WO2016038738A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2016038738A1
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gas
fuel cell
introduction
guide member
electrode layer
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竜也 矢口
元久 上條
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日産自動車株式会社
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an improvement in a solid electrolyte fuel cell.
  • Patent Document 1 Conventionally, as a fuel cell as described above, there has been one described in Patent Document 1, for example.
  • the fuel cell described in Patent Document 1 is a solid electrolyte type fuel cell, and includes a cylindrical cell having an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode in order from the outside. This cylindrical cell is closed at the tip, and is provided with a fuel supply pipe having a tip at the tip on the axis.
  • a steam pipe is arranged on the axis of the fuel supply pipe.
  • the steam pipe has a steam outlet opening near the fuel outlet of the fuel supply pipe and a steam inlet opening near the base end of the fuel supply pipe. Circulate.
  • This fuel cell constitutes an ejector that generates an accompanying flow as the fuel is ejected by the fuel outlet of the fuel supply pipe and the steam outlet of the steam pipe. That is, in the fuel cell, as the fuel is ejected from the fuel supply pipe, the vicinity of the fuel injection port is brought to a negative pressure, and water vapor (fuel electrode side exhaust) is drawn from the water vapor ejection port. Using such an ejector effect, water vapor is circulated through the water vapor pipe, fuel and water vapor are mixed and supplied to the fuel electrode, and water vapor in the fuel electrode side exhaust gas is used. Prevents carbon deposition due to.
  • the present invention has been made paying attention to the above conventional problems, and in a fuel cell having an ejector in the anode gas introduction path, carbon deposition in the anode gas introduction path is suppressed, and a good ejector It aims at providing the fuel cell which can maintain a function.
  • a fuel cell according to the present invention includes a single cell having a structure in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an air electrode layer, an interconnector joined to the single cell so as to face the fuel electrode layer, and a fuel electrode.
  • a gas guide member interposed between the layer and the interconnector. Further, in the fuel cell, the gas guide member includes an anode gas introduction part, an anode gas discharge part adjacent to the introduction part, and a partition part for forming a gas flow path from the introduction part to the discharge part. And a circulation channel from the discharge part to the adjacent introduction part.
  • the fuel cell is characterized in that the introduction portion forms an ejector that causes an accompanying flow in the gas in the circulation flow path as the anode gas is ejected.
  • the thermal effect of the anode exhaust gas on the anode gas is avoided as much as possible, and carbon deposition in the anode gas introduction path is suppressed. Good ejector function can be maintained.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view (A) of a fuel cell for explaining a first embodiment of a fuel cell according to the present invention, and a cross-sectional view (B) of a fuel cell with one side omitted.
  • FIG. 2 is a plan view (A) for explaining the flow of anode gas and cathode gas in the fuel cell shown in FIG. 1, and a perspective view (B) of a fuel cell stack formed by stacking the fuel cells shown in FIG.
  • FIG. 1A is a plan view for explaining the main part of the gas guide member shown in FIG. 1,
  • FIG. 1B is a cross-sectional view at position A shown in FIG. A,
  • FIG. 1A is a cross-sectional view at position B shown in FIG.
  • FIG. 2 is a plan view (A) illustrating a main part of the gas guide member shown in FIG. 1, a cross-sectional view (B) at a position D shown in FIG. A, and a cross-sectional view (C) at a position E shown in FIG. .
  • FIG. 1 schematically includes a disk-shaped single cell 1, a disk-shaped interconnector 2, and a gas guide member 3 interposed between the single cell 1 and the interconnector 2. Concentric.
  • the unit cell 1 has a structure in which a solid electrolyte layer 1A is sandwiched between a fuel electrode layer 1B and an air electrode layer 1C, and has a circular opening 4 in the center. .
  • each of the layers 1A to 1C is annular (annular).
  • the solid electrolyte layer 1A is 8 mol% yttria stabilized zirconia
  • the fuel electrode layer 1B is a cermet of nickel + yttria stabilized zirconia
  • the air electrode layer 1C is lanthanum strontium manganite. .
  • the fuel cell C reforms the gas inside the cell using gas obtained by vaporizing liquid fuel such as gasoline or ethanol, or hydrocarbon gas such as methane, propane or natural gas as an anode gas. It can be applied to an internal reforming fuel cell.
  • the single cell 1 includes a solid electrolyte layer (1A) that conducts oxide ions, an internal reforming of the anode gas, and an internal reforming of oxygen ions, hydrogen, methane, carbon monoxide, and the like that have passed through the electrolyte layer.
  • a fuel electrode layer (1B) for reacting the subsequent fuel and an air electrode layer (1C) having oxygen ion conductivity and electron conductivity are provided.
  • the single cell 1 includes, as examples of support forms, an electrode support cell that supports other layers by an air electrode layer or a fuel electrode layer, an electrolyte support cell that supports other layers by an electrolyte layer, and a porous metal. However, it is not limited to a porous metal support cell that supports three layers.
  • the interconnector 2 has a function as a separator that forms a closed space between the single cell 1 and is made of metal, and is made of stainless steel as an example.
  • the interconnector 2 is joined to the single cell 1 so as to face the fuel electrode layer 1B.
  • the outer peripheral ring member 6 is bonded to the outer peripheral portion of the single cell 1 on the surface of the single cell 1 on the air electrode layer 1C side through a bonding material 5 such as a glass bonding material or brazing.
