JP4394865B2

JP4394865B2 - Fuel cell

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Publication number: JP4394865B2
Application number: JP2002190004A
Authority: JP
Inventors: 正角田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: JP2004039254A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される円板状電解質・電極接合体が円板状セパレータ間に配設される燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極およびカソード電極を対設して構成される単セル（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。この燃料電池は、通常、所定数だけ連続的に積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化（Ｏ^2-）され、酸素イオンが電解質を通ってアノード電極側に移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）やＣＯが供給されているために、このアノード電極において、酸素イオン、電子および水素（またはＣＯ）が反応して水（またはＣＯ₂）が生成される。
【０００４】
一般的に、固体電解質型燃料電池は、作動温度が８００℃〜１０００℃と高温であるため、高温の排熱を利用して燃料ガスの内部改質が可能であるとともに、例えば、ガスタービンを回して発電することができる。従って、固体電解質型燃料電池は、各種燃料電池の中でも、最も高い発電効率を示しており、ガスタービンとの組み合わせの他、車載用としての利用が望まれている。
【０００５】
ところで、安定化ジルコニアは、イオン導電率が低いため、大電流を得ようとすると、前記安定化ジルコニアを薄膜状に構成する必要がある。しかしながら、安定化ジルコニアの機械的強度が弱くなり、固体電解質型燃料電池の大型化を図ることができないという不具合が指摘されている。
【０００６】
そこで、例えば、特開平５−２６６９１０号公報に開示されているように、セパレータとセパレータとの間の同一平面に、複数のセルが配された固体電解質型燃料電池システムが知られている。この従来技術では、一平面におけるセルの総面積を増大することができ、大電流を取り出すことができるとともに、電解質板の破損を阻止して電池の信頼性を向上させることができる、としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術では、図１１に具体的に示すように、セパレータ１に４個のセル２が配置された状態で、前記セパレータ１および前記セル２が複数積層されており、積層体の最下層に燃料ガス給排プレート３が配置され、最上層に酸化剤ガス給排プレート４が配置されている。
【０００８】
セパレータ１には、積層方向に貫通して各セル２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給内部マニホールド５ａ、５ｂ、反応後の燃料ガスを排出する燃料ガス排出内部マニホールド５ｃ、５ｄ、前記セル２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給内部マニホールド６ａ、６ｂ、および反応後の酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出内部マニホールド６ｃ、６ｄが形成されている。
【０００９】
燃料ガス給排プレート３は、燃料ガス供給内部マニホールド５ａ、５ｂに連通する燃料ガス供給管７ａ、７ｂと、燃料ガス排出内部マニホールド５ｃ、５ｄに連通する燃料ガス排出管７ｃ、７ｄとを設けている。酸化剤ガス給排プレート４は、同様に、酸化剤ガス供給内部マニホールド６ａ、６ｂに連通する酸化剤ガス供給管８ａ、８ｂと、酸化剤ガス排出内部マニホールド６ｃ、６ｄに連通する酸化剤ガス排出管８ｃ、８ｄとを設けている。
【００１０】
このような構成において、例えば、燃料ガス給排プレート３では、燃料ガス供給管７ａ、７ｂに供給された燃料ガスは、セパレータ１の燃料ガス供給内部マニホールド５ａ、５ｂを通って積層方向一方向に流れる間に、各セル２のアノードに分配されている。そして、反応後の燃料ガスは、燃料ガス排出内部マニホールド５ｃ、５ｄを通って積層方向他方向に流れ、燃料ガス排出管７ｃ、７ｄを介して外部に排出されている。なお、酸化剤ガス給排プレート４においても同様に、酸化剤ガスの供給および排出が行われている。
【００１１】
上記のように、積層方向に燃料ガス給排プレート３および酸化剤ガス給排プレート４が配設されており、積層方向に沿って流れる燃料ガスおよび酸化剤ガスは、各セパレータ１において、それぞれ４つのセル２毎に供給される。これにより、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の洩れを防止するためのシール構造が４つのセル２毎に必要になっており、このシール構造が相当に複雑化してしまう。
【００１２】
しかも、燃料ガス給排プレート３には、燃料ガス供給管７ａ、７ｂと燃料ガス排出管７ｃ、７ｄとが接続される一方、酸化剤ガス給排プレート４には、酸化剤ガス供給管８ａ、８ｂと酸化剤ガス排出管８ｃ、８ｄとが接続されている。これにより、燃料電池システム全体が相当に大型化するという問題が指摘されている。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望の発電性能を維持するとともに、有効に小型化および簡素化することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、セパレータの中心部と同心円上に複数の電解質・電極接合体が配列される配列層を備えている。これにより、セパレータ面には、多数の電解質・電極接合体が配列され、コンパクトな構成で、燃料電池の高出力化が容易に図られるばかりでなく、複数の電解質・電極接合体のうちのいずれかの電解質・電極接合体が断線しても、残りの電解質・電極接合体が通電可能であり、発電の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
さらに、セパレータは、互いに積層される２枚のプレートを備えており、前記プレート間には、単一の空間部が形成され、前記空間部には、前記セパレータの一方の面側に配置される電解質・電極接合体のアノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路、および前記セパレータの他方の面側に配置される別の電解質・電極接合体のカソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路が形成されている。
【００１６】
従って、セパレータの内部に、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が形成されるため、積層方向に反応ガス通路（燃料ガス通路および／または酸化剤ガス通路）を形成する構成に比べ、シール構造が簡素化されるとともに、所望のシール性を確実に維持することが可能になる。その上、燃料電池全体を有効に小型化することができ、集電効率の向上が容易に遂行される。
【００１７】
しかも、電解質・電極接合体自体をコンパクトかつ薄肉に構成し、電極面内での温度差を小さくして温度分布のばらつきを減少させることができる。特に、固体電解質が使用される際に、熱応力による前記固体電解質の破損を阻止するとともに、抵抗分極を低減して出力の向上を図ることができる。
【００１８】
また、セパレータの中心部と同心円上に複数の電解質・電極接合体が配列される２以上の配列層を備えている。これにより、セパレータ面には、多数の電解質・電極接合体が配列され、コンパクトな構成で、燃料電池の高出力化が容易に図られる。しかも、電解質・電極接合体自体をコンパクトかつ薄肉に構成し、電極面内での温度差を小さくして温度分布のばらつきを減少させることができる。
【００１９】
さらに、内周側配列層の電解質・電極接合体と外周側配列層の電解質・電極接合体とが、互いに位相をずらして配列されている。このため、複数の電解質・電極接合体を、互いに密に配列することができ、所望の発電性能を維持しながら、燃料電池のコンパクト化が確実に遂行可能になる。この他にも、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガス（以下、排ガスともいう）は、内周側配列層の電解質・電極接合体に衝突することにより生じる乱流の発生を回避することができ、排ガスを円滑に排気孔に導くことが可能になる。
【００２０】
さらにまた、内周側配列層の電解質・電極接合体間に位置して、外周側配列層の電解質・電極接合体が配列されている。これにより、複数の電解質・電極接合体が、互いに密に配列されて燃料電池を効果的にコンパクト化することが可能になる。
【００２１】
また、燃料ガス通路の燃料ガス導入口および酸化剤ガス通路の酸化剤ガス導入口が、各配列層に配列されている電解質・電極接合体のそれぞれの両面中心部に対応して設けられている。従って、電解質・電極接合体の中心部から外周部に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるため、各電解質・電極接合体の温度分布が小さくなって熱応力による破損を回避するとともに、発電面全体における化学反応が均一化する。
【００２２】
しかも、各電解質・電極接合体に供給される燃料ガスの流量を均一化することができ、燃料ガスの利用率を高めることが可能になるとともに、全表面積を有効に利用して発電性能の向上が図られる。その上、電解質・電極接合体の両面中心部にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスが前記両面外周側に向かって放射状に移動する。これにより、電解質・電極接合体とセパレータとの間に、燃料ガスと酸化剤ガスとのシール構造が不要になり、構成の簡素化が図られる。
【００２３】
さらに、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が、セパレータ内の単一の空間内に設けられている。このため、燃料電池スタックを構成する際に、レイアウトが簡素化するとともに、積層方向の厚さを有効に薄肉化することができる。
【００２４】
さらにまた、排ガスを排出する排出通路が、電解質・電極接合体を挟んで互いに積層されるセパレータ間に設けられている。これにより、特別な部品を取り付ける必要がなく、セパレータを介して酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給マニホールドと排出マニホールドとを設けることができ、燃料電池スタックの構成を容易に簡素化することが可能になる。
【００２５】
また、セパレータの中心部に排ガス排出用の円形孔部が形成されるとともに、電解質・電極接合体が、円板状に構成されており、前記円形孔部の周囲に、該円形孔部と同心円上に複数の前記電解質・電極接合体が配列される配列層を備えている。従って、中心部に存在する排ガス排出用の円形孔部の周囲のみをシールするだけでよく、シール構造の簡素化が図られる。その上、排ガスが中心部に向かってのみ流れるため、前記排ガスの流量分布が均一化され、複数の電解質・電極接合体から排ガスが円滑かつ確実に排出される。
【００２６】
さらに、円形孔部の周囲に、該円形孔部と同心円上に複数の電解質・電極接合体が配列される配列層が２以上設けられている。従って、複数の電解質・電極接合体を密に配置して燃料電池全体の小型化および高出力化を図るとともに、セパレータを軽量化することができる。
【００２７】
