stainless steel, nickel base alloy, or chromium base alloy. Examples include SUS316, Inconel 600, Hastelloy X (trade name of Haynes Stellite), Haynes Alloy 214, and the like. The separator 16 is formed with a fuel supply passage 23, an air supply passage 24 (oxidant supply passage), and a plurality of insertion holes 16a (FIGS. 2 and 3). The fuel supply passage 23 includes a first fuel hole 23 a that extends from the outer peripheral surface of the separator 16 toward the center, a second fuel hole 23 b that communicates with the first fuel hole 23 a and faces the anode current collector 17 from the approximately center of the separator 16. Have The air supply passage 24 is formed to extend in a direction orthogonal to the thickness direction of the separator 16, has a substantially T-shaped first air hole 24 a having a base end opened on the outer peripheral surface of the separator 16 and closed at the tip, and a separator A plurality of second air holes 24b extending in a direction perpendicular to the thickness direction of the 16 and spaced apart from each other and communicating with the first air holes 24a and closed at both ends; A plurality of third air holes 24c are formed on the surface facing the electric body 18 so as to be spaced from each other and communicate with the second air holes 24b.
[0040]
The first air hole 24a includes a base hole 24d having the same hole core as the first fuel hole 23a, and a distribution hole 24e communicating with the base hole 24d and communicating with the plurality of second air holes 24b and closed at both ends. . The distribution hole 24e is formed so as to be orthogonal to the base hole 24d from the side surface adjacent to one side surface of the separator 16 in which the base end of the base hole 24d is formed, and then the closing plate 25 is joined to the adjacent side surface. It becomes a long hole with both ends closed. The plurality of second air holes 24b are formed in parallel to the base hole 24d from one side surface of the separator 16 in which the base end of the base hole 24d is formed, and then both ends are closed by joining a closing plate 25 to the side surface. It becomes a plurality of elongated holes. The plurality of insertion holes 16a are formed in parallel to the first fuel hole 23a and the second air hole 24b so as not to communicate with either the fuel supply passage 23 or the air supply passage 24, and the first heater is provided in the insertion holes 16a. 31 are respectively inserted (FIG. 3). Further, three slits 16b are formed in a spiral shape from the substantially center of the separator 16 on the surface of the separator 16 facing the fuel electrode current collector 17 (FIG. 4), and the depth of these slits 16b is the same over the entire length. It is formed to become. Note that the number of slits is not three, but may be two or four or more. Moreover, you may form so that the depth of a slit may become deeper or shallower as it leaves | separates from the center of a separator.
[0041]
Returning to FIG. 2, the anode current collector 17 is made of stainless steel, nickel-base alloy or chromium-base alloy, or made of nickel, silver, silver alloy, platinum or copper, and is made of stainless steel, nickel-base alloy or chromium. When formed from a base alloy, it is preferable to perform silver plating or copper plating via nickel plating, silver plating, nickel base plating. The air electrode current collector 18 is made of stainless steel, silver-plated or platinum-plated stainless steel via nickel plating, nickel base plating, nickel-base alloy or chromium-base alloy, or silver, silver alloy or platinum. When formed with a nickel-base alloy or a chromium-base alloy, it is preferable to perform silver plating, silver plating via nickel base plating, or platinum plating. When hydrocarbon is used as the fuel gas, the anode current collector is formed of nickel-plated stainless steel, nickel-base alloy or chromium-base alloy, or nickel, and when hydrogen is used as the fuel gas. The anode current collector is formed of silver-plated, silver-plated or copper-plated stainless steel via nickel base plating, nickel-based alloy or chromium-based alloy, or silver, silver alloy, platinum or copper. An example of a method for producing the fuel electrode current collector 13 will be described below. First, after kneading an atomized powder such as stainless steel and HPMC (water-soluble resin binder), distilled water and additives (n-hexane (organic solvent), DBS (surfactant), glycerin (plasticizer), etc.) are added. In addition, a mixed slurry is prepared by kneading. Next, a molded body is produced from this mixed slurry by the doctor blade method, and then foamed, degreased and sintered under predetermined conditions to obtain a porous plate. Further, this porous plate is cut out to a predetermined size to produce the fuel electrode current collector 17. In addition, when the atomized powder of stainless steel is used, the surface is subjected to silver plating through nickel plating, chromium plating, silver plating, or nickel base plating. The air electrode current collector 18 is also produced in substantially the same manner as the fuel electrode current collector 17.
[0042]
The first end plate 21 and the second end plate 22 are formed in the same shape (square plate shape) from the same material as the separator 16. The first end plate 21 is formed with an air supply passage 27 and a plurality of insertion holes (not shown), and the second end plate 22 is formed with a fuel supply passage 26 and a plurality of insertion holes (not shown). . The air supply passage 27 is formed in the same manner as the air supply passage 23, is formed to extend in a direction perpendicular to the thickness direction of the first end plate 21, has a proximal end opened to the outer peripheral surface of the first end plate 21, and a distal end closed. The T-shaped first air hole 27a and the first end plate 21 extending in a direction perpendicular to the thickness direction and spaced from each other are communicated with the first air hole 27a and further closed at both ends. A plurality of second air holes (not shown) and a surface of the first end plate 21 facing the air electrode current collector 14 are spaced apart from each other and communicated with the second air holes. A number of third air holes (not shown). The fuel supply passage 26 is formed in the same manner as the fuel supply passage 23, and communicates with the first fuel hole 26a from the outer peripheral surface of the second end plate 22 toward the center and the first fuel hole 26a. And a second fuel hole 26b facing the fuel electrode current collector 13 from substantially the center.
