JPH053045A - Flat plate solid electrolyte type fuel cell - Google Patents

Flat plate solid electrolyte type fuel cell

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JPH053045A
JPH053045A JP3178683A JP17868391A JPH053045A JP H053045 A JPH053045 A JP H053045A JP 3178683 A JP3178683 A JP 3178683A JP 17868391 A JP17868391 A JP 17868391A JP H053045 A JPH053045 A JP H053045A
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JP
Japan
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cell
stack
fuel
film
gas
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Application number
JP3178683A
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Japanese (ja)
Inventor
Tatsuya Kawada
達也 川田
Natsuko Sakai
夏子 酒井
Harumi Yokogawa
晴美 横川
Masayuki Tokiya
正之 土器屋
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PURPOSE:To form a module having less temperature gradient and voltage gradient by supplying a fuel discharged from a single cell unit or a cell stack to an adjacent unit or stack. CONSTITUTION:A lanthanum chromite separator films A are stacked on both surfaces of a single cell C such that an anode film being stacked on one surface of a solid electrolyte film, a cathode film on the other surface and distributers B and D are provided between the film A and the cell C so as to form a single cell unit. A plurality of the units are combined so as to form a cell stack. Discharged fuels from the unit or the stack are sequentially supplied to an adjacent unit or stack. In such a way, by turning a gas passage up in the stack, the gas concentration gradient, i.e., calorific value, between neighboring units is completed so that a module, the temperature gradient and the voltage gradient per unit area of which being small, can be formed with easy mass production.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【産業上の利用分野】本発明は、平板型固体電解質型燃
料電池に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flat plate solid oxide fuel cell.