さらにまた、円板状セパレータの面に、前記円板状セパレータの中心部と同心円上に複数の円板状電解質・電極接合体が配列される配列層が設けられるとともに、最外周の配列層に配列される前記電解質・電極接合体間に対応してスタック締め付け用ボルトを挿通するための孔部が形成されている。このため、燃料電池スタック全体の外形寸法が縮小され、前記燃料電池スタックの小型化が容易に図られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０が複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１２の一部断面説明図である。
【００３０】
燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。本実施形態では、燃料電池スタック１２の適用例として、例えば、ガスタービン１４に組み込む構成が、図３に示されている。なお、図３では、ガスタービン１４に組み込むために、図１および図２に示す燃料電池スタック１２とは異なる形状とされているが、実質的な構成は同一である。
【００３１】
ガスタービン１４を構成するケーシング１６内には、燃焼器１８を中心にして、燃料電池スタック１２が組み込まれており、この燃料電池スタック１２の中央側から前記燃焼器１８側の室２０に反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスである排ガスが排出される。室２０は、排ガスの流れ方向（矢印Ｘ方向）に向かって幅狭となり、その先端側外周部に熱交換器２２が外装されている。室２０の前端側にタービン（出力タービン）２４が配設されており、このタービン２４にコンプレッサ２６および発電器２８が同軸に連結されている。ガスタービン１４は、全体として軸対称に構成されている。
【００３２】
タービン２４の排出通路３０は、熱交換器２２の第１通路３２に連通するとともに、コンプレッサ２６の供給通路３４は、前記熱交換器２２の第２通路３６に連通する。第２通路３６は、加熱エア導入通路３８を介して燃料電池スタック１２の外周部に連通している。
【００３３】
図１に示すように、燃料電池スタック１２は、外周波形円板状の複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層するとともに、その積層方向両端には、エンドプレート４０ａ、４０ｂが配置され、複数本、例えば、８本の締め付け用ボルト４２を介して一体的に締め付け保持されている。燃料電池スタック１２の中心部には、排ガス排出用の円形孔部４４がエンドプレート４０ｂを底部として矢印Ａ方向に形成される（図２参照）。
【００３４】
この円形孔部４４の周囲には、同心円上に複数、例えば、４つの燃料ガス供給連通孔４６が、エンドプレート４０ａを底部としてエンドプレート４０ｂから矢印Ａ方向に形成される。エンドプレート４０ａ、４０ｂには、それぞれ出力端子４８ａ、４８ｂが設けられる。
【００３５】
図４および図５に示すように、燃料電池１０は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）５０の両面に、カソード電極５２およびアノード電極５４が設けられた電解質・電極接合体５６を備える。電解質・電極接合体５６は、比較的小径な円板状に形成される。
【００３６】
複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体５６を挟んで一組のセパレータ５８が配設されることにより、燃料電池１０が構成される。セパレータ５８の面内には、このセパレータ５８の中心部である円形孔部４４と同心円上に８個の電解質・電極接合体５６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周に８個の電解質・電極接合体５６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられる。
【００３７】
セパレータ５８は、互いに積層される複数枚、例えば、２枚のプレート６０、６２を備える。プレート６０、６２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されており、それぞれ波形外周部６０ａ、６２ａを設けている。
【００３８】
図６乃至図８に示すように、プレート６０は、円形孔部４４に沿って周回する内側突起部６４がプレート６２側に膨出成形され、燃料ガス供給連通孔４６の周囲には、前記プレート６２から離間する方向に突出する凹部６５が形成される。プレート６０には、内側突起部６４と同心円上に外側突起部６６が設けられるとともに、前記内側突起部６４と前記外側突起部６６との間には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する燃料ガス通路６７が形成される。
【００３９】
外側突起部６６は、それぞれ半径外方に所定の距離だけ突出する複数の第１壁部６８および第２壁部７０を交互に設けている。第１壁部６８は、先端を結ぶ仮想円が内周側配列層Ｐ１の中心線を形成し、この内周側配列層Ｐ１に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。第１壁部６８間に第２壁部７０が設けられ、前記第２壁部７０の先端を通る仮想円により外周側配列層Ｐ２の中心線が形成される。この外周側配列層Ｐ２の中心線に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００４０】
第１壁部６８および第２壁部７０の先端側周囲には、それぞれ３個の酸化剤ガス導入口７８がプレート６０の面方向に貫通して形成される。プレート６０には、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体５６側に突出し、各電解質・電極接合体５６に接する第１ボス部８０が膨出成形される。
【００４１】
プレート６０とプレート６２との間には、内側突起部６４と外側突起部６６との間に対応して燃料ガス通路６７が形成されるとともに、前記外側突起部６６の外方に対応して酸化剤ガス通路８２が形成される。この酸化剤ガス通路８２は、プレート６０に形成された酸化剤ガス導入口７８に連通する。
【００４２】
図６、図７および図９に示すように、プレート６２は、燃料ガス供給連通孔４６の周囲にプレート６０から離間する方向に突出する凸部８４が成形される。プレート６２には、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に沿って配置される各電解質・電極接合体５６側に突出して前記電解質・電極接合体５６に接する第２ボス部８６が設けられる。第２ボス部８６は、第１ボス部８０よりも径方向および高さ方向の各寸法が小さく設定されている。プレート６２には、プレート６０に成形された第１および第２壁部６８、７０の先端部内側に連通する燃料ガス導入口８８が貫通形成される。
【００４３】
セパレータ５８には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール９０が設けられる。この絶縁シール９０は、例えば、セラミックスの板材を配置する、あるいはセラミックスをプレート６０または６２に溶射することにより構成される。プレート６０、６２の波形外周部６０ａ、６２ａは、互いに離間する方向に膨出成形されており（図６参照）、前記波形外周部６０ａまたは前記波形外周部６２ａには、セラミックス等の絶縁シール９２が介装あるいは溶射により設けられる。
【００４４】
図５および図６に示すように、一方のセパレータ５８を構成するプレート６０と他方のセパレータ５８を構成するプレート６２とにより、電解質・電極接合体５６が挟持される。具体的には、電解質・電極接合体５６を挟んで互いに対向するプレート６０、６２には、第１ボス部８０および第２ボス部８６が膨出成形されており、前記第１ボス部８０と前記第２ボス部８６とによって前記電解質・電極接合体５６が挟持される。
【００４５】
図１０に示すように、電解質・電極接合体５６と一方のセパレータ５８を構成するプレート６２との間には、燃料ガス通路６７から燃料ガス導入口８８を介して連通する燃料ガス供給流路９４が形成される。電解質・電極接合体５６と他方のセパレータ５８を構成するプレート６０との間には、酸化剤ガス通路８２から酸化剤ガス導入口７８を介して連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。燃料ガス供給流路９４および酸化剤ガス供給流路９６は、第２ボス部８６および第１ボス部８０の各高さ寸法に応じて開口寸法が設定されている。燃料ガスの流量が酸化剤ガスの流量よりも少ないために、第２ボス部８６が第１ボス部８０よりも小さな寸法に設定されている。
【００４６】
図６に示すように、燃料ガス通路６７は、同一のセパレータ５８を構成するプレート６０、６２間に形成されて中心部に設けられた燃料ガス供給連通孔４６に連通する。酸化剤ガス通路８２は、燃料ガス通路６７と同一の面上に形成されており、同一のセパレータ５８を構成するプレート６０、６２の波形外周部６０ａ、６２ａ間を介して外部に開放されている。
【００４７】
各セパレータ５８は、積層方向に沿って第１および第２ボス部８０、８６が電解質・電極接合体５６を挟持することにより、集電体として機能するとともに、前記プレート６０の外側突起部６６が前記プレート６２に接触することにより、各燃料電池１０が矢印Ａ方向に沿って直列的に接続されている。
【００４８】
図１および図２に示すように、上記のように構成される燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されて、その積層方向両端にエンドプレート４０ａ、４０ｂが配置される。エンドプレート４０ａ、４０ｂには、プレート６０、６２の波形外周部６０ａ、６２ａが内方に湾曲する部分に対応して孔部１００ａ、１００ｂが形成される。孔部１００ａ、１００ｂには、絶縁材１０２ａ、１０２ｂが装着されており、締め付け用ボルト４２がこの絶縁材１０２ａ、１０２ｂに挿入されて端部にナット１０４が螺合することにより、積層されている各燃料電池１０に所望の締め付け力が付与されている。
【００４９】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
【００５０】
まず、燃料電池１０を組み付ける際には、セパレータ５８を構成するプレート６０、６２が接合される。具体的には、図６に示すように、プレート６０に一体成形されている外側突起部６６がプレート６２にろう付けにより固定されるとともに、リング状の絶縁シール９０が燃料ガス供給連通孔４６を周回して前記プレート６０または前記プレート６２に、例えば、溶射等によって設けられる。一方、プレート６０の波形外周部６０ａまたはプレート６２の波形外周部６２ａの端面に、波形状の絶縁シール９２が、例えば、溶射によって設けられる。
【００５１】
これにより、セパレータ５８が構成され、プレート６０、６２間には、同一面上に位置して燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とが形成される。さらに、燃料ガス通路６７が燃料ガス供給連通孔４６に連通する一方、酸化剤ガス通路８２がそれぞれの波形外周部６０ａ、６２ａ間から外部に開放されている。
【００５２】
次いで、セパレータ５８間に電解質・電極接合体５６が挟持される。図４および図５に示すように、各セパレータ５８は、互いに対向する面、すなわち、プレート６０、６２間に内周側配列層Ｐ１に対応して８個の電解質・電極接合体５６が配置されるとともに、外周側配列層Ｐ２に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配置される。各電解質・電極接合体５６の配置位置には、互いに近接する方向に突出して第１および第２ボス部８０、８６が形成されており、前記第１および第２ボス部８０、８６によって前記電解質・電極接合体５６が挟持される。
【００５３】