[0043]
The first air hole 27a formed in the first end plate 21 includes a base hole 27d and a distribution hole 27e which communicates with the base hole 27d and communicates with a plurality of second air holes and closed at both ends. The distribution hole 27e is formed so as to be orthogonal to the base hole 24d from the side surface adjacent to one side surface of the first end plate 21 in which the base end of the base hole 27d is formed, and then the closing plate 25 is joined to the adjacent side surface. By doing so, it becomes a long hole whose both ends are closed. The plurality of second air holes are formed in parallel to the base hole 27d from one side surface of the first end plate 21 in which the base end of the base hole 24d is formed, and then both ends are closed by joining a closing plate to the side surface. It becomes a plurality of elongated holes. The plurality of insertion holes of the first end plate 21 are formed in parallel to the second air holes so as not to communicate with the air supply passage 27, and heaters (not shown) are respectively inserted into these insertion holes. The plurality of insertion holes of the second end plate 22 are formed in parallel to the first fuel holes 26a so as not to communicate with the fuel supply passage 26, and heaters (not shown) are respectively inserted into these insertion holes. Three slits 22b are formed in a spiral shape from the approximate center of the second end plate 22 on the upper surface of the second end plate 22, that is, the surface of the second end plate 22 facing the anode current collector 13 (see FIG. 2). These slits 22b are formed to have the same depth over the entire length. Note that the number of slits is not three, but may be two or four or more. Moreover, you may form so that the depth of a slit may become deeper or shallower as it leaves | separates from the center of a separator.
[0044]
Further, through holes 16c into which bolts (not shown) can be inserted are formed at the four corners of the separator 16, the first end plate 21 and the second end plate 22 (FIGS. 3 and 4). (N + 1) power generation cells 12, n separators 16, (n + 1) fuel electrode current collectors 17, (n + 1) air electrode current collectors 18, and a single first end plate 21 and a single second end plate 22, after inserting bolts into the through holes 16 c formed at the four corners of the separator 16, the first end plate 21 and the second end plate 22, By screwing nuts to the ends of these bolts, the fuel cell 11 is fixed in the stacked state.
[0045]
Returning to FIG. 1, the fuel distributor 13 and the air distributor 14 are formed in a cylindrical shape extending in the stacking direction of the power generation cells 12 and closed at both ends. The fuel distributor 13 passes through (n + 1) short fuel pipes 28 and the first fuel holes 23 a of the fuel supply passages 23 of the n separators 16 and the first fuel holes 26 a of the single second end plate 22. The air distributor 14 communicates with each of the fuel holes 26a, and the air distributor 14 passes through the (n + 1) short air tubes 29 and the first air holes 24a of the air supply passages 24 of the n separators 16 and the single first air holes 24a. The end plates 21 are connected to the first air holes 27a of the air supply passages 27 of the end plates 21, respectively. In this embodiment, the fuel distributor 13, the air distributor 14, the fuel short pipe 28, and the air short pipe 29 are formed of a conductive material such as stainless steel, a nickel base alloy, or a chromium base alloy.
[0046]
In order to ensure electrical insulation between the fuel short tube 28 and the fuel distributor 13, the fuel insulation formed of an electrically insulating material such as alumina is provided between the fuel short tube 28 and the fuel distributor 13. A pipe 36 is interposed, and these gaps are sealed by a fuel sealing member 37 having electrical insulating properties such as glass or cement. Further, in order to ensure electrical insulation between the air short pipe 29 and the air distributor 14, the air short pipe 29 and the air distributor 14 are made of an air insulating material such as alumina. An insulating tube 38 is interposed, and these gaps are sealed by an air sealing member 39 having electrical insulation properties such as glass and cement.
[0047]
A pair of electrode terminals 41 and 42 (electrode bars in this embodiment) are electrically connected to the center of the upper surface of the first end plate 21 and the center of the lower surface of the second end plate 22, respectively. A fuel preheating pipe 43 is connected to the upper outer peripheral surface of the fuel distributor 13. The fuel preheating pipe 43 is spaced from the outer peripheral surface of the fuel cell 11 by a predetermined distance and is centered on the axis of the pair of electrode terminals 41, 42. It is wound in a spiral. An air preheating tube 44 (oxidant preheating tube) is connected to the outer peripheral surface of the air distributor 14, and the air preheating tube 44 is spaced from the outer peripheral surface of the fuel cell 11 by a predetermined distance and a pair of electrode terminals 41, 42. It is wound in a spiral shape centered on the axis. Further, the second heater 32 is wound around the outer peripheral surface of the fuel cell 11 in a spiral shape with a predetermined distance from the outer peripheral surface of the fuel cell 11 and centering on the axis of the pair of electrode terminals 41 and 42. The spiral radius of the fuel preheating tube 43 is smaller than the spiral radius of the air preheating tube 44, and the spiral radius of the second heater 32 is a value intermediate between the spiral radius of the fuel preheating tube 43 and the spiral radius of the air preheating tube 44. Formed to be.
