JP3972240B2

JP3972240B2 - Solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP3972240B2
Application number: JP2002169995A
Authority: JP
Inventors: 圭子櫛引; 文紀佐藤; 貢山中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: JP2004014449A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電気自動車の駆動源として用いられる固体電解質型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記した固体電解質型燃料電池としては、電解質層を燃料極および空気極で挟み込んで形成したセル板と、このセル板に積層して燃料極との間に燃料ガスを流す燃料ガス流路を形成するセパレータを備えたものがあり、セル板およびセパレータの積層体（スタック）全体が円筒形状をなす、いわゆる円筒型スタックと呼ばれるものや、セル板および板状のセパレータを積層してなる、いわゆる平板型スタックを呼ばれるものがある。
【０００３】
平板型スタックと呼ばれる固体電解質型燃料電池としては、
▲１▼ 波形のセル板を２枚のセパレータ間に位置させて積層し、セル板およびセパレータ間に形成される燃料ガス流路へのガス導入口を有するシール材をセル板の周囲に配置して、このシール材を介してセル板とセパレータとを接着した構成をなすもの
▲２▼ 積層したセル板とセパレータとをばね力が付与された押さえ板およびホルダで挟み込んだ構成をなすもの（特開２０００−２０８１６３号）
▲３▼ 円盤形状をなすセル板とセパレータとを積層した構成をなし、燃料ガスをセル板の中心部から供給すると共に、消費されなかった燃料ガスをセル板の外周部で燃焼させるようにしたもの
▲４▼ 上記▲３▼に類似するものであって、燃料ガスのセル板排気口にＮｉフェルトを設置することで燃料ガスの排気圧損を均一化して燃料ガス流を安定させるようにしたもの
などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の固体電解質型燃料電池において、円筒型スタックと呼ばれるタイプのものは、ガスシール部分が少ないうえシールそのものが容易であるが、スタック内へ設置するセル板の発電有効面積の設置密度を高くすることが難しく、スタック単位体積当たりの発電出力密度Ｗ／リットルが低くなってしまうという問題がある。
【０００５】
また、平板型スタックと呼ばれる固体電解質型燃料電池のうちの▲１▼の固体電解質型燃料電池において、スタック単位体積当たりのセル板設置密度を高くすることはできるものの、ガスシール部分が多いのに加えて、このガスシール部分が高温に曝されるため、ガスシールが十分になされないことがあり、とくに、起動・停止が頻繁に行われる場合には、主にセル板およびセパレータに対するシール材の熱膨張係数の差に起因して、ガスシール部分でガス漏れが生じることがあり、燃料ガスおよび空気が発電に寄与せずに燃焼することで発電出力が低下してしまうという問題があり、また、制御し得ない箇所で突発的に燃焼が発生することにより、スタックが局所的に加熱されて耐久性が低下してしまうという問題を有している。
【０００６】
さらに、平板型スタックと呼ばれる固体電解質型燃料電池のうちの▲２▼の固体電解質型燃料電池では、セル板とセパレータとを均一に締結することでガスシール性の低下を回避することができるものの、全体が大型化してしまい、自動車などの移動体に搭載するのに適さないという問題があり、さらにまた、▲３▼の固体電解質型燃料電池では、一定した状態で長時間運転する場合は良好であるが、起動・停止が頻繁であったり燃料ガスの流量が変化したりする場合は、未消費の燃料ガスの燃焼を制御することが困難であるため、局所的に燃焼して温度が上昇することで耐久性が低下したり、燃料ガス流路に空気が逆流して発電出力が低下したりするなどといった問題があり、さらにまた、▲４▼の固体電解質型燃料電池において、▲３▼と同様の問題を有しているのに加えて、設置したＮｉフェルトのリングは、セル板とセパレータとによって挟持されてクッション層としても機能するが、昇降温を繰り返すことで不均一に変形して燃料ガス流が不安定になる恐れがあるといった問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、小型化を実現したうえで、ガス漏れが生じないのは勿論のこと、制御し得ない箇所における突発的な燃焼の発生を阻止することができ、その結果、耐久性の向上を実現することが可能であり、また、起動・停止を頻繁に行ったり燃料ガスや空気の流量が変化したりしても、空気の燃料ガス流路への逆流および混合を防止することができ、加えて、発電出力密度の向上をも実現することが可能である固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わる発明は、電解質層を燃料極および空気極で挟み込んで形成したセル板と、このセル板に隙間を介して積層して燃料極との間に燃料ガスを流す燃料ガス流路を形成するセパレータを備えた固体電解質型燃料電池において、セル板及びセパレータには、互いに連通して積層方向に沿う燃料ガス供給路，空気供給路及び排気流路を形成する燃料ガス供給開口，空気供給開口及び排気開口をそれぞれ設け、セル板とセパレータとの間における燃料ガス流路の出口部分には、セル板とセパレータとの間隔を保持すると共に、燃料ガス流路を通過中に燃焼しなかった燃料ガスを燃焼させる燃焼手段を排気流路と連通状態で内蔵した構成としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
本発明に係わる固体電解質型燃料電池において、燃焼手段は、セル板とセパレータとの間に形成されて枠材あるいはシール材によって間隔が保持される燃料ガス流路の出口の一部ないし全部を覆うように設置され、この際、燃焼手段を設ける燃料ガス流路の出口部分とは、少なくとも燃料ガス流路出口から排気流路内までの部分を指し、燃焼手段を排気流路の一部を覆うように設置したり（図３参照）、燃焼手段の一部が空気流路出口に入り込むようにして設置してもよく（図４参照）、燃焼手段が着火機構を具備していてもよい。
【００１０】
また、セル板は発電機能を持たない基板上に燃料極-電解質層-空気極を形成したタイプや、一方の電極が支持基板を兼ねたタイプ、あるいは、電解質層が支持基板を兼ねたタイプのいずれをも使用することができるが、これらのタイプに限定されるものではない。
【００１１】
本発明の請求項２に係わる固体電解質型燃料電池は、燃焼手段を金属あるいはセラミックスの多孔質体とした構成とし、本発明の請求項３に係わる固体電解質型燃料電池において、燃焼手段としての多孔質体に、燃料ガス流路における未燃焼燃料ガスの燃焼を促進させる触媒（例えば、ロジウム、ルテニウム、白金、パラジウム、ニッケル、コバルトあるいはこれらを主成分とする合金）を担持させた構成としている。
【００１２】
燃焼手段に用いられる金属多孔質体としては、例えば、発砲金属体や金属メッシュや金属不織布を使用することができ、燃焼手段に用いられるセラミックス多孔体としては、例えば、コージェライト製やアルミナ製触媒担持体を使用することができる。