このため、図１０に示すように、電解質・電極接合体５６のカソード電極５２とプレート６０との間には、酸化剤ガス導入口７８を介して酸化剤ガス通路８２に連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。一方、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４とプレート６２との間には、燃料ガス導入口８８を介して燃料ガス通路６７に連通する燃料ガス供給流路９４が形成される。さらに、セパレータ５８間には、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを混合して円形孔部４４に導くための排出通路１０６が形成される。
【００５４】
上記のように組み付けられた燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されて、燃料電池スタック１２が組み立てられる（図１および図２参照）。
【００５５】
そこで、燃料電池スタック１２を構成するエンドプレート４０ｂの燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記燃料電池スタック１２の外周部側から加圧された酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０を構成するセパレータ５８内の燃料ガス通路６７に導入される（図６参照）。
【００５６】
図５に示すように、燃料ガスは、外側突起部６６を構成する第１および第２壁部６８、７０に沿って移動し、前記第１および第２壁部６８、７０の先端部から燃料ガス導入口８８を介して燃料ガス供給流路９４に導入される。燃料ガス導入口８８は、各電解質・電極接合体５６のアノード電極５４の中心位置に対応して設けられており、前記燃料ガス供給流路９４に導入された前記燃料ガスは、前記アノード電極５４の中心部から外周に向かって流動する（図１０参照）。
【００５７】
一方、各燃料電池１０の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ５８のプレート６０、６２間に形成されている酸化剤ガス通路８２に供給される。この酸化剤ガス通路８２に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７８から酸化剤ガス供給流路９６に導入され、電解質・電極接合体５６のカソード電極５２の中心部から外周に沿って流動する（図５および図１０参照）。
【００５８】
従って、各電解質・電極接合体５６では、アノード電極５４の中心部から外周に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極５２の中心部から外周に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸素イオンが電解質５０を通ってアノード電極５４に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００５９】
ここで、各電解質・電極接合体５６は、第１および第２ボス部８０、８６により挟持されており、前記第１および第２ボス部８０、８６が集電体として機能する。このため、各燃料電池１０は、矢印Ａ方向（積層方向）に電気的に直列に接続されて出力端子４８ａ、４８ｂ間に出力を取り出すことができる。また、複数の電解質・電極接合体５６のうちのいずれかの電解質・電極接合体５６が断線しても、残りの電解質・電極接合体５６で通電することが可能であり、発電の信頼性を向上させることができる。
【００６０】
一方、各電解質・電極接合体５６の外周に移動した反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガス（排ガス）は、セパレータ５８間に形成される排出通路１０６を介して前記セパレータ５８の中心部側に移動する。セパレータ５８の中心部には、排ガスマニホールドを構成する円形孔部４４が形成されており、排ガスがこの円形孔部４４から外部に排出される。
【００６１】
この場合、本実施形態では、比較的小径な円形状の電解質・電極接合体５６を備え、複数個、例えば、１６個の前記電解質・電極接合体５６をセパレータ５８間に配置している。このため、電解質・電極接合体５６を薄肉化することができ、抵抗分極の低減を図るとともに、温度分布が小さくなり、熱応力による破損を回避することが可能になる。従って、燃料電池１０の発電性能を有効に向上させることができる。
【００６２】
さらに、セパレータ５８の中心部である円形孔部４４と同心円上に８個の電解質・電極接合体５６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周側に８個の前記電解質・電極接合体５６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられている。その際、外周側配列層Ｐ２の電解質・電極接合体５６は、内周側配列層Ｐ１の電解質・電極接合体５６に対し互いに位相をずらして配列している。より具体的には、外周側配列層Ｐ２の電解質・電極接合体５６は、内周側配列層Ｐ１の電解質・電極接合体５６間に対応して配列されている。
【００６３】
これにより、複数の電解質・電極接合体５６を互いに密に配列することができ、所望の発電性能を維持しつつ、燃料電池１０全体のコンパクト化が容易に図られるという利点が得られる。この他にも、排ガスは、内周側配列層Ｐ１の電解質・電極接合体５６に衝突することにより生じる乱流の発生を回避することができ、この排ガスを円滑に円形孔部４４に導くことが可能になる。しかも、排ガスがセパレータ５８の中心部である円形孔部４４に向かって排出されるため、複数の電解質・電極接合体５６からの排ガスの流れに乱れが生じ難くなり、流量が一定となり易い。このため、燃料電池１０内での圧力損失を低減し、発電効率を高めることができる。
【００６４】
また、セパレータ５８は、２枚のプレート６０、６２を備えており、前記プレート６０、６２間に燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２が形成されている。従って、反応ガス通路を積層方向に形成する構造に比べ、燃料電池１０のシール構造が有効に簡素化されるとともに、所望のシール性を確実に確保することが可能になる。しかも、燃料電池１０全体を有効に小型化することができ、集電効率の向上が容易に遂行される。
【００６５】
さらにまた、本実施形態では、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２の出口である燃料ガス導入口８８および酸化剤ガス導入口７８が、各電解質・電極接合体５６のそれぞれの両面中心部に対応して設けられている（図１０参照）。従って、電解質・電極接合体５６の中心部から外周に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるため、各電解質・電極接合体５６の温度分布が小さくなって、熱応力による破損を回避するとともに、発電面全体における化学反応が均一化する。
【００６６】
しかも、各電解質・電極接合体５６に供給される燃料ガスの流量を均一化することができ、燃料ガスの利用率を高めることが可能になるとともに、全表面積を有効に利用して発電性能の向上が図られるという効果が得られる。
【００６７】
その上、電解質・電極接合体５６の両面中心部に、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスが前記両面外周側に向かって放射状に移動している。これにより、電解質・電極接合体５６とセパレータ５８との間には、燃料ガスと酸化剤ガスとのシール構造が不要になり、構成の簡素化が容易に図られるという利点がある。
【００６８】
また、セパレータ５８では、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２が同一面上、すなわち、同一空間内に設けられている。このため、燃料電池スタック１２を構成する際に、レイアウトが簡素化するとともに、積層方向の厚さを有効に薄肉化することができる。
【００６９】
さらに、排ガスを排出するための排出通路１０６が、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２が設けられる面とは異なる面上、すなわち、セパレータ５８間に設けられている（図１０参照）。従って、セパレータ５８を介して燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給マニホールドと排出マニホールドとを設けることができ、特別な部品を取り付ける必要がなく、燃料電池スタック１２を容易に構成することが可能になる。
【００７０】
さらにまた、本実施形態では、セパレータ５８を構成するプレート６０、６２の形状を波形外周部６０ａ、６２ａに設定するとともに、円形孔部４４の中心部側に湾曲する部分、すなわち、外周側配列層Ｐ２に配列されている電解質・電極接合体５６間に対応する部分に締め付け用ボルト４２が設けられている（図１参照）。このため、燃料電池スタック１２全体の外形寸法が有効に縮小され、前記燃料電池スタック１２の小型化が容易に図られる。
【００７１】
さらに、波形外周部６０ａ、６２ａ側は、比較的低温の空気取り入れ口を構成している。これにより、締め付け用ボルト４２が高温になることがなく、この締め付け用ボルト４２の耐久性を向上させることが可能になる。
【００７２】
次に、燃料電池スタック１２を、図２に示すガスタービン１４に組み込んだ場合の動作について、概略的に説明する。
【００７３】
図３に示すように、このガスタービン１４では、始動時に燃焼器１８が駆動されてタービン２４が回転され、コンプレッサ２６および発電器２８が駆動される。コンプレッサ２６の駆動によって外気が供給通路３４に導入され、高圧かつ所定温度（例えば、２００℃）になった空気が熱交換器２２の第２通路３６に送られる。
【００７４】
この熱交換器２２の第１通路３２には、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスである高温の排ガスが供給されており、熱交換器２２の第２通路３６に導入された空気が加熱される。この加熱された空気は、加熱エア導入通路３８を通って燃料電池スタック１２を構成する各燃料電池１０の外周部に導入される。このため、燃料電池１０で発電が行われ、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスである排ガスが、ケーシング１６内の室２０に排出される。
【００７５】
その際、固体電解質型燃料電池である燃料電池１０から排出される排ガスは、８００℃〜１０００℃の高温となっており、この排ガスがタービン２４を回転させて発電器２８による発電が行われるとともに、熱交換器２２に送られて吸入される外部空気の加熱を行うことができる。これにより、燃焼器１８を使用する必要がなく、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを用いてタービン２４を回転させることが可能になる。
【００７６】
しかも、排ガスが８００℃〜１０００℃と高温となっており、燃料電池スタック１２に供給される燃料の内部改質を行うことができる。従って、燃料として、例えば、天然ガスやブタン、あるいはガソリン系等の種々の燃料を使用して内部改質を行うことが可能になる。
【００７７】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２をガスタービン１４に組み込んで使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、燃料電池スタック１２を車載用として使用することも可能である。
【００７８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータ間に複数の電解質・電極接合体が配列されるとともに、前記セパレータが、互いに積層される複数枚のプレートを備えており、前記プレート間には、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が形成されている。このため、電解質・電極接合体自体をコンパクトかつ薄肉に構成し、電極面内での温度差を小さくして温度分布のばらつきを減少させることができる。