[0048]
In this embodiment, the fuel preheating tube 43 and the air preheating tube 44 are formed of stainless steel, a nickel base alloy, a chromium base alloy, or the like. The air preheating pipe 44 is connected to the approximate center in the longitudinal direction of the air distributor 14. This is because Joule heat is generated by the internal resistance of the fuel cell 11 during power generation, and the central portion in the stacking direction of the fuel cell 11 becomes the hottest, and this portion passes through the air preheating pipe 44 and the air distributor 14 relatively. This is to maintain the soaking of the power generation cell 12 by supplying the oxidant gas at a low temperature.
[0049]
The fuel cell 11 is accommodated in an inner case 46 together with a spiral fuel preheating tube 43, a spiral air preheating tube 44 and a spiral second heater 32. A first exhaust pipe 51 and a second exhaust pipe 52 that guide the fuel gas and air discharged from the power generation cell 12 to the outside of the inner case 46 are connected to the lower outer peripheral surface and the upper surface of the inner case 46, respectively. The outer surface of the inner case 46 is covered with a heat insulating material 47, and the fuel preheating pipe 43, the air preheating pipe 44, and the first exhaust pipe 51 are spirally wound around the outer peripheral surface of the inner case 46. In this embodiment, the first exhaust pipe 51 is formed to have a larger diameter than the fuel preheating pipe 43 and the air preheating pipe 44, and the outer periphery of the inner case 46 with the fuel preheating pipe 43 and the air preheating pipe 44 being loosely inserted therein. It is wound spirally at a predetermined interval from the surface. Note that the fuel preheating pipe and the air preheating pipe are not loosely inserted into the first exhaust pipe, but may be spirally wound around the outer peripheral surface of the inner case while being in close contact with the outer peripheral face of the first exhaust pipe. Good.
[0050]
The inner case 46 is accommodated in the outer case 48 together with the spiral first exhaust pipe 51, the fuel preheating pipe 43 and the air preheating pipe 44 loosely inserted in the first exhaust pipe 51, and the heat insulating material 47. The first exhaust pipe 51, together with the fuel preheating pipe 43 and the air preheating pipe 44 loosely inserted into the first exhaust pipe 51, protrudes from the upper outer peripheral surface of the outer case 48 to the outside of the outer case 48, and the fuel preheating pipe 43 and the air The preheating pipe 44 protrudes outside the first exhaust pipe 51 from the protruding portion. A fuel preheating pipe 43 protruding from the first exhaust pipe 51 is inserted with a tip of a water supply pipe 49 for mixing water vapor with the fuel gas in the fuel preheating pipe 43. Not shown) is connected. The distal end of the water supply pipe 49 is preferably located in the outer case 48. As the fuel gas, for example, methane gas (CHFour)). Although not shown, the mist-like water ejected from the sprayer is vaporized by the heat of the exhaust gas passing through the second exhaust pipe 52 to become water vapor. The fuel preheating tube 43 is filled with reforming particles (not shown) at a density at which the fuel gas can flow. These modified particles are Ni, NiO, Al2OThree, SiO2, MgO, CaO, Fe2OThree, FeThreeOFour, V2OThreeNiAl2OFour, ZrO2, SiC, Cr2OThree, ThO2, Ce2OThree, B2OThree, MnO2, ZnO, Cu, BaO and TiO2It is preferably formed of an element or oxide containing one or more selected from the group consisting of:
[0051]
A water separator 53 is connected to the lowermost end of the fuel preheating pipe 43 wound spirally around the fuel cell 11 and located in the inner case 46. This is configured such that when the fuel cell module 10 is stopped and the temperature is lowered and the water vapor is liquefied to become water, this water is accumulated in the water separator 53. As a result, even if the fuel cell module 10 is restarted, water is not supplied to the power generation cell 12 in a liquid state, so the performance of the power generation cell 12 does not deteriorate and the power generation cell 12 is not damaged. The water separator may be connected to a fuel preheating pipe outside the inner case.
[0052]
A cooling pipe 56 capable of supplying cooling air (cooling oxidant gas) to the air preheating pipe 44 is disposed at the upper end of the air preheating pipe 44 spirally wound around the fuel cell 11 and located in the inner case 46. Connected. A mixing unit for mixing the air in the air preheating pipe 44 and the cooling air in the cooling pipe 56 is connected between the connection part of the cooling pipe 56 and the connection part of the air distributor 14 in the air preheating pipe 44. Is done. Although not shown in the drawing, a baffle plate, a stirrer and the like are incorporated in the mixing unit to mix the air and the cooling air. A temperature sensor 58 for detecting the temperature of the fuel cell 11 is inserted in the fuel cell 11, and a flow rate adjusting valve 59 for adjusting the flow rate of the cooling air is provided in the cooling pipe 56. The detection output of the temperature sensor 58 is connected to a control input of a controller (not shown), and the control output of the controller is connected to a flow rate adjustment valve 59. Reference numeral 54 in FIG. 1 denotes an insulating ring for electrically insulating the inner case 46 and the outer case 48 from the pair of electrode terminals 41 and 42.
[0053]
The operation of the fuel cell module 10 configured as described above will be described.