【００１３】
本発明の請求項４に係わる固体電解質型燃料電池は、燃料ガス流路における未燃焼燃料ガスの排気量に応じた空気を燃料ガス流路と連通する排気流路に導入して、燃焼手段における未燃焼燃料ガスの燃焼を促進させる構成としており、この固体電解質型燃料電池は、セル板の燃料ガス流路における発電部分の温度と燃料ガスの導入流量と、発電負荷をモニタし、あらかじめ得られているこの固体電解質型燃料電池の特性から算出される燃料ガスの未使用量に対して、これを燃焼させ得る量以上の空気を制御して導入することにより運転される。
【００１４】
本発明の請求項５に係わる固体電解質型燃料電池は、セル板の空気極側で消費されなかった空気を燃料ガス流路と連通する排気流路から排気する構成としており、この固体電解質型燃料電池は、セル板の燃料ガス流路における発電部分の温度と燃料ガスの導入流量と、発電負荷をモニタし、あらかじめ得られているこの固体電解質型燃料電池の特性から算出される燃料の未使用量に対して、これを燃焼させ得る量の空気を上記発電部分で消費される空気流量に加えるように制御して導入することにより運転される。
【００１５】
本発明の請求項６に係わる固体電解質型燃料電池は、燃料ガス流路入口の総開口面積よりも燃料ガス流路出口の総開口面積を大きく設定した構成としており、この場合、燃料ガスの流速は、流路の総断面積のほか、使用する燃料ガスの組成や発電効率（燃料の利用効率）や、発電部分の温度分布などに依存することから、本発明の請求項７に係わる固体電解質型燃料電池において、燃料ガス流路入口における燃料ガスの流速が燃料ガス流路出口における燃料ガスの流速よりも速い構成としている。
【００１６】
本発明の請求項８に係わる固体電解質型燃料電池は、セル板およびセパレータの各基板をシリコンウエハとした構成としている。
【００１７】
【発明の作用】
本発明の請求項１〜３に係わる固体電解質型燃料電池では、上記した構成としているので、燃料ガス流路で使用されなかった燃料が、この燃料ガス流路の出口部分に排気流路と連通状態で内蔵した燃焼手段で燃焼することとなり、制御し得ない部位での燃焼によってスタックに局所的でかつ予測不可能な加熱が生じるのを回避し得ることとなって、耐久性に優れたものとなる。
【００１８】
また、燃料ガス流路の出口部分に高温の燃焼手段を内蔵しているので、空気がこの燃料ガス流路の出口部分から逆流することが阻止され、加えて、燃焼手段はクッション材を兼ねる必要がないので、例えば、燃焼手段が多孔質体である場合には、温度の昇降によって燃焼手段が変形したり燃料ガス流路の流路面積が変化したりすることが回避され、機能特性が保たれることとなる。
【００１９】
さらに、燃料ガス流路の上流から下流に向けて燃料ガスが消費されるにしたがってセル板の温度は低下するが、燃料ガス流路の出口部分に内蔵した燃焼手段による未燃焼ガスの燃焼で生じる熱を受けて、燃料ガス流路の出口部分における温度が上昇してセル板の温度分布が小さくなるので、発電出力密度が高まることとなり、さらにまた、起動時などのように、発電するのに十分な温度にセル板の温度が達していない場合には、未燃焼のまま燃焼手段に導入される燃料ガスの割合が増加するものの、この未燃焼ガスを燃焼手段で燃焼させることで、セル板の昇温が促進されて起動に要する時間の短縮が図られることとなる。
【００２０】
本発明の請求項４に係わる固体電解質型燃料電池では、請求項１〜３に係わる固体電解質型燃料電池と同じく、起動時などのように、発電するのに十分な温度にセル板の温度が達していない場合であったとしても、起動に要する時間の短縮が図られるうえ、未燃焼燃料ガスの排気量に応じた空気を排気流路に導入して未燃焼燃料ガスの燃焼を促進させるようにしているので、燃焼排気の浄化が図られることとなる。
【００２１】
固体電解質型燃料電池では、排気を熱交換器に導入して、スタックに新規に導入する燃料ガスや空気を余熱するようになせば、廃熱利用がなされることとなって、燃料電池システム全体の発電効率を向上させ得ることとなるが、本発明の請求項５に係わる固体電解質型燃料電池では、燃料ガスおよび空気の排気流路を一系統にしているので、例えば、燃料電池スタックに隣接して設置された熱交換器あるいは熱交換機能部位に燃料電池スタックの排気を導入して、これから燃料電池スタックに導入する燃料ガスあるいは空気を余熱する場合いは、燃料および空気の双方の排気熱エネルギーを簡便かつ効率良く利用し得ることとなる。
【００２２】
また、固体電解質型燃料電池において、燃料ガスの供給管からスタックの燃料ガス流路へ燃料ガスを導入する際の流れ抵抗は、セル板表面における燃料ガスの消費状況や反応状況に依存したり、燃焼手段の通気抵抗に依存したりするが、本発明の請求項６に係わる固体電解質型燃料電池では、燃料ガス流路入口の総開口面積よりも燃料ガス流路出口の総開口面積を大きく設定しているので（請求項７に係わる固体電解質型燃料電池では、燃料ガス流路入口での燃料ガスの流速を燃料ガス流路出口での燃料ガスの流速よりも速く設定しているので）、反応後のガスが燃料ガスの供給管へ逆流することが阻止されて、効率が向上すると共に、耐久性に優れたものとなる。
【００２３】
この場合、炭化水素系の燃料ガスを使用すると、発電部分である燃料ガス流路の下流ほどガス分子量が増加する（１ｍｏｌの炭化水素燃料ＣｎＨｍは、すべて発電に使用されるとｎ（ＣＯ_２）＋（ｍ／２）（Ｈ_２Ｏ）ｍｏｌに分子量（体積）が増加する。なお、水素の場合は１ｍｏｌのＨ_２から１ｍｏｌのＨ_２Ｏが生成されるだけなので、体積増加は問題にならない)が、燃料ガス流路出口の総開口面を大きくすることで、セル板に必要のないガス圧をかけない高い燃料利用率での発電がなされることとなる。
【００２４】
本発明の請求項８に係わる固体電解質型燃料電池では、上記した構成としているので、スタックの熱容量が小さくなって起動性が向上することとなる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の請求項１〜３に係わる固体電解質型燃料電池では、上記した構成としているので、小型化を実現したうえで、耐久性の向上を実現することが可能であると共に、起動・停止を頻繁に行ったり燃料ガスや空気の流量が変化したりした際の燃料ガス流路に対する空気の逆流および混合を防止することができ、加えて、発電出力密度の向上および起動に要する時間の短縮をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２６】
本発明の請求項４に係わる固体電解質型燃料電池では、請求項１〜３に係わる固体電解質型燃料電池と同様の効果が得られるのに加えて、燃焼排気の浄化を実現することができ、本発明の請求項５に係わる固体電解質型燃料電池では、上記した構成としているので、燃料および空気の双方の排気熱エネルギーを簡便かつ効率良く利用することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２７】
本発明の請求項６および７に係わる固体電解質型燃料電池では、上記構成としているので、効率および耐久性がいずれも向上するという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２８】
