JP2004303462A

JP2004303462A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2004303462A
Application number: JP2003091997A
Authority: JP
Inventors: Keiko Kushibiki; 圭子櫛引; Yasushi Nakajima; 靖志中島; Noritoshi Sato; 文紀佐藤; Itaru Shibata; 格柴田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP4124005B2

Abstract

【課題】空気極と燃料極との絶縁性を確保しつつ両ガス相互間シール性を確保する。
【解決手段】多孔質基板９上に燃料極１１，固定酸化物電解質層１３，空気極１５を順次積層してセル１を構成する。セル１の中心部には中心セル枠部１９を、同外周には外周セル枠部１７をそれぞれ設け、セル１とセパレータ３とを複数積層してスタック５を構成する。外周セル枠部１９とセパレータ３との間には導電性中心ホルダ部２５を介装し、セパレータ３とその下層の中心セル枠部１９との間には、絶縁ホルダ部３１を介装する。絶縁ホルダ部３１は、ガス供給路となる凹部３５ａを有する流路付き金属製リング３５および、絶縁リング状シール材３７を備える。導電性中心ホルダ部２５が位置する燃料導入空間２７には、外周の開放部分から燃料を導入する。絶縁ホルダ部３１が位置する空気導入空間４１には、中心部の空気導入通路４７から凹部３５ａを経て空気を供給する。
【選択図】図１An object of the present invention is to secure a sealing property between both gases while securing insulation between an air electrode and a fuel electrode.
A cell is constituted by sequentially laminating a fuel electrode, a fixed oxide electrolyte layer, and an air electrode on a porous substrate. A central cell frame 19 is provided at the center of the cell 1 and an outer cell frame 17 is provided at the outer periphery. A plurality of the cells 1 and the separators 3 are stacked to form a stack 5. A conductive center holder 25 is interposed between the outer peripheral cell frame 19 and the separator 3, and an insulating holder 31 is interposed between the separator 3 and the lower central cell frame 19. The insulating holder section 31 includes a metal ring 35 with a flow path having a concave portion 35 a serving as a gas supply path, and an insulating ring-shaped sealing member 37. The fuel is introduced into the fuel introduction space 27 in which the conductive center holder 25 is located from an open portion on the outer periphery. The air is supplied to the air introduction space 41 where the insulating holder 31 is located from the air introduction passage 47 at the center via the recess 35a.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体電解質の一方の面に燃料極を、同他方の面に酸化剤極をそれぞれ配置したセルと、セパレータとを交互に積層してスタックを構成した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池において、セルとセパレータとを交互に積層して構成したスタックは、セルとセパレータとの間に、空気あるいは燃料ガスの流路を形成してある。このようなスタックの形状として、円盤状のセルおよびセパレータを使用し、空気あるいは燃料ガスのうち少なくとも一方を供給するガス供給管部を、円盤形状の中心部に設けたものが、非特許文献１や特許文献２に記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】
ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＴｈｅ５ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌｓ，Ｐ７９
【０００４】
【特許文献１】
ＵＳＰ６３４４２９０
非特許文献１に記載されたものは、燃料ガスを、スタックの中央部からセルの燃料極とセパレータとの間に導入し、外周部からスタック外部へ排気する。セパレータは２層構造となっており、セパレータの上層の外周部から空気を導入して中央部で折り返し、下層のセルの空気極との間の流路を通過して外周部から排気する。
【０００５】
一方、特許文献１に記載されたものは、セルとセパレータとを積層し、燃料ガスおよび空気ともに、スタックの中央部から供給し、外周部からスタック外部へ排気する。
【０００６】