Fuel gas (for example, methane gas (CHFour)) Is supplied to the fuel preheating pipe 43 and water (H2O) is supplied from the water supply pipe 49 to the fuel preheating pipe 43 to form water vapor, which is mixed with the fuel gas. On the other hand, air (oxidant gas) is supplied to the air preheating pipe 44. The fuel gas containing water vapor is heated at a high temperature in the fuel preheating pipe 43 inserted into the first exhaust pipe 51 around the outer peripheral surface of the inner case 46 (fuel gas and oxidant discharged from the power generation cell 12). The air is heated by exchanging heat with the gas mixture), and the air exchanges heat with high-temperature exhaust gas while spirally rotating around the outer peripheral surface of the inner case 46 in the air preheating pipe 44 inserted into the first exhaust pipe 51. It is heated by doing. Further, since the first exhaust pipe 51 in which the fuel preheating pipe 43 and the air preheating pipe 44 are loosely inserted is covered with a heat insulating material 47, the exhaust gas passing through the first exhaust pipe 51 is difficult to cool.
[0054]
The fuel gas and air heated while spiraling around the outer peripheral surface of the inner case 46 exit from the first exhaust pipe 51 and spirally travel around the outer peripheral surface of the fuel cell 11 when entering the inner case 46. At this time, the fuel gas passing through the fuel preheating pipe 43 is heated by the high-temperature exhaust gas discharged from the power generation cell 12 and the second heater 32. Since the fuel preheating pipe 43 is filled with reforming particles, the fuel gas containing water vapor is reformed by the reforming particles by heating the fuel gas containing water vapor as described above (for example, , Hydrogen gas (H2). And supplied to the fuel distributor 13. The air passing through the air preheating pipe 44 is also heated by the high-temperature exhaust gas and the second heater 32 and supplied to the air distributor 14.
[0055]
When the fuel gas heated and reformed to an optimum temperature for power generation is introduced into the fuel distributor 13, the fuel gas passes through the fuel short pipe 28 and the fuel supply passages 23, 26, and the separator 16 and the second end plate. The fuel is discharged from approximately the center of 22 toward the center of the fuel electrode current collector 17. As a result, the fuel gas passes through the pores in the fuel electrode current collector 17 and is quickly supplied to the approximate center of the fuel electrode layer 12b, and is further guided by the slits 16b and 22b to the outer periphery from the approximate center of the fuel electrode layer 12b. It flows in a spiral toward. At the same time, when air heated to an optimum temperature for power generation is introduced into the air distributor 14, this air passes through the air short pipe 29 and the air supply passages 24, 27, and passes through the third air holes 24 c and the second air holes 24 c of the separator 16. From the many 3rd air holes of the 1 end plate 21, it discharges toward the air electrode collector 18 in the shape of a shower. As a result, the air passes through the pores in the air electrode current collector 18 and is supplied to the air electrode layer 11c substantially uniformly.
[0056]
The air supplied to the air electrode layer 12c reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer 12a through the pores in the air electrode layer 12c, and oxygen in the air receives electrons from the air electrode layer 12c in this part, Oxide ion (O2-) Is ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer 12a in the direction of the fuel electrode layer 12b. When the oxide ions reach the vicinity of the interface with the fuel electrode layer 12b, the oxide ions react with the fuel gas in this portion to react with the reaction product (for example, , H2O) is generated, and electrons are emitted to the fuel electrode layer 12b. When these electrons are taken out by the fuel electrode current collector 17, a current is generated and electric power is obtained. As described above, since the fuel gas is discharged from the approximate center of the separator 16 and the approximate center of the second end plate 22 and is guided by the slits 16b and 22b, the reaction path of the fuel gas becomes long. As a result, since the fuel gas collides with the fuel electrode layer 12b very much before the fuel gas reaches the outer peripheral edge of the separator 16 and the second end plate 22, the number of reactions increases and the performance of the fuel cell 11 is improved. Can be planned. Therefore, the larger the outer diameters of the separator 16 and the second end plate 22 are, the longer the reaction path of the fuel gas becomes. As a result, the number of reactions increases and the output of the fuel cell 11 is improved. Note that (n + 1) power generation cells 12 are connected in series via a separator 16, a fuel electrode current collector 17, and an air electrode current collector 18 formed of a conductive material, and the first and second power cells 12 at both ends of the fuel cell 11 are connected. Since the pair of electrode terminals 41 and 42 are provided on the first end plate 21 and the second end plate 22, large electric power can be taken out from these electrode terminals 41 and 42.
[0057]
Compared with a conventional fuel cell, that is, a fuel cell having a structure not having an air electrode current collector and a fuel electrode current collector, in which a reaction occurs only in the vicinity of the portion where the anode and the cathode are in contact with each other and power generation efficiency is reduced. In the fuel cell module 10 of the present invention, since the entire surface of the power generation cell 12 contributes to power generation, the power generation efficiency is improved.
Further, when the fuel cell module 10 is activated, the power generation cell 12 can be quickly heated by energizing the first heater 31, so that the temperature increase time can be shortened, and the power generation cell 12 is uniformly heated, thereby generating the power generation cell 12. Since the temperature difference between the center and the outer peripheral edge of the battery is eliminated and the heat expands uniformly, damage to the power generation cell 12 can be prevented. When the heater is not inserted into the insertion hole, that is, when the insertion hole is made lighter, the weight of the separator, the first end plate, and the second end plate can be reduced, so that the weight of the fuel cell can be reduced. Can do.