本発明の請求項８に係わる固体電解質型燃料電池では、上記した構成としているので、スタックの起動性を大幅に向上させることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００３０】
［実施例１］
図１は、本発明に係わる固体電解質型燃料電池の一実施例を示している。
【００３１】
図１に示すように、この固体電解質型燃料電池１は、電解質層を燃料極および空気極で挟み込んで形成したセル板２と、このセル板２にシール材３を介して積層したセパレータ４を備えており、この実施例では、３枚のセル板２をセパレータ４／シール材３／セル板２／シール材３／セパレータ４／…／セル板２／シール材３／セパレータ４の順序で積層したセル板３層構造をなしている。
【００３２】
セル板２には、電解質としての２００μｍのＹＳＺ焼結板（イットリア安定化ジルコニア）の一方の面にＮｉＯ−ＹＳＺからなる燃料極ペーストを印刷すると共に、ＹＳＺ焼結板の他方の面にＬＳＭからなる空気極ペーストを印刷して焼成したものを使用している。
【００３３】
また、セパレータ４には、厚さ２ｍｍのＳＵＳ製平板を使用し、シール材３には、パッキン状をなすものを使用している。
【００３４】
セル板２と、燃料極２Ａ側のセパレータ４との間には、燃料ガスを流す燃料ガス流路５が形成され、一方、セル板２と、空気極側のセパレータ４との間には、空気流路６が形成されており、セル板２及びセパレータ４には、互いに連通して積層方向に沿う燃料ガス供給路７，空気供給路６Ａ及び排気流路８を形成する燃料ガス供給開口１１，空気供給開口１２及び排気開口１３がそれぞれ設けてある。上記したように複数形成された燃料ガス流路５の各燃料ガス流路入口５ａの開口面積（＝燃料ガス供給路７の断面積Ｓ１）の合計である総開口面積は、燃料ガス流路５の各燃料ガス流路出口５ｂの開口面積（＝排気流路８の断面積Ｓ２）の合計である総開口面積よりも小さく設定してある。この実施例では、燃料排気ガスおよび空気排気ガスは、いずれも上記排気流路８を通って排気されるようになっている。
【００３５】
この場合、セル板２とセパレータ４との間隔はシール材３によって保たれるようになっており、複数の燃料ガス流路５の各燃料ガス流路出口５ｂに、シール材３とほぼ同じ厚みの燃焼ヒーター（燃焼手段）９をそれぞれ排気流路８と連通状態で内蔵することによって、燃料ガス流路５を通過中に燃焼しなかった燃料ガスを燃焼させるようになっている。この燃焼ヒーター９は金属フェルト状をなしており、Ｐｔ触媒を担持することで燃料ガス流路５における未燃焼燃料ガスの燃焼を促進させるようにしている。
【００３６】
この固体電解質型燃料電池１において、燃料ガスＦは燃料ガス供給路７から複数の燃料ガス流路５に供給され、これらの燃料ガス流路５を通過する間に燃焼して発電を行う。
【００３７】
そして、燃料ガス流路５において燃料ガスＦの燃焼で生じた排気ガスＦ’は、燃料ガス流路５の出口５ｂ部分に内蔵した燃焼ヒーター９を通過して排気流路８へ流れ、この際、燃料ガス流路５で燃焼しきらなかった未燃焼の燃料ガスＦは、燃焼ヒーター９の排気流路８側の表面近傍で燃焼されて排気される。
【００３８】
このように、上記した固体電解質型燃料電池１では、燃料ガス流路５で使用されなかった燃料ガスＦは、この燃料ガス流路５の出口５ｂに排気流路８と連通状態で内蔵した燃焼ヒーター９で燃焼することから、制御し得ない部位での燃焼によってスタックに局所的でかつ予測不可能な加熱が生じるのを回避し得ることとなり、耐久性に優れたものとなる。
【００３９】
また、上記した固体電解質型燃料電池１では、シール材３によって間隔が保たれた燃料ガス流路５の燃料ガス流路出口５ｂに高温の燃焼ヒーター９を内蔵しているので、空気Ａがこの燃料ガス流路５に逆流することが阻止されるうえ、温度の昇降によって変形したり燃料ガス流路５の流路面積が変化したりすることが回避され、機能特性が保たれることとなる。
【００４０】
さらに、上記した固体電解質型燃料電池１では、燃料ガス流路５の出口５ｂ部分に内蔵した燃焼ヒーター９による未燃焼ガスＦの燃焼で生じる熱を受けて、燃料ガス流路５の燃料ガス流路出口５ｂにおける温度が上昇してセル板２の温度分布が小さくなるため、発電出力密度が高まることとなり、さらにまた、起動時には、未燃焼のまま燃焼ヒーター９に導入される多くの燃料ガスＦが、この燃焼ヒーター９で燃焼させられることから、セル板２の昇温が促進されて起動に要する時間の短縮が図られることとなる。
【００４１】
さらにまた、上記した固体電解質型燃料電池１では、燃料ガスＦおよび空気Ａの排気流路８を一系統にしているので、排気Ｆ’を熱交換器に導入して、スタックに新規に導入する燃料ガスや空気を余熱するようになせば、燃料および空気の双方の排気熱エネルギーを簡便かつ効率良く利用し得ることとなって、燃料電池システム全体の発電効率が向上することとなる。
【００４２】
そこで、上記した固体電解質型燃料電池１のスタックを８００℃に加熱し、燃料ガスとしてのＨ_２と空気とをそれぞれ導入して、発電テストを実施したところ、セル板２の発電有効面積当たり、０．４Ｗ／ｃｍ^２で発電させることができ、これにより、この固体電解質型燃料電池１では、効率の良い発電がなされることが実証できた。
【００４３】
［実施例２］
図２は、本発明に係わる固体電解質型燃料電池の他の実施例を示している。
【００４４】
図２に示すように、この実施例による固体電解質型燃料電池２１が、先の実施例による固体電解質型燃料電池１と相違するところは、燃料の排気流路２８Ｆと空気の排気流路２８Ａとを別々に設けた点にあり、他の構成は、先の実施例による固体電解質型燃料電池１と同じである。
【００４５】
この固体電解質型燃料電池２１においても、制御し得ない部位での燃焼によってスタックに局所的でかつ予測不可能な加熱が生じるのを回避し得るので、耐久性に優れたものとなり、加えて、高温の燃焼ヒーター９をシール材３によって間隔が保たれた燃料ガス流路５の燃料ガス流路出口５ｂに内蔵しているので、空気がこの燃料ガス流路５に逆流したり温度の昇降によって変形したり燃料ガス流路５の流路面積が変化したりすることが回避され、機能特性が保たれることとなる。
【００４６】
また、上記した固体電解質型燃料電池２１では、燃焼ヒーター９を燃料ガス流路５の燃料ガス流路出口５ｂに排気流路８と連通状態で内蔵したことで、セル板２の温度分布が小さくなって発電出力密度が高まることとなり、さらに、起動時には、セル板２の昇温が促進されて起動に要する時間の短縮が図られることとなる。
【００４７】
そこで、この固体電解質型燃料電池２１に対しても、スタックを８００℃に加熱し、燃料ガスとしてのＨ_２と空気とをそれぞれ導入して、発電テストを実施したところ、セル板２の発電有効面積当たり、０．４２Ｗ／ｃｍ^２で発電させることができ、これにより、この固体電解質型燃料電池２１においても、効率の良い発電がなされることが実証できた。
【００４８】
上記した実施例１，２において、燃焼ヒーター９は、いずれの場合もセル板２とセパレータ４との間に形成されてシール材３によって間隔が保持される燃料ガス流路５の燃料ガス流路出口５ｂの全部を覆うように内蔵した場合を示したが、図３に示すように、燃焼ヒーター９を排気流路８の一部を覆うように設置したり、図４に示すように、燃焼ヒーター９の一部が空気流路６の出口６ｂに入り込むようにして設置してもよく、燃焼ヒーター９自体がが着火機構を具備していてもよい。