  • the outer peripheral ring member 6 and the outer peripheral portion of the interconnector 2 are joined in an airtight manner by diffusion bonding. Thereby, a space (gas flow path) having a certain thickness is formed between the fuel electrode layer 1B of the single cell 1 and the interconnector 2, and the anode gas (fuel gas containing hydrogen or fuel containing hydrogen) is formed in this space. Reformed gas).
  • the joining method of each member is not limited to the above, and can be appropriately selected.
  • a central flow path member 7 having a diameter smaller than the inner diameter is arranged concentrically in the opening 4 of the single cell 1.
  • the central flow path member 7 is made of metal, has a thickness equivalent to that of the single cell 1, and functions as a spacer.
  • an inner ring member 8 having a diameter larger than the inner diameter of the opening 4 is concentrically disposed in the center of the single cell 1 on the air electrode layer 1C side.
  • the inner ring member 8 is made of metal and is bonded to the central flow path member 7 by diffusion bonding. At this time, a bonding material 9 is interposed between the solid electrolyte layer 1 ⁇ / b> A of the single cell 1. ing.
  • the air electrode layer 1C is exposed to the outside of the cell between the outer ring member 6 and the inner ring member 8.
  • the gas guide member 3 is interposed between the fuel electrode layer 1 ⁇ / b> B of the single cell 1 and the interconnector 2, and has an anode gas introduction part 10, and an anode gas discharge part 11 adjacent to the introduction part 10.
  • a partition part 3B for forming a gas flow path from the introduction part 10 to the discharge part 11 between the single cell 1 and the interconnector 2 and a circulation flow path 12 described in detail later are provided.
  • the introduction part 10 is a part for introducing anode gas into the gas flow path between the single cell 1 and the interconnector 2
  • the discharge part 11 is a part for discharging anode gas (anode exhaust gas) from the gas flow path. is there.
  • the gas guide member 3 in the illustrated example corresponds to the disk-shaped single cell 1 and interconnector 2, and includes a plurality of introduction portions 10 and a plurality of discharges along the outer periphery. It has circular main body portions 3A in which the portions 11 are alternately arranged, and a plurality of rib-shaped partition portions 3B that are arranged radially from the main body portion 3A. In this embodiment, there are eight introduction sections 10 and eight discharge sections 11, and 16 partition sections 3B are provided so as to be separated from each other.
  • the partition portion 3 ⁇ / b> B protrudes on the fuel electrode layer 1 ⁇ / b> B of the single cell 1 and has a length that does not hinder the circumferential gas flow in the outer peripheral portion of the single cell 1.
  • each of the interconnector 2, the flow path forming member 3, the central flow path member 7 and the inner peripheral ring member 8 has a central hole HA at the center, and on a concentric circle separated from the central hole HA, Eight side holes HB are formed at intervals of 45 degrees.
  • Each central hole HA communicates with each other between the members (2, 3, 7, 8) in the assembled state to form an anode gas supply path.
  • each side hole HB communicates with each other to form an anode gas discharge path in the same assembled state. It is possible to reverse the supply path and the discharge path.
  • the gas guide member 3 described above forms a gas flow path with a mating member to be joined to the gas guide member 3. That is, the gas guide member 3 has a large number of grooves formed radially on the surface on the unit cell 1 side, and the surface having these grooves is joined to the central flow path member 7 which is a counterpart member. For this bonding, for example, diffusion bonding is used. As a result, as shown by a dotted line in FIG. 2A, the groove extending from the central hole HA to the outer peripheral surface of the main body 3A becomes the anode gas introduction part 10. Further, as shown by a solid line in FIG. 2A, a groove extending from each side hole HB to the outer peripheral surface of the main body 3A is an anode gas discharge part 11.
  • the gas guide member 3 has the introduction portions 10 and the discharge portions 11 arranged alternately along the circumferential direction of the main body portion 3A. Moreover, the gas guide member 3 forms the gas flow path which has the forward path part P and the return path part Q as shown to FIG. 2 (A) by the structure which has said main-body part 3A and several partition part 3B.
  • the gas flow path enters the forward path part P from each introduction part 10 and moves toward the outer periphery of the single cell along the partition part 3B.
  • the leading end is folded back to enter the return path portion Q on both adjacent sides, and reaches the discharge portion 11 toward the center of the single cell.
  • the anode gas can be sufficiently supplied to the entire area of the fuel electrode layer 1B.
  • the cathode gas is generally air, and is circulated from one side of the fuel cell C to the other side as shown by a dotted arrow in FIG. Is supplied to the air electrode layer 1 ⁇ / b> C exposed to the surface.
  • a plurality of the fuel cells C are stacked with a gap therebetween, and a predetermined load is applied in the stacking direction to form a fuel cell stack S.
  • the fuel cell stack S is maintained in the pressurizing state in the stacking direction by the end plates disposed at both ends in the stacking direction and the bolts penetrating the center line of the central hole HA of each fuel cell C.
  • the fuel cell stack S is accommodated in a case 50 indicated by a broken line in FIG.
  • the fuel cell C supplies the anode gas to the fuel electrode layer 1B inside the battery, introduces the cathode gas into the case 50, and supplies it to the air electrode layer 1C outside the battery, so that the single cell 1 Electric energy is generated by an electrochemical reaction.
  • the gas guide member 3 includes the main body portion 3, the introduction portion 10, the discharge portion 11, and the partition portion 3 ⁇ / b> B, and the circulation flow path from the discharge portion 11 to the adjacent introduction portion 10.
