JP4282109B2

JP4282109B2 - Stack structure of solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP4282109B2
Application number: JP14956698A
Authority: JP
Inventors: 義美江崎; 嘉範榊; 淳一藤田; 伸二竹内; 真司川崎; 清志奥村; 真村井
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Kansai Electric Power Co Inc; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Kansai Electric Power Co Inc; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: JPH11339836A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池のスタック構造に関し、さらに詳しくは、発電装置などに好適に使用することのできる固体電解質型燃料電池のスタック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池を構成するセルは、開回路において約１Ｖ、電流密度も数１００ｍＡ／ｃｍ²であるため、実際の使用に際しては、このようなセルを直列及び並列に接続して使用する。
従来の代表的な直列及び並列の接続方法としては、各セルをニッケルフェルトなどの通気性の導電材を用いて直列に接続し、直列接続のスタック構造を形成した後、各スタック構造を構成するセルの側端部を前記同様の通気性の導電材を用いて接続し、最終的なスタック構造を形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法で直列及び並列に接続したスタック構造を形成した場合、直列のスタック構造を構成するセルの１つに異常が発生して、電気的に絶縁されてしまうと、このセルを含んでなる直列のスタック構造には電流が流れないことになり、その結果発電が停止してしまうという問題があった。
また、発電中におけるスタック構造内の温度は、スタック構造の中心部分において高く、周辺部では低くなっている。その結果、発電性能に偏りが生じるため、スタック構造全体としての発電効率が低下するという問題もあった。
さらに、大電流密度の発電においては、前記したように中心部分の温度が著しく高くなるため、この温度に起因した熱応力によって中心部分のセルが破壊し、上記のように発電が停止するという問題も生じていた。
【０００４】
本発明の目的は、新しい固体電解質型燃料電池のスタック構造を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極を具えたセルが、直列接続及び並列接続する固体電解質型燃料電池のセル接続方法において、前記並列接続は、通気性の導電材により３つ以上のセルを電気的に接続して行い、該固体電解質型燃料電池のセル接続方法により、前記各セルが前記通気性の導電材によって直列及び並列に接続されてなり、前記通気性の導電材は、平行に配列した複数の長尺平板形状体から構成されることを特徴とする、固体電解質型燃料電池のスタック構造である。
【０００７】
図１は本発明のスタック構造の概略を示す断面図である。図１に示すように、本発明のスタック構造においては、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃは、セル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、セル１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、及びセル１Ｇ、１Ｈ、１Ｉを直列に接続して、直列接続構造１２を形成する。さらに通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃは、図１に示すスタック構造において、並列接続を行うスタックの幅方向に延在させて、セル１Ａ、１Ｄ、１Ｇ、セル１Ｂ、１Ｅ、１Ｆ、及びセル１Ｃ、１Ｆ、１Ｉを並列に接続して、並列接続構造１３を形成する。
【０００８】
したがって、例えば、セル１Ｂにおいて異常が発生して電気的に絶縁されても、セル１Ａとセル１Ｃとは、通気性の導電材４Ｂ、４Ｃ及びセル１Ｅを介して電気的に接続され、発電が停止するという問題を回避することができる。
また、大電流密度の発電においても、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃを通過する燃料ガスの冷却作用によって、スタック構造の中心部分（例えば、図１のセル１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ）における著しい発熱を抑制することができ、これらの破壊を防止することができる。
【０００９】
同様に、スタック構造の中心部分で発生した熱を、スタック構造の周辺部分（例えば、図１のセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）へ通気性の高い熱伝導性を利用して伝導させることができるため、スタック構造内の温度分布はより均一な状態へと移行する。このため、発電性能の偏りが解消され、スタック構造全体の発電効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に則して詳細に説明する。本発明のスタック構造においては、通気性の導電材により３つ以上のセルを電気的に接続して、並列接続を行う。上記のような並列接続の具体的な方法は特に限定されるものではないが、図１に示すように、直列接続に使用する通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃを、スタック構造内で幅方向に延在させて並列接続を行うことにより、容易に実施することができる。