【００４９】
［参考例］
図５〜図７は、本発明に係わる固体電解質型燃料電池の一参考例を示している。
【００５０】
図５〜図７に示すように、この参考例における固体電解質型燃料電池３１のセル板３２は、中心に燃料供給管挿入用の貫通孔３２ｃを有する２インチシリコンウエハ基板３２Ａを備えており、このシリコンウエハ基板３２Ａに複数設けた開口部を覆うようにして燃料極層/電解質層/空気極層からなる発電層が形成してある。この場合、シリコンウエハ基板３２Ａの貫通孔３２ｃおよび外周部分には、歯車状のガラス製枠材４０が接合してある。
【００５１】
一方、この固体電解質型燃料電池３１のセパレータ３４も、セル板３２と同様にして中心に燃料供給管挿入用の貫通孔３４ｃを有する２インチシリコンウエハ基板３４Ａを備えており、図６（ｃ）に示すように、シリコンウエハ基板３４Ａの一方の面（図示上面）３４ａは、ヒドラジンウェットエッチング法を用いたエッチング加工により、□部のみを凸状に残すようにして形成してある。そして、シリコンウエハ基板３４Ａの貫通孔３４ｃおよび外周部分にも、歯車状のガラス製枠材４０が接合してある。
【００５２】
この固体電解質型燃料電池３１は、上記円盤状のセル板３２およびセパレータ３４を交互に積層して全体で略円柱状をなしており、このセル板３２およびセパレータ３４の積層体の外周部には、径の異なる管を同心状に重ねてなる空気供給路４１が設けてある。
【００５３】
セル板３２の図６（ｂ）に示す燃料極面３２ｂとセパレータ３４の一方の面３４ａとの間に形成される燃料ガス流路３５の出口３５ｂには多孔質セラミックス製の燃焼ヒーター（燃焼手段）３９が設置してあり、この燃料ガス流路３５の入口３５ａにはセラミックス製のスペーサ４２が設置してあって、燃料ガスＦは、燃料供給管３７から燃料ガス流路３５の入口３５ａに位置するスペーサ４２を通って、積層体発電部分の燃料ガス流路３５へ導入され、排気ガスＦ’は、燃焼ヒーター３９の部分を通過して排気流路３８に排出されるようになっている。
【００５４】
一方、セル板３２の図６（ａ）に示す空気極面３２ａとセパレータ３４の図６（ｄ）に示す他方の面３４ｂとの間に形成される空気流路３６は、空気供給路４１に設けた空気導入口４１ａと連通しており、空気Ａは、二重管で形成された空気供給路４１を通って空気導入口４１ａから積層体発電部分の空気流路３６へ導入され、空気流路出口３６ｂから排気流路３８に排出されるようになっている。
【００５５】
なお、排気流路３８は、セル板３２およびセパレータ３４の歯車状ガラス製枠４０の凹部と空気供給路４１を形成する二重管の内側との間に形成されている。
【００５６】
この固体電解質型燃料電池３１においても、制御し得ない部位での燃焼によってスタックに局所的でかつ予測不可能な加熱が生じるのを回避し得るので、耐久性に優れたものとなり、加えて、燃焼ヒーター３９を燃料ガス流路３５の燃料ガス流路出口３５ｂに設けたことで、セル板３２の温度分布が小さくなって発電出力密度が高まることとなり、さらに、起動時には、セル板３２の昇温が促進されて起動に要する時間の短縮が図られることとなる。
【００５７】
また、この固体電解質型燃料電池３１では、セル板３２およびセパレータ３４の積層体の外周部に、排気流路３８および空気供給路４１を配置しているので、これらの排気流路３８および空気供給路４１が断熱体として機能することとなり、その結果、スタックの保温性の向上が図られることとなり、加えて、セル板３２およびセパレータ３４の各基板をいずれも２インチシリコンウエハとしているので、スタックの起動性が大幅に向上することとなる。
【００５８】
そこで、この固体電解質型燃料電池３１に対して、起動時に燃料ガスとしてのプロパンガスと空気とをそれぞれ導入して、燃焼ヒーター３９で燃焼させてスタックを加熱し、セル板３２が５００℃に昇温したところで、燃料ガスをＨ_２ガスに切り替えて運転する発電テストを実施したところ、セル板３２が６００℃の段階において、発電有効面積当たり、０．１Ｗ／ｃｍ^２で発電させることができ、これにより、この固体電解質型燃料電池３１においても、効率の良い発電がなされることが実証できた。
【００５９】
本発明に係わる固体電解質型燃料電池の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる固体電解質型燃料電池の一実施例を示す分解斜視説明図（ａ）および断面説明図（ｂ）である。
【図２】本発明に係わる固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す分解斜視説明図（ａ）および断面説明図（ｂ）である。
【図３】図１および図２の固体電解質型燃料電池における燃焼ヒーターの他の配置例を示す断面説明図である。
【図４】図１および図２の固体電解質型燃料電池における燃焼ヒーターのさらに他の配置例を示す断面説明図である。
【図５】本発明に係わる固体電解質型燃料電池の一参考例を示す全体斜視説明図である。
【図６】図５に示した固体電解質型燃料電池のセル板の平面説明図（ａ），セル板の底面説明図（ｂ），セパレータの平面説明図（ｃ）およびセパレータの底面説明図（ｄ）である。
【図７】図５に示した固体電解質型燃料電池の図６（ａ）のＸ−Ｘ線位置に基づく断面説明図（ａ）および図６（ａ）のＹ−Ｙ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。
【符号の説明】
１，２１固体電解質型燃料電池
２セル板
２Ａ燃料極
４セパレータ
５燃料ガス流路
５ａ燃料ガス流路入口
５ｂ燃料ガス流路出口
６空気流路
６Ａ空気供給路
７燃料ガス供給路
８，２８Ａ，２８Ｆ排気流路
９燃焼ヒーター（燃焼手段）
１１燃料ガス供給開口
１２空気供給開口
１３排気開口
Ｆ燃料ガス
Ｆ’排気
Ａ空気[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell used as a drive source of an electric vehicle, for example.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as the above-described solid oxide fuel cell, a cell plate formed by sandwiching an electrolyte layer between a fuel electrode and an air electrode, and a fuel gas flow path for flowing fuel gas between the cell plate and the fuel plate The cell plate and the separator laminate (stack) as a whole are formed in a cylindrical shape, so-called a cylindrical stack, and the cell plate and the plate-like separator are laminated. There is what is called a flat plate stack.