  • the introduction portion 10 forms an ejector E that causes an accompanying flow in the gas in the circulation flow path 12 as the anode gas is ejected.
  • the circulation channel 12 is continuously formed along the outer periphery of the main body 3A of the gas guide member 3 as shown by the dotted line in FIG. 2A and FIG. 3A.
  • the circulation channel 12 is formed with a groove in the main body 3A of the gas guide member 3 and is joined to the gas guide member 3, that is, the single cell 1 and the interconnector 2 in the same manner as the introduction portion 10 and the discharge portion 11. And any member of the central flow path member 7 can be formed.
  • the introduction unit 10 includes a nozzle unit 10A that narrows the anode gas flow path to increase the gas flow rate, an anode gas ejected from the nozzle unit 10A, and a circulating flow associated therewith.
  • a throat portion 10B that mixes the gas in the passage 12 and a diffuser portion 10C that diffuses the mixed gas and restores the dynamic pressure to a static pressure are provided.
  • the nozzle portion 10 ⁇ / b> A is formed in the main body portion 3 ⁇ / b> A of the gas guide member 3.
  • the throat portion 10B and the diffuser portion 10C are arranged between the flow passage forming portions 3C and 3C by disposing the flow passage forming portions 3C and 3C in opposing portions of the partition portions 3B and 3B located on both sides of the introduction portion 10. Is formed.
  • the circulation flow path 12 is opened toward the throat portion 10 ⁇ / b> B on the outer periphery of the main body portion 3 ⁇ / b> A of the gas guide member 3.
  • the gas guide member 3 includes the nozzle portion 10A of the introduction portion 10 on the interconnector 2 side (lower side in FIG. 4B).
  • the circulation channel 12 is provided on the single cell 1 side (upper side in FIG. 4B).
  • the fuel cell C having the above configuration generates electric energy in the single cell 1 by supplying anode gas to the fuel electrode layer 1B and supplying cathode gas to the air electrode layer 1C as described above. At this time, the ejector E in the gas guide member 3 functions.
  • the fuel cell C when the fuel cell C pressurizes and supplies the anode gas into the gas flow path through the gas guide member 3, the fuel cell C causes the throat portion 10B to eject the anode gas whose flow rate is increased by the nozzle portion 10A in the introduction portion 10.
  • the vicinity of the throat portion 10B is set to a negative pressure, and the anode exhaust gas in the circulation flow path 12 is drawn out as an accompanying flow.
  • the fuel cell C mixes a new anode gas and anode exhaust gas in the throat portion 10B, diffuses the mixed gas in the diffuser portion 10C, and supplies the mixed gas to the fuel electrode layer 1B of the single cell 1.
  • the extraction of the anode exhaust gas in this way is the function of the ejector E, which is continuously performed with the pressurized supply of new anode gas.
  • the water vapor contained in the anode exhaust gas is equal to or higher than a predetermined flow rate relative to the carbon flow rate of the fuel in the mixed anode gas, that is, the fuel in the new anode gas and the unused fuel in the anode exhaust gas, It is possible to suppress carbon deposition in the introduction portion 10 which is the anode gas introduction path.
  • the anode gas introduction part 10 and the anode exhaust gas circulation passage 12 are independent in the gas guide member 3, and both are joined at the throat part 10B. The thermal influence of anode exhaust gas (fuel electrode side exhaust) on (new fuel) is avoided as much as possible.
  • the fuel cell C can suppress the carbon deposition in the introduction path of the anode gas, that is, the introduction section 10, and can prevent the situation where the introduction section 10 becomes narrow due to carbon deposition.
  • the function of the ejector E can be maintained for a long time.
  • the fuel cell C can effectively use the water vapor in the anode exhaust gas without using an external circulation system due to the function of the ejector E. That is, since the fuel cell C does not require a circulation blower (pump) or the like that constitutes an external circulation system, the system configuration can be reduced to realize cost reduction and energy saving.
  • each fuel cell C includes the ejector E, so that the anode gas can be evenly distributed to each fuel cell C. .
  • the fuel cell C can form a simple and small ejector E in the gas guide member 3 by adopting the introduction portion 10 including the nozzle portion 10A, the throat portion 10B, and the diffuser portion 10C. This can contribute to miniaturization of the fuel cell C.
  • the fuel cell C includes an introduction portion 10 and a discharge portion 11 between a gas guide member 3 and a mating member joined thereto, that is, a mating member such as the single cell 1, the interconnector 2, and the central flow path member 7.
  • a gas flow path such as the circulation flow path 12 is formed. That is, in the fuel cell C, the gas guide member 3 may be grooved by edging or the like and joined to the mating member, and the gas flow path can be easily formed by simple assembly of the members.
  • the gas guide member 3 since the gas guide member 3 includes the nozzle portion 10A of the introduction portion 10 on the interconnector 2 side and the circulation channel 12 on the single cell 1 side, the fuel electrode of the single cell 1 The new anode gas can be prevented from coming into direct contact with the surface of the layer 1B, and carbon deposition in the fuel electrode layer 1B can be avoided.
  • FIG. 5 and 6 are diagrams for explaining the second and third embodiments of the fuel cell according to the present invention.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the downstream end S of the throat portion 10B of the introduction portion 10 is air in the flow direction of the anode gas flowing out from the gas guide member 3 (right direction in FIG. 5). It arrange
  • the fuel cell C of this embodiment has a disk shape, and the constituent members are arranged concentrically. Therefore, the inner diameter dc of the fuel electrode layer 1C is larger than the outer diameter ds of the throat portion 10B (ds ⁇ dc). )is doing.