【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、第一世代の燐
酸型燃料電池、第二世代の溶融炭酸塩型燃料電池より進
んだ燃料電池と見なされており、第三世代燃料電池と位
置付けられている。この固体電解質型燃料電池の中で、
平板型固体電解質型燃料電池は、円筒型固体電解質型燃
料電池より発電効率が高く、出力密度を上げることが出
来るので、さらに進んだ燃料電池である。平板型固体電
解質型燃料電池は、その形態において燐酸型燃料電池あ
るいは溶融炭酸塩型燃料電池と同様の構成をとる。すな
わち、平板状の電解質膜の両面に正極膜と負極膜を積層
した正極膜/電解質膜/負極膜の構成の単セルとセパレ
ータ(インターコネクターあるいはバイポーラー板とも
呼称される)とを交互に積層して構成される。セパレー
ターと単セルの間には燃料ガスと空気を流すためと、単
セル同士を電気的に接続するディストリビュータが挟ま
れる。このディストリビュータにはガスの流通を合理的
に行うためにリブ付きの板あるいは波状の板がよく用い
られており、電極部あるいは電極との接合部はガスがよ
く行き渡るように多孔質が用いられる。工業的には電解
質膜としてはジルコニア、セパレータ膜としてはランタ
ンクロマイトないし合金が用いられ、正極としてはラン
タンマンガナイトあるいはランタンコバルタイト、負極
としてはニッケル−ジルコニアサーメット、ニッケル−
セリアサーメット等が用いられる。ところで、平板型固
体電解質型燃料電池にはいくつかの技術的困難が存在す
る。その一は電解質膜あるいはランタンクロマイトセパ
レータ膜の気密でかつ薄い平らな板であって十分に広い
面積のものを作製することが困難であることである。こ
のため支持体上に薄い膜を形成する事も検討されている
が、電解質膜やセパレータ膜がセラミックスであること
から、強度、良品率などを考慮すると工業的に可能な大
きさは、燐酸型あるいは溶融炭酸塩型燃料電池に比べ
て、はるかに小さいであろうと予想されている。技術的
困難のその二は小さな面積の電解質膜を積層した場合、
固体電解質型燃料電池では単位面積当たり非常に大きな
温度勾配が生じ、これに対応して熱応力が発生しセラミ
ックス膜の破壊を招く可能性が増大する。また、単位面
積当たりの電圧の勾配も大きくなり発電効率低下の原因
とも成りうる。次にこのことを具体的に説明する。一般
に、燃料電池においては一つのディレンマが存在する。
すなわち、投入燃料に対する発電効率を上げるためには
燃料消費率を上げる必要があり、通常70〜85%の燃
料を消費し残余を廃ガスとする。しかるに、燃料電池の
出力電圧は正負両極間のガス分圧比によって支配され
る。換言すれば、燃料の消費が進み燃料側の燃焼残ガ
ス、水蒸気、二酸化炭素分圧が増加すれば電圧が下が
り、また空気側の残ガス、窒素が増加すれば電圧が低下
する。このことは、燃料電池の内部抵抗の増大と電池内
温度の勾配を引き起こす。なぜならば、入り口における
燃料ガスと酸素の分圧は高く、出口における分圧は低い
訳であるから、単セル上において入り口の電圧は高く出
口では低くなり、本来単セル面に直角方向に流れるべき
電流が単セル面方向にも流れるからである。また、入り
口の電圧が高く出口で低いことは、入り口の発電量が多
く発熱量も多くなるために、大きな温度勾配が形成され
ることになる。これらの問題は燃料電池一般に存在する
問題であるが、特に平板型固体電解質型燃料電池では深
刻な問題となる。なぜなら、単セルの面積が小さいため
単位長当たりの電位勾配が大きくなり発電効率が低下す
るのみならず、発熱による温度勾配も大きくなり、熱応
力が増加し、セルの反りひいては破壊を招く可能性があ
るからである。ところで、電池内の温度勾配発生の大き
な原因の第一は、入り口と出口におけるガス濃度差であ
る。第二の原因は単セルの大きさであり、単位長当たり
の濃度差が大きくなることである。第三は固体電解質型
燃料電池の構成材料が比較的熱伝導性の低いセラミック
スで構成されており、熱の除去がガスによる熱搬送に依
拠していることにある。したがって、単セル単位面積当
たりのガス濃度勾配を少なくし、かつ単位面積当たりの
ガス流量を増加することが一つの解決方法となる。しか
し、これはある種のディレンマであって、通常のデザイ
ンの燃料電池にあって入り口と出口の濃度差を付けない
ことは、即ち燃料消費率を低下させることを意味し、発
電効率の低下を招くことになる。
2. Description of the Related Art Solid oxide fuel cells are considered to be advanced fuel cells of the first generation phosphoric acid fuel cells and the second generation molten carbonate fuel cells, and are regarded as third generation fuel cells. ing. In this solid oxide fuel cell,
The flat plate solid oxide fuel cell is a more advanced fuel cell because it has higher power generation efficiency and higher output density than the cylindrical solid oxide fuel cell. The flat plate solid oxide fuel cell has a configuration similar to that of the phosphoric acid fuel cell or the molten carbonate fuel cell in its form. That is, a single cell having a positive electrode film / electrolyte film / negative electrode film structure in which a positive electrode film and a negative electrode film are laminated on both surfaces of a flat plate-like electrolyte film and a separator (also called an interconnector or a bipolar plate) are alternately laminated. Configured. Between the separator and the unit cells, a distributor for sandwiching a fuel gas and air and a distributor electrically connecting the unit cells are sandwiched. A plate with a rib or a corrugated plate is often used for this distributor in order to rationally distribute the gas, and a porous material is used for the electrode portion or the joint portion with the electrode so that the gas is well distributed. Industrially, zirconia is used as the electrolyte membrane, lanthanum chromite or an alloy is used as the separator membrane, lanthanum manganite or lanthanum cobaltite as the positive electrode, and nickel-zirconia cermet, nickel-as the negative electrode.
Ceria cermet or the like is used. By the way, there are some technical difficulties in the flat plate solid oxide fuel cell. One is that it is difficult to manufacture an airtight and thin flat plate of an electrolyte membrane or a lanthanum chromite separator membrane having a sufficiently large area. For this reason, forming a thin film on the support has been studied, but since the electrolyte membrane and the separator membrane are made of ceramics, the size industrially possible is the phosphoric acid type in consideration of strength and good product ratio. Alternatively, it is expected to be much smaller than the molten carbonate fuel cell. The second of the technical difficulties is when the electrolyte membrane with a small area is laminated,
In a solid oxide fuel cell, a very large temperature gradient is generated per unit area, and correspondingly, thermal stress is generated, which increases the possibility of destroying the ceramic film. In addition, the gradient of the voltage per unit area becomes large, which may cause a decrease in power generation efficiency. Next, this will be specifically described. Generally, there is one dilemma in fuel cells.
That is, it is necessary to increase the fuel consumption rate in order to increase the power generation efficiency with respect to the input fuel, and normally 70 to 85% of the fuel is consumed and the remainder is waste gas. However, the output voltage of the fuel cell is governed by the gas partial pressure ratio between the positive and negative electrodes. In other words, if the fuel consumption advances and the combustion residual gas, steam, and carbon dioxide partial pressure on the fuel side increase, the voltage decreases, and if the residual gas on the air side and nitrogen increase, the voltage decreases. This causes an increase in the internal resistance of the fuel cell and a gradient in the temperature inside the cell. Because the partial pressure of fuel gas and oxygen at the inlet is high and the partial pressure at the outlet is low, the voltage at the inlet is high on the unit cell and low at the outlet, and should flow in the direction perpendicular to the unit cell surface. This is because the electric current also flows in the single cell plane direction. Further, when the voltage at the inlet is high and the voltage at the outlet is low, the amount of power generation at the inlet is large and the amount of heat generated is large, so that a large temperature gradient is formed. Although these problems exist in general fuel cells, they become serious problems especially in flat plate solid oxide fuel cells. Because the unit cell area is small, not only the potential gradient per unit length becomes large and the power generation efficiency decreases, but also the temperature gradient due to heat generation becomes large, the thermal stress increases, and there is a possibility that the cell warps and eventually breaks. Because there is. By the way, the first major cause of the generation of the temperature gradient in the battery is the gas concentration difference between the inlet and the outlet. The second cause is the size of a single cell, and the difference in concentration per unit length is large. Thirdly, the constituent material of the solid oxide fuel cell is composed of ceramics having relatively low thermal conductivity, and the removal of heat depends on the heat transfer by gas. Therefore, one solution is to reduce the gas concentration gradient per unit area of the single cell and increase the gas flow rate per unit area. However, this is a kind of dilemma, and in a fuel cell of a normal design, there is no difference in concentration between the inlet and the outlet, which means that the fuel consumption rate is reduced, and the power generation efficiency is reduced. Will be invited.