そして、セルは、多孔質基板上に燃料極、電解質、空気極を積層したものであり、空気極とセパレータとの間の空気流路に、燃料ガスが漏れないように、かつ、セル部で発電させるための絶縁を行うために、空気極と燃料極とを電気的に絶縁する絶縁性シール材でシールしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１のものは、スタック中央部の燃料供給管部内壁に、燃料極、電解質、空気極を積層したセルの端面が露出しており、特に空気極は、ガスが拡散する必要があるので多孔質であり、この多孔質層の端面から空気極流路へ燃料が漏れたり、空気が燃料供給管へ漏れる恐れがある。
【０００８】
このため、上記した燃料や空気の漏れを防止するため燃料と空気の漏れ経路にシールを施す必要があるが、固体酸化物型燃料電池のような高温域で使用する場合、一般にシールは困難を伴ない、そのため微量な漏れが生じる場合がある。これにより、シールを施しても、空気と燃料が反応してシール部が過熱し、シール性能がしだいに低下することが問題となる場合があった。
【０００９】
また、非特許文献１の場合、厚さが極めて薄い空気極端面に対するガスシールを構成する必要があり、さらに、セル部で発電させるためには、空気極と燃料極とを電気的に絶縁する必要もあり、このような機能を満たすシールは微量な漏れがより生じやすい。またこのようなシールは高度な製造技術が必要となり、コストアップを招くものとなる。
【００１０】
一方、特許文献１のものは、スタック中央部から燃料および空気の双方を供給する構造であることから、非特許文献１同様に万一漏れが微量でも生じると、シール部が過熱し、さらにシール性能の低下を招く問題があった。
【００１１】
また、絶縁性シール材によるシール部は、高い面精度により製造後初期の段階でシール性が確保されたとしても、絶縁性シール材として用いるガラスあるいはセラミックスと、金属製セパレータとは、温度変化に対する熱膨張挙動が異なるため、使用に伴い熱衝撃に対して界面でクラックが発生するなどして、シール性が低下し、上記微量な漏れの原因となる。
【００１２】
また、シール性が低下して、両ガスが混合すると、発電に寄与しないところで燃焼反応が起き、発電出力が大きく損失する問題もある。
【００１３】
そこで、この発明は、両ガス相互間のシール性を容易に確保することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、固体電解質の一方の面に燃料極を、同他方の面に酸化剤極をそれぞれ配置したセルと、セパレータとを交互に積層してスタックを構成し、このスタックの中心部において、前記セルと前記セパレータとを、中心ホルダ部で保持し、この中心ホルダ部に燃料ガスと酸化剤ガスとのいずれか一方のガスをスタック内に導入するガス導入通路を設け、この中心ホルダ部のうち前記ガス導入通路から、前記一方のガスを前記セルと前記セパレータとの間の空間に供給するガス供給路、および前記セルと前記セパレータとの間を電気的に絶縁する絶縁部材を備えた中心ホルダ部を絶縁性ホルダとし、前記中心ホルダ部のうち前記スタックの他方のガスが供給される空間に位置する中心ホルダ部を導電性中心ホルダ部とし、前記スタックの外周部において、前記一方のガスが供給される空間に位置して、前記セルと前記セパレータとを保持する導電性外周ホルダ部を設けた構成としてある。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、セルとセパレータとの間の一方のガスを導入する空間における中心部のシールおよび、同他方のガスを導入する空間における外周部のシールは、それぞれ導電性中心ホルダ部および導電性外周ホルダ部によって容易にできるので、燃料および酸化剤両ガスの漏れを確実に防止することができ、また他方のガスを導入する空間における絶縁部材を備えた中心ホルダ部を、他方のガスのみに晒され、両ガスに晒されない構造とすることで、シール性低下に起因する発電出力の低下を防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１７】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の断面図である。この燃料電池は、円盤状のセル１と円盤状のセパレータ３とを、複数交互に積層して全体として円筒形状を呈するスタック５を構成しており、このスタック５は、図２に示すように、ケース７内に収容して使用する。
【００１８】
セル１は、ガス透過性のある導電性の多孔質基板９上に、燃料極１１，固体電解質としての固体酸化物電解質１３，空気極１５を順次形成しており、これらはいずれも中心部が開口するドーナツ形状を呈している。このうち空気極１５は、燃料極１１や固体酸化物電解質１３に比べて外径が小さく、かつ内径が大きく形成してあり、外周部にて露出する固体酸化物電解質１３上には導電性の外周セル枠部１７を、内周部にて露出する固体酸化物電解質１３上には導電性の中心セル枠部１９を、ろう付けによりそれぞれ接合固定してある。
【００１９】
これら各外周セル枠部１７および中心セル枠部１９は、図３にスタック５の平面図として示すように、いずれも環状に形成してある。ここで、中心セル枠部１９と空気極１５とは、電気的に絶縁するために、相互間に所定の間隔をあけて配置する。あるいは、空気極１５の内周部にろう材の染み出しを防止する、例えばろう材をはじくストップオフ材を形成して絶縁を図ることもできる。
【００２０】
また、多孔質基板９の外周部および内周部の、外周セル枠部１７の内周部および中心セル枠部１９の外周部にそれぞれ対応する位置には、多孔質基板９と同材料からなるガス透過性のない環状のバルク材料２１および２３をそれぞれ設けてある。
【００２１】
中心セル枠部１９とセパレータ３との間には、一方の中心ホルダ部となる円筒形状を呈する耐熱ステンレス製の導電性中心ホルダ部２５を介装してある。中心セル枠部１９と導電性中心ホルダ部２５との間は、拡散接合法を用いて接合してシールする。一方導電性中心ホルダ部２５とセパレータ３との間は、相互の接合面を鏡面に研磨する、導電性中心ホルダ部２５の接合面に金メッキを施して締め付ける、金属製シール材を介在させて締め付ける、などにより接合してシールする。
【００２２】
また、上記した導電性中心ホルダ部２５を配置してあるセル１とセパレータ３との間の燃料導入空間２７には、集電体２９を、多孔質基板９およびセパレータ３にそれぞれ接触した状態で収容する。
【００２３】