  • the fuel cell C having the above-described configuration can suppress the carbon deposition in the introduction unit 10 and maintain the function of a good ejector E over a long period of time.
  • the fuel cell C generates a negative pressure by the nozzle portion 10A and the throat portion 10B, and circulates the anode exhaust gas by the action of the ejector E, so that the downstream of the throat portion 10B.
  • the air electrode layer 1C is disposed on the inner surface (the inner diameter dc of the fuel electrode layer 1C is made larger than the outer diameter ds of the throat portion 10B), thereby maintaining high-efficiency power generation without decreasing the electrode reaction rate. can do.
  • the downstream end n of the nozzle portion 10 ⁇ / b> A of the introduction portion 10 is the fuel electrode layer 1 ⁇ / b> B. It is arrange
  • the fuel cell C of this embodiment has a disk shape, and the constituent members are arranged concentrically. Therefore, the inner diameter da of the fuel electrode layer 1C is set to be larger than the outer diameter dn which is the position of the outlet of the nozzle portion 10A. It is small (dn> da).
  • the fuel cell C having the above-described configuration can suppress the carbon deposition in the introduction unit 10 and maintain the function of a good ejector E over a long period of time. Further, since the fuel cell C mixes the new anode gas ejected from the nozzle portion 10A and the anode exhaust gas introduced by the action of the ejector E, the downstream end n of the nozzle portion 10A is used as the fuel electrode. The mixed gas is disposed at the downstream side of the upstream end a of the layer 1B (the inner diameter da of the fuel electrode layer 1C is made smaller than the outer diameter dn of the nozzle portion 10A). By contacting the catalyst surface in 1B, an endothermic reaction can be generated by a reforming reaction between water vapor in the anode exhaust gas and the anode gas.
  • the fuel cell C is provided with a joint portion (for example, a joint portion by glass joining) between the single cell 1 and the gas guide member 3 inside the region where the endothermic reaction occurs.
  • a joint portion for example, a joint portion by glass joining
  • the temperature decreases due to the endothermic reaction.
  • the configuration of the fuel cell of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and details of the configuration can be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention.
  • the shape of the fuel cell of the present invention is not particularly limited, and may be, for example, a rectangular shape.
  • the reaction gas supply channel and the discharge channel are arranged in the central portion, and the reaction gas is sufficiently supplied to the entire single cell.