【００１１】
また、この通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃの形状は、上述したように、セル１Ａ〜１Ｉを直列及び並列に接続できれば特に限定されるものではない。具体的には、並列に配列したセル１Ａ、１Ｄ、１Ｇ、セル１Ｂ、１Ｅ、１Ｆ、及びセル１Ｃ、１Ｆ、１Ｉの全体を覆うように単一の長尺平板形状とすることもできるし、図２に示すように、平行に配列した複数の長尺板形状の通気性の導電材４Ａ−１、４Ｂ−１、及び４Ｃ−１が、直列に接続されたセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、セル１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、及びセル１Ｇ、１Ｈ、１Ｉの全体に亘って延在するような構成とすることもできる。
【００１２】
通気性の導電材を図２に示すような構成にすることにより、クッション機能を高めることができる。すなわち、セルが温度変化によって伸縮してセル間の距離が変化すると、これに対応して通気性の導電材も縮む必要があるが、セルの温度変化が大きく、セル間の距離の変化が大きい場合においても、通気性の導電材は十分これに対応して縮むことができ、セルとフェルトの接触不良による性能低下、及びセルの破壊などの発生を抑制することができる。
【００１３】
また、図３に示すように、上記のようにして通気性の導電材４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２を延在させた後、これと交差するように通気性の導電材４ａ、４ｂ、及び４ｃを通気性の導電材４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２上に積層させて、井桁状とすることもできる。
【００１４】
通気性の導電材を図３に示すような構成とすることにより、以下のような効果がある。
燃焼して反応が終了した燃料ガスは、通気性の導電材中を通って廃棄される。この反応済みの燃料ガスには反応生成物が混在しており、上記廃棄工程おいて、セルの電極近傍に堆積しセル電圧の低下という問題を引き起こす。これを回避するためには、反応済みの燃料ガスに未反応の新鮮な燃料ガスを混合させる必要がある。
この場合において、通気性の導電材を図３に示すような井桁状に形成すると、通気性の導電材中を通過した後の燃料ガスは乱流となるので、上述した混合を容易に行うことができ、セル電圧の低下という問題を容易に回避することができる。
なお、図２及び３では、理解を容易にするため、図１に示す一方の集電板２及び絶縁壁５については省略して記載している。
【００１５】
単一の長尺平板形状、及び図２に示す平行に配列した複数の長尺平板形状の場合、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃ、並びに４Ａ−１、４Ｂ−１、及び４Ｃ−１の厚さは、１〜１０ｍｍであることが好ましく、さらには２〜５ｍｍであることが好ましい。また、図３に示す井桁状の場合は、通気性の導電材４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２、並びに通気性の導電材４ａ、４ｂ、及び４ｃの厚さは、０．５〜５ｍｍであることが好ましく、さらには１〜２．５ｍｍであることが好ましい。
【００１６】
図３においては、通気性の導電材４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２、並びに通気性の導電材４ａ、４ｂ、及び４ｃからなる２層の井桁についてのみ示しているが、井桁はこのように２層に限定されるものではなく、３〜１０層の井桁形状にすることもできる。しかしながら、３層以上の井桁とした場合、発電効率の観点から、全体の厚さは１〜１０ｍｍであることが好ましい。
【００１７】
通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃ、４Ａ−１、４Ｂ−１、及び４Ｃ−１、４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２並びに通気性の導電材４ａ、４ｂ、及び４ｃとして使用することのできる材料は、高温の燃料雰囲気で電気伝導性が高く、圧力により縮むものであれば特に限定されるものではないが、ニッケルフェルトなどの金属繊維、ニッケルスポンジなどの金属多孔体などが好ましくは用いられる。
【００１８】
本発明のスタック構造を構成するセルの燃料極６として使用することのできる材料としては、酸化触媒であれば特に限定されるものではないが、水素の酸化性能の観点から、ニッケル、酸化ニッケル、パラジウム、白金、ニッケルージルコニア、パラジウムージルコニア、白金−ジルコニア、ニッケルーセリア、酸化ニッケルーセリア、パラジウムーセリア、白金−セリアなどの金属または各サーメットが好ましい。これらはスクリーン印刷やプラズマ溶射により、２０〜１００μｍの厚さの薄膜状に形成する。
【００１９】
固体電解質７として使用することのできる材料は、イオン導電性材料であれば特に限定されるものではないが、酸素イオン導電性が高く、輸率が１に近いの理由から、イットリア安定化ジルコニア及びイットリア部分安定化ジルコニアが好ましい。これらについても、スクリーン印刷やプラズマ溶射により、５０〜１００μｍの厚さの薄膜状に形成する。
【００２０】
