JP4963195B2

JP4963195B2 - Separator and flat solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP4963195B2
Application number: JP2006160647A
Authority: JP
Inventors: 敏杉田; 創荒井; 正泰荒川; 公一川崎; 真弘小楠; 教良金田
Original assignee: NHK Spring Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NHK Spring Co Ltd; NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: JP2007329063A

Description

本発明は、平板型の固体酸化物からなる電解質層を備えた固体酸化物形燃料電池のスタック構造に関し、特にセルとともに交互に積層されるセパレータの構造の改良に関するものである。 The present invention relates to a stack structure of a solid oxide fuel cell having an electrolyte layer made of a flat solid oxide, and more particularly to an improvement in the structure of separators stacked alternately with cells.

平板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）は、平板型の固体酸化物からなる電解質層の表裏面にそれぞれ空気極および燃料極とが形成された平板型のセルとセパレータとを交互に複数枚積層して電気的に直列に接続することによりスタックを構成し、このセパレータを介して燃料極に燃料ガスを、空気極に酸化剤ガスをそれぞれ給排気することにより発電を行うようにした燃料電池である。この固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い（７００℃〜１０００℃）ため高温の熱を利用することができるという利点を有している。 A flat-type solid oxide fuel cell (SOFC) is a flat-type cell and separator in which an air electrode and a fuel electrode are formed on the front and back surfaces of an electrolyte layer made of a flat plate-type solid oxide, respectively. Are stacked in layers and connected in series electrically, and fuel gas is supplied to the fuel electrode through this separator, and oxidant gas is supplied to the air electrode to generate power. This is a fuel cell to be performed. This solid oxide fuel cell has advantages in that power generation efficiency is higher than that of other fuel cells and that the operating temperature is high (700 ° C. to 1000 ° C.), so that high-temperature heat can be used. .

複数のセルとセパレータを積層してスタック化する際に、セパレータは、セルとセルとの間を電気的に接続し、かつ一方のセルの燃料極に燃料ガスを、他方のセルの空気極に酸化剤ガスをそれぞれ供給する機能を担う。そして、通常、セパレータには、セル同士の電気的な接続を損なわずに効率よく酸化剤ガスと燃料ガスとをそれぞれ空気極と燃料極とに供給するために、セルと対向する面にガス流路を形成したり、ガス分散のための特別な部材（ガス分散層）を設けたりする。 When stacking a plurality of cells and separators, the separators are electrically connected between the cells, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode of one cell and the air electrode of the other cell. Responsible for supplying oxidant gas. In general, the separator has a gas flow on the surface facing the cell in order to efficiently supply the oxidant gas and the fuel gas to the air electrode and the fuel electrode without damaging the electrical connection between the cells. A path is formed or a special member (gas dispersion layer) for gas dispersion is provided.

一方、固体酸化物形燃料電池に用いられる平板型のセルのなかでも、薄い電解質層が厚い燃料極の基板によって構造的に支えられた燃料極支持型のセルを用いる場合には、セル基板である燃料極の再酸化によるセルの破損を防ぐために、燃料ガスと酸化剤ガスがセルの近く、特に燃料極近くで混ざらないようにシールを行う必要がある。 On the other hand, among the flat cells used in solid oxide fuel cells, when using a fuel electrode supporting cell in which a thin electrolyte layer is structurally supported by a thick fuel electrode substrate, In order to prevent cell damage due to reoxidation of a certain fuel electrode, it is necessary to perform sealing so that fuel gas and oxidant gas do not mix near the cell, particularly near the fuel electrode.

シールが難しい技術であるという理由から、シールをしないスタック構造、例えば燃料極支持型セルでない電解質層支持型の平板型のセルを採用する場合がある。この場合、電解質層は、強度を高めるため、ある程度厚くしなければならないが、燃料ガスをより使い切ることで発電効率を高めるには、上述した燃料極支持型のセルとし、電解質層は極力薄くした方がよい。したがって、少なくとも燃料極を酸化剤ガスから良好にシールすることが重要となる。 Because of the difficulty in sealing, a stack structure without sealing, for example, an electrolyte layer supporting flat plate type cell that is not a fuel electrode supporting type cell may be employed. In this case, the electrolyte layer has to be thick to some extent in order to increase the strength, but in order to increase the power generation efficiency by using more fuel gas, the above-mentioned fuel electrode support type cell is used, and the electrolyte layer is made as thin as possible. Better. Therefore, it is important that at least the fuel electrode is well sealed from the oxidant gas.

従来は、シールを確実に行うことは、高温で動作するＳＯＦＣを構成する上で特に難しい技術であり、完全なシール技術は確立