  • the power generation efficiency is small and the power generation efficiency is good.
  • the fuel cell stack is also reduced in size, and is very useful as an in-vehicle power source.

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Abstract

　電解質層１Ａを燃料極層１Ｂと空気極層１Ｃとで挟んだ構造を有する単セル１と、燃料極層１Ｂに相対向する状態にして単セル１に接合したインターコネクタ２と、燃料極層１Ｂとインターコネクタ２との間に介装したガスガイド部材３とを備え、ガスガイド部材３が、アノードガスの導入部１０と、これに隣接した排出部１１と、導入部１０から排出部１１に至るガス流路を形成するための仕切り部３Ｂと、排出部１１から導入部１０に至る循環流路１２とを有し、導入部１０が、アノードガスの噴出に伴って循環流路１２内のガスに随伴流を生じさせるエゼクタＥを形成している燃料電池Ｃとし、導入部１０における炭素析出を抑制して、良好なエゼクタ機能を維持する。

Description

燃料電池
　本発明は、固体電解質型の燃料電池の改良に関するものである。
　従来、上記したような燃料電池としては、例えば、特許文献１に記載されているものがあった。特許文献１に記載の燃料電池は、固体電解質型の燃料電池であって、外側から順に空気極、固体電解質及び燃料極を有する円筒形セルを備えている。この円筒形セルは、先端部が閉塞されていて、軸線上に、先端部を燃料噴出口とした燃料供給配管を備えている。また、燃料供給配管の軸線上には、水蒸気配管が配置してある。水蒸気配管は、燃料供給配管の燃料噴出口の近傍で開口する水蒸気吹出口と、燃料供給配管の基端部付近で開口する水蒸気導入口を有し、水蒸気を含む燃料極側排気の一部を流通させる。
　この燃料電池は、燃料供給配管の燃料噴出口及び水蒸気配管の水蒸気噴出口により、燃料の噴出に伴って随伴流を生じさせるエゼクタを構成している。すなわち、上記の燃料電池は、燃料供給管からの燃料の噴出に伴って、燃料噴射口の付近を負圧にし、水蒸気噴出口から水蒸気（燃料極側排気）を引き出す。このようなエゼクタ効果を利用して、水蒸気配管に水蒸気を流通させ、燃料極に対して燃料と水蒸気を混合して供給し、燃料極側排気中の水蒸気を利用して、燃料極における水蒸気不足に起因する炭素析出を防止する。
日本国特開平１１－１０２７１６号公報
　ところが、上記したような従来の燃料電池にあっては、燃料供給配管の軸線上に水蒸気配管を配置している構成であることから、水蒸気配管を流れる水蒸気（燃料極側排気）の熱により、燃料供給配管を流れる新規燃料が高温になり、その熱分解により燃料供給配管内に炭素析出が生じて所望のエゼクタ効果が損なわれる虞があるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
　本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、アノードガスの導入経路にエゼクタを有する燃料電池において、アノードガスの導入経路における炭素析出を抑制して、良好なエゼクタの機能を維持することができる燃料電池を提供することを目的としている。
　本発明に係わる燃料電池は、電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セルと、燃料極層に相対向する状態にして単セルに接合したインターコネクタと、燃料極層とインターコネクタとの間に介装したガスガイド部材とを備えている。また、燃料電池は、前記ガスガイド部材が、アノードガスの導入部と、この導入部に隣接したアノードガスの排出部と、導入部から排出部に至るガス流路を形成するための仕切り部と、排出部から隣接する導入部に至る循環流路とを有している。そして、燃料電池は、前記導入部が、アノードガスの噴出に伴って循環流路内のガスに随伴流を生じさせるエゼクタを形成していることを特徴としている。
　本発明の燃料電池によれば、アノードガスの導入経路にエゼクタを有する燃料電池において、アノードガスに対するアノード排ガスの熱影響が極力回避されることとなり、アノードガスの導入経路における炭素析出を抑制して、良好なエゼクタの機能を維持することができる。
本発明に係わる燃料電池の第１実施形態を説明する燃料電池の分解斜視図（Ａ）、及び片側を省略した燃料電池の断面図（Ｂ）である。 図１に示す燃料電池におけるアノードガス及びカソードガスの流通を説明する平面図（Ａ）、及び図１に示す燃料電池を積層して成る燃料電池スタックの斜視図（Ｂ）である。 図１に示すガスガイド部材の要部を説明する平面図（Ａ）、図Ａ中に示すＡ位置での断面図（Ｂ）、図Ａ中に示すＢ位置での断面図（Ｃ）、及び図Ａ中に示すＣ位置での断面図（Ｄ）である。 図１に示すガスガイド部材の要部を説明する平面図（Ａ）、図Ａ中に示すＤ位置での断面図（Ｂ）、図Ａ中に示すＥ位置での断面図（Ｃ）である。 本発明に係わる燃料電池の第２実施形態を説明する断面図（Ａ）、ガスガイド部材における位置とアノードガスの圧力との関係を示すグラフ（Ｂ）である。 本発明に係わる燃料電池の第３実施形態を説明する断面図である。
〈第１実施形態〉
　図１～図４は、本発明の燃料電池の一実施形態を説明する図である。図１に示す燃料電池Ｃは、概略として、円板状の単セル１と、同じく円板状のインターコネクタ２と、単セル１とインターコネクタ２との間に介装したガスガイド部材３を同心状に備えている。
　単セル１は、図２に示すように、固体電解質層１Ａを燃料極層１Ｂと空気極層１Ｃとで挟んだ構造を有しており、中央に円形状の開口部４を有している。このため、各層１Ａ～１Ｃは環状（円環状）である。一例として、固体電解質層１Ａは、８モル％イットリア安定化ジルコニアであり、燃料極層１Ｂは、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットであり、空気極層１Ｃは、ランタンストロンチュウムマンガナイトである。