空気極８として使用することのできる材料としては、還元触媒であれば特に限定されるものではないが、酸素の還元性能の観点から、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物が好ましく、これらの中でもランタンマンガナイト及びランタンコバルタイトがさらに好ましい。また、電気伝導性の向上やジルコニアとの熱膨張係数の整合の目的のため、上記ランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウムなどをドープしたものであってもよい。
【００２１】
空気極８の気孔率は、酸化性ガス通路９を通る酸化性ガスを十分に通過させて固体電解質７に到達させること、及び電極活性や構造体としての強度の観点から、２０〜５０％であることが好ましい。空気極８は、上記ランタンマンガナイトなどの粉末を焼結して作製する。
【００２２】
本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池は、以下のようにして発電する。
図４は、本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池の一例を示す横断面図である。
図５は、本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池の一例を示す縦断面図である。
図４及び５においては、説明を簡略するために、３段の直列接続及び２段の並列接続からなる固体電解質型燃料電池について示している。
なお、固体電解質型燃料電池の構成を明確にすべく、各図面における寸法は正確には描かれていない。また、簡略化のため、同一部分に対しては同一の符号を用いている。
【００２３】
図４における各セル１Ａ〜１Ｆのセパレータ１１は直方体形状をしており、一対の側壁１１ａの間に、酸化性ガス通路９に対する四角柱形状の隔壁１１ｂが３列設けられている。各隔壁１１ｂは、酸化性ガス通路９に沿って、セパレータ１１の長手方向の一端から他端へと向かって互いに平行に延びている。
セパレータ１１は、ランタンクロマイトから構成することが好ましい。
【００２４】
空気極８の平面形状は、セパレータ１１の平面形状と同様である。一対の側壁８ａの間に、酸化性ガス通路９に対する四角柱形状の隔壁８ｂが、上記隔壁１１ｂと対抗して３列設けられている。
固体電解質７は、空気極８の主面８ｃ及び側面８ｄを被覆しており、さらに、セパレータ１１の側面１１ｃの上部を被覆している。そして、固体電解質７の上に、燃料極６が形成されている。
【００２５】
また、図４及び５に示すように、各集電板２及び３は、平板部２ａ、３ａ、側板部２ｂ、３ｂ、２ｄ、３ｄ、及び突出部２ｃ、３ｃを具えている。集電板２の突出部２ｃと集電板３の突出部３ｃとを、図４に示すように位置合わせし、各突出部の間に絶縁部材１６を挟む。そして、ボルト１８及びナット１９からなる加圧部材によって、集電板２及び３の突出部２ｃ及び３ｃを締結して固体電解質型燃料電池の突出部１７を構成し、容器３２を形成する。
また、ボルトの締結力を調節することによって、矢印Ａのように圧力を加える。
【００２６】
セル１Ａ〜１Ｃ、及び１Ｄ〜１Ｅは、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、及び４Ｄを介して、集電板２及び３に対して直列に接続されており、さらにセル１Ａ及び１Ｄ、セル１Ｂ及び１Ｅ、並びにセル１Ｃ及び１Ｆは、それぞれ通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃを介して、並列に接続されている。
【００２７】
上述したように、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃは、各々単一の長尺平板形状体で構成してもよいし、図２に示すように、平行に配列した複数の長尺平板形状体から構成してもよい。さらに、図４及び５には示していないが、図３に示すような井桁状に形成してもよい。また、本発明では、集電板２及び３の外側に、熱の放散によるエネルギー損失を防止する目的で断熱層１４が設けられており、断熱層１４の外側に外殻１５が設けられている。
【００２８】
図５においては、左側から順に、発電室の燃焼領域３０、発電領域３８、予熱室２１、及び酸化性ガス室２６が設けられている。図４に示したスタック構造は、図５における発電領域３８の状態を示したものである。
【００２９】
酸化性ガス室２６と予熱室２１とは気密室隔壁２２によって区分されており、予熱室２１と発電領域３８との間も気密室隔壁４１によって区分されている。
各セルに対して、酸化性ガス供給管２０が設けられており、各供給管２０の右端は酸化性ガス室２６に連結されて、開口している。供給管２０は、隔壁２２の貫通孔２２ａ、及び隔壁４１の貫通孔４１ａを貫通し、マニホールド３７によって各セルの端部１ａに取り付けられている。
【００３０】
酸化性ガスは、外殻１５の外部から、供給口２８を介して矢印Ｂのように酸化性ガス２６に供給されて供給管２０中に入り、供給管２０の内側空間２０ａを矢印Ｃのように流れ、供給管２０の先端開口から矢印Ｄのように燃焼領域３０に放出され、ここで燃焼ガスと反応する。
また、燃焼ガスは、外殻１５の外部から矢印Ｅのように発電室の発電領域３８に供給され、各セル間、及びセルと集電板２及び３間を矢印Ｆのように流れ、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、及び４Ｄを透過して燃焼領域３０へと流入する。
【００３１】
燃焼領域３０では、減損した燃料ガスが、減損した酸化性ガスと反応し、燃焼する。この燃焼排ガスは、排ガス管２７を通って矢印Ｇ、Ｈのように流れ、予熱室２１内に供給され、予熱室２１から排出口２９を通して矢印Ｉのように排出される。この燃焼排ガスの排熱によって、矢印Ｃのように供給管２０の内側空間２０ａを流れる酸化性ガスを予熱できるようになっている。
【００３２】
供給管２０の供給側の末端には、供給管２０をセルの方へ付勢するための手段が設けられている。