[0058]
Further, the inner case 46 and the inner surface of the outer case 48 are silver-plated, silver-plated or platinum-plated via nickel base plating, and further the fuel short pipe 28, the fuel distributor 13, the fuel preheating pipe 43, and air The outer surfaces of the short tube 29, the air distributor 14 and the air preheating tube 44 are preferably subjected to silver plating, silver plating via nickel base plating or platinum plating. As a result, the radiant heat generated by the power generation cell 12 during operation of the fuel cell 11 can be used to keep the fuel preheating pipe 43 and the oxidant preheating pipe 44 warm, and the heat insulation effect of the power generation cell 12 and the separator 16 can be enhanced. .
The fuel preheating pipe 43, the fuel distributor 13, the fuel short pipe 28, the oxidant preheating pipe 44, the oxidant distributor 14 and the oxidant short pipe 27 are made of stainless steel, nickel-base alloy or chromium-base alloy. Preferably, the inner surface is formed and subjected to silver plating, silver plating or nickel plating via nickel base plating. Thereby, the insides of the oxidant preheating tube 44, the oxidant distributor 14 and the oxidant short tube 27 are not oxidized, and the generation of oxide scale (powdered oxide) can be suppressed. On the other hand, although water vapor exists inside the fuel preheating pipe 43, the fuel distributor 13 and the fuel short pipe 28, which are reducing atmospheres, generation of oxide scale due to the water vapor can be suppressed.
Further, it is preferable that nickel plating is applied to the inner surfaces of the fuel preheating pipe 43, the fuel distributor 13 and the fuel short pipe 28. As a result, the hydrocarbon reforming reaction can be performed inside the fuel preheating pipe 43, the fuel distributor 13, and the fuel short pipe 28.
[0059]
On the other hand, since a large number of third air holes 24c are formed side by side at a predetermined interval on the lower surface of the separator 16 and the lower surface of the first end plate 21, air is supplied to the lower surface of the separator 16 and the first end plate 21. The liquid is discharged from the lower surface of the nozzle substantially uniformly. As a result, the power generation cell 12 can be uniformly heated and cooled by the air. In particular, when the power generation cell 12 is heated and rises above a set temperature (for example, 650 ° C.) due to generation of Joule heat during power generation of the fuel cell module 10, a temperature slightly lower than the set temperature (for example, 630). Since the power generation cell 12 can be uniformly cooled by discharging the air from the air supply passages 24 and 27, damage due to local heating or cooling of the power generation cell 12 can be prevented. The temperature control of the fuel cell 11 described above can be performed by controlling the flow rate adjustment valve 59 of the controller based on the detection output of the temperature sensor 58. That is, when the temperature sensor 58 detects that the fuel cell 11 has exceeded a set temperature (for example, 650 ° C.) during operation of the fuel cell 11, the controller opens the flow rate adjustment valve 59 based on the detection output of the temperature sensor 58. The temperature is changed, the cooling air passing through the cooling pipe 56 is mixed with the air passing through the air preheating pipe 44, and air having a temperature lower than the set temperature (for example, 630 ° C.) is supplied to the fuel cell 11.
[0060]
Further, stainless steel, nickel-base alloy or chromium-base alloy separator 16 and second end plate 22 are subjected to nickel plating, silver plating, silver plating or nickel plating via nickel base plating, stainless steel, nickel base A fuel electrode current collector 17 made of an alloy, a chromium base alloy, nickel, silver, a silver alloy, platinum, or copper is bonded to each other, and a separator 16 and a second end plate 22 made of stainless steel, a nickel base alloy, or a chromium base alloy are joined. Stainless steel, nickel-base alloy, chromium-base alloy, or silver, silver alloy, or platinum air current collector 18 that is silver-plated, silver-plated via platinum plating or platinum-plated, or silver, silver alloy, or platinum are respectively joined to the lower surface. For example, even if the separator 16 and the first end plate 21 are exposed to air at a high temperature, that is, the separator 16 and the first end plate 21 are high. Even when exposed to an oxidizing atmosphere, the joining portion of the separator 16 and the air electrode current collector 18 and the welded joining portion of the first end plate 22 and the air electrode current collector 18 are welded. The oxidation of the part can be prevented. As a result, not only the electrical continuity between the separator 16 and the fuel electrode current collector 17 and the electrical continuity between the second end plate 22 and the fuel electrode current collector 17, but also the electrical conductivity between the separator 16 and the air electrode current collector 18. The continuity and electrical continuity between the first end plate 21 and the air electrode current collector 18 can be maintained for a long time through the joint portion, and the assembling work time of the fuel cell module 10 can be shortened by the joining to improve the assembling workability. it can. In addition, as said joining method, silver brazing, spot welding, laser welding, etc. are mentioned. Further, if the separator 16 made of stainless steel, nickel base alloy or chromium base alloy, the first end plate 21 and the second end plate 22 are subjected to nickel plating, chromium plating, silver plating or silver underplating, the separator 16, the electrical continuity between the first end plate 21 and the second end plate 22, and the fuel electrode current collector 17 and the air electrode current collector 18 can be maintained for a longer period of time.
[0061]
In the above embodiment, air is used as the oxidant gas, but oxygen or other oxidant gas may be used.