　また、本発明に係る燃料電池Ｃは、ガソリンやエタノールなどの液体燃料を気化させたガスや、メタンやプロパン、天然ガスなどの炭化水素系ガスをアノードガスとして、これを電池内部で改質する内部改質型燃料電池に適用することができる。この場合、単セル１は、酸化物イオンを伝導させる固体電解質層（１Ａ）と、アノードガスを内部改質し、電解質層を通過した酸素イオンと水素やメタンや一酸化炭素などの内部改質後の燃料を反応させる燃料極層（１Ｂ）と、酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する空気極層（１Ｃ）とを備えたものとなる。
　なお、単セル１は、その支持形態の例として、空気極層若しくは燃料極層により他の層を支持する電極支持型セル、電解質層により他の層を支持する電解質支持型セル、及び多孔金属により３つの層を支持する多孔金属支持型セルなどがあるが、これらに限定されるものではない。
　インターコネクタ２は、単セル１との間に閉空間を形成するセパレータとしての機能を有するものであって、金属製であり、一例としてステンレス製である。このインターコネクタ２は、燃料極層１Ｂに相対向する状態にして単セル１に接合してある。具体的には、単セル１の空気極層１Ｃ側の面において、単セル１の外周部に、ガラス接合材やロウ付けなどの接合材５を介して、外周リング部材６を接合する。
　そして、外周リング部材６とインターコネクタ２の外周部を拡散接合により気密的に接合する。これにより、単セル１の燃料極層１Ｂとインターコネクタ２との間には、一定の厚さを有する空間（ガス流路）が形成され、この空間にアノードガス（水素を含む燃料ガスあるいは燃料改質ガス）を流通させる。なお、各部材の接合方法は　上記の限りではなく、適宜選択可能である。
　単セル１の開口部４には、その内径よりも小さい直径を有する中央流路部材７を同心状に配置する。中央流路部材７は、金属製であって、単セル１と同等の厚さを有し、スペーサとして機能する。
　また、単セル１の空気極層１Ｃ側の中央には、開口部４の内径よりも大きい直径を有する内周リング部材８を同心状に配置する。内周リング部材８は、金属製であって、中央流路部材７に対して拡散接合により接合され、この際、単セル１の固体電解質層１Ａとの間には接合材９を介装している。
　上記のように燃料電池Ｃを組立てた状態において、空気極層１Ｃは，外周リング部材６と内周リング部材８との間で電池外部に露出している。
　ガスガイド部材３は、単セル１の燃料極層１Ｂとインターコネクタ２との間に介装してあり、アノードガスの導入部１０と、この導入部１０に隣接したアノードガスの排出部１１と、単セル１とインターコネクタ２との間において導入部１０から排出部１１に至るガス流路を形成するための仕切り部３Ｂと、後に詳述する循環流路１２とを有するものである。導入部１０は、単セル１とインターコネクタ２との間のガス流路にアノードガスを導入する部位であり、排出部１１は、前記ガス流路からアノードガス（アノード排ガス）を排出する部位である。
　図示例のガスガイド部材３は、円板状である単セル１及びインターコネクタ２に対応して、図２（Ａ）にも示すように、外周に沿って複数の導入部１０と複数の排出部１１を交互に配置した円形状の本体部３Ａと、この本体部３Ａから放射状に配置した複数のリブ状の仕切り部３Ｂを有している。この実施形態では、導入部１０及び排出部１１が夫々８つずつであり、これらを互いに隔てるように１６本の仕切り部３Ｂが設けてある。仕切り部３Ｂは、単セル１の燃料極層１Ｂ上に突き出しており、単セル１の外周部における周方向のガスの流れを妨げない長さである。
　ここで、前記インターコネクタ２、流路形成部材３、中央流路部材７及び内周リング部材８は、いずれも中心部に中央孔ＨＡを有し、この中央孔ＨＡから離間した同心円上に、８つの側部孔ＨＢが４５度間隔で形成してある。各中央孔ＨＡは、上記各部材（２，３，７，８）を組立てた状態において、部材間で互いに連通してアノードガスの供給経路を形成する。また、各側部孔ＨＢは、同じく組立てた状態において、部材間で互いに連通してアノードガスの排出経路を形成する。なお、供給経路と排出経路とを逆にすることも可能である。
　上記のガスガイド部材３は、これに接合する相手部材との間でガスの流路を形成している。すなわち、ガスガイド部材３は、単セル１側の面に、多数の溝が放射状に形成してあり、これらの溝を有する面を相手部材である中央流路部材７に接合する。この接合には、例えば拡散接合が用いられる。これにより、図２（Ａ）中に点線で示すように、前記中央孔ＨＡから本体部３Ａの外周面に至る溝がアノードガスの導入部１０となる。また、図２（Ａ）中に実線で示すように、各側部孔ＨＢから本体部３Ａの外周面に至る溝がアノードガスの排出部１１となる。
　このようにして、ガスガイド部材３は、本体部３Ａの円周方向に沿って、導入部１０と排出部１１とを交互に配置したものとなっている。また、ガスガイド部材３は、上記の本体部３Ａ及び複数の仕切り部３Ｂを有する構成により、図２（Ａ）に示すように、往路部Ｐ及び復路部Ｑを有するガス流路を形成する。
　ガス流路は、図２（Ａ）中にアノードガスの流れを太い矢印で示すように、各導入部１０から往路部Ｐに入り、仕切り部３Ｂに沿って単セル外周に向かい、仕切り部３Ｂの先端を折り返して隣接する両側の復路部Ｑに入り、単セル中心に向かって排出部１１に至るものである。これにより、燃料極層１Ｂの全域に対してアノードガスを充分に供給し得る。なお、カソードガスは、一般的に空気であって、図２（Ａ）中に点線矢印で示すように、燃料電池Ｃの一方側から他方側に向けて流通させることで、燃料電池Ｃの外部に露出する空気極層１Ｃに供給される。
　上記の燃料電池Ｃは、図２（Ｂ）に示すように、互いに間隙を介して複数積層し、その積層方向に所定の荷重を付与して燃料電池スタックＳを構成する。このとき、燃料電池スタックＳは、積層方向の両端部に配置したエンドプレートや、各燃料電池Ｃの中央孔ＨＡの中心線上を貫通するボルトにより、積層方向の加圧状態が維持される。この燃料電池スタックＳは、図２（Ｂ）中に破線で示すケース５０に収容される。そして、燃料電池Ｃは、電池内部の燃料極層１Ｂにアノードガスを供給し、ケース５０内にカソードガスを導入してこれを電池外部の空気極層１Ｃに供給することで、単セル１における電気化学反応により電気エネルギを発生する。