すなわち、供給管２０の右側の供給側末端には、Ｏリング２４と、Ｏリング２４とを所定の圧力で押圧している押圧部材２３とを具えた可動性シール装置４０が設置されており、供給管２０が隔壁２２に対して垂直な方向に、隔壁２２と供給管２０との間の気密性を維持しつつ移動できるような構造になっている。供給管２０の末端には付勢部材２５が設けられており、供給管２０を対応する各セルの方へ一定圧力で付勢できるようになっている。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、少なくとも燃料極、固体電解質及び空気極を具えたセルが、直列接続及び並列接続されてなる固体電解質型燃料電池のスタック構造において、平行に配列した複数の長尺平板形状体から構成される通気性の導電材を用いて、３つ以上のセルを電気的に接続して並列接続を行い、この固体電解質型燃料電池のセル接続方法により、前記各セルを前記通気性の導電材によって直列及び並列に接続することにより、スタック構造を構成しているセルの１つ、あるいは２以上に異常が発生して電気的に絶縁された場合においても、発電の停止を防止することができる。
また、通気性の導電材を通過する燃料ガスによって、スタック構造内の温度分布が均一化されるので、発電性能の偏りによる発電効率の低下や、熱応力によるセルの破壊を防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスタック構造の概略を示す断面図である。
【図２】本発明のスタック構造における、通気性の導電材形状の一例を示す図である。
【図３】本発明のスタック構造における、通気性の導電材形状の他の例を示す図である。
【図４】本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池の一例を示す横断面図である。
【図５】本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｉセル、２一方の集電板２、３他方の集電板、２ａ、３ａ集電板の平板部、２ｂ、３ｂ、２ｄ、３ｄ集電板の側板部、２ｃ、３ｃ集電板の突出部、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４ａ、４ｂ、４ｃ、４Ａ−１、４Ｂ−１、４Ｃ−１、４Ａ−２、４Ｂ−２、４Ｃ−２通気性の導電材、５絶縁壁、６燃料極、７固体電解質、８空気極、８ａ空気極の一対の側壁、８ｂ空気極の隔壁、８ｃ空気極の主面、８ｄ空気極の側面、９酸化性ガス通路、１０燃料ガス通路、１１セパレータ、１１ａセパレータの一対の側壁、１１ｂセパレータの隔壁、１１ｃセパレータの側面１２直列接続構造、１３並列接続構造、１４断熱層、１５外殻、１６絶縁部材、１７突出部、１８ボルト、１９ナット、２０供給管、２１予熱室、２２、４１隔壁、２２ａ、４０ａ貫通孔、２３押圧部材、２４Ｏリング、２５付勢手段、２６酸化性ガス室、２７排ガス管、２８供給口、２９排出口、３０燃焼領域、３２容器、３７マニホールド、３８発電領域、４０可動性シール構造、Ｂ、Ｃ、Ｄ酸化性ガスの流れ、Ｅ、Ｆ燃焼ガスの流れ、Ｇ、Ｈ、Ｉ燃焼排ガスの流れ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stack structure of a solid oxide fuel cell, and more particularly to a stack structure of a solid oxide fuel cell that can be suitably used for a power generation device or the like.
[0002]
[Prior art]
Since the cells constituting the solid oxide fuel cell have an open circuit of about 1 V and a current density of several hundred mA / cm ² , in actual use, such cells are connected in series and in parallel.
As a typical conventional serial and parallel connection method, each cell is connected in series using a breathable conductive material such as nickel felt to form a serial connection stack structure, and then each stack structure is configured. The side edges of the cells are connected using the same breathable conductive material as above to form the final stack structure.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a stack structure connected in series and in parallel is formed by the above method, if an abnormality occurs in one of the cells constituting the series stack structure and the cell is electrically insulated, this cell There is a problem that no current flows through the serial stack structure including, and as a result, power generation stops.