In the above embodiment, as the fuel cell, a solid oxide fuel cell in which the power generation cell is configured by sandwiching the solid electrolyte layer between the fuel electrode layer and the air electrode layer (oxidant electrode layer) is described. However, a polymer electrolyte fuel cell, a carbonate molten salt fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, or the like may be used.
Moreover, in the said embodiment, although the separator was formed with any of stainless steel, nickel base alloy, or chromium base alloy, lanthanum chromite (La0.9Sr0.1CrOThree) Or the like may be formed of a conductive ceramic.
Moreover, in the said embodiment, although the 1st heater was inserted in the insertion hole of a separator, a 1st end plate, and a 2nd end plate, respectively, a 1st heater and a temperature sensor (thermocouple for temperature measurement) are inserted alternately. May be. In this case, the temperature of the separator or the like can be finely controlled by controlling the first heater based on the detection output of the temperature sensor.
[0062]
In the above embodiment, the tip of the water supply pipe is inserted into the fuel preheating pipe, and the sprayer is connected to the water supply pipe. However, the tip of the water supply pipe is inserted above the fuel preheating pipe, and this water supply A pump may be connected to the proximal end of the tube. In this case, the water supplied to the fuel preheating pipe is vaporized as it goes down the fuel preheating pipe by the heat of the exhaust gas passing through the second exhaust pipe.
Furthermore, exhaust pipes 51 and 52 that guide the fuel gas and the oxidant gas discharged from the power generation cell 12 to the outside of the inner case 46 and the outer case 48 may be connected to the steam turbine. In this case, the high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell module 10 is used to heat water, generate compressed steam, and inject and rotate the compressed steam to the turbine, thereby rotating the generator to generate heat. Energy can be converted to electrical energy.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, one separator is interposed between the fuel electrode layer of the i-th power generation cell and the oxidant electrode layer of the (i + 1) -th power generation cell. A porous fuel electrode current collector is interposed between the separators, and a porous oxidant electrode current collector is interposed between the oxidant electrode layer and the separator. A fuel supply passage and an oxidant supply passage are provided in each separator. An oxidant supply passage is formed in the first end plate, a fuel supply passage is formed in the second end plate, and a fuel distributor for supplying fuel gas to the fuel supply passage is provided in the vicinity of the fuel cell. An oxidant distributor for supplying an oxidant gas to the oxidant supply passage is provided in the vicinity of the fuel cell, and a pair of electrode terminals are electrically connected to the first end plate and the second end plate, respectively. The introduced fuel gas passes through the fuel supply passage and The oxidant gas that flows radially from the center of the fuel electrode layer to the outer peripheral edge through the anode current collector and simultaneously introduced into the oxidant distributor passes through the oxidant supply passage and the oxidant electrode current collector. Thus, it flows radially from the approximate center of the oxidizer electrode layer toward the outer periphery. As a result, since all of the surface of the power generation cell contributes to power generation, the number of collisions between the fuel gas and the fuel electrode layer and the number of collisions between the oxidant gas and the oxidant gas increase, so that power generation efficiency is improved. Moreover, since each power generation cell is connected in series via the separator etc. which were formed with the electroconductive material, big electric power can be taken out from a pair of electrode terminal. In addition, since the reaction path increases as the outer diameter of the fuel cell of the present invention is increased, the power generation performance is improved.
[0064]
Each oxidant supply passage formed in the separator or the first end plate introduces an oxidant gas from the outer peripheral surface of the separator or the first end plate and faces the oxidant electrode current collector of the separator or the first end plate. If the oxidant gas is discharged from the surface substantially uniformly in a shower shape, the oxidant gas is discharged from the oxidant supply passage in a shower shape substantially uniformly toward the oxidant electrode current collector. The power generation cell can be heated and cooled uniformly. Also, by generating Joule heat during power generation of the fuel cell, when the power generation cell is heated and rises above the set temperature, the oxidant gas having a temperature slightly lower than the set temperature is discharged from the oxidant supply passage. Since the power generation cell can be cooled uniformly, damage due to local heating or cooling of the power generation cell can be prevented.
A plurality of insertion holes are formed in each of the n separators, the single first end plate, and the single second end plate so as not to communicate with either the fuel supply passage or the oxidant supply passage. If the first heater is inserted into the insertion hole, the temperature of the power generation cell can be quickly raised by energizing the first heater when the fuel cell is started, so that the temperature raising time can be shortened. Moreover, since the temperature of the power generation cell is increased uniformly, the temperature difference between the center and the outer periphery of the power generation cell is eliminated and the thermal expansion is performed uniformly, so that the power generation cell can be prevented from being damaged. If the first heater and the temperature sensor are inserted into the plurality of insertion holes, the temperature of the separator or the like can be finely controlled by controlling the first heater based on the detection output of the temperature sensor.
If a plurality of weight reduction holes are formed in each of the n separators, the single first end plate, and the single second end plate so as not to communicate with any of the fuel supply passage and the oxidant supply passage, Since the weight of the separator, the first end plate, and the second end plate can be reduced, the weight of the fuel cell can be reduced.