[0003]
As a solid oxide fuel cell called a flat stack,
(1) A corrugated cell plate is positioned between two separators, and a sealing material having a gas inlet to a fuel gas flow path formed between the cell plate and the separator is disposed around the cell plate. In this structure, the cell plate and separator are bonded via this sealing material.
(2) A structure in which a laminated cell plate and a separator are sandwiched between a pressing plate and a holder to which a spring force is applied (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-208163)
(3) A disk-shaped cell plate and a separator are stacked, and fuel gas is supplied from the center of the cell plate, and unconsumed fuel gas is burned at the outer periphery of the cell plate. thing
(4) Similar to (3) above, with Ni felt installed at the exhaust port of the fuel gas cell plate to equalize the exhaust pressure loss of the fuel gas and stabilize the fuel gas flow
and so on.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional solid oxide fuel cell described above, a type called a cylindrical stack has fewer gas seal portions and is easy to seal, but the installation density of the power generation effective area of the cell plate installed in the stack is reduced. There is a problem that it is difficult to make it high, and the power generation output density W / liter per stack unit volume is low.
[0005]
In the solid oxide fuel cell (1) among the solid oxide fuel cells called flat plate stacks, although the cell plate installation density per stack unit volume can be increased, there are many gas seal portions. In addition, since this gas seal portion is exposed to high temperatures, the gas seal may not be sufficient. Especially when the start and stop are frequently performed, the seal material for the cell plate and the separator is mainly used. Due to the difference in thermal expansion coefficient, gas leakage may occur at the gas seal part, and there is a problem that the power generation output decreases due to combustion of fuel gas and air without contributing to power generation, The problem is that sudden combustion occurs at a location that cannot be controlled, so that the stack is locally heated and durability is lowered.
[0006]
Furthermore, in the solid oxide fuel cell (2) among the solid oxide fuel cells called flat plate stacks, it is possible to avoid a decrease in gas sealing performance by uniformly fastening the cell plate and the separator. In addition, there is a problem that the whole is increased in size and is not suitable for being mounted on a moving body such as an automobile. Furthermore, the solid oxide fuel cell of (3) is good when operated for a long time in a constant state. However, when starting and stopping frequently or when the flow rate of fuel gas changes, it is difficult to control the combustion of unconsumed fuel gas, so the temperature rises due to local combustion As a result, there is a problem that durability deteriorates or air flows backward in the fuel gas flow path and power generation output decreases, and in the solid oxide fuel cell of (4), (3) In addition to having the same problem, the installed Ni felt ring is sandwiched between the cell plate and the separator and functions as a cushion layer. There is a problem that the fuel gas flow may become unstable, and it has been a conventional problem to solve these problems.
[0007]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been made paying attention to the above-described conventional problems, and after realizing miniaturization, not only gas leakage does not occur, but also sudden combustion occurs at an uncontrollable location. As a result, it is possible to improve durability, and even if the start and stop are frequently performed or the flow rate of fuel gas or air changes, the fuel gas of the air It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell that can prevent backflow and mixing into a flow path, and can also improve the power generation output density.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  The invention according to claim 1 of the present invention is a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a fuel gas that is laminated on the cell plate via a gap and allows fuel gas to flow between the fuel electrode. In a solid oxide fuel cell having a separator that forms a gas flow pathThe cell plate and the separator are respectively provided with a fuel gas supply opening, an air supply opening, and an exhaust opening that communicate with each other and form a fuel gas supply passage, an air supply passage, and an exhaust passage along the stacking direction. The outlet of the fuel gas channel betweenCombustion means for burning the fuel gas that did not burn while passing through the fuel gas flow path while maintaining the gap between the steel plate and the separatorBuilt-in in communication with the exhaust flow pathThe configuration of the solid oxide fuel cell is used as a means for solving the above-described conventional problems.
[0009]
In the solid oxide fuel cell according to the present invention, the combustion means covers a part or all of the outlet of the fuel gas passage formed between the cell plate and the separator and maintained at a distance by a frame member or a sealing member. In this case, the outlet portion of the fuel gas passage where the combustion means is provided means at least a portion from the outlet of the fuel gas passage to the inside of the exhaust passage, and the combustion means covers a part of the exhaust passage. (See FIG. 3), or a part of the combustion means may be installed so as to enter the outlet of the air flow path (see FIG. 4), or the combustion means may be provided with an ignition mechanism.
[0010]
The cell plate is a type in which a fuel electrode-electrolyte layer-air electrode is formed on a substrate that does not have a power generation function, a type in which one electrode also serves as a support substrate, or a type in which an electrolyte layer also serves as a support substrate. Either can be used, but is not limited to these types.
[0011]
The solid oxide fuel cell according to claim 2 of the present invention is configured such that the combustion means is a porous body of metal or ceramics. In the solid oxide fuel cell according to claim 3 of the present invention, the porous as combustion means is a porous body. The material is configured to carry a catalyst (for example, rhodium, ruthenium, platinum, palladium, nickel, cobalt, or an alloy containing these as a main component) that promotes combustion of unburned fuel gas in the fuel gas flow path.
[0012]
As the metal porous body used for the combustion means, for example, a fired metal body, a metal mesh or a metal nonwoven fabric can be used, and as the ceramic porous body used for the combustion means, for example, a cordierite or alumina catalyst A support can be used.
[0013]
The solid oxide fuel cell according to claim 4 of the present invention introduces air corresponding to the amount of unburned fuel gas in the fuel gas passage into the exhaust passage communicating with the fuel gas passage, and in the combustion means. The solid oxide fuel cell is configured to promote the combustion of unburned fuel gas, and is obtained in advance by monitoring the temperature of the power generation portion in the fuel gas flow path of the cell plate, the introduction flow rate of the fuel gas, and the power generation load. It is operated by controlling and introducing more air than can be burned with respect to the unused amount of fuel gas calculated from the characteristics of the solid oxide fuel cell.
[0014]
The solid oxide fuel cell according to claim 5 of the present invention is configured to exhaust air that has not been consumed on the air electrode side of the cell plate from an exhaust passage communicating with the fuel gas passage. The battery monitors the temperature of the power generation part in the fuel gas flow path of the cell plate, the flow rate of the fuel gas, and the power generation load, and the unused fuel calculated from the characteristics of the solid oxide fuel cell obtained in advance. It is operated by introducing an amount of air that can be combusted with respect to the amount so as to be added to the air flow rate consumed in the power generation part.