そして、この集電体２９を収容する燃料導入空間２７は、外周部の全周を開放してあり、この開放部から一方のガスとして燃料ガスを供給する。
【００２４】
セパレータ３と、その下層のセル枠部１９との間には、他方の中心ホルダ部としての円筒状の絶縁性ホルダとなる絶縁ホルダ部３１を配置してある。この絶縁ホルダ部３１は、図１中で上部から金属製ワッシャ３３，流路付き金属製リング３５，絶縁部材としての例えばセラミックス製ワッシャからなる絶縁リング状シール材３７，金属製ワッシャ３９の順に積層したものである。図４に、絶縁ホルダ部３１を構成する上記した各部材の分解斜視図を示す。
【００２５】
セパレータ３と金属製ワッシャ３３とは、拡散接合によって接合する。流路付き金属製リング３５は、その円筒形状の内部と外部とを連通するガス供給路となる凹部３５ａを円周方向等間隔に複数形成してある。この流路付き金属製リング３５と金属製ワッシャ３３とは、拡散接合によって接合する。さらに、流路付き金属製リング３５と絶縁リング状シール材３７との接合および、絶縁リング状シール材３７と金属製ワッシャ３９との接合は、いずれもろう付けによって行う。また、金属性ワッシャ３９とその下層の中心セル枠部１９とは、拡散接合によって接合する。
【００２６】
すなわち、金属同士の接合は拡散接合によって行い、金属と絶縁材（絶縁リング状シール材３７）との接合は、ろう付けによって行っている。ろう付けに代えて、ガラス製やセラミックス製の接着剤により貼付してもよい。
【００２７】
また、上記した絶縁ホルダ部３１を配置してある、セパレータ３とその下層のセル１との間の空気導入空間４１には、集電体４３を、セパレータ３および空気極１５にそれぞれ接触した状態で収容する。
【００２８】
さらに、この空気導入空間４１の外周部におけるセパレータ３と外周セル枠部１７との間には、円筒状の導電性外周ホルダ部４５を介装する。導電性外周ホルダ部４５と、その上下のセパレータ３および外周セル枠部１７とは拡散接合によって接合固定する。
【００２９】
そして、上記したスタック５の中心部には、図１中で上下方向に貫通する空気導入通路４７を設ける。この空気導入通路４７は、他方のガスをスタック５内に導入するガス導入通路を構成する。
【００３０】
空気導入通路４７に導入した空気は、絶縁ホルダ部３１における流路付き金属製リング３５の凹部３５ａを通って空気導入空間４１に供給し、その外周部の図示しない空気排出口に、例えば空気排出管を接続して、前記図２に示してあるケース７の外部へ排出する。
【００３１】
ここで、上記したスタック５では、図１中で上部から、外周セル枠部１７および中心セル枠部１９を含むセル１，導電性中心ホルダ部２５，セパレータ３，絶縁ホルダ部３１の順に、これらを重ね合わせて単位セルを構成する。
【００３２】
この単位セルを多数積層してスタック５となる。この際、単位セルにおける中心セル枠部１９を、前記セル１の空気極１５と電気的に絶縁（図１中Ｐｉ部）させている。なお、外周セル枠部１７と空気極は電気的に通電（図１中Ｐｏ部）させた状態としてもよい。
【００３３】
このようなスタック５を収容する前記図２に示したケース７は、スタック５を収容するケース本体部７ａに、燃料を供給するための燃料供給部７ｂおよび、発電反応により消費された燃料を排出する燃料排出部７ｃをそれぞれ一体に備えている。ケース７内のスタック５は、その中心部を、ケース本体部７ａの中央で上下から挟持して固定保持される。
【００３４】
ケース本体部７ａの下面には、空気導入管４８を接続してあり、空気導入管４８から導入する空気は、スタック５における空気導入通路４７に流れ込む。
【００３５】
またケース７には、配管ユニット４９を接続してある。配管ユニット４９は、燃料供給部７ｂに接続する燃料供給管部４９ａと、燃料排出部７ｃに接続する燃料排出管部４９ｂと、これら燃料供給管部４９ａと燃料排出管部４９ｂとを互いに接続する燃料循環管部４９ｃとをそれぞれ備えている。
【００３６】
燃料供給管部４９ａの燃料循環管部４９ｃより上流側には、燃料注入管５１を接続し、燃料循環管部４９ｃには、燃料排出管部４９ｂから燃料供給管部４９ａに燃料を循環させるブロワ５３を設ける。燃料排出管部４９ｂの出口５５から排出するガスは、図示しない排出ガス処理系で処理し、処理後のガスを燃料供給管部４９ａに入口５７から戻す。
【００３７】
したがって、スタック５には、燃料注入管５１からの燃料ガスと、ブロワ５３によって強制循環させた排出ガスと、排出ガス処理系で処理後のガスを、それぞれ供給することになり、この供給ガスは、前記した燃料導入空間２７にその外周囲側の開放部から入り込む。
【００３８】
なお、燃料電池システムの効率などによっては、必ずしも排出後のガスを燃料電池に戻さなくてもよい。
【００３９】
上記したブロワ５３により強制循環させる燃料ガスの流速は、できる限り速い方がセル１の表面でのガス交換と熱交換の面で効率と安定性が向上し、発熱がこもりやすい単位セルの中心の冷却に好ましい。ところが、この流速を得るためにはエネルギを消費するので、流速は単位セル相互の積層間の寸法と発電効率と消費エネルギのバランスから決めるとよい。
【００４０】
上記した第１の実施形態によれば、セル１とセパレータ３との間の、一方のガスである燃料ガスを導入する燃料導入空間２７における中心部のシールは、導電性中心ホルダ部２５を、中心セル枠部１９に対して拡散接合する一方、セパレータ３に対しては接合面を鏡面とするなどにより、容易確実にシール性を確保することができる。
【００４１】
また、他方のガスである空気を導入する空気導入空間４１における外周部のシールは、導電性外周ホルダ部４５を、セパレータ３および外周セル枠部１７に対してそれぞれ拡散接合することによって、容易確実にシール性を確保することができる。
【００４２】
これにより、スタック５の外周部に供給する燃料の空気導入通路４７および空気導入空間４１への漏れを防止できるとともに、空気導入通路４７を流れる空気の燃料導入空間２７への漏れおよび、空気導入空間４１内の空気のスタック５外への漏れを防止することができ、燃料と空気との混合を回避できる。
【００４３】
また、空気導入空間４１の中心部における絶縁性シールは、空気のみが接触する位置をシールするので、微少な漏れが発生しても両ガスが接触する場合に比べて熱衝撃を受けにくく、このため隣接する単位セル相互の絶縁性を確保しつつ両ガス相互間シール性を、高度な製造技術を必要とすることなく、容易に確保することができる。
【００４４】