[0066]
  A fuel preheating tube for supplying fuel gas to the fuel distributor is wound around the outer peripheral surface of the fuel cell, and an oxidant preheating tube for supplying oxidant gas to the oxidant distributor is wound around the outer peripheral surface of the fuel cell. If the exhaust pipe that guides the fuel gas and oxidant gas discharged from the power generation cell to the outside of the inner case is connected to the inner case, the fuel that passes through the fuel preheating pipe The gas is heated by the high temperature exhaust gas discharged from the power generation cell and supplied to the fuel distributor, and the oxidant gas passing through the oxidant preheating pipe is also heated by the high temperature exhaust gas discharged from the power generation cell to be the oxidant distributor. To be supplied. As a result, fuel gas and oxidant gas are supplied to each power generation cell at a temperature suitable for power generation, so that power generation efficiency can be improved..
[0067]
MaSilver plating on at least the inner surface of the inner case,OrSilver plating through nickel base platingBy using the radiant heat generated by the power generation cell during the operation of the fuel cell, the heat retention effect of the power generation cell and the separator can be further enhanced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of the fuel cell taken along line AA in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 2;
[Explanation of symbols]
10 Fuel cell module
11 Fuel cell
12 Power generation cell
12a Solid electrolyte layer
12b Fuel electrode layer
12c Air electrode layer (oxidant electrode layer)
13 Fuel distributor
14 Distributor for air (Distributor for oxidizing agent)
16 Separator
16a insertion hole
16b, 21b, 22b Slit
17 Current collector for fuel electrode
18 Air electrode current collector (oxidant electrode current collector)
21 First end plate
22 Second end plate
23, 26 Fuel supply passage
24, 27 Air supply passage (oxidant supply passage)
28 Short tube for fuel
29 Short tube for air (short tube for oxidizing agent)
31 First heater
32 Second heater
36 Fuel insulation pipe
37 Fuel Sealing Member
38 Insulating tube for air (insulating tube for oxidizing agent)
39 Air sealing member (oxidant sealing member)
41, 42 electrode terminals
43 Fuel preheating tube
44 Air preheating tube (oxidizer preheating tube)
46 Inner case
47 Insulation
48 Outer case
51 First exhaust pipe
52 Second exhaust pipe
53 Water separator
58 Temperature sensor
59 Flow control valve

Claims (4)

電解質層(12a)とこの電解質層(12a)の両面に配設された燃料極層(12b)及び酸化剤極層(12c)とからなる発電セル(12)が(n+1)個(nは正の整数である。)積層された燃料電池であって、
前記i番目(i=1,2,…,n)の発電セル(12)の燃料極層(12b)とこの燃料極層(12b)に隣接する(i+1)番目の発電セル(12)の酸化剤極層(12c)との間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ(16)がそれぞれ1枚ずつ合計n枚介装され、
前記i番目の発電セル(12)の燃料極層(12b)と前記j番目(j=1,2,…,n)のセパレータ(16)との間に導電性を有する多孔質の燃料極集電体(17)が介装され、
前記(i+1)番目の発電セル(12)の酸化剤極層(12c)と前記j番目のセパレータ(16)との間に導電性を有する多孔質の酸化剤極集電体(18)が介装され、
前記1番目の発電セル(12)の酸化剤極層(12c)に酸化剤極集電体(18)を介して導電性材料により板状に形成された単一の第1端板(21)が積層され、
前記(n+1)番目の発電セル(12)の燃料極層(12b)に燃料極集電体(17)を介して導電性材料により板状に形成された単一の第2端板(22)が積層され、
前記n枚のセパレータ(16)が燃料ガスをセパレータ(16)外周面から導入して前記セパレータ(16)の中心から前記燃料極集電体(17)に向って吐出させる燃料供給通路(23)と、酸化剤ガスを前記セパレータ(16)外周面から導入して前記セパレータ(16)の酸化剤極集電体(18)に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路(24)とをそれぞれ有し、
前記単一の第1端板(21)が前記酸化剤ガスを前記第1端板(21)の酸化剤極集電体(18)に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路(27)を有し、
前記単一の第2端板(22)が前記燃料ガスを前記第2端板(22)の中心から前記燃料極集電体(17)に向って吐出させる燃料供給通路(26)を有し、
前記燃料供給通路(23,26)に燃料用短管(28)を通して燃料ガスをそれぞれ供給する燃料用ディストリビュータ(13)が前記燃料電池(11)の側方に間隔をあけて設けられ、
前記酸化剤供給通路(24,27)に酸化剤用短管(29)を通して酸化剤ガスをそれぞれ供給する酸化剤用ディストリビュータ(14)が前記燃料電池(11)の側方に間隔をあけて設けられ、
前記第1端板(21)及び前記第2端板(22)に一対の電極端子(41,42)が電気的にそれぞれ接続され
前記n枚のセパレータ (16) に形成された各酸化剤供給通路 (24) が酸化剤ガスを前記セパレータ (16) 外周面から導入して前記セパレータ (16) の酸化剤極集電体 (18) に対向する面からシャワー状に吐出させるように構成され、
前記単一の第1端板 (21) に形成された酸化剤供給通路 (27) が前記酸化剤ガスを前記第1端板 (21) の酸化剤極集電体 (18) に対向する面からシャワー状に吐出させるように構成された
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
There are (n + 1) power generation cells (12) composed of an electrolyte layer (12a) and a fuel electrode layer (12b) and an oxidant electrode layer (12c) disposed on both surfaces of the electrolyte layer (12a) (n is a positive value). A stacked fuel cell, and
The fuel electrode layer (12b) of the i-th (i = 1, 2,..., N) power generation cell (12) and the oxidation of the (i + 1) th power generation cell (12) adjacent to the fuel electrode layer (12b). A total of n separators (16) each formed in a plate shape with a conductive material are interposed between the electrode layer (12c),
A porous fuel electrode assembly having conductivity between the fuel electrode layer (12b) of the i-th power generation cell (12) and the j-th (j = 1, 2,..., N) separator (16). Electrical body (17) is installed,