Further, the temperature in the stack structure during power generation is high in the central portion of the stack structure and low in the peripheral portion. As a result, since the power generation performance is biased, there is a problem that the power generation efficiency of the entire stack structure is lowered.
Furthermore, in power generation with a large current density, the temperature of the central portion becomes extremely high as described above, so that the cell in the central portion is destroyed by the thermal stress caused by this temperature, and the power generation stops as described above. Also occurred.
[0004]
It is an object of the present invention to provide a new solid oxide fuel cell stack structure.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention
In a cell connection method of a solid oxide fuel cell in which cells including at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are connected in series and in parallel, the parallel connection includes three or more cells by a breathable conductive material. The cells are electrically connected, and the cells are connected in series and in parallel by the air-permeable conductive material by the cell connection method of the solid oxide fuel cell, and the air-permeable conductive material is parallel A stack structure of a solid oxide fuel cell, comprising a plurality of long plate-shaped bodies arranged.
[0007]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the stack structure of the present invention. As shown in FIG. 1, in the stack structure of the present invention, the air-permeable conductive materials 4A, 4B, and 4C include cells 1A, 1B, 1C, cells 1D, 1E, 1F, and cells 1G, 1H, 1I. The series connection structure 12 is formed by connecting in series. Further, the air-permeable conductive materials 4A, 4B, and 4C extend in the width direction of the stack that performs parallel connection in the stack structure shown in FIG. 1, and the cells 1A, 1D, 1G, cells 1B, 1E, 1F, The cells 1C, 1F, and 1I are connected in parallel to form the parallel connection structure 13.
[0008]
Therefore, for example, even if an abnormality occurs in the cell 1B and it is electrically insulated, the cell 1A and the cell 1C are electrically connected via the air-permeable conductive materials 4B and 4C and the cell 1E to generate power. The problem of stopping can be avoided.
Further, even in a large current density power generation, the cooling action of the fuel gas passing through the air-permeable conductive materials 4A, 4B, and 4C causes the central portion of the stack structure (for example, the cells 1D, 1E, and 1F in FIG. 1). Significant heat generation can be suppressed, and destruction of these can be prevented.
[0009]
Similarly, heat generated in the central portion of the stack structure can be conducted to peripheral portions of the stack structure (for example, the cells 1A, 1B, and 1C in FIG. 1) using heat conductivity having high air permeability. The temperature distribution in the stack structure shifts to a more uniform state. For this reason, the bias of the power generation performance is eliminated, and the power generation efficiency of the entire stack structure can be improved.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail according to embodiments of the invention. In the stack structure of the present invention , three or more cells are electrically connected by a breathable conductive material to perform parallel connection. Although the specific method of the parallel connection as described above is not particularly limited, as shown in FIG. 1, the air-permeable conductive materials 4A, 4B, and 4C used for the series connection are within the stack structure. This can be easily implemented by extending in the width direction and performing parallel connection.
[0011]
Further, the shape of the air-permeable conductive materials 4A, 4B, and 4C is not particularly limited as long as the cells 1A to 1I can be connected in series and in parallel as described above. Specifically, the cells 1A, 1D, 1G, cells 1B, 1E, 1F, and cells 1C, 1F, 1I arranged in parallel can be formed into a single long plate shape, As shown in FIG. 2, cells 1A, 1B, 1C, cells in which a plurality of long plate-shaped air-permeable conductive materials 4A-1, 4B-1, and 4C-1 arranged in parallel are connected in series. It can also be set as the structure extended over 1D, 1E, 1F and the whole cell 1G, 1H, 1I.
[0012]
The cushion function can be enhanced by configuring the breathable conductive material as shown in FIG. That is, when the distance between cells changes due to expansion and contraction due to temperature change, the air-permeable conductive material also needs to shrink correspondingly, but the temperature change of the cell is large and the change in distance between cells is large. Even in such a case, the air-permeable conductive material can be sufficiently shrunk corresponding to this, and the performance degradation due to the poor contact between the cell and the felt, and the occurrence of cell destruction can be suppressed.
[0013]
Further, as shown in FIG. 3, after the air-permeable conductive materials 4A-2, 4B-2, and 4C-2 are extended as described above, the air-permeable conductive material 4a intersects with this. 4b and 4c may be stacked on the air-permeable conductive materials 4A-2, 4B-2, and 4C-2 to form a cross-beam shape.
[0014]
By configuring the air-permeable conductive material as shown in FIG. 3, the following effects can be obtained.