このように、燃料および空気の両ガス相互間のシール性を確保することで、燃焼反応は発電に寄与する部分のみで発生し、高効率な発電出力を得ることができる。
【００４５】
また、ガス流路となる凹部３５ａを備える流路付き金属製リング３５に対しては、金属であることから微細な流路加工が容易であり、スタック５の小型化に寄与することができる。
【００４６】
さらに、単位セルにおける中心セル枠部１９を、セル１と電気的に絶縁させることで、外周セル枠部１７はその上方のセパレータ３と電気的に導通する接合としても電池として機能させることができる。これにより、例えば、セパレータ３と外周セル枠部１７とを、導電性外周ホルダ部４５を間に挟んで、拡散接合したり、または必要箇所をレーザ溶接や電子ビーム溶接により接合することができ、スタック５の製造工程を簡便化することができるとともに、信頼性も向上することができる。
【００４７】
なお、上記したスタック５は、その中心部に、空気導入通路４７とともに空気排出通路を設け、空気導入空間４１に導入した空気を、この中心部の空気排出通路を経てスタック５外へ排出するようにしてもよい。この場合、図２に示すように、ケース７の上面に、空気排出通路に連通する空気排出管５９を接続して排出空気をスタック５外へ排気する。
【００４８】
図５は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の断面図である。第２の実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における導電性中心ホルダ部２５と絶縁ホルダ部３１との配置を入れ替え、かつ第１の実施形態における導電性外周ホルダ部４５を、絶縁ホルダ部３１を配置した燃料導入空間２７０に対応する位置に配置している。
【００４９】
したがって、この実施形態の場合、導電性中心ホルダ部２５が位置する空間（空気導入空間４１０）の外周部が開放されて、この開放部から一方のガスとして空気を導入する。他方のガスとなる燃料は、中心部の燃料導入通路４７０からスタック５内に導入し、絶縁ホルダ部３１における流路付き金属製リング３５の凹部３５ａを通って燃料導入空間２７０に導入する。
【００５０】
空気導入空間４１０に導入した空気の排気は、外周部に適宜排気管を接続して排出する。
【００５１】
なお、この実施形態におけるスタック５０は、図２のものとは別の図示しないケース内に収容してそのケース内に空気を供給することで、空気導入空間４１０に空気を導入することができる。
【００５２】
ここで、上記した図５のスタック５０では、図５中で上部から、中心セル枠部１９を含むセル１，絶縁ホルダ部３１，セパレータ３，導電性中心ホルダ部２５，の順に、これらを重ね合わせて単位セルを構成する。
【００５３】
この単位セルを多数積層してスタック５となる。この際、単位セルにおける外周セル枠部１７を、前記セル１の空気極１５と電気的に絶縁（図５中Ｑｏ）させている。なお、中心セル枠部１９と空気極は電気的に通電（図１中Ｐｏ部）させた状態としてもよい。
【００５４】
上記した第２の実施形態においては、単位セルにおける外周セル枠部１７を、セル１と電気的に絶縁させることで、外周セル枠部１７はその下方のセパレータ３と電気的に導通する接合とすることができる。例えば、セパレータ３と外周セル枠部１７とを、第１の実施形態と同様に、導電性外周ホルダ部４５を間に挟んで、拡散接合したり、または必要箇所をレーザ溶接や電子ビーム溶接により接合することができ、スタック５の製造工程を簡便化することができるとともに、信頼性も向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の断面図である。
【図２】図１の燃料電池をケース内に収容した状態を示す斜視図である。
【図３】図１の燃料電池の上面図である。
【図４】図１の燃料電池における絶縁ホルダ部の分解斜視図である。
【図５】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
１セル
３セパレータ
５，５０スタック
１１燃料極
１３固体酸化物電解質（固定電解質）
１５空気極（酸化剤極）
１７外周セル枠部
１９中心セル枠部
２５導電性中心ホルダ部
２７燃料導入空間（一方のガスが供給される空間）
３１絶縁ホルダ部（絶縁性ホルダ）
３５ａ凹部（ガス供給路）
３７絶縁リング状シール材（絶縁部材）
４１空気導入空間（他方のガスが供給される空間）
４５導電性外周ホルダ部
４７空気導入通路（他方のガスをスタック内に導入するガス導入通路）
２７０燃料導入空間（他方のガスが供給される空間）
４１０空気導入空間（一方のガスが供給される空間）
４７０燃料導入通路（他方のガスをスタック内に導入するガス導入通路）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell in which a cell in which a fuel electrode is arranged on one surface of a solid electrolyte and an oxidant electrode is arranged on the other surface and a separator are alternately stacked to form a stack.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell, a stack formed by alternately stacking cells and separators has a flow path for air or fuel gas formed between the cells and the separator. Non-Patent Document 1 discloses a stack having such a shape that a disc-shaped cell and a separator are used, and a gas supply pipe section that supplies at least one of air and fuel gas is provided at a center portion of the disc. And Patent Document 2.