A porous oxidant electrode current collector (18) having conductivity is interposed between the oxidant electrode layer (12c) of the (i + 1) th power generation cell (12) and the jth separator (16). Dressed,
A single first end plate (21) formed of a conductive material on the oxidant electrode layer (12c) of the first power generation cell (12) through the oxidant electrode current collector (18). Are stacked,
A single second end plate (22) formed of a conductive material on the fuel electrode layer (12b) of the (n + 1) th power generation cell (12) through a fuel electrode current collector (17). Are stacked,
The n separators (16) introduce fuel gas from the outer peripheral surface of the separator (16) and discharge the fuel gas from the center of the separator (16) toward the fuel electrode current collector (17). And an oxidant supply passage (24) for introducing an oxidant gas from the outer peripheral surface of the separator (16) and discharging it from the surface of the separator (16) facing the oxidant electrode current collector (18). And
An oxidant supply passage (27) through which the single first end plate (21) discharges the oxidant gas from the surface of the first end plate (21) facing the oxidant electrode current collector (18). Have
The single second end plate (22) has a fuel supply passage (26) for discharging the fuel gas from the center of the second end plate (22) toward the anode current collector (17). ,
A fuel distributor (13) for supplying fuel gas to each of the fuel supply passages (23, 26) through a fuel short pipe (28) is provided at a side of the fuel cell (11) with an interval therebetween ,
An oxidant distributor (14) for supplying an oxidant gas to the oxidant supply passages (24, 27) through an oxidant short pipe (29) is provided at a side of the fuel cell (11) with a space therebetween. And
A pair of electrode terminals (41, 42) are electrically connected to the first end plate (21) and the second end plate (22), respectively .
Oxidant electrode current collector of the introducing each oxidant supply passage (24) containing gas formed in the n sheets of the separator (16) from the separator (16) outer peripheral surface a separator (16) (18 ) Is configured to be discharged in the form of a shower from the surface facing the
Surface wherein the single first end plate (21) to form oxidant supply passage (27) is opposed to the oxidant gas to the oxidant electrode current collector of the first end plate (21) (18) A fuel cell module configured to be discharged in a shower form .
燃料供給通路(23,26)及び酸化剤供給通路(24,27)のいずれにも連通しないようにn枚のセパレータ(16)、単一の第1端板(21)又は単一の第2端板(22)のいずれか1つ又は2つ以上に複数の挿入穴(16a)が形成され、前記複数の挿入穴(16a)に第1ヒータ(31)又は温度センサのいずれか一方又は双方が挿入された請求項記載の燃料電池モジュール。N separators (16), a single first end plate (21), or a single second so as not to communicate with any of the fuel supply passages (23, 26) and the oxidant supply passages (24, 27). A plurality of insertion holes (16a) are formed in one or more of the end plates (22), and one or both of the first heater (31) and the temperature sensor are formed in the plurality of insertion holes (16a). There inserted claims 1 fuel cell module according. 燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにn枚のセパレータ、単一の第1端板又は単一の第2端板のいずれか1つ又は2つ以上に複数の軽量化穴が形成された請求項記載の燃料電池モジュール。Multiple weight reductions in one or more of n separators, a single first end plate, or a single second end plate so as not to communicate with either the fuel supply passage or the oxidant supply passage fuel cell module according to claim 1, wherein the holes are formed. 燃料用ディストリビュータ(13)に燃料ガスを供給する燃料予熱管(43)が燃料電池(11)の外周面に巻回され、
酸化剤用ディストリビュータ(14)に酸化剤ガスを供給する酸化剤予熱管(44)が前記燃料電池(11)の外周面に巻回され、
前記燃料電池(11)が前記燃料予熱管(43)及び前記酸化剤予熱管(44)とともにインナケース(46)に収容され、
発電セル(12)から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記インナケース(46)外に導く排気管(51)が前記インナケース(46)に接続され
前記インナケース (46) の少なくとも内面が銀めっき、又はニッケル下地めっきを介する銀めっきされた請求項1ないしいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。
A fuel preheating pipe (43) for supplying fuel gas to the fuel distributor (13) is wound around the outer peripheral surface of the fuel cell (11),
An oxidant preheating pipe (44) for supplying an oxidant gas to the oxidant distributor (14) is wound around the outer peripheral surface of the fuel cell (11),
The fuel cell (11) is housed in an inner case (46) together with the fuel preheating pipe (43) and the oxidant preheating pipe (44),
An exhaust pipe (51) for guiding the fuel gas and the oxidant gas discharged from the power generation cell (12) to the outside of the inner case (46) is connected to the inner case (46) ,
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 3, wherein at least an inner surface of the inner case (46) is silver-plated through silver plating or nickel base plating .
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