[0015]
The solid oxide fuel cell according to claim 6 of the present invention has a configuration in which the total opening area of the fuel gas channel outlet is set larger than the total opening area of the fuel gas channel inlet. Depends on the total cross-sectional area of the flow path, the composition of the fuel gas used, the power generation efficiency (utilization efficiency of the fuel), the temperature distribution of the power generation portion, and the like. Therefore, the solid electrolyte according to claim 7 of the present invention The fuel gas flow rate at the fuel gas channel inlet is faster than the fuel gas flow rate at the fuel gas channel outlet in the fuel cell.
[0016]
  A solid oxide fuel cell according to claim 8 of the present invention is provided.,Each substrate of the steel plate and the separator is configured as a silicon wafer.
[0017]
[Effects of the Invention]
  Since the solid oxide fuel cell according to claims 1 to 3 of the present invention has the above-described configuration, the fuel not used in the fuel gas flow pathHowever, the fuel gas passage is built into the outlet of the fuel gas passage in communication with the exhaust passage.Combustion is performed by the baking means, and it is possible to avoid local and unpredictable heating in the stack due to combustion at a part that cannot be controlled, so that the durability is excellent.
[0018]
  Also, high-temperature combustionBuilt-in stageTherefore, the air is prevented from flowing back from the outlet portion of the fuel gas flow path, and in addition, the combustion means does not need to double as a cushioning material. For example, when the combustion means is a porous body, Thus, the combustion means is prevented from being deformed or the flow area of the fuel gas flow path is changed by raising or lowering the temperature, and the functional characteristics are maintained.
[0019]
  Furthermore, the temperature of the cell plate decreases as the fuel gas is consumed from upstream to downstream of the fuel gas flow path.Built-in fuel at the outlet of the fuel gas flow pathIn response to the heat generated by the combustion of unburned gas by the firing means, the temperature at the outlet of the fuel gas flow path rises and the temperature distribution of the cell plate is reduced, which increases the power generation output density and also starts When the temperature of the cell plate does not reach a temperature sufficient for power generation, such as at times, the ratio of the fuel gas introduced into the combustion means increases without being burned. By burning with the combustion means, the temperature rise of the cell plate is promoted, and the time required for activation is shortened.
[0020]
In the solid oxide fuel cell according to claim 4 of the present invention, as in the solid oxide fuel cell according to claims 1 to 3, the temperature of the cell plate is set to a temperature sufficient for power generation, such as during startup. Even if not, the time required for startup is shortened, and air corresponding to the amount of unburned fuel gas is introduced into the exhaust passage to promote combustion of unburned fuel gas. Therefore, the combustion exhaust gas can be purified.
[0021]
In solid oxide fuel cells, if exhaust gas is introduced into a heat exchanger and fuel gas or air newly introduced into the stack is preheated, waste heat will be used, and the entire fuel cell system will be used. However, in the solid oxide fuel cell according to claim 5 of the present invention, the exhaust passage for the fuel gas and the air is integrated into one system, for example, adjacent to the fuel cell stack. If the exhaust gas from the fuel cell stack is introduced into the installed heat exchanger or heat exchange function part and the fuel gas or air to be introduced into the fuel cell stack is to be preheated, the exhaust heat from both the fuel and air Energy can be used simply and efficiently.
[0022]
Also, in the solid oxide fuel cell, the flow resistance when introducing the fuel gas from the fuel gas supply pipe to the fuel gas flow path of the stack depends on the consumption state and reaction state of the fuel gas on the cell plate surface, Depending on the ventilation resistance of the combustion means, in the solid oxide fuel cell according to claim 6 of the present invention, the total opening area of the fuel gas channel outlet is set larger than the total opening area of the fuel gas channel inlet. (In the solid oxide fuel cell according to claim 7, the flow rate of the fuel gas at the inlet of the fuel gas passage is set faster than the flow velocity of the fuel gas at the outlet of the fuel gas passage), The reaction gas is prevented from flowing back to the fuel gas supply pipe, so that the efficiency is improved and the durability is excellent.
[0023]
In this case, when a hydrocarbon-based fuel gas is used, the gas molecular weight increases toward the downstream of the fuel gas flow path, which is a power generation part (when 1 mol of hydrocarbon fuel CnHm is used for power generation, n (CO₂) + (M / 2) (H₂The molecular weight (volume) increases to O) mol. In the case of hydrogen, 1 mol of H₂To 1 mol of H₂The volume increase is not a problem because only O is generated), but by increasing the total opening surface of the fuel gas channel outlet, power generation at a high fuel utilization rate that does not apply unnecessary gas pressure to the cell plate Will be made.
[0024]
  The solid oxide fuel cell according to claim 8 of the present invention has the above-described configuration., SuThe heat capacity of the tack is reduced and the startability is improved.
[0025]
【The invention's effect】
Since the solid oxide fuel cell according to claims 1 to 3 of the present invention has the above-described configuration, it is possible to improve the durability while realizing downsizing, and to start and stop. It can prevent backflow and mixing of air to the fuel gas flow path when it is frequently performed or the flow rate of fuel gas or air is changed. In addition, it improves power generation output density and shortens startup time. Can also be realized.
[0026]
In the solid oxide fuel cell according to claim 4 of the present invention, in addition to obtaining the same effect as the solid oxide fuel cell according to claims 1 to 3, it is possible to achieve purification of combustion exhaust gas, Since the solid oxide fuel cell according to claim 5 of the present invention has the above-described configuration, it has a very excellent effect that the exhaust heat energy of both fuel and air can be used simply and efficiently. .
[0027]
Since the solid oxide fuel cell according to claims 6 and 7 of the present invention has the above-described configuration, it has an excellent effect that both efficiency and durability are improved.
[0028]
  The solid oxide fuel cell according to claim 8 of the present invention has the above-described configuration., SuA very good effect is obtained that it is possible to greatly improve the startability of the tack.
[0029]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
[Example 1]
FIG. 1 shows an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention.
[0031]
As shown in FIG. 1, this solid oxide fuel cell 1 includes a cell plate 2 formed by sandwiching an electrolyte layer between a fuel electrode and an air electrode, and a separator 4 laminated on the cell plate 2 with a sealant 3 interposed therebetween. In this embodiment, three cell plates 2 are laminated in the order of separator 4 / sealing material 3 / cell plate 2 / sealing material 3 / separator 4 /.../ cell plate 2 / sealing material 3 / separator 4. The cell plate has a three-layer structure.
[0032]
On the cell plate 2, a fuel electrode paste made of NiO-YSZ is printed on one surface of a 200 μm YSZ sintered plate (yttria-stabilized zirconia) as an electrolyte, and from the LSM on the other surface of the YSZ sintered plate. The air electrode paste is printed and fired.