[0003]
[Non-patent document 1]
Proceedings of The 5th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, P79
[0004]
[Patent Document 1]
USP 6344290
In the technique described in Non-Patent Document 1, a fuel gas is introduced between a fuel electrode of a cell and a separator from a central portion of a stack, and is exhausted from an outer peripheral portion to the outside of the stack. The separator has a two-layer structure, in which air is introduced from the outer peripheral portion of the upper layer of the separator, turned back at the central portion, passed through the flow path between the lower layer cell and the air electrode, and exhausted from the outer peripheral portion.
[0005]
On the other hand, in the device described in Patent Document 1, a cell and a separator are stacked, and both fuel gas and air are supplied from the center of the stack and exhausted from the outer periphery to the outside of the stack.
[0006]
The cell has a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode laminated on a porous substrate, and does not leak fuel gas into an air flow path between the air electrode and the separator. In order to perform insulation for power generation, the air electrode and the fuel electrode are sealed with an insulating sealing material that electrically insulates the air electrode and the fuel electrode.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of Non-Patent Document 1, the end face of the cell in which the fuel electrode, the electrolyte, and the air electrode are stacked is exposed on the inner wall of the fuel supply pipe at the center of the stack. Therefore, fuel is leaked from the end face of the porous layer to the air electrode flow path, and air may leak to the fuel supply pipe.
[0008]
For this reason, it is necessary to seal the leakage path of fuel and air to prevent the above-mentioned leakage of fuel and air. However, when used in a high temperature region such as a solid oxide fuel cell, sealing is generally difficult. Accordingly, a small amount of leakage may occur. As a result, even when sealing is performed, there is a case where a problem occurs that air and fuel react with each other to overheat the seal portion, and the sealing performance gradually decreases.
[0009]
In the case of Non-Patent Document 1, it is necessary to form a gas seal for an extremely thin air extreme surface, and furthermore, in order to generate power in the cell portion, the air electrode and the fuel electrode are electrically insulated. It is also necessary, and a seal fulfilling such a function is more likely to cause a small amount of leakage. In addition, such a seal requires a high level of manufacturing technology, and causes an increase in cost.
[0010]
On the other hand, the structure disclosed in Patent Document 1 has a structure in which both fuel and air are supplied from the center of the stack. There has been a problem that the performance is lowered.
[0011]
In addition, even if the sealing portion of the insulating sealing material is secured at an early stage after manufacturing with high surface accuracy, the glass or ceramics used as the insulating sealing material and the metal separator are resistant to temperature changes. Since the thermal expansion behavior is different, cracks are generated at the interface due to thermal shock during use, and the sealing property is reduced, which causes the above-mentioned minute leakage.
[0012]
Further, when the sealing property is reduced and the two gases are mixed, a combustion reaction occurs where the gas does not contribute to the power generation, and there is a problem that the power generation output is largely lost.
[0013]
Therefore, an object of the present invention is to easily secure the sealing property between the two gases.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a stack in which a fuel electrode is disposed on one surface of a solid electrolyte, a cell having an oxidant electrode disposed on the other surface, and a separator are alternately stacked. A gas introduction passage for holding the cell and the separator in a central holder at a central portion of the stack, and introducing one of a fuel gas and an oxidizing gas into the stack in the central holder; And a gas supply path for supplying the one gas to the space between the cell and the separator from the gas introduction path of the center holder portion, and electrically connecting the cell and the separator. A center holder portion provided with an insulating member for insulation is an insulating holder, and a center holder portion of the center holder portion located in a space to which the other gas of the stack is supplied is a conductive center holder. And parts, at the outer periphery of said stack, located in a space where the one gas is supplied, is a structure in which a conductive outer peripheral holder portion for holding said said cell separator.
[0015]
【The invention's effect】
According to the present invention, the seal at the center in the space for introducing one gas between the cell and the separator and the seal at the outer periphery in the space for introducing the other gas are provided with the conductive center holder and the conductive center holder, respectively. The outer peripheral holder can easily prevent leakage of both fuel and oxidant gases, and the center holder provided with an insulating member in a space for introducing the other gas can be replaced with only the other gas. The structure is not exposed to both gases, so that a decrease in power generation output due to a decrease in sealing performance can be prevented.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. In this fuel cell, a plurality of disk-shaped cells 1 and disk-shaped separators 3 are alternately stacked to form a stack 5 having a cylindrical shape as a whole. As shown in FIG. Used in the case 7.