【００７９】
特に、固体電解質が使用される際に、前記固体電解質の破損を阻止するとともに、抵抗分極を低減して出力の向上を図ることができる。さらに、セパレータの内部に、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が形成されるため、シール構造が簡素化されるとともに、所望のシール性を確実に維持することが可能になる。しかも、燃料電池全体を有効に小型化することができ、集電効率の向上が容易に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを組み込むガスタービンの概略構成を示す断面説明図である。
【図４】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図５】前記燃料電池の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの一部省略断面図である。
【図７】前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視説明図である。
【図８】前記セパレータを構成する一方のプレートの正面説明図である。
【図９】前記セパレータを構成する他方のプレートの正面説明図である。
【図１０】前記燃料電池の動作説明図である。
【図１１】従来技術に係る燃料電池システムの分解斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池１２…燃料電池スタック
１４…ガスタービン１８…燃焼器
２２…熱交換器２４…タービン
２６…コンプレッサ２８…発電器
５０…電解質５２…カソード電極
５４…アノード電極５６…電解質・電極接合体
５８…セパレータ６０、６２…プレート
６０ａ、６２ａ…波形外周部６６…外側突起部
６７…燃料ガス通路７８…酸化剤ガス導入口
８０、８６…ボス部８２…酸化剤ガス通路
８８…燃料ガス導入口９４…燃料ガス供給流路
９６…酸化剤ガス供給流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a fuel cell in which a disk-shaped electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is disposed between disk-shaped separators. In the pond Related.
[0002]
[Prior art]
In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and a single cell configured by arranging an anode electrode and a cathode electrode on both sides of the electrolyte. (Electrolyte / electrode assembly) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number is continuously stacked.
[0003]
In this type of fuel cell, when an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode electrode, this is caused at the interface between the cathode electrode and the electrolyte. Oxygen in the oxidant gas is ionized (O ^2- And oxygen ions move to the anode electrode side through the electrolyte. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The anode electrode is supplied with a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) or CO. Therefore, in the anode electrode, oxygen ions, electrons and hydrogen ( Or CO) reacts with water (or CO ₂ ) Is generated.
[0004]
In general, since a solid oxide fuel cell has an operating temperature as high as 800 ° C. to 1000 ° C., internal reforming of fuel gas can be performed using high-temperature exhaust heat. It can be turned to generate electricity. Therefore, the solid oxide fuel cell shows the highest power generation efficiency among various fuel cells, and is desired to be used for in-vehicle use in addition to the combination with the gas turbine.
[0005]
By the way, since stabilized zirconia has a low ionic conductivity, it is necessary to form the stabilized zirconia in a thin film form in order to obtain a large current. However, the mechanical strength of stabilized zirconia is weakened, and it has been pointed out that the solid oxide fuel cell cannot be enlarged.
[0006]
Thus, for example, as disclosed in JP-A-5-266910, a solid oxide fuel cell system in which a plurality of cells are arranged on the same plane between the separators is known. According to this conventional technique, the total area of the cells in one plane can be increased, a large current can be taken out, and damage to the electrolyte plate can be prevented to improve the reliability of the battery.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above prior art, as specifically shown in FIG. 11, a plurality of the separators 1 and the cells 2 are stacked in a state where four cells 2 are arranged in the separator 1, and the lowest layer of the stacked body The fuel gas supply / discharge plate 3 is disposed on the uppermost layer, and the oxidant gas supply / discharge plate 4 is disposed on the uppermost layer.
[0008]
The separator 1 includes fuel gas supply internal manifolds 5a and 5b that supply fuel gas to the respective cells 2 through the stacking direction, fuel gas discharge internal manifolds 5c and 5d that discharge the reacted fuel gas, and the cells 2 Oxidant gas supply internal manifolds 6a and 6b for supplying the oxidant gas and oxidant gas discharge internal manifolds 6c and 6d for discharging the oxidant gas after the reaction are formed.
[0009]
The fuel gas supply / discharge plate 3 includes fuel gas supply pipes 7a and 7b communicating with the fuel gas supply internal manifolds 5a and 5b, and fuel gas discharge pipes 7c and 7d communicating with the fuel gas discharge internal manifolds 5c and 5d. Yes. Similarly, the oxidant gas supply / discharge plate 4 includes an oxidant gas supply pipe 8a, 8b communicating with the oxidant gas supply internal manifolds 6a, 6b, and an oxidant gas discharge communicating with the oxidant gas discharge internal manifolds 6c, 6d. Tubes 8c and 8d are provided.
[0010]
In such a configuration, for example, in the fuel gas supply / discharge plate 3, the fuel gas supplied to the fuel gas supply pipes 7a and 7b passes through the fuel gas supply internal manifolds 5a and 5b of the separator 1 in one direction in the stacking direction. While flowing, it is distributed to the anode of each cell 2. The reacted fuel gas flows in the other direction of the stacking direction through the fuel gas discharge inner manifolds 5c and 5d, and is discharged to the outside through the fuel gas discharge pipes 7c and 7d. Similarly, the oxidizing gas supply / discharge plate 4 supplies and discharges the oxidizing gas.