[0033]
In addition, a SUS flat plate having a thickness of 2 mm is used for the separator 4, and a packing material is used for the sealing material 3.
[0034]
  Between the cell plate 2 and the separator 4 on the fuel electrode 2A side, a fuel gas flow path 5 through which fuel gas flows is formed. On the other hand, between the cell plate 2 and the separator 4 on the air electrode side, An air flow path 6 is formed,The cell plate 2 and the separator 4 are provided with a fuel gas supply opening 11, an air supply opening 12 and an exhaust opening 13 which are in communication with each other and form a fuel gas supply path 7, an air supply path 6 A and an exhaust flow path 8 along the stacking direction. Each is provided. I mentioned aboveThe opening area of each fuel gas channel inlet 5a (= fuel gas supply)Supply path 7The total opening area that is the sum of the cross-sectional areas S1) of the fuel gas passage 5 is larger than the total opening area that is the sum of the opening areas of the fuel gas passage outlets 5b of the fuel gas passage 5 (= the cross-sectional area S2 of the exhaust passage 8). It is set small. In this embodiment, both the fuel exhaust gas and the air exhaust gas are exhausted through the exhaust passage 8.
[0035]
  In this case, the space between the cell plate 2 and the separator 4 is maintained by the sealing material 3, and the fuel gas flow channel outlets 5 b of the plurality of fuel gas flow channels 5 have substantially the same thickness as the sealing material 3. Each combustion heater (combustion means) 9Built in communication with the exhaust passage 8Thus, the fuel gas that has not been burned while passing through the fuel gas flow path 5 is burned. The combustion heater 9 has a metal felt shape, and supports the combustion of unburned fuel gas in the fuel gas passage 5 by supporting a Pt catalyst.
[0036]
  In the solid oxide fuel cell 1, the fuel gas F is supplied as fuel gas.Supply path 7Are supplied to the plurality of fuel gas flow paths 5 and generate electricity by burning while passing through these fuel gas flow paths 5.
[0037]
  The exhaust gas F ′ generated by the combustion of the fuel gas F in the fuel gas flow path 5 isThe fuel built in the outlet 5b portion of the fuel gas passage 5The unburned fuel gas F that has not been burned in the fuel gas passage 5 is burned near the surface of the combustion heater 9 on the side of the exhaust passage 8. And exhausted.
[0038]
  As described above, in the solid oxide fuel cell 1 described above, the fuel gas F that has not been used in the fuel gas passage 5 is used.Is a fuel built in the outlet 5b of the fuel gas passage 5 in communication with the exhaust passage 8.Since combustion is performed by the firing heater 9, it is possible to avoid local and unpredictable heating in the stack due to combustion at a part that cannot be controlled, and the durability is excellent.
[0039]
  In the solid oxide fuel cell 1 described above, a high-temperature combustion heater is provided at the fuel gas passage outlet 5b of the fuel gas passage 5 spaced by the sealing material 3.9 built inTherefore, the air A is prevented from flowing back into the fuel gas passage 5 and is prevented from being deformed or changing the flow passage area of the fuel gas passage 5 due to an increase or decrease in temperature. The characteristics will be maintained.
[0040]
  Further, in the solid oxide fuel cell 1 described above,The fuel built in the outlet 5b portion of the fuel gas passage 5In response to the heat generated by the combustion of the unburned gas F by the firing heater 9, the temperature at the fuel gas passage outlet 5 b of the fuel gas passage 5 rises and the temperature distribution of the cell plate 2 becomes smaller. Furthermore, since a large amount of fuel gas F introduced into the combustion heater 9 is burned by the combustion heater 9 at the time of start-up, the temperature rise of the cell plate 2 is promoted and started. This shortens the time required for this.
[0041]
Furthermore, in the solid oxide fuel cell 1 described above, since the exhaust flow path 8 for the fuel gas F and air A is integrated, the exhaust F ′ is introduced into the heat exchanger and newly introduced into the stack. If the fuel gas or air is preheated, the exhaust heat energy of both the fuel and air can be used easily and efficiently, and the power generation efficiency of the entire fuel cell system is improved.
[0042]
Therefore, the stack of the solid oxide fuel cell 1 described above is heated to 800 ° C., and H as fuel gas is obtained.₂And air were introduced, and a power generation test was carried out, and 0.4 W / cm per effective power generation area of the cell plate 2²As a result, it was demonstrated that the solid oxide fuel cell 1 can generate power efficiently.
[0043]
[Example 2]
FIG. 2 shows another embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention.
[0044]
As shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell 21 according to this embodiment is different from the solid oxide fuel cell 1 according to the previous embodiment in that a fuel exhaust passage 28F, an air exhaust passage 28A, and the like. Are the same as the solid oxide fuel cell 1 according to the previous embodiment.
[0045]
  In this solid oxide fuel cell 21 as well, it is possible to avoid local and unpredictable heating in the stack due to combustion at a part that cannot be controlled, so that the durability is excellent. Fuel gas passage outlet 5b of the fuel gas passage 5 in which the high-temperature combustion heater 9 is spaced by the sealing material 3Built inTherefore, it is possible to prevent the air from flowing back into the fuel gas flow path 5, changing the temperature of the fuel gas flow path 5, or changing the flow area of the fuel gas flow path 5, thereby maintaining the functional characteristics. Become.
[0046]
  Further, in the above-described solid oxide fuel cell 21, the combustion heater 9 is connected to the fuel gas passage outlet 5 b of the fuel gas passage 5.Built in in communication with the exhaust passage 8As a result, the temperature distribution of the cell plate 2 is reduced and the power generation output density is increased. Further, at the time of start-up, the temperature rise of the cell plate 2 is promoted and the time required for start-up is shortened.
[0047]
Therefore, also for the solid oxide fuel cell 21, the stack is heated to 800.degree.₂And air were introduced, and a power generation test was carried out to find that 0.42 W / cm per power generation effective area of the cell plate 2.²As a result, it was proved that the solid oxide fuel cell 21 can generate power efficiently.
[0048]
  In the first and second embodiments described above, the combustion heater 9 is formed between the cell plate 2 and the separator 4 in any case, and the fuel gas flow path of the fuel gas flow path 5 is maintained by the sealing material 3. Cover all of the outlet 5bBuilt inAs shown in FIG. 3, the combustion heater 9 is installed so as to cover a part of the exhaust passage 8 as shown in FIG. 3, or as shown in FIG. 6 may be installed so as to enter the outlet 6b, and the combustion heater 9 itself may include an ignition mechanism.
[0049]
[Reference example]
  5 to 7 show solid oxide fuel cells according to the present invention.Reference exampleIs shown.
[0050]
  As shown in FIGS.Reference exampleThe cell plate 32 of the solid oxide fuel cell 31 includes a 2-inch silicon wafer substrate 32A having a through-hole 32c for inserting a fuel supply pipe at the center, and covers a plurality of openings provided in the silicon wafer substrate 32A. Thus, a power generation layer composed of a fuel electrode layer / electrolyte layer / air electrode layer is formed. In this case, a gear-shaped glass frame member 40 is joined to the through hole 32c and the outer peripheral portion of the silicon wafer substrate 32A.