[0018]
In the cell 1, a fuel electrode 11, a solid oxide electrolyte 13 as a solid electrolyte, and an air electrode 15 are sequentially formed on a gas-permeable conductive porous substrate 9, all of which have a central portion. It has an open donut shape. The air electrode 15 has a smaller outer diameter and a larger inner diameter than the fuel electrode 11 and the solid oxide electrolyte 13, and has a conductive property on the solid oxide electrolyte 13 exposed at the outer peripheral portion. The outer peripheral cell frame portion 17 is fixed to the solid oxide electrolyte 13 exposed at the inner peripheral portion by bonding a conductive central cell frame portion 19 by brazing.
[0019]
Each of the outer peripheral cell frame portion 17 and the center cell frame portion 19 is formed in an annular shape as shown in the plan view of the stack 5 in FIG. Here, the central cell frame portion 19 and the air electrode 15 are arranged at a predetermined interval from each other for electrical insulation. Alternatively, it is also possible to prevent the seepage of the brazing material on the inner peripheral portion of the air electrode 15, for example, to form a stop-off material for repelling the brazing material to achieve insulation.
[0020]
In addition, the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the porous substrate 9 are made of the same material as the porous substrate 9 at positions respectively corresponding to the inner peripheral portion of the outer peripheral cell frame portion 17 and the outer peripheral portion of the central cell frame portion 19. Non-gas permeable annular bulk materials 21 and 23 are provided, respectively.
[0021]
Between the center cell frame portion 19 and the separator 3, a conductive center holder portion 25 made of heat-resistant stainless steel having a cylindrical shape and serving as one center holder portion is interposed. The center cell frame 19 and the conductive center holder 25 are joined and sealed by diffusion bonding. On the other hand, between the conductive center holder 25 and the separator 3, the bonding surface of each other is polished to a mirror surface, the bonding surface of the conductive center holder 25 is gold-plated and tightened, and the metal sealing material is interposed and tightened. , Etc. to seal.
[0022]
In the fuel introduction space 27 between the cell 1 in which the above-described conductive center holder 25 is disposed and the separator 3, a current collector 29 is placed in contact with the porous substrate 9 and the separator 3, respectively. To accommodate.
[0023]
The fuel introduction space 27 accommodating the current collector 29 is open all around the outer peripheral portion, and supplies fuel gas as one gas from the open portion.
[0024]
Between the separator 3 and the cell frame 19 underneath, an insulating holder 31 serving as a cylindrical insulating holder as the other center holder is arranged. The insulating holder portion 31 is laminated from the top in FIG. 1 in the order of a metal washer 33, a metal ring 35 with a flow path, an insulating ring-shaped sealing material 37 made of, for example, a ceramic washer as an insulating member, and a metal washer 39. It was done. FIG. 4 is an exploded perspective view of each of the above-described members constituting the insulating holder portion 31.
[0025]
The separator 3 and the metal washer 33 are joined by diffusion joining. The metal ring 35 with a flow path is formed with a plurality of concave portions 35a serving as gas supply paths communicating the inside and outside of the cylindrical shape at equal intervals in the circumferential direction. The metal ring with flow path 35 and the metal washer 33 are joined by diffusion bonding. Further, the joining between the metal ring with flow path 35 and the insulating ring-shaped sealing material 37 and the joining between the insulating ring-shaped sealing material 37 and the metal washer 39 are both performed by brazing. The metallic washer 39 and the lower central cell frame 19 are joined by diffusion bonding.
[0026]
That is, the bonding between the metals is performed by diffusion bonding, and the bonding between the metal and the insulating material (insulating ring-shaped sealing material 37) is performed by brazing. Instead of brazing, it may be adhered with a glass or ceramic adhesive.
[0027]
In addition, the current collector 43 is in contact with the separator 3 and the air electrode 15 in the air introducing space 41 between the separator 3 and the cell 1 below the separator 3 in which the above-mentioned insulating holder portion 31 is arranged. Housed in.
[0028]
Further, a cylindrical conductive outer peripheral holder 45 is interposed between the separator 3 and the outer peripheral cell frame 17 at the outer peripheral portion of the air introducing space 41. The conductive outer peripheral holder 45 and the upper and lower separators 3 and the outer peripheral cell frame 17 are bonded and fixed by diffusion bonding.
[0029]
In the center of the stack 5 described above, an air introduction passage 47 penetrating vertically in FIG. 1 is provided. This air introduction passage 47 constitutes a gas introduction passage for introducing the other gas into the stack 5.
[0030]
The air introduced into the air introduction passage 47 is supplied to the air introduction space 41 through the concave portion 35a of the metal ring 35 with a flow path in the insulating holder portion 31, and is supplied to an air outlet (not shown) on the outer periphery thereof, for example, through the air discharge port. The pipe is connected and discharged to the outside of the case 7 shown in FIG.