[0011]
As described above, the fuel gas supply / discharge plate 3 and the oxidant gas supply / discharge plate 4 are arranged in the stacking direction. The fuel gas and the oxidant gas flowing along the stacking direction are 4 in each separator 1. Supplied every two cells 2. As a result, a seal structure for preventing leakage of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) is required for each of the four cells 2, and this seal structure is considerably complicated.
[0012]
In addition, fuel gas supply pipes 7a and 7b and fuel gas discharge pipes 7c and 7d are connected to the fuel gas supply / discharge plate 3, while oxidant gas supply pipes 8a, 8b and oxidant gas discharge pipes 8c and 8d are connected. Thereby, the problem that the whole fuel cell system enlarges considerably is pointed out.
[0013]
The present invention solves this type of problem, and maintains a desired power generation performance and can be effectively downsized and simplified. Pond The purpose is to provide.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Main departure Clearly Such a fuel cell includes an arrangement layer in which a plurality of electrolyte / electrode assemblies are arranged concentrically with the central portion of the separator. This makes the separator On the face A large number of electrolyte / electrode assemblies are arranged in a compact configuration, which not only facilitates high output of the fuel cell, but also any one of a plurality of electrolyte / electrode assemblies. Even if the body is disconnected, the remaining electrolyte / electrode assembly can be energized, and the reliability of power generation can be improved.
[0015]
Furthermore, the separators are stacked on each other 2 Plate, and between the plates, A single space is formed, and in the space, an electrolyte / electrode assembly disposed on one side of the separator A fuel gas passage for supplying fuel gas to the anode electrode; and Another electrolyte / electrode assembly disposed on the other side of the separator An oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the cathode electrode is formed.
[0016]
Accordingly, since the fuel gas passage and the oxidant gas passage are formed inside the separator, the sealing structure is simpler than the configuration in which the reaction gas passage (fuel gas passage and / or oxidant gas passage) is formed in the stacking direction. And a desired sealing property can be reliably maintained. In addition, the entire fuel cell can be effectively reduced in size, and current collection efficiency can be easily improved.
[0017]
In addition, the electrolyte / electrode assembly itself can be configured to be compact and thin, and the temperature difference in the electrode surface can be reduced to reduce variations in temperature distribution. In particular, when a solid electrolyte is used, damage to the solid electrolyte due to thermal stress can be prevented, and resistance polarization can be reduced to improve output.
[0018]
Also , Two or more arrangement layers in which a plurality of electrolyte / electrode assemblies are arranged concentrically with the center of the palator are provided. This makes the separator On the face A large number of electrolyte / electrode assemblies are arranged, and a high output of the fuel cell can be easily achieved with a compact configuration. In addition, the electrolyte / electrode assembly itself can be configured to be compact and thin, and the temperature difference in the electrode surface can be reduced to reduce variations in temperature distribution.
[0019]
further , Inside The electrolyte / electrode assembly of the circumferential arrangement layer and the electrolyte / electrode assembly of the outer arrangement layer are arranged out of phase with each other. For this reason, a plurality of electrolyte / electrode assemblies can be closely arranged with each other, and the fuel cell can be reliably made compact while maintaining a desired power generation performance. In addition, it is possible to avoid the occurrence of turbulent flow caused by collision of the fuel gas and oxidant gas (hereinafter also referred to as exhaust gas) after the reaction with the electrolyte / electrode assembly of the inner circumferential arrangement layer. The exhaust gas can be smoothly guided to the exhaust hole.
[0020]
Furthermore , Inside Between the electrolyte and electrode assembly of the circumferential array layer position Thus, the electrolyte / electrode assembly of the outer peripheral side arrangement layer is arranged. As a result, the plurality of electrolyte / electrode assemblies can be closely arranged with each other to effectively downsize the fuel cell.
[0021]
Also , Burning Gas passage Fuel gas inlet And oxidant gas passage Oxidant gas introduction The mouth is provided corresponding to the center of both surfaces of each electrolyte / electrode assembly arranged in each arrangement layer. Therefore, since fuel gas and oxidant gas are supplied from the central part of the electrolyte / electrode assembly toward the outer peripheral part, the temperature distribution of each electrolyte / electrode assembly is reduced to avoid damage due to thermal stress, The chemical reaction on the entire power generation surface becomes uniform.
[0022]
In addition, the flow rate of the fuel gas supplied to each electrolyte / electrode assembly can be made uniform, the fuel gas utilization rate can be increased, and the entire surface area can be effectively used to improve the power generation performance. Is planned. In addition, fuel gas and oxidant gas are respectively supplied to the center portions of both surfaces of the electrolyte / electrode assembly, and the fuel gas and oxidant gas move radially toward the outer peripheral side of the both surfaces. This eliminates the need for a seal structure of fuel gas and oxidant gas between the electrolyte / electrode assembly and the separator, and simplifies the configuration.
[0023]
further , Burning The gas passage and the oxidant gas passage are separators. In a single space within Is provided. For this reason, when configuring the fuel cell stack, the layout can be simplified and the thickness in the stacking direction can be effectively reduced.
[0024]
Furthermore , Exhaust An exhaust passage for exhausting gas Between separators stacked on each other with electrolyte / electrode assembly in between Is provided. As a result, there is no need to install special parts, and the supply manifold and the discharge manifold for the oxidant gas and fuel gas can be provided via the separator, and the configuration of the fuel cell stack can be easily simplified. Become.
[0025]
Also , A circular hole for exhaust gas discharge is formed at the center of the palator, and the electrolyte / electrode assembly is formed in a disc shape, and is concentrically around the circular hole. An arrangement layer in which a plurality of the electrolyte / electrode assemblies are arranged is provided. Therefore, it is only necessary to seal the periphery of the circular hole for exhaust gas discharge existing in the center, and the sealing structure can be simplified. In addition, since the exhaust gas flows only toward the center, the flow rate distribution of the exhaust gas is made uniform, and the exhaust gas is smoothly and reliably discharged from the plurality of electrolyte / electrode assemblies.
[0026]
further ,Circle Two or more arrangement layers in which a plurality of electrolyte / electrode assemblies are arranged concentrically with the circular hole are provided around the shape hole. Therefore, a plurality of electrolyte / electrode assemblies can be densely arranged to reduce the size and output of the entire fuel cell, and to reduce the weight of the separator.
[0027]
Furthermore ,Circle Of plate separator On the face The above Disc shape An array layer in which a plurality of disc-shaped electrolyte / electrode assemblies are arranged concentrically with the center of the separator is provided, and a stack corresponding to the space between the electrolyte / electrode assemblies arranged in the outermost array layer is provided. A hole for inserting the fastening bolt is formed. For this reason, the outer dimensions of the entire fuel cell stack are reduced, and the fuel cell stack can be easily downsized.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack 12 in which a plurality of fuel cells 10 according to an embodiment of the present invention are stacked, and FIG. 2 is a partial cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack 12.
[0030]
The fuel cell 10 is a solid oxide fuel cell, and is used for various applications such as in-vehicle use in addition to installation. In the present embodiment, as an application example of the fuel cell stack 12, for example, a configuration to be incorporated in the gas turbine 14 is shown in FIG. In FIG. 3, in order to be incorporated in the gas turbine 14, the shape is different from that of the fuel cell stack 12 shown in FIGS. 1 and 2, but the substantial configuration is the same.
[0031]
A fuel cell stack 12 is built in a casing 16 constituting the gas turbine 14 with a combustor 18 as a center, and after reaction from the center of the fuel cell stack 12 to the chamber 20 on the combustor 18 side. The exhaust gas which is the fuel gas and the oxidant gas is discharged. The chamber 20 becomes narrower in the flow direction of the exhaust gas (arrow X direction), and a heat exchanger 22 is externally provided on the outer peripheral portion on the front end side. A turbine (output turbine) 24 is disposed on the front end side of the chamber 20, and a compressor 26 and a generator 28 are coaxially connected to the turbine 24. The gas turbine 14 is configured to be axisymmetric as a whole.