The fuel gas that has been burned and terminated is discarded through the air-permeable conductive material. Reaction products are mixed in the reacted fuel gas, which accumulates in the vicinity of the cell electrode in the disposal step, causing a problem of a decrease in cell voltage. In order to avoid this, it is necessary to mix the unreacted fresh fuel gas with the reacted fuel gas.
In this case, if the air-permeable conductive material is formed in the shape of a cross as shown in FIG. 3, the fuel gas after passing through the air-permeable conductive material becomes a turbulent flow. And the problem of cell voltage drop can be easily avoided.
2 and 3, for the sake of easy understanding, the one current collector plate 2 and the insulating wall 5 shown in FIG. 1 are omitted.
[0015]
In the case of a single long flat plate shape and a plurality of long flat plate shapes arranged in parallel as shown in FIG. 2, breathable conductive materials 4A, 4B, and 4C, and 4A-1, 4B-1, and 4C- The thickness of 1 is preferably 1 to 10 mm, and more preferably 2 to 5 mm. In the case of the cross-girder shown in FIG. 3, the thickness of the air-permeable conductive materials 4A-2, 4B-2, and 4C-2 and the air-permeable conductive materials 4a, 4b, and 4c is 0.5. It is preferably ˜5 mm, more preferably 1 to 2.5 mm.
[0016]
In FIG. 3, only the two-layered cross beams made of the air-permeable conductive materials 4A-2, 4B-2, and 4C-2 and the air-permeable conductive materials 4a, 4b, and 4c are shown. Thus, it is not limited to 2 layers, It can also be made into a 3-10 layer grid shape. However, in the case of three or more well beams, the overall thickness is preferably 1 to 10 mm from the viewpoint of power generation efficiency.
[0017]
Breathable conductive materials 4A, 4B, and 4C, 4A-1, 4B-1, and 4C-1, 4A-2, 4B-2, and 4C-2 and breathable conductive materials 4a, 4b, and 4c The material that can be used is not particularly limited as long as it has high electrical conductivity in a high-temperature fuel atmosphere and contracts due to pressure, but metal fibers such as nickel felt, metal porous bodies such as nickel sponge, etc. Are preferably used.
[0018]
The material that can be used as the fuel electrode 6 of the cell constituting the stack structure of the present invention is not particularly limited as long as it is an oxidation catalyst, but from the viewpoint of hydrogen oxidation performance, nickel, nickel oxide, A metal such as palladium, platinum, nickel-zirconia, palladium-zirconia, platinum-zirconia, nickel-ceria, nickel oxide-ceria, palladium-ceria, platinum-ceria, or each cermet is preferable. These are formed into a thin film having a thickness of 20 to 100 μm by screen printing or plasma spraying.
[0019]
The material that can be used as the solid electrolyte 7 is not particularly limited as long as it is an ion conductive material. However, because the oxygen ion conductivity is high and the transport number is close to 1, yttria stabilized zirconia and Yttria partially stabilized zirconia is preferred. These are also formed into a thin film having a thickness of 50 to 100 μm by screen printing or plasma spraying.
[0020]
The material that can be used as the air electrode 8 is not particularly limited as long as it is a reduction catalyst, but from the viewpoint of oxygen reduction performance, a perovskite complex oxide containing lanthanum is preferable, and among these, More preferred are lanthanum manganite and lanthanum cobaltite. For the purpose of improving electrical conductivity and matching the thermal expansion coefficient with zirconia, the lanthanum manganite may be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt, iron, nickel, aluminum, or the like. .
[0021]
The porosity of the air electrode 8 is 20 to 50% from the viewpoint of sufficiently passing the oxidizing gas passing through the oxidizing gas passage 9 to reach the solid electrolyte 7 and the strength of the electrode activity and structure. Preferably there is. The air electrode 8 is produced by sintering powder such as lanthanum manganite.
[0022]
The solid oxide fuel cell having the stack structure of the present invention generates power as follows.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a solid oxide fuel cell having a stack structure according to the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an example of a solid oxide fuel cell having a stack structure according to the present invention.
4 and 5, for the sake of simplicity, a solid oxide fuel cell having three stages of series connection and two stages of parallel connection is shown.
In addition, in order to clarify the configuration of the solid oxide fuel cell, the dimensions in each drawing are not accurately drawn. For the sake of simplicity, the same reference numerals are used for the same parts.