[0031]
Here, in the stack 5 described above, in order from the top in FIG. 1, the cells including the outer peripheral cell frame 17 and the central cell frame 19, the conductive center holder 25, the separator 3, and the insulating holder 31 are arranged in this order. Are superposed to form a unit cell.
[0032]
A large number of such unit cells are stacked to form a stack 5. At this time, the central cell frame portion 19 in the unit cell is electrically insulated from the air electrode 15 of the cell 1 (Pi portion in FIG. 1). The outer cell frame 17 and the air electrode may be electrically energized (Po in FIG. 1).
[0033]
The case 7 that accommodates such a stack 5 shown in FIG. 2 includes a fuel supply unit 7b for supplying fuel to a case body 7a that accommodates the stack 5 and a fuel supply unit that discharges fuel consumed by the power generation reaction. The fuel discharge portions 7c are integrally provided. The stack 5 in the case 7 is fixedly held by sandwiching the center of the stack 5 from above and below at the center of the case body 7a.
[0034]
An air introduction pipe 48 is connected to the lower surface of the case body 7a, and air introduced from the air introduction pipe 48 flows into the air introduction passage 47 in the stack 5.
[0035]
A piping unit 49 is connected to the case 7. The piping unit 49 connects a fuel supply pipe 49a connected to the fuel supply 7b, a fuel discharge pipe 49b connected to the fuel discharge 7c, and connects the fuel supply pipe 49a and the fuel discharge pipe 49b to each other. And a fuel circulation pipe portion 49c.
[0036]
A fuel injection pipe 51 is connected to the fuel supply pipe section 49a on the upstream side of the fuel circulation pipe section 49c, and a blower for circulating fuel from the fuel discharge pipe section 49b to the fuel supply pipe section 49a is provided in the fuel circulation pipe section 49c. 53 are provided. The gas discharged from the outlet 55 of the fuel discharge pipe 49b is processed by an exhaust gas processing system (not shown), and the processed gas is returned to the fuel supply pipe 49a from the inlet 57.
[0037]
Therefore, the fuel gas from the fuel injection pipe 51, the exhaust gas forcedly circulated by the blower 53, and the gas processed by the exhaust gas processing system are supplied to the stack 5, respectively. Then, the fuel enters the above-mentioned fuel introduction space 27 from an opening on the outer peripheral side thereof.
[0038]
Depending on the efficiency of the fuel cell system, it is not always necessary to return the discharged gas to the fuel cell.
[0039]
The flow rate of the fuel gas forcedly circulated by the blower 53 should be as fast as possible to improve efficiency and stability in terms of gas exchange and heat exchange on the surface of the cell 1 and to generate heat at the center of the unit cell where heat is likely to be trapped. Preferred for cooling. However, since energy is consumed in order to obtain this flow rate, the flow rate may be determined from the balance between the unit cell stacks, the power generation efficiency, and the energy consumption.
[0040]
According to the first embodiment described above, the seal at the center of the fuel introduction space 27 for introducing the fuel gas, which is one of the gases, between the cell 1 and the separator 3 includes the conductive center holder 25, While the diffusion bonding to the center cell frame portion 19 is performed, the bonding surface to the separator 3 is mirror-finished, so that the sealing performance can be easily and surely secured.
[0041]
The sealing of the outer peripheral portion in the air introducing space 41 for introducing the other gas, air, is performed easily and securely by diffusing the conductive outer peripheral holder portion 45 to the separator 3 and the outer peripheral cell frame portion 17, respectively. In addition, the sealing property can be ensured.
[0042]
This prevents the fuel supplied to the outer periphery of the stack 5 from leaking into the air introduction passage 47 and the air introduction space 41, and also prevents the air flowing through the air introduction passage 47 from leaking into the fuel introduction space 27 and the air introduction space. It is possible to prevent the air in the inside 41 from leaking out of the stack 5 and to avoid mixing of fuel and air.
[0043]
Further, since the insulating seal at the center of the air introduction space 41 seals the position where only air contacts, even if a small leak occurs, it is less likely to receive a thermal shock as compared with the case where both gases come into contact. Therefore, it is possible to easily secure the sealing property between the two gases while maintaining the insulating property between the adjacent unit cells without requiring advanced manufacturing technology.
[0044]
As described above, by ensuring the sealing property between the fuel and air gases, the combustion reaction occurs only in the portion that contributes to the power generation, and a highly efficient power generation output can be obtained.
[0045]
In addition, since the metal ring 35 with the flow path having the concave portion 35a serving as the gas flow path is made of metal, fine flow path processing is easy, which can contribute to miniaturization of the stack 5.
[0046]
Furthermore, by electrically insulating the center cell frame 19 of the unit cell from the cell 1, the outer cell frame 17 can also function as a battery as a junction electrically connected to the separator 3 above it. . Thereby, for example, the separator 3 and the outer peripheral cell frame portion 17 can be diffusion-bonded with the conductive outer peripheral holder portion 45 interposed therebetween, or required portions can be bonded by laser welding or electron beam welding, The manufacturing process of the stack 5 can be simplified, and the reliability can be improved.