[0032]
The exhaust passage 30 of the turbine 24 communicates with the first passage 32 of the heat exchanger 22, and the supply passage 34 of the compressor 26 communicates with the second passage 36 of the heat exchanger 22. The second passage 36 communicates with the outer peripheral portion of the fuel cell stack 12 via the heated air introduction passage 38.
[0033]
As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 12 has a plurality of outer peripheral corrugated disk-shaped fuel cells 10 stacked in the direction of arrow A, and end plates 40a and 40b are arranged at both ends in the stacking direction. For example, eight bolts 42 for tightening are integrally clamped and held. At the center of the fuel cell stack 12, a circular hole 44 for exhaust gas discharge is formed in the direction of arrow A with the end plate 40b as the bottom (see FIG. 2).
[0034]
Around the circular hole 44, a plurality of, for example, four fuel gas supply communication holes 46 are concentrically formed in the arrow A direction from the end plate 40b with the end plate 40a as a bottom. The end plates 40a and 40b are provided with output terminals 48a and 48b, respectively.
[0035]
As shown in FIGS. 4 and 5, the fuel cell 10 is provided with a cathode electrode 52 and an anode electrode 54 on both surfaces of an electrolyte (electrolyte plate) 50 made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia, for example. The electrolyte / electrode assembly 56 is provided. The electrolyte / electrode assembly 56 is formed in a disk shape having a relatively small diameter.
[0036]
The fuel cell 10 is configured by arranging a plurality of, for example, 16 sets of separators 58 with 16 electrolyte / electrode assemblies 56 interposed therebetween. In the plane of the separator 58, an inner peripheral side arrangement layer P1 in which eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged concentrically with the circular hole 44 which is the central part of the separator 58, and the inner peripheral side arrangement An outer peripheral arrangement layer P2 in which eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged is provided on the outer periphery of the layer P1.
[0037]
The separator 58 includes a plurality of, for example, two plates 60 and 62 that are stacked on each other. The plates 60 and 62 are made of, for example, a sheet metal such as a stainless alloy, and are provided with corrugated outer peripheral portions 60a and 62a, respectively.
[0038]
As shown in FIGS. 6 to 8, the plate 60 has an inner protrusion 64 that circulates along the circular hole 44 swelled toward the plate 62, and is disposed around the fuel gas supply communication hole 46. A recess 65 that protrudes in a direction away from 62 is formed. The plate 60 is provided with an outer protrusion 66 concentrically with the inner protrusion 64, and between the inner protrusion 64 and the outer protrusion 66, the fuel gas communicated with the fuel gas supply communication hole 46. A passage 67 is formed.
[0039]
The outer protrusions 66 are alternately provided with a plurality of first wall portions 68 and second wall portions 70 that protrude radially outwards by a predetermined distance. In the first wall portion 68, a virtual circle connecting the tips forms the center line of the inner circumferential arrangement layer P 1, and eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged along the inner circumferential arrangement layer P 1. A second wall portion 70 is provided between the first wall portions 68, and a center line of the outer peripheral side arrangement layer P <b> 2 is formed by a virtual circle passing through the tip of the second wall portion 70. Eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged along the center line of the outer peripheral arrangement layer P2.
[0040]
Three oxidant gas inlets 78 are formed in the periphery of the first wall portion 68 and the second wall portion 70 so as to penetrate the plate 60 in the surface direction. The plate 60 protrudes toward the electrolyte / electrode assemblies 56 arranged along the inner circumferential arrangement layer P1 and the outer circumferential arrangement layer P2, and is inflated with first boss portions 80 that are in contact with the electrolyte / electrode assemblies 56. Molded out.
[0041]
Between the plate 60 and the plate 62, a fuel gas passage 67 is formed correspondingly between the inner protrusion 64 and the outer protrusion 66, and oxidized corresponding to the outer side of the outer protrusion 66. An agent gas passage 82 is formed. The oxidant gas passage 82 communicates with an oxidant gas inlet 78 formed in the plate 60.
[0042]
As shown in FIGS. 6, 7, and 9, the plate 62 is formed with a protrusion 84 that protrudes in a direction away from the plate 60 around the fuel gas supply communication hole 46. The plate 62 is provided with a second boss portion 86 that protrudes toward the electrolyte / electrode assembly 56 and is in contact with the electrolyte / electrode assembly 56 disposed along the inner circumferential arrangement layer P1 and the outer circumferential arrangement layer P2. It is done. The second boss portion 86 is set to have smaller dimensions in the radial direction and the height direction than the first boss portion 80. The plate 62 is formed with a fuel gas inlet port 88 communicating therewith on the inner side of the tip end portions of the first and second wall portions 68 and 70 formed in the plate 60.
[0043]
The separator 58 is provided with an insulating seal 90 for sealing the fuel gas supply communication hole 46. The insulating seal 90 is configured by, for example, disposing a ceramic plate material or spraying ceramics on the plate 60 or 62. The corrugated outer peripheries 60a and 62a of the plates 60 and 62 are bulged and formed in a direction away from each other (see FIG. 6), and the corrugated outer peripheral 60a or the corrugated outer peripheral 62a has an insulating seal 92 such as ceramics. Is provided by interposition or thermal spraying.
[0044]
As shown in FIGS. 5 and 6, the electrolyte / electrode assembly 56 is sandwiched between the plate 60 constituting one separator 58 and the plate 62 constituting the other separator 58. Specifically, the first boss portion 80 and the second boss portion 86 are bulged and formed on the plates 60 and 62 facing each other with the electrolyte / electrode assembly 56 interposed therebetween. The electrolyte / electrode assembly 56 is sandwiched by the second boss portion 86.
[0045]
As shown in FIG. 10, a fuel gas supply passage 94 that communicates from the fuel gas passage 67 through the fuel gas inlet 88 between the electrolyte / electrode assembly 56 and the plate 62 that constitutes one separator 58. Is formed. Between the electrolyte / electrode assembly 56 and the plate 60 constituting the other separator 58, an oxidant gas supply flow path 96 communicating from the oxidant gas passage 82 through the oxidant gas introduction port 78 is formed. . The fuel gas supply flow path 94 and the oxidant gas supply flow path 96 have opening dimensions set according to the height dimensions of the second boss portion 86 and the first boss portion 80. Since the flow rate of the fuel gas is less than the flow rate of the oxidant gas, the second boss portion 86 is set to a size smaller than that of the first boss portion 80.
[0046]
As shown in FIG. 6, the fuel gas passage 67 is formed between the plates 60 and 62 constituting the same separator 58 and communicates with the fuel gas supply communication hole 46 provided in the center. The oxidant gas passage 82 is formed on the same surface as the fuel gas passage 67, and is opened to the outside through the space between the corrugated outer peripheral portions 60 a and 62 a of the plates 60 and 62 constituting the same separator 58. .
[0047]
Each separator 58 functions as a current collector when the first and second boss portions 80 and 86 sandwich the electrolyte / electrode assembly 56 along the stacking direction, and the outer protrusion 66 of the plate 60 By contacting the plate 62, the fuel cells 10 are connected in series along the arrow A direction.
[0048]
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cells 10 configured as described above are stacked in the direction of arrow A, and end plates 40a and 40b are disposed at both ends in the stacking direction. The end plates 40a and 40b are formed with holes 100a and 100b corresponding to the portions where the corrugated outer peripheral portions 60a and 62a of the plates 60 and 62 are curved inward. Insulating materials 102a and 102b are mounted in the holes 100a and 100b, and the tightening bolts 42 are inserted into the insulating materials 102a and 102b, and the nuts 104 are screwed into the end portions of the holes 100a and 100b. A desired tightening force is applied to each fuel cell 10.
[0049]
The operation of the fuel cell stack 12 configured as described above will be described below.
[0050]
First, when the fuel cell 10 is assembled, the plates 60 and 62 constituting the separator 58 are joined. Specifically, as shown in FIG. 6, the outer protrusion 66 integrally formed on the plate 60 is fixed to the plate 62 by brazing, and the ring-shaped insulating seal 90 opens the fuel gas supply communication hole 46. It circulates and is provided on the plate 60 or the plate 62 by, for example, thermal spraying. On the other hand, a corrugated insulating seal 92 is provided on the end surface of the corrugated outer peripheral portion 60a of the plate 60 or the corrugated outer peripheral portion 62a of the plate 62 by, for example, thermal spraying.