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の平
板型固体電解質型燃料電池が有する欠点を解消し、燃料
消費率を落とすことなく、単セル内の温度勾配と電圧を
可及的に均等にし、発電に伴う不可逆損失を少なくして
発電効率と出力密度が向上した平板型固体電解質型燃料
電池を提供することを目的とするものである。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned drawbacks of the conventional flat plate solid oxide fuel cell and minimizes the temperature gradient and voltage in a single cell without lowering the fuel consumption rate. It is an object of the present invention to provide a flat plate solid oxide fuel cell which is made uniform and reduces irreversible loss associated with power generation and has improved power generation efficiency and output density.

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の平板型固体電解質型燃料電池 (以下、燃料電
池と略記することがある) は、固体電解質膜の一面に正
極膜を、他面に負極膜を積層してなる単セルの該正極膜
側および負極膜側にセパレータ膜を夫々積層し、該正極
膜とセパレータ膜との間および該負極膜とセパレータ膜
との間にディストリビュータを夫々設けてなる単セルユ
ニットを複数個集合せしめてセルスタックを構成し、該
単セルもしくはセルスタックから排出した燃料を隣接す
る単セルもしくはセルスタックに供給するようにしたこ
とを特徴とするものである。すなわち本発明の燃料電池
は、以下に詳述するように、ガス流路をセルスタック内
で折り返すことによって隣接する単セル間のガス濃度勾
配、すなわち発熱量を相補的にすること、及び流路を長
くする、すなわち長流路法を採用することによって単位
面積当りのガス流量を増加し熱搬送量を上げて熱除去を
有効に行うものである。あるいはセルスタックを複数個
のブロックに分割し、個々のブロックにおける燃料消費
率を低下させ、多量に残存する燃料を含む廃ガスを次の
ブロックに供給することによって入り口と出口のガス濃
度差を少なくすることによっても達成される。この方法
は燃料のみならず空気に対しても効果的であるが、通常
空気は燃料に対して数倍供給することが可能であり、ま
た行われており、したがって消費率を低くすることが出
来るので、その効果はあるものの燃料に対するほどでは
なく、燃料にたいして行えば十分である。ここでセルス
タックとは、セパレータ (A) 、ディストリビュータ
(B) 、単セル (C) およびディストリビュータ (B)
をA/B/C/Bの順に積層してなる単セルユニットを
複数個集合せしめた集合体である。単セルユニットは平
板型なので、セルスタックには単セルユニットの平板面
上に他の単セルユニットの平板面を順次積み重ねた形状
のもの (以下、横積み型セルスタックと云う) と、セル
スタックを複数個のセルブロックに分割し、このセルブ
ロックの複数個を単セルユニットを立てた状態で順次積
み重ねた形状のもの(以下、縦積み型セルスタックと云
う) の2種類がある。まず本発明の原理を、図1に例示
する横積み型セルスタックによって説明する。今、辺
a、bの長方形単セルをn層積層したセルスタックを仮
定する。単セルを積層順にT1,T2,・・・・、Tn
と番号付けする。供給する燃料もしくは空気量をnQと
仮定する。通常はこのガスは積層セルの入り口側(x)
より単セルT1,T2,・・・・、Tnに均等に供給さ
れ、出口側(y)より排出される。さて、nQのガスを
T1に供給し、T1の廃ガスをT2に供給し、同様に次
々に次の単セルに供給することにする。この場合、最終
的なガス消費率を80%に設定する。この様に仮定すれ
ば、単位面積当たりのガス流量は、nQ/abであり、
ガス濃度勾配は一方向流であれば0.80Q/nbとな
る。すなわち、単位面積当たりのガス流量を増加してガ
ス流による熱除去をより効果的にし、かつ単位面積当た
りのガス濃度勾配をより均等化し電圧と発熱量を均等化
できる。同様の効果は、単セルではなくセルを積層した
スタックごとに行っても得られる。これに対してガス流
路を長くしない場合には、図2に示すとおり、ガスは積
層セルの入り口側(x)より単セルT1,T2,・・・
・、Tnに均等に供給され、出口側(y)より排出され
る。ガス消費率を80%に設定すれば、入り口の燃料ガ
ス濃度は100%であり、出口での燃料ガス濃度は20
%、燃焼廃ガス濃度80%となる。したがって、単セル
面積当りのガス流量はQ/abであり、ガス濃度勾配は
0.80Q/bとなる。さて、燃料電池におけるセル、ス
タックへのガス導入方式はいわゆる外部ガスマニフォー
ルドと内部ガスマニフォールドに大別されるが、図1に
示したようなガス流通方式を有する平板型固体電解質型
燃料電池を実現するには内部外部いずれの方式でも可能
なことは明らかである。また、図1の様な単セル毎に折
り返す方式だけでなく、図1のT1, T2, ・・、Tn
を単セルだけでなくセルスタックとして行うことも可能
である。さらに、本発明者らは従来の燃料電池では不可
能であった縦積み積層形式が平板型固体電解質型燃料電
池では可能であることを見いだし、本発明の特徴と固体
電解質型燃料電池であることを活かしたスタック形式を
検討し、実地に製作した。すなわち、従来の燐酸型や溶
融炭酸塩型では電解質が液体であるため、電解質の漏
れ、片寄りを防ぐためセルは水平にしか設置できない。
しかし、固体電解質型燃料電池では電解質は固体であ
り、縦に置いても何等障害はない。縦に置くことによっ
てむしろ、多数枚数のセルを積層したときの下部セルへ
の荷重を軽減できる利点が生じる。より具体的には、図
3の様に図1におけるT1, T2, ・・、Tnをブロッ
ク化したセルスタックとすると、T1のガス出口 (Y
側) にT2の入口がくるようにブロックを横に並べても
よく、さらにこの様に接続した全体を縦に立ててもよい
訳である。以下発明を実施例によってさらに詳しく説明
する。
A plate type solid oxide fuel cell of the present invention for achieving the above object (hereinafter, may be abbreviated as a fuel cell) has a positive electrode film on one surface of a solid electrolyte film. A separator film is laminated on each of the positive electrode film side and the negative electrode film side of a single cell having a negative electrode film laminated on the other surface, and a distributor is provided between the positive electrode film and the separator film and between the negative electrode film and the separator film. Characterized in that a plurality of single cell units each provided with are assembled to form a cell stack, and the fuel discharged from the single cell or the cell stack is supplied to the adjacent single cell or cell stack. Is. That is, the fuel cell of the present invention, as described in detail below, makes the gas flow paths in the cell stack folded back to make the gas concentration gradient between adjacent single cells, that is, the calorific value complementary, and the flow path. Is increased, that is, by adopting the long flow path method, the gas flow rate per unit area is increased, the heat transfer amount is increased, and heat is effectively removed. Alternatively, the cell stack is divided into multiple blocks, the fuel consumption rate in each block is reduced, and waste gas containing a large amount of remaining fuel is supplied to the next block to reduce the difference in gas concentration between the inlet and outlet. It can also be achieved by doing. This method is effective not only for fuel but also for air, but normally, air can be supplied several times as much as fuel, and it is performed, and therefore the consumption rate can be reduced. Therefore, the effect is not as great as that for fuel, but it is enough for fuel. Here, the cell stack means a separator (A) and a distributor.