　ここで、上記の燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３が、本体部３、導入部１０、排出部１１、及び仕切り部３Ｂを有すると共に、排出部１１から隣接する導入部１０に至る循環流路１２を有し、前記導入部１０が、図３（Ａ）に示すように、アノードガスの噴出に伴って循環流路１２内のガスに随伴流を生じさせるエゼクタＥを形成している。
　循環流路１２は、図２（Ａ）中の点線や図３（Ａ）に示すように、ガスガイド部材３の本体部３Ａの外周に沿って連続的に形成してある。この循環流路１２は、導入部１０や排出部１１と同様に、ガスガイド部材３の本体部３Ａに溝を形成し、ガスガイド部材３に接合する相手部材、すなわち単セル１、インターコネクタ２及び中央流路部材７のいずれかの部材との間で形成することができる。
　また、導入部１０は、図３（Ａ）に示すように、アノードガスの流路を絞り込んでガス流速を増大させるノズル部１０Ａと、ノズル部１０Ａから噴出したアノードガスとこれに随伴する循環流路１２内のガスとを混合させるスロート部１０Ｂと、その混合ガスを拡散させて動圧を静圧に回復させるディフューザ部１０Ｃとを備えている。
　図示例では、ノズル部１０Ａは、ガスガイド部材３の本体部３Ａに形成されている。また、スロート部１０Ｂ及びディフューザ部１０Ｃは、導入部１０の両側に位置する仕切り部３Ｂ，３Ｂの相対向部分に流路形成部３Ｃ，３Ｃを配置して、両流路形成部３Ｃ，３Ｃ間に形成されている。このような導入部１０に対し、循環流路１２は、ガスガイド部材３の本体部３Ａの外周において、スロート部１０Ｂに向けて開放されている。
　また、この実施形態における燃料電池Ｃでは、図４に示すように、前記ガスガイド部材３が、導入部１０のノズル部１０Ａをインターコネクタ２側（図４（Ｂ）で下側）に備えると共に、循環流路１２を単セル１側（図４（Ｂ）で上側）に備えている
　上記構成を備えた燃料電池Ｃは、単セル１において、先述の如く燃料極層１Ｂにアノードガスを供給し、空気極層１Ｃにカソードガスを供給することで電気エネルギを発生することとなり、この際、ガスガイド部材３におけるエゼクタＥが機能する。
　すなわち、燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３を介しガス流路内にアノードガスを加圧供給すると、導入部１０において、ノズル部１０Ａで流速を増大させたアノードガスをスロート部１０Ｂに噴出させることで、スロート部１０Ｂの付近を負圧にし、循環流路１２内のアノード排ガスを随伴流として引き出す。そして、燃料電池Ｃは、スロート部１０Ｂにおいて、新規のアノードガスとアノード排ガスとを混合し、その混合ガスをディフューザ部１０Ｃで拡散させて、単セル１の燃料極層１Ｂに供給する。このようにアノード排ガスの引き出しを行うのがエゼクタＥの機能であり、新規のアノードガスの加圧供給に伴って連続的に行われる。
　上記の燃料電池Ｃでは、アノード排ガスに含まれる水蒸気が、混合したアノードガス中の燃料、すなわち新規アノードガス中の燃料及びアノード排ガス中の未使用燃料の炭素流量に対して所定の流量以上となり、アノードガスの導入経路である導入部１０における炭素析出を抑制することができる。また、燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３において、アノードガスの導入部１０と、アノード排ガスの循環流路１２が夫々独立しており、双方がスロート部１０Ｂで合流する構成であるため、アノードガス（新規燃料）に対するアノード排ガス（燃料極側排気）の熱影響が極力回避される。
　このようにして、燃料電池Ｃは、アノードガスの導入経路すなわち導入部１０における炭素析出を抑制して、導入部１０が炭素析出により狭くなるような事態を未然に阻止することができ、良好なエゼクタＥの機能を長期にわたって維持することができる。
　また、燃料電池Ｃは、エゼクタＥの機能により、外部の循環系を用いずにアノード排ガス中の水蒸気を有効に利用することができる。つまり、燃料電池Ｃは、外部の循環系を構成する循環ブロア（ポンプ）などが不要であるから、システム構成を小さくして、低コスト化や省エネルギーを実現することができる。
　一般に、燃料電池の外部に備える循環ブロアの場合、アノードガスの導入部には，新規のアノードガス及びアノード排ガスを導入するので、アノードガスの体積流量が多くなり、導入部の流路断面積を大きくせざるを得ない。これに対して、上記実施形態の燃料電池Ｃでは、ガスガイド部材３にエゼクタＥを設けているので、導入部１０には主として新規のアノードガスのみを供給すれば良く、導入部１０の断面積を小さくして燃料電池Ｃ自体を小型化することができる。
　また、上記の燃料電池Ｃを積層して成る燃料電池スタックＳにおいては、個々の燃料電池ＣがエゼクタＥを備えているので、各燃料電池Ｃにアノードガスの分配性を均一化することができる。
　さらに、燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３において、ノズル部１０Ａ、スロート部１０Ｂ及びディフューザ部１０Ｃを備えた導入部１０を採用したことにより、簡単で且つ小型のエゼクタＥを形成することができ、燃料電池Ｃの小型化に貢献することができる。
　さらに、燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３が、これに接合する相手部材、すなわち単セル１、インターコネクタ２及び中央流路部材７等の相手部材との間で、導入部１０、排出部１１、循環流路１２などのガスの流路を形成している。つまり、燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３にエッジングなどによる溝加工を施し、これを相手部材と接合すれば良く、部材同士の簡単な組み立てによってガスの流路を容易に形成することができる。
　さらに、燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３が、導入部１０のノズル部１０Ａをインターコネクタ２側に備えると共に、循環流路１２を単セル１側に備えているので、単セル１の燃料極層１Ｂの表面に新規のアノードガスが直接接触するのを抑制して、燃料極層１Ｂにおける炭素析出を回避することができる。
　図５及び図６は、本発明に係わる燃料電池の第２及び第３の実施形態を説明する図である。なお、以下の実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
〈第２実施形態〉