[0023]
The separator 11 of each of the cells 1A to 1F in FIG. 4 has a rectangular parallelepiped shape, and three columns of quadrangular columnar partitions 11b for the oxidizing gas passage 9 are provided between the pair of side walls 11a. Each partition 11 b extends in parallel with each other from one end to the other end in the longitudinal direction of the separator 11 along the oxidizing gas passage 9.
The separator 11 is preferably composed of lanthanum chromite.
[0024]
The planar shape of the air electrode 8 is the same as the planar shape of the separator 11. Between the pair of side walls 8a, three columns of quadrangular prism-shaped partition walls 8b for the oxidizing gas passages 9 are provided in opposition to the partition walls 11b.
The solid electrolyte 7 covers the main surface 8 c and the side surface 8 d of the air electrode 8, and further covers the upper part of the side surface 11 c of the separator 11. A fuel electrode 6 is formed on the solid electrolyte 7.
[0025]
Further, as shown in FIGS. 4 and 5, each of the current collector plates 2 and 3 includes flat plate portions 2a and 3a, side plate portions 2b, 3b, 2d and 3d, and protruding portions 2c and 3c. The protrusion 2c of the current collector 2 and the protrusion 3c of the current collector 3 are aligned as shown in FIG. 4, and the insulating member 16 is sandwiched between the protrusions. Then, the projecting portions 2 c and 3 c of the current collector plates 2 and 3 are fastened by a pressurizing member including a bolt 18 and a nut 19 to constitute the projecting portion 17 of the solid oxide fuel cell, and the container 32 is formed.
Further, pressure is applied as indicated by an arrow A by adjusting the fastening force of the bolt.
[0026]
The cells 1A to 1C and 1D to 1E are connected in series to the current collector plates 2 and 3 through the air-permeable conductive materials 4A, 4B, 4C, and 4D, and the cells 1A and 1D, The cells 1B and 1E and the cells 1C and 1F are connected in parallel via the air-permeable conductive materials 4A, 4B, and 4C, respectively.
[0027]
As described above, each of the air-permeable conductive materials 4A, 4B, and 4C may be composed of a single long flat plate-shaped body, or a plurality of long wires arranged in parallel as shown in FIG. You may comprise from a flat plate-shaped body. Furthermore, although not shown in FIGS. 4 and 5, it may be formed in the shape of a cross as shown in FIG. In the present invention, the heat insulating layer 14 is provided outside the current collector plates 2 and 3 for the purpose of preventing energy loss due to heat dissipation, and the outer shell 15 is provided outside the heat insulating layer 14. .
[0028]
In FIG. 5, a combustion region 30, a power generation region 38, a preheating chamber 21, and an oxidizing gas chamber 26 are provided in order from the left side. The stack structure shown in FIG. 4 shows the state of the power generation region 38 in FIG.
[0029]
The oxidizing gas chamber 26 and the preheating chamber 21 are separated by an airtight chamber partition wall 22, and the space between the preheating chamber 21 and the power generation region 38 is also partitioned by an airtight chamber partition wall 41.
An oxidizing gas supply pipe 20 is provided for each cell, and the right end of each supply pipe 20 is connected to an oxidizing gas chamber 26 and is open. The supply pipe 20 passes through the through hole 22 a of the partition wall 22 and the through hole 41 a of the partition wall 41, and is attached to the end 1 a of each cell by a manifold 37.
[0030]
The oxidizing gas is supplied from the outside of the outer shell 15 through the supply port 28 to the oxidizing gas 26 as indicated by the arrow B and enters the supply pipe 20, and the inner space 20 a of the supply pipe 20 is indicated by the arrow C. To the combustion region 30 as shown by the arrow D from the opening of the supply pipe 20 where it reacts with the combustion gas.
Further, the combustion gas is supplied from the outside of the outer shell 15 to the power generation region 38 of the power generation chamber as indicated by the arrow E, flows between the cells and between the cells and the current collector plates 2 and 3 as indicated by the arrow F, and ventilates. Permeable conductive material 4A, 4B, 4C, and 4D flows into combustion region 30.
[0031]
In the combustion region 30, the depleted fuel gas reacts with the depleted oxidizing gas and burns. The combustion exhaust gas flows through the exhaust gas pipe 27 as indicated by arrows G and H, is supplied into the preheating chamber 21, and is discharged from the preheating chamber 21 through the discharge port 29 as indicated by arrow I. By the exhaust heat of the combustion exhaust gas, the oxidizing gas flowing through the inner space 20a of the supply pipe 20 can be preheated as indicated by an arrow C.