(B), single cell (C) and distributor (B)
It is an assembly obtained by assembling a plurality of single cell units each of which is laminated in the order of A / B / C / B. Since the single cell unit is a flat plate type, the cell stack has a shape in which the flat plate surfaces of other single cell units are sequentially stacked on the flat plate surface of the single cell unit (hereinafter referred to as a horizontal stack type cell stack) and the cell stack. Is divided into a plurality of cell blocks, and a plurality of these cell blocks are sequentially stacked with a single cell unit standing (hereinafter referred to as a vertically stacked cell stack). First, the principle of the present invention will be described with reference to the horizontally stacked cell stack illustrated in FIG. Now, assume a cell stack in which rectangular single cells on sides a and b are stacked in n layers. Single cells are stacked in order of T1, T2, ..., Tn
And number. It is assumed that the amount of fuel or air supplied is nQ. Normally this gas is on the inlet side (x) of the laminated cell
, Tn are uniformly supplied to the unit cells T1, T2, ..., Tn, and discharged from the outlet side (y). Now, the gas of nQ is supplied to T1, the waste gas of T1 is supplied to T2, and similarly, it will be supplied to the next single cell one after another. In this case, the final gas consumption rate is set to 80%. Assuming this, the gas flow rate per unit area is nQ / ab,
The gas concentration gradient is 0.80 Q / nb in the case of unidirectional flow. That is, it is possible to increase the gas flow rate per unit area to make the heat removal by the gas flow more effective, to equalize the gas concentration gradient per unit area, and to equalize the voltage and the heat generation amount. The same effect can be obtained not by using a single cell but by using a stack in which cells are stacked. On the other hand, when the gas flow path is not lengthened, as shown in FIG. 2, the gas is supplied from the inlet side (x) of the laminated cell to the single cells T1, T2, ...
, Is evenly supplied to Tn and discharged from the outlet side (y). If the gas consumption rate is set to 80%, the fuel gas concentration at the inlet is 100% and the fuel gas concentration at the outlet is 20%.
%, Combustion waste gas concentration becomes 80%. Therefore, the gas flow rate per unit cell area is Q / ab, and the gas concentration gradient is
It becomes 0.80 Q / b. Now, the gas introduction system to the cells and stacks of the fuel cell is roughly divided into so-called external gas manifold and internal gas manifold, and a flat plate solid oxide fuel cell having a gas distribution system as shown in FIG. 1 is realized. It is clear that both internal and external methods are possible to achieve this. In addition to the method of folding back for each single cell as shown in FIG. 1, T1, T2, ..., Tn of FIG.
Can be performed not only as a single cell but also as a cell stack. Furthermore, the present inventors have found that the vertically stacked stacking type, which was impossible with the conventional fuel cell, is possible with the flat plate type solid oxide fuel cell, and the features of the present invention and the solid oxide type fuel cell. We considered a stack format that makes use of the, and manufactured it in the field. That is, in the conventional phosphoric acid type and molten carbonate type, since the electrolyte is a liquid, the cell can be installed only horizontally in order to prevent electrolyte leakage and deviation.
However, in a solid oxide fuel cell, the electrolyte is solid, and there is no problem even if it is placed vertically. The vertical arrangement rather has the advantage of reducing the load on the lower cell when a large number of cells are stacked. More specifically, when a cell stack in which T1, T2, ..., Tn in FIG. 1 are blocked as shown in FIG. 3 is used, the gas outlet (Y
The blocks may be arranged side by side so that the entrance of T2 comes to the side), and the whole connected in this way may stand vertically. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