　図５（Ａ）に示す燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３から流出するアノードガスの流れ方向（図５中で右方向）において、導入部１０のスロート部１０Ｂの下流側端部Ｓが、空気極層１Ｃに対応する領域よりも上流側に配置してある。
　この実施形態の燃料電池Ｃは、円盤状であり、各構成部材が同心状に配置されていることから、スロート部１０Ｂの外径ｄｓよりも燃料極層１Ｃの内径ｄｃを大きく（ｄｓ＜ｄｃ）している。
　上記構成を備えた燃料電池Ｃは、先の実施形態と同様に、導入部１０における炭素析出を抑制して、良好なエゼクタＥの機能を長期にわたって維持することができる。また、燃料電池Ｃは、図５（Ｂ）に示すように、ノズル部１０Ａとスロート部１０Ｂにより負圧を生成し、そのエゼクタＥの作用でアノード排ガスを循環させることから、スロート部１０Ｂの下流に空気極層１Ｃを配置しておく（スロート部１０Ｂの外径ｄｓよりも燃料極層１Ｃの内径ｄｃを大きくしておく）ことで、電極反応速度を低下させずに高効率な発電を維持することができる。
〈第３実施形態〉
　図６に示す燃料電池Ｃは、ガスガイド部材３から流出するアノードガスの流れ方向（図６中で右方向）において、導入部１０のノズル部１０Ａの下流側端部ｎが、燃料極層１Ｂの上流側端部ａよりも下流側に配置してある。
　この実施形態の燃料電池Ｃは、円盤状であり、各構成部材が同心状に配置されていることから、ノズル部１０Ａの出口の位置である外径ｄｎよりも燃料極層１Ｃの内径ｄａを小さく（ｄｎ＞ｄａ）している。
　上記構成を備えた燃料電池Ｃは、先の実施形態と同様に、導入部１０における炭素析出を抑制して、良好なエゼクタＥの機能を長期にわたって維持することができる。また、燃料電池Ｃは、ノズル部１０Ａから噴出した新規のアノードガスと、エゼクタＥの作用により導入されたアノード排ガスとを混合するので、この際、ノズル部１０Ａの下流側端部ｎを燃料極層１Ｂの上流側端部ａよりも下流側に配置しておく（ノズル部１０Ａの外径ｄｎよりも燃料極層１Ｃの内径ｄａを小さくしておく）ことで、混合したガスを燃料極層１Ｂ中の触媒表面に接触させて、アノード排ガス中の水蒸気とアノードガスとの改質反応による吸熱反応を発生させることができる。
　さらに、燃料電池Ｃは、単セル１とガスガイド部材３との接合部（例えばガラス接合による接合部）を、上記吸熱反応が生じる領域の内側に設けることで、換言すると、吸熱反応により温度低下する領域を接合部よりも外側に設けることで、破損しやすい接合部に発生する引張応力の低減若しくは圧縮応力化を促すことができる。
　本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の細部を適宜変更することが可能である。また、本発明の燃料電池は、その形状がとくに限定されるものではなく、例えば、矩形等の形状であっても構わない。
　なお、本発明の燃料電池は、上記各実施形態のように円盤状にすれば、反応用ガスの供給路及び排出路を中心部分に配置して、単セル全域に対して反応用ガスを充分に供給することができ、小型で発電効率の良好なものとなる。これにより、燃料電池スタックも小型となり、車載用の電源としても非常に有用である。
　１　単セル
　１Ａ　電解質層
　１Ｂ　燃料極層
　１Ｃ　空気極層
　２　インターコネクタ
　３　ガスガイド部材
　３Ｂ　仕切り部
　１０　導入部
　１０Ａ　ノズル部
　１０Ｂ　スロート部
　１０Ｃ　ディフューザ部
　１１　排出部
　１２　循環流路
　Ｃ　燃料電池
　Ｅ　エゼクタ
　Ｐ　ガス流路の往路部
　Ｑ　ガス流路の復路部

Claims (7)

  1. 　電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セルと、
    　燃料極層に相対向する状態にして単セルに接合したインターコネクタと、
    　燃料極層とインターコネクタとの間に介装したガスガイド部材とを備え、
    　前記ガスガイド部材が、アノードガスの導入部と、この導入部に隣接したアノードガスの排出部と、導入部から排出部に至るガス流路を形成するための仕切り部と、排出部から隣接する導入部に至る循環流路とを有すると共に、
    　前記導入部が、アノードガスの噴出に伴って循環流路内のガスに随伴流を生じさせるエゼクタを形成していることを特徴とする燃料電池。
  2. 　前記導入部が、アノードガスの流路を絞るノズル部と、ノズル部から噴出したアノードガスとこれに随伴する循環流路内のガスとを混合させるスロート部と、その混合ガスを拡散させるディフューザ部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　前記ガスガイド部材が、これに接合する相手部材との間でガスの流路を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
  4. 　前記ガスガイド部材が、導入部のノズル部をインターコネクタ側に備えると共に、循環流路を単セル側に備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
  5. 　ガスガイド部材から流出するアノードガスの流れ方向において、前記導入部のスロート部の下流側端部が、空気極層に対応する領域よりも上流側に配置してあることを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載の燃料電池。
  6. 　ガスガイド部材から流出するアノードガスの流れ方向において、前記導入部のノズル部の下流側端部が、燃料極層の上流側端部よりも下流側に配置してあることを特徴とする請求項２～５のいずれか１項に記載の燃料電池。
  7. 　単セル及びインターコネクタが円盤状であると共に，その中央にガスガイド部材が配置してあり、
    　ガスガイド部が、外周に沿って導入部及び排出部を交互に配置した円形状の本体部と、本体部に対して放射状に配置した仕切り部と、周方向に隣接した導入部と排出部と間に循環流路とを有すると共に、単セルとインターコネクタとの間に、導入部から仕切り部の先端を折り返して隣接する排出部に至るガス流路を形成することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池。
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