[0051]
Thus, a separator 58 is formed, and a fuel gas passage 67 and an oxidant gas passage 82 are formed between the plates 60 and 62 on the same plane. Further, the fuel gas passage 67 communicates with the fuel gas supply communication hole 46, while the oxidant gas passage 82 is opened to the outside from between the corrugated outer peripheral portions 60a and 62a.
[0052]
Next, the electrolyte / electrode assembly 56 is sandwiched between the separators 58. As shown in FIGS. 4 and 5, each separator 58 has eight electrolyte / electrode assemblies 56 disposed on the surfaces facing each other, that is, between the plates 60 and 62 in correspondence with the inner circumferential arrangement layer P1. In addition, eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged along the outer peripheral array layer P2. First and second boss portions 80, 86 are formed so as to protrude in directions close to each other at the positions where the electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged, and the electrolyte is formed by the first and second boss portions 80, 86. -The electrode assembly 56 is clamped.
[0053]
For this reason, as shown in FIG. 10, an oxidant gas supply that communicates with the oxidant gas passage 82 via the oxidant gas introduction port 78 between the cathode electrode 52 of the electrolyte / electrode assembly 56 and the plate 60. A channel 96 is formed. On the other hand, a fuel gas supply passage 94 communicating with the fuel gas passage 67 through the fuel gas inlet 88 is formed between the anode electrode 54 of the electrolyte / electrode assembly 56 and the plate 62. Further, a discharge passage 106 is formed between the separators 58 for mixing the fuel gas and the oxidant gas after the reaction and leading them to the circular hole 44.
[0054]
The fuel cells 10 assembled as described above are stacked in the direction of arrow A, and the fuel cell stack 12 is assembled (see FIGS. 1 and 2).
[0055]
Therefore, fuel gas (for example, hydrogen-containing gas) is supplied to the fuel gas supply communication hole 46 of the end plate 40b constituting the fuel cell stack 12, and the pressurized oxidation is performed from the outer peripheral side of the fuel cell stack 12. An oxygen-containing gas (hereinafter, also referred to as air) that is an agent gas is supplied. The fuel gas supplied to the fuel gas supply communication hole 46 is introduced into the fuel gas passage 67 in the separator 58 constituting each fuel cell 10 while moving in the stacking direction (arrow A direction) (see FIG. 6). .
[0056]
As shown in FIG. 5, the fuel gas moves along the first and second wall portions 68, 70 that constitute the outer protrusion 66, and the fuel gas flows from the tip portions of the first and second wall portions 68, 70. The gas is introduced into the fuel gas supply channel 94 through the gas introduction port 88. The fuel gas introduction port 88 is provided corresponding to the center position of the anode electrode 54 of each electrolyte / electrode assembly 56, and the fuel gas introduced into the fuel gas supply channel 94 is supplied to the anode electrode 54. It flows from the center part toward the outer periphery (see FIG. 10).
[0057]
On the other hand, the oxidant gas supplied from the outer peripheral side of each fuel cell 10 is supplied to an oxidant gas passage 82 formed between the plates 60 and 62 of each separator 58. The oxidant gas supplied to the oxidant gas passage 82 is introduced from the oxidant gas introduction port 78 to the oxidant gas supply flow path 96, and extends from the center of the cathode electrode 52 of the electrolyte / electrode assembly 56 along the outer periphery. (See FIGS. 5 and 10).
[0058]
Therefore, in each electrolyte / electrode assembly 56, the fuel gas is supplied from the central portion of the anode electrode 54 toward the outer periphery, and the oxidant gas is supplied from the central portion of the cathode electrode 52 toward the outer periphery. At that time, oxygen ions move to the anode electrode 54 through the electrolyte 50, and power is generated by a chemical reaction.
[0059]
Here, each electrolyte / electrode assembly 56 is sandwiched between first and second boss portions 80 and 86, and the first and second boss portions 80 and 86 function as a current collector. For this reason, each fuel cell 10 is electrically connected in series in the direction of arrow A (stacking direction), and an output can be taken out between the output terminals 48a and 48b. In addition, even if any one of the plurality of electrolyte / electrode assemblies 56 is disconnected, the remaining electrolyte / electrode assembly 56 can be energized, and the reliability of power generation can be improved. Can be improved.
[0060]
On the other hand, the reacted fuel gas and oxidant gas (exhaust gas) that have moved to the outer periphery of each electrolyte / electrode assembly 56 move to the center side of the separator 58 through the discharge passage 106 formed between the separators 58. To do. A circular hole 44 constituting an exhaust gas manifold is formed at the center of the separator 58, and the exhaust gas is discharged from the circular hole 44 to the outside.
[0061]
In this case, in the present embodiment, a circular electrolyte / electrode assembly 56 having a relatively small diameter is provided, and a plurality of, for example, 16 electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged between the separators 58. For this reason, the electrolyte / electrode assembly 56 can be thinned, the resistance polarization can be reduced, the temperature distribution can be reduced, and damage due to thermal stress can be avoided. Therefore, the power generation performance of the fuel cell 10 can be effectively improved.
[0062]
Further, an inner peripheral side arrangement layer P1 in which eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged concentrically with the circular hole 44 which is the central part of the separator 58, and 8 on the outer peripheral side of the inner peripheral side arrangement layer P1. An outer peripheral side arrangement layer P2 on which the electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged is provided. At that time, the electrolyte / electrode assembly 56 of the outer peripheral array layer P2 is arranged out of phase with the electrolyte / electrode assembly 56 of the inner peripheral array layer P1. More specifically, the electrolyte / electrode assembly 56 of the outer peripheral arrangement layer P2 is arranged correspondingly between the electrolyte / electrode assemblies 56 of the inner peripheral arrangement layer P1.
[0063]
As a result, the plurality of electrolyte / electrode assemblies 56 can be closely arranged with each other, and the advantage that the entire fuel cell 10 can be easily made compact while maintaining the desired power generation performance is obtained. In addition to this, it is possible to avoid the generation of turbulent flow caused by the exhaust gas colliding with the electrolyte / electrode assembly 56 of the inner circumferential side arrangement layer P1, and smoothly guiding the exhaust gas to the circular hole 44. Is possible. In addition, since the exhaust gas is discharged toward the circular hole 44 which is the central portion of the separator 58, the flow of the exhaust gas from the plurality of electrolyte / electrode assemblies 56 is not easily disturbed, and the flow rate is likely to be constant. For this reason, the pressure loss in the fuel cell 10 can be reduced and the power generation efficiency can be increased.
[0064]
The separator 58 includes two plates 60 and 62, and a fuel gas passage 67 and an oxidant gas passage 82 are formed between the plates 60 and 62. Therefore, as compared with the structure in which the reaction gas passage is formed in the stacking direction, the seal structure of the fuel cell 10 is effectively simplified, and a desired sealing property can be reliably ensured. In addition, the entire fuel cell 10 can be effectively downsized, and the current collection efficiency can be easily improved.
[0065]
Furthermore, in the present embodiment, the fuel gas introduction port 88 and the oxidant gas introduction port 78 that are the outlets of the fuel gas passage 67 and the oxidant gas passage 82 are provided at the center of both surfaces of each electrolyte / electrode assembly 56. Correspondingly (see FIG. 10). Accordingly, since fuel gas and oxidant gas are supplied from the center of the electrolyte / electrode assembly 56 toward the outer periphery, the temperature distribution of each electrolyte / electrode assembly 56 is reduced, and damage due to thermal stress is avoided. At the same time, the chemical reaction on the entire power generation surface becomes uniform.
[0066]
Moreover, the flow rate of the fuel gas supplied to each electrolyte / electrode assembly 56 can be made uniform, the utilization rate of the fuel gas can be increased, and the entire surface area can be effectively used to improve the power generation performance. The effect that improvement is achieved is obtained.
[0067]
In addition, a fuel gas and an oxidant gas are respectively supplied to the center portions of both surfaces of the electrolyte / electrode assembly 56, and the fuel gas and the oxidant gas move radially toward the outer peripheral side of the both surfaces. This eliminates the need for a seal structure of the fuel gas and the oxidant gas between the electrolyte / electrode assembly 56 and the separator 58, and has an advantage that the configuration can be easily simplified.
[0068]
In the separator 58, the fuel gas passage 67 and the oxidant gas passage 82 are provided on the same surface, that is, in the same space. For this reason, when the fuel cell stack 12 is configured, the layout can be simplified and the thickness in the stacking direction can be effectively reduced.