【実施例】図4は製作したセルスタックの模式図であ
る。図5はその略記図である。図4においてAはカルシ
ウムをドープしたランタンクロマイトセパレータ(以下
LCCと略記する) であり、Bはイットリア安定化ジル
コニア(以下YSZと略記する) およびLCCの発泡体
にストロンティウムをドープしたランタンマンガナイト
(以下LSMと略記する) を含浸上塗りした正極側ディ
ストリビュータである。Cは正極膜/電解質膜/負極膜
よりなる単セルである。正極はLSM、負極はニッケル
ジルコニアサーメット (以下NYと略記する) 、電解質
はYSZを用いた。DはYSZとLCCの発泡体にNY
を含浸上塗りしたディストリビュータである。これらの
構成材は次のようにして製作した。まず、セパレータは
LCCの粉末を結合剤ポリビニルブチラール、可塑材ヂ
ブチルフタレート、分散剤魚油、消泡剤トリトンX、溶
剤イソプロパノールおよびトルエンと混合しスラリーと
し、スラリーをドクターブレード法によって製膜した。
次に同じスラリーをポリウレタンフォーム発泡体膜に含
浸し発泡体膜を形成した。このグリーン膜を発泡体膜/
ドクターブレード膜/発泡体膜と重ね焼成した。電解質
膜はYSZ粉末からセパレータと同様にドクターブレー
ド膜と発泡体膜を製膜し、ドクターブレード膜/発泡体
膜と重ねて焼成した。この様に作製したセパレータ複合
膜の片側の発泡体膜にNYのスラリーを含浸上塗りし、
電解質膜の発泡体膜のついていない側にNYのスラリー
を負極電極として塗布した。NY含浸発泡体膜とNY電
極面をあわせ、合わせ面にポリウレタンフーォーム膜に
NYを含浸した膜をはさみセパレータ/単セル複合膜を
構成し、この複合膜を積層して焼成した。すなわち、構
成はLCC発泡体膜/LCCセパレータ膜/NY−LC
C発泡体膜/NY発泡体膜/NY電極/YSZ電解質膜
/YSZ発泡体膜/LCC発泡体膜/LCCセパレータ
膜/NY−LCC発泡体膜の用に繰り返され積層されて
いる。焼成されたセルスタックは正極側にまだ正極材料
LSMが塗布されていないので、LSMのスラリーをL
CCとYSZ発泡体膜が合わさった部分に含浸して正極
機能とディストリビュータとしての電導度を付与した。
さらに、図4中にスタックの角に当たる部分は燃料と空
気のクロスリークを防ぐために気密リールを施すのがよ
い。このためには、ここの複合膜を焼成する前にグリー
ンの状態でYSZもしくはLCCのペーストを該当部分
に塗布することが有効であり、さらに全体を一体化焼成
するに当たって上塗りして気密性を高めることが効果的
である。以上の様にして製作したセルスタックを図6−
11に示す様に構成して、一つのセルスタックから流出
したガスを次のセルスタックに供給することのできる燃
料電池を構成した。図6および図7は縦断面図であり、
図8、図9、図10および図11は横断面図である。1
は格納容器、2、3は空気用ガスマニフォールド、4、
5、6、7、8は燃料用ガスマニフォールドを構成する
部品であり、9はシールを兼ねるスペーサである。2、
3は空気導入排出穴Y1,Y2を図7、図8では上部に
備えているが、下部あるいは上下どちらでも本質的に同
じである。空気用ガスマニフォールド2、3は箱を形成
し向かい合って設置される。図に示されるようにいくつ
かに分割して製作し、組み合わせても良い。燃料側ガス
マニフォールドを構成する部品の内、2は上下に設置さ
れ、セルスタックの縦断面を包み込む用に箱型をしてい
る。8はセルスタック同士の電気的ショートを防ぐと共
に気密シールを行うためのものである。8は上端下端で
は2でおおわれるが、中間ではコの字型をした7でさら
にカバーされる。7、8とセルスタックの間に接合材を
つめて気密シールを効果的にするためである。5は板状
であって、ブスバーとしてセルスタックを電気的に直列
に接続する役割とスペーサの役割を果たす。また、6も
板状であって、6と等価位置に設置されるジルコニアな
どの絶縁体であって6と同様にスペーサの役割も果た
す。9はスペーサであって、空気の供給側と排出側を分
離する機能も果たす。燃料電池に取って、燃料と空気の
クロスリークは効率を引下げ、場合によっては混合気に
よる爆発の可能性もあるので極力避けるべきとされてい
る。本セルスタックを作製するに当たり、全体を一体化
せずセルスタック以外の部分は箱型あるいは板を用いて
いるので、部品の製作は容易であるかわりに気密性の問
題が懸念される。しかし、燃料と空気のクロスリークは
本実施例の場合余り問題にならない。この理由はスタッ
ク内部はセパレータによって空気側と燃料側に気密に分
離されており、燃料側の外部は図6−11に示すように
板または箱によって二重に包み込まれているからであ
る。またかりに、空気が漏洩したとしても格納容器にた
いしてであり、そこに燃料が漏洩しても操作温度が10
00℃と高いために漏洩点で燃焼するから混合気による
爆発の恐れはない。つまり、過度の漏洩を防げばよいか
ら、気密性が不十分な場合シール材を上塗りすることで
必要な気密性は果たせるわけである。これらのセルスタ
ックをつなぎ合わせる箱型あるいは板状の部品は、熱膨
張率の一致を果たすためにYSZで構成した。ただし、
セルを直列に接続するためのブスバー、部品15のみは
電導性を必要としているのでLCCで製作した。これら
の部品は射出成形あるいはスリップキャスト法で製作す
ることが普通であるが、本発明ではYSZの発泡体膜の
両面にドクターブレード膜を張り、側面にはYSZのペ
ーストを塗り厚い板を作製し、板状のまま、あるいは板
を箱型に組み立て、接合面にはペーストを塗り一体化し
て焼成し作製した。 (段落) 燃料はX1より供給され、
セルスタックの燃料側通路を次々に上昇することによ得
って長いガス流路が提供される。スタックの空気側は図
に示されているようにスタック製作の過程でX1側に対
してシールされているので空気とのクロスリークは生じ
ない。空気はY1より供給されセルスタックを図6では
紙面に上下、図7では紙面に左右に流通する。
EXAMPLE FIG. 4 is a schematic view of the manufactured cell stack. FIG. 5 is a schematic diagram thereof. In FIG. 4, A is a lanthanum chromite separator doped with calcium (hereinafter abbreviated as LCC), and B is lanthanum manganite doped with strontium in yttria-stabilized zirconia (hereinafter abbreviated as YSZ) and LCC.
(Hereinafter abbreviated as LSM) is a positive electrode side distributor which is impregnated and overcoated. C is a single cell composed of a positive electrode film / electrolyte film / negative electrode film. The positive electrode was LSM, the negative electrode was nickel zirconia cermet (hereinafter abbreviated as NY), and the electrolyte was YSZ. D is NY for YSZ and LCC foam
Is a distributor that is impregnated and overcoated. These constituent materials were manufactured as follows. First, as a separator, LCC powder was mixed with a binder polyvinyl butyral, a plasticizer dibutyl phthalate, a dispersant fish oil, a defoaming agent Triton X, a solvent isopropanol and toluene to form a slurry, and the slurry was formed into a film by a doctor blade method.
Next, the same slurry was impregnated into a polyurethane foam foam film to form a foam film. This green film is a foam film /
Co-fired with doctor blade membrane / foam membrane. As the electrolyte membrane, a doctor blade membrane and a foam membrane were formed from YSZ powder in the same manner as the separator, and the doctor blade membrane / foam membrane was laminated and fired. On one side of the separator composite membrane thus prepared, the foam membrane was impregnated and top-coated with NY slurry,
NY slurry was applied as a negative electrode to the side of the electrolyte membrane where the foam film was not attached. The NY-impregnated foam film and the NY electrode surface were put together, and a polyurethane foam film was impregnated with NY on the mating surface to form a separator / single cell composite film, and the composite film was laminated and fired. That is, the structure is LCC foam film / LCC separator film / NY-LC.