[0047]
The stack 5 is provided with an air discharge passage at the center thereof together with the air introduction passage 47 so that the air introduced into the air introduction space 41 is discharged outside the stack 5 through the air discharge passage at the center. It may be. In this case, as shown in FIG. 2, an air discharge pipe 59 communicating with the air discharge passage is connected to the upper surface of the case 7 to discharge the discharged air to the outside of the stack 5.
[0048]
FIG. 5 is a sectional view of a fuel cell according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the arrangement of the conductive center holder part 25 and the insulating holder part 31 in the first embodiment shown in FIG. 1 is exchanged, and the conductive outer peripheral holder part 45 in the first embodiment is replaced. Are arranged at positions corresponding to the fuel introduction space 270 in which the insulating holder portion 31 is arranged.
[0049]
Therefore, in the case of this embodiment, the outer peripheral portion of the space (air introduction space 410) in which the conductive center holder portion 25 is located is opened, and air is introduced as one gas from this open portion. Fuel serving as the other gas is introduced into the stack 5 from the fuel introduction passage 470 at the center, and is introduced into the fuel introduction space 270 through the concave portion 35 a of the metal ring 35 with a flow path in the insulating holder portion 31.
[0050]
The exhaust of the air introduced into the air introduction space 410 is discharged by connecting an exhaust pipe to an outer peripheral portion as appropriate.
[0051]
The stack 50 in this embodiment can be introduced into the air introduction space 410 by being housed in a case (not shown) different from that shown in FIG. 2 and supplying air into the case.
[0052]
In the stack 50 of FIG. 5 described above, the cells 1, including the center cell frame 19, the insulating holder 31, the separator 3, and the conductive center holder 25 are stacked in this order from the top in FIG. Together, they constitute a unit cell.
[0053]
A large number of such unit cells are stacked to form a stack 5. At this time, the outer peripheral cell frame portion 17 in the unit cell is electrically insulated from the air electrode 15 of the cell 1 (Qo in FIG. 5). The center cell frame 19 and the air electrode may be electrically energized (Po in FIG. 1).
[0054]
In the above-described second embodiment, the outer cell frame 17 in the unit cell is electrically insulated from the cell 1 so that the outer cell frame 17 is connected to the separator 3 electrically connected to the lower part. can do. For example, similarly to the first embodiment, the separator 3 and the outer peripheral cell frame portion 17 are diffusion-bonded with the conductive outer peripheral holder portion 45 interposed therebetween, or necessary portions are subjected to laser welding or electron beam welding. Bonding can be performed, and the manufacturing process of the stack 5 can be simplified, and reliability can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a state where the fuel cell of FIG. 1 is housed in a case.
FIG. 3 is a top view of the fuel cell of FIG.
FIG. 4 is an exploded perspective view of an insulating holder part in the fuel cell of FIG.
FIG. 5 is a sectional view of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cell 3 Separator 5, 50 Stack 11 Fuel electrode 13 Solid oxide electrolyte (fixed electrolyte)
15 Air electrode (oxidizer electrode)
17 Peripheral cell frame 19 Central cell frame 25 Conductive center holder 27 Fuel introduction space (space to which one gas is supplied)
31 Insulating holder (insulating holder)
35a recess (gas supply path)
37 Insulating ring-shaped sealing material (insulating member)
41 Air introduction space (space to which the other gas is supplied)
45 Conductive outer peripheral holder part 47 Air introduction passage (gas introduction passage for introducing the other gas into the stack)
270 Fuel introduction space (space where the other gas is supplied)
410 Air introduction space (space where one gas is supplied)
470 Fuel introduction passage (gas introduction passage for introducing the other gas into the stack)

Claims

A fuel electrode is arranged on one side of the solid electrolyte, a cell in which an oxidizer electrode is arranged on the other side, and a separator are alternately stacked to form a stack.At the center of the stack, the cell and the The separator is held by a center holder portion, and a gas introduction passage for introducing one of a fuel gas and an oxidizing gas into the stack is provided in the center holder portion. A gas supply path for supplying the one gas to the space between the cell and the separator from the passage, and a center holder portion including an insulating member for electrically insulating the cell and the separator from each other. As an elastic holder,
The center holder portion located in the space to which the other gas of the stack is supplied among the center holder portions is a conductive center holder portion,
The fuel cell according to claim 1, further comprising a conductive outer holder that holds the cell and the separator at a position in the outer periphery of the stack where the one gas is supplied.

A center cell frame portion and an outer cell frame portion are provided at a center portion and an outer periphery portion of the cell, respectively, and these are overlapped in the order of the cell, the conductive center holder portion, the separator, and the other center holder portion. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein a unit cell is formed, and the central cell frame portion of the unit cell is electrically insulated from the cell.

A central cell frame portion and an outer peripheral cell frame portion are provided at the center portion and the outer peripheral portion of the cell, respectively, and these are overlapped in the order of the cell, the other center holder portion, the separator, and the conductive center holder portion. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein a unit cell is formed, and the outer peripheral cell frame portion of the unit cell is electrically insulated from the cell.

4. An outer peripheral portion of the space provided with the conductive center holder portion to which the one gas is supplied is opened, and the one gas is supplied to the space from the opened portion. The fuel cell according to any one of the above.