[0069]
Further, a discharge passage 106 for discharging exhaust gas is provided on a surface different from the surface where the fuel gas passage 67 and the oxidant gas passage 82 are provided, that is, between the separators 58 (see FIG. 10). Accordingly, the supply manifold and the discharge manifold for the fuel gas and the oxidant gas can be provided via the separator 58, and it is not necessary to attach special parts, and the fuel cell stack 12 can be easily configured.
[0070]
Furthermore, in the present embodiment, the shape of the plates 60 and 62 constituting the separator 58 is set to the corrugated outer peripheral portions 60a and 62a, and the portion that curves toward the center side of the circular hole portion 44, that is, the outer peripheral arrangement layer Tightening bolts 42 are provided at portions corresponding to between the electrolyte / electrode assemblies 56 arranged in P2 (see FIG. 1). For this reason, the overall external dimensions of the fuel cell stack 12 are effectively reduced, and the fuel cell stack 12 can be easily downsized.
[0071]
Further, the corrugated outer peripheral portions 60a and 62a constitute a relatively low temperature air intake. As a result, the fastening bolt 42 does not become hot, and the durability of the fastening bolt 42 can be improved.
[0072]
Next, the operation when the fuel cell stack 12 is incorporated in the gas turbine 14 shown in FIG. 2 will be schematically described.
[0073]
As shown in FIG. 3, in the gas turbine 14, the combustor 18 is driven at the time of start-up, the turbine 24 is rotated, and the compressor 26 and the generator 28 are driven. The outside air is introduced into the supply passage 34 by driving the compressor 26, and the air having a high pressure and a predetermined temperature (for example, 200 ° C.) is sent to the second passage 36 of the heat exchanger 22.
[0074]
The first passage 32 of the heat exchanger 22 is supplied with high-temperature exhaust gas that is a fuel gas and an oxidant gas after reaction, and the air introduced into the second passage 36 of the heat exchanger 22 is heated. The The heated air is introduced into the outer peripheral portion of each fuel cell 10 constituting the fuel cell stack 12 through the heated air introduction passage 38. For this reason, power generation is performed in the fuel cell 10, and the exhaust gas which is the fuel gas and the oxidant gas after the reaction is discharged into the chamber 20 in the casing 16.
[0075]
At that time, the exhaust gas discharged from the fuel cell 10 which is a solid oxide fuel cell is at a high temperature of 800 ° C. to 1000 ° C., and the exhaust gas rotates the turbine 24 to generate power by the generator 28. The external air that is sent to the heat exchanger 22 and sucked can be heated. Thereby, it is not necessary to use the combustor 18, and the turbine 24 can be rotated using the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 12.
[0076]
In addition, the exhaust gas has a high temperature of 800 ° C. to 1000 ° C., and internal reforming of the fuel supplied to the fuel cell stack 12 can be performed. Accordingly, it is possible to perform internal reforming using various fuels such as natural gas, butane, or gasoline as fuel.
[0077]
In the present embodiment, the case where the fuel cell stack 12 is used by being incorporated in the gas turbine 14 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the fuel cell stack 12 can also be used for in-vehicle use. .
[0078]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, a plurality of electrolyte / electrode assemblies are arranged between the separators, and the separator includes a plurality of plates stacked on each other, and a fuel gas passage is provided between the plates. An oxidant gas passage is formed. For this reason, the electrolyte / electrode assembly itself can be configured to be compact and thin, and the temperature difference within the electrode surface can be reduced to reduce variations in temperature distribution.
[0079]
In particular, when a solid electrolyte is used, damage to the solid electrolyte can be prevented, and resistance polarization can be reduced to improve output. Furthermore, since the fuel gas passage and the oxidant gas passage are formed inside the separator, the seal structure can be simplified and the desired sealing performance can be reliably maintained. In addition, the entire fuel cell can be effectively reduced in size, and current collection efficiency can be easily improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells according to an embodiment of the present invention are stacked.
FIG. 2 is a partial cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack.
FIG. 3 is a cross-sectional explanatory view showing a schematic configuration of a gas turbine incorporating the fuel cell stack.
FIG. 4 is an exploded perspective view of the fuel cell.
FIG. 5 is a partially exploded perspective view showing the operation of the fuel cell.
FIG. 6 is a partially omitted sectional view of the fuel cell stack.
FIG. 7 is an exploded perspective view of a separator constituting the fuel cell.
FIG. 8 is a front explanatory view of one plate constituting the separator.
FIG. 9 is an explanatory front view of the other plate constituting the separator.
FIG. 10 is an operation explanatory diagram of the fuel cell.
FIG. 11 is an exploded perspective view of a conventional fuel cell system.
[Explanation of symbols]
10 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell stack
14 ... Gas turbine 18 ... Combustor
22 ... Heat exchanger 24 ... Turbine
26 ... Compressor 28 ... Generator
50 ... electrolyte 52 ... cathode electrode
54 ... Anode electrode 56 ... Electrolyte / electrode assembly
58 ... Separator 60, 62 ... Plate
60a, 62a ... Waveform outer periphery 66 ... Outer protrusion
67 ... Fuel gas passage 78 ... Oxidant gas inlet
80, 86 ... Boss part 82 ... Oxidant gas passage
88 ... Fuel gas inlet 94 ... Fuel gas supply flow path
96 ... Oxidant gas supply flow path

Claims

A fuel cell comprising a plurality of electrolyte / electrode assemblies and a plurality of separators each having an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, wherein the electrolyte / electrode assemblies and the separators are alternately stacked. And
The separator includes two plates stacked on each other, and a single space is formed between the plates. The electrolyte is disposed on the one surface side of the separator in the space. A fuel gas passage for supplying fuel gas to the anode electrode of the electrode assembly, and an oxidant gas for supplying the oxidant gas to the cathode electrode of the electrolyte-electrode assembly disposed on the other surface side of the separator An oxidant gas passage is formed,
Between the separators stacked on each other with the electrolyte / electrode assembly interposed therebetween, a discharge passage for discharging exhaust gas composed of the fuel gas and the oxidant gas after the power generation reaction is formed. A circular hole for exhaust gas discharge for discharging the exhaust gas in the stacking direction in communication with the discharge passage is formed in the center part,
One surface of the separator and the other surface of the separator are provided with an alignment layer in which a plurality of the electrolyte / electrode assemblies are arranged concentrically with a central portion of the separator,
The fuel gas inlet of the fuel gas passage is provided toward the center of each of the anode electrodes of the plurality of electrolyte / electrode assemblies arranged in the arrangement layer provided on one surface of the separator. on the other hand,
The oxidant gas inlet of the oxidant gas passage is directed toward the center of each of the cathode electrodes of the plurality of electrolyte / electrode assemblies arranged in the arrangement layer provided on the other surface of the separator. A fuel cell provided.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein an arrangement layer in which a plurality of the electrolyte / electrode assemblies are arranged on concentric circles each having a different radius from a central portion of the separator is formed on one surface and the other surface of the separator. Two or more fuel cells are provided.

A fuel cell according to claim 2, wherein said electrolyte electrode assemblies of any of the alignment layer, and the electrolyte electrode assembly of the sequence layer being adjacent to any of the alignment layer, out of phase with each other A fuel cell that is arranged.

A fuel cell according to claim 2, located between the electrolyte electrode assemblies of any of the alignment layer, the electrolyte electrode assembly of the sequence layer being adjacent to any of the orientation layer is arranged The fuel cell characterized by the above-mentioned.

5. The fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte-electrode assembly is configured in a disc shape,
A fuel cell, wherein an array layer in which a plurality of the electrolyte / electrode assemblies are arranged concentrically with the circular hole is provided around the circular hole.

6. The fuel cell according to claim 5, wherein two or more alignment layers in which a plurality of the electrolyte / electrode assemblies are arranged on a concentric circle having a different radius from the circular hole are provided around the circular hole. A fuel cell.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the separator is a disk-shaped separator, and the disk-shaped separator and the disk-shaped electrolyte / electrode assembly are alternately stacked. In addition, end plates are arranged at both ends in the stacking direction,
The fuel cell according to claim 1, wherein a hole for inserting a stack fastening bolt is formed in the end plate between the electrolyte and electrode assemblies arranged in the outermost array layer.