The C foam membrane / NY foam membrane / NY electrode / YSZ electrolyte membrane / YSZ foam membrane / LCC foam membrane / LCC separator membrane / NY-LCC foam membrane are repeatedly laminated. Since the fired cell stack is not yet coated with the positive electrode material LSM on the positive electrode side, LSM slurry is
The combined portion of the CC and YSZ foam film was impregnated to give a positive electrode function and conductivity as a distributor.
Further, in FIG. 4, a portion corresponding to a corner of the stack is preferably provided with an airtight reel in order to prevent cross leak of fuel and air. For this purpose, it is effective to apply a YSZ or LCC paste in a green state to the relevant portion before firing the composite film, and to further enhance the airtightness by overcoating the whole when integrally firing. Is effective. The cell stack manufactured as described above is shown in FIG.
The fuel cell was constructed as shown in FIG. 11 so that the gas flowing out from one cell stack could be supplied to the next cell stack. 6 and 7 are longitudinal sectional views,
8, FIG. 9, FIG. 10 and FIG. 11 are transverse sectional views. 1
Is a containment vessel, 2 and 3 are gas manifolds for air, 4,
Reference numerals 5, 6, 7, and 8 are parts that constitute the fuel gas manifold, and 9 is a spacer that also serves as a seal. 2,
3 has air introducing / exhausting holes Y1 and Y2 in the upper portion in FIGS. 7 and 8, but it is essentially the same in either the lower portion or the upper and lower portions. The air gas manifolds 2 and 3 form a box and are installed facing each other. As shown in the figure, it may be divided into several parts to be manufactured and combined. Of the components that make up the fuel-side gas manifold, two are installed vertically and are box-shaped to enclose the vertical cross section of the cell stack. Reference numeral 8 is for preventing an electrical short circuit between the cell stacks and for hermetically sealing. 8 is covered with 2 at the upper and lower ends, but is further covered with a C-shaped 7 in the middle. This is because a bonding material is packed between the cell stacks 7 and 8 and the airtight seal is effectively made. Reference numeral 5 is a plate-shaped member, which serves as a bus bar for electrically connecting the cell stacks in series and as a spacer. Further, 6 is also plate-like, and is an insulator such as zirconia installed at a position equivalent to 6 and also functions as a spacer like 6. Reference numeral 9 denotes a spacer, which also has a function of separating the air supply side and the air discharge side. For fuel cells, cross-leakage of fuel and air reduces efficiency, and in some cases there is a possibility of explosion due to air-fuel mixture, so it should be avoided as much as possible. When manufacturing this cell stack, the whole part is not integrated and the parts other than the cell stack are box-shaped or plate-shaped. Therefore, the parts are easy to manufacture, but the problem of airtightness is concerned. However, the cross leak of fuel and air does not cause a problem in this embodiment. The reason is that the inside of the stack is hermetically separated into the air side and the fuel side by the separator, and the outside of the fuel side is doubly wrapped by the plate or box as shown in FIG. 6-11. Even if air leaks, it is against the containment vessel, and even if fuel leaks there, the operating temperature is 10
Since it is as high as 00 ° C, it burns at the leak point, so there is no danger of explosion due to the air-fuel mixture. In other words, since it is sufficient to prevent excessive leakage, the required airtightness can be achieved by overcoating the sealing material when the airtightness is insufficient. The box-shaped or plate-shaped parts that connect these cell stacks together are made of YSZ in order to achieve the same coefficient of thermal expansion. However,
The bus bar for connecting the cells in series, only the component 15, needs to be electrically conductive, and thus is manufactured by LCC. These parts are usually manufactured by injection molding or slip casting, but in the present invention, a doctor blade film is attached on both sides of a YSZ foam film, and YSZ paste is applied on the side surfaces to form a thick plate. The plate was formed in a plate shape or assembled into a box shape, and the joint surface was coated with paste and integrally fired. (Paragraph) Fuel is supplied from X1,
A long gas flow path is provided by successively raising the fuel side passages of the cell stack. As shown in the figure, the air side of the stack is sealed against the X1 side during the stack manufacturing process, so that no cross leak with the air occurs. Air is supplied from Y1 and flows through the cell stack up and down on the paper surface in FIG. 6 and left and right on the paper surface in FIG.