[0051]
On the other hand, the separator 34 of the solid oxide fuel cell 31 is also provided with a 2-inch silicon wafer substrate 34A having a through hole 34c for inserting a fuel supply pipe at the center in the same manner as the cell plate 32. FIG. As shown in FIG. 3, one surface (the upper surface in the drawing) 34a of the silicon wafer substrate 34A is formed so as to leave only the □ portion in a convex shape by etching using a hydrazine wet etching method. A gear-shaped glass frame member 40 is also bonded to the through hole 34c and the outer peripheral portion of the silicon wafer substrate 34A.
[0052]
The solid oxide fuel cell 31 has a substantially cylindrical shape as a whole by alternately laminating the disk-shaped cell plates 32 and separators 34, and is formed on the outer periphery of the laminate of the cell plates 32 and separators 34. An air supply path 41 is provided in which tubes having different diameters are concentrically stacked.
[0053]
A porous ceramic combustion heater (combustion means) is provided at the outlet 35b of the fuel gas passage 35 formed between the fuel electrode surface 32b shown in FIG. 6B of the cell plate 32 and one surface 34a of the separator 34. 39), and a ceramic spacer 42 is installed at the inlet 35a of the fuel gas passage 35. The fuel gas F is supplied from the fuel supply pipe 37 to the inlet 35a of the fuel gas passage 35. Through the spacer 42 located, it is introduced into the fuel gas flow path 35 of the laminate power generation part, and the exhaust gas F ′ passes through the part of the combustion heater 39 and is discharged to the exhaust flow path 38. .
[0054]
On the other hand, the air flow path 36 formed between the air electrode surface 32a shown in FIG. 6A of the cell plate 32 and the other face 34b of the separator 34 shown in FIG. The air A communicates with the provided air introduction port 41a, and the air A is introduced from the air introduction port 41a to the air flow path 36 of the laminated body power generation portion through the air supply passage 41 formed of a double pipe. The gas is discharged from the passage outlet 36b to the exhaust passage 38.
[0055]
The exhaust flow path 38 is formed between the concave portion of the gear-shaped glass frame 40 of the cell plate 32 and the separator 34 and the inside of the double pipe that forms the air supply path 41.
[0056]
Also in this solid oxide fuel cell 31, it is possible to avoid the occurrence of local and unpredictable heating in the stack due to combustion at a part that cannot be controlled. By providing the combustion heater 39 at the fuel gas flow path outlet 35b of the fuel gas flow path 35, the temperature distribution of the cell plate 32 is reduced, and the power generation output density is increased. The temperature is promoted and the time required for activation is shortened.
[0057]
Further, in the solid oxide fuel cell 31, the exhaust passage 38 and the air supply passage 41 are disposed on the outer peripheral portion of the laminated body of the cell plate 32 and the separator 34. Therefore, the exhaust passage 38 and the air supply are provided. The path 41 functions as a heat insulator, and as a result, the heat retention of the stack is improved. In addition, since each substrate of the cell plate 32 and the separator 34 is a 2-inch silicon wafer, the stack Will be greatly improved.
[0058]
Therefore, propane gas and air as fuel gases are introduced into the solid oxide fuel cell 31 at the time of start-up, burned by the combustion heater 39 to heat the stack, and the cell plate 32 rises to 500 ° C. When heated, the fuel gas is H₂When a power generation test was performed by switching to gas, the cell plate 32 was 0.1 W / cm per effective power generation area at a stage of 600 ° C.²As a result, it was proved that the solid oxide fuel cell 31 can generate power efficiently.
[0059]
The detailed configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is not limited to the above-described embodiments.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view (a) and a sectional view (b) showing one embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view (a) and a sectional view (b) showing another embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention.
3 is an explanatory cross-sectional view showing another arrangement example of the combustion heater in the solid oxide fuel cell of FIGS. 1 and 2. FIG.
4 is a cross-sectional explanatory view showing still another arrangement example of the combustion heater in the solid oxide fuel cell of FIGS. 1 and 2. FIG.
FIG. 5 is a solid oxide fuel cell according to the present invention.Reference exampleFIG.
6 is a plane explanatory diagram (a) of the cell plate of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 5, a bottom plane explanatory diagram (b) of the cell plate, a plane explanatory diagram (c) of the separator, and a bottom plane explanatory diagram of the separator (FIG. d).
7 is a cross-sectional explanatory view based on the position of line XX in FIG. 6A of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 5 and a cross-sectional description based on the position of line YY in FIG. 6A. FIG.
[Explanation of symbols]
1,21 solidBody electrolyte fuel cell
2Le board
2A Fuel electrode
4Palator
5 BurningGas flow path
5a burningGas gas inlet
5b burningGas gas outlet
6 skyair flowRoad
6A skySupplyRoad
7 BurningGas supply path
8, 28A,28F exhaustAir flow path
9 BurningYaki heater (combustion means))
11 Fuel gas supply opening
12 Air supply opening
13 Exhaust opening
F  Fuel gas
F ’exhaust
A Air

Claims

A solid plate comprising a cell plate formed by sandwiching an electrolyte layer between a fuel electrode and an air electrode, and a separator that forms a fuel gas flow path through which fuel gas flows between the cell plate and a gap between the cell plate and the fuel electrode In an electrolyte fuel cell ,
The cell plate and the separator are respectively provided with a fuel gas supply opening, an air supply path, and an exhaust opening that form a fuel gas supply path, an air supply path, and an exhaust flow path that communicate with each other along the stacking direction,
The outlet portion of the fuel gas flow path between the cell plate and the separator, cell Le plate and holds the distance between the separator, combustion means for combusting the fuel gas which has not burned during the passage of the fuel gas channel A solid oxide fuel cell characterized in that it is built in communication with an exhaust passage .

The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the combustion means is a porous body of metal or ceramics.

The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein a catalyst for promoting combustion of unburned fuel gas in the fuel gas flow path is supported on a porous body as combustion means.

The air according to the exhaust amount of the unburned fuel gas in the fuel gas passage is introduced into the exhaust passage communicating with the fuel gas passage to promote combustion of the unburned fuel gas in the combustion means. The solid oxide fuel cell according to any one of the above.

The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein air that has not been consumed on the air electrode side of the cell plate is exhausted from an exhaust passage communicating with the fuel gas passage.

6. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the total opening area of the fuel gas passage outlet is set larger than the total opening area of the fuel gas passage inlet.

6. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the flow rate of the fuel gas at the inlet of the fuel gas channel is faster than the flow rate of the fuel gas at the outlet of the fuel gas channel.

8. The solid oxide fuel cell according to claim 1 , wherein each substrate of the cell plate and the separator is a silicon wafer .