[0032]
Means for urging the supply pipe 20 toward the cell is provided at the supply-side end of the supply pipe 20.
That is, a movable seal device 40 including an O-ring 24 and a pressing member 23 pressing the O-ring 24 with a predetermined pressure is installed at the supply-side end on the right side of the supply pipe 20. The supply pipe 20 can be moved in a direction perpendicular to the partition wall 22 while maintaining the airtightness between the partition wall 22 and the supply pipe 20. An urging member 25 is provided at the end of the supply pipe 20 so that the supply pipe 20 can be urged toward each corresponding cell with a constant pressure.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, in a stack structure of a solid oxide fuel cell in which cells including at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are connected in series and connected in parallel , a plurality of long flat plate-like bodies arranged in parallel Three or more cells are electrically connected in parallel with each other using a breathable conductive material composed of the following: a solid oxide fuel cell connection method, and By connecting in series and parallel with conductive material, even if one or more of the cells that make up the stack structure is abnormal and electrically insulated, it is possible to prevent power generation from stopping. Can do.
In addition, since the temperature distribution in the stack structure is made uniform by the fuel gas that passes through the air-permeable conductive material, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency due to a deviation in power generation performance and cell destruction due to thermal stress. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a stack structure of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an example of a shape of a breathable conductive material in the stack structure of the present invention.
FIG. 3 is a view showing another example of the shape of a breathable conductive material in the stack structure of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a solid oxide fuel cell having a stack structure according to the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an example of a solid oxide fuel cell having a stack structure according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H, 1I cell, 2 current collector plate 2, 3 other current collector plate, 2a, 3a flat plate portion of current collector plate, 2b, 3b, 2d, 3d Side plate portion of current collector plate, 2c, 3c Projecting portion of current collector plate, 4A, 4B, 4C, 4D, 4a, 4b, 4c, 4A-1, 4B-1, 4C-1, 4A-2, 4B- 2, 4C-2 Breathable conductive material, 5 Insulating wall, 6 Fuel electrode, 7 Solid electrolyte, 8 Air electrode, 8a Pair of side walls of air electrode, 8b Air electrode partition, 8c Air electrode main surface, 8d Air Side of electrode, 9 Oxidizing gas passage, 10 Fuel gas passage, 11 Separator, 11a Pair of side walls of separator, 11b Separator partition, 11c Side of separator 12 Series connection structure, 13 Parallel connection structure, 14 Heat insulation layer, 15 Outside Shell, 16 insulation member, 17 protrusion, 18 bolt, 1 Nut, 20 supply pipe, 21 preheating chamber, 22, 41 partition wall, 22a, 40a through hole, 23 pressing member, 24 O-ring, 25 urging means, 26 oxidizing gas chamber, 27 exhaust gas pipe, 28 supply port, 29 exhaust Outlet, 30 Combustion area, 32 Vessel, 37 Manifold, 38 Power generation area, 40 Movable seal structure, B, C, D Flow of oxidizing gas, E, F Flow of combustion gas, G, H, I Flow of combustion exhaust gas

Claims

In a cell connection method of a solid oxide fuel cell in which cells including at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are connected in series and in parallel, the parallel connection includes three or more cells by a breathable conductive material. Done by electrical connection,
By the cell connection method of the solid oxide fuel cell, the cells are connected in series and in parallel by the breathable conductive material,
2. The solid oxide fuel cell stack structure according to claim 1, wherein the air-permeable conductive material is composed of a plurality of long plate-shaped bodies arranged in parallel .

2. The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the air-permeable conductive material is a single long plate-shaped body.

The air-permeable conductive material has a cross-beam shape in which a plurality of layers in which a plurality of long flat plate-shaped bodies are arranged in parallel are stacked so that the long flat plate-shaped bodies intersect each other. The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 1.

The stack structure includes a container that accommodates the cell, and the container is electrically connected to at least the fuel electrode side of the cell and is electrically connected to the air electrode side of the cell. And an insulating member for insulating the one current collector plate and the other current collector plate, and between the container and the cell, one power generation gas A stack structure for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein a gas passage for flowing a gas is provided.

The cell is provided with a plurality of gas passages for flowing a power generation gas different from the one power generation gas, each of the gas passages opening at an end of the cell, and with respect to the cell. A gas supply pipe for supplying a power generation gas different from the one power generation gas, and a manifold for attaching the gas supply pipe to the end of the cell in an airtight manner, 5. The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein a power generation gas different from the one power generation gas is supplied from a gas supply pipe to the gas passage through the manifold. 6. .