【発明の効果】以上のように、ひとつのセルもしくはブ
ロックをなすスタックから排出された燃料を次のセルも
しくはスタックに次々に供給することによって、大型の
セルのみで構成されたスタックと同様に単位面積当た
り、温度勾配と電圧勾配の少ないモジュールを構成する
ことが出来る。このことにより、セラミックスでは困難
とされる大面積セルの製作を避けることができて、不良
品の少ない大量生産の可能な製造工程を構成できる。ま
た、ガスマニフォールドを製作の容易な単純な形態かつ
小型の部品に分割製作することも可能であり、大量生産
が容易となる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, by supplying fuel discharged from a stack forming one cell or block to the next cell or stack one after another, a unit similar to a stack composed of only large cells is provided. It is possible to construct a module having a small temperature gradient and a small voltage gradient per area. As a result, it is possible to avoid the production of large-area cells, which is difficult with ceramics, and it is possible to configure a manufacturing process that enables mass production with few defective products. In addition, the gas manifold can be separately manufactured into simple parts that are easy to manufacture and small parts, which facilitates mass production.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】長流路法によるセルスタックへの燃料供給法を
示す本発明の原理図である。
FIG. 1 is a principle diagram of the present invention showing a fuel supply method to a cell stack by a long flow path method.

【図2】セルスタックへの通常の燃料供給法を示す模式
図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a normal fuel supply method to a cell stack.

【図3】セルスタックの配列状況を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an arrangement state of cell stacks.

【図4】外部ガスマニフォールド型セルスタックの模式
図である。
FIG. 4 is a schematic diagram of an external gas manifold type cell stack.

【図5】外部ガスマニフォールド型セルスタックの略記
図である。
FIG. 5 is a schematic diagram of an external gas manifold type cell stack.

【図6】本発明燃料電池 (縦積み型) のG−G′縦断面
図である。
FIG. 6 is a vertical sectional view taken along the line GG ′ of the fuel cell (vertical stacking type) of the present invention.

【図7】本発明燃料電池 (縦積み型) のF−F′縦断面
図である。
FIG. 7 is a vertical sectional view taken along the line FF ′ of the fuel cell (vertical stacking type) of the present invention.

【図8】本発明燃料電池 (縦積み型) のA−A′横断面
図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the fuel cell (vertical stacking type) of the present invention.

【図9】本発明燃料電池 (縦積み型) のB−B′横断面
図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the fuel cell (vertical stacking type) of the present invention.

【図10】本発明燃料電池 (縦積み型) のC−C′横断
面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of the fuel cell (vertical stacking type) of the present invention.

【図11】本発明燃料電池 (縦積み型) のD−D′横断
面図である。
FIG. 11 is a transverse cross-sectional view of the fuel cell (vertical stacking type) of the present invention taken along the line DD ′.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2,3 空気用ガスマニフォールド 4, 5, 6, 7, 8 燃料用ガスマニフォールド 2,3 Air gas manifold 4,5,6,7,8 Fuel gas manifold

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土器屋 正之 茨城県つくば市東1丁目1番地 工業技術 院化学技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masayuki Tokiya 1-1-1 Higashi, Tsukuba-shi, Ibaraki Industrial Technology Institute of Chemical Research

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 固体電解質膜の一面に正極膜を、他面に
負極膜を積層してなる単セルの該正極膜側および負極膜
側にセパレータ膜を夫々積層し、該正極膜とセパレータ
膜との間および該負極膜とセパレータ膜との間にディス
トリビュータを夫々設けてなる単セルユニットを複数個
集合せしめてセルスタックを構成し、該単セルもしくは
セルスタックから排出した燃料を隣接する単セルもしく
はセルスタックに供給するようにしたことを特徴とする
平板型固体電解質型燃料電池。
Claim: What is claimed is: 1. A positive electrode film is laminated on one surface of a solid electrolyte membrane, and a separator film is laminated on the positive electrode film side and a negative electrode film side of a single cell in which a negative electrode film is laminated on the other surface. A cell stack is formed by collecting a plurality of single cell units each having a distributor provided between the positive electrode film and the separator film and between the negative electrode film and the separator film, and discharged from the single cell or the cell stack. A flat plate solid oxide fuel cell, characterized in that fuel is supplied to adjacent single cells or cell stacks.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7517601B2 (en) 2002-12-09 2009-04-14 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Solid oxide fuel cell

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JPS59184468A (en) * 1983-04-01 1984-10-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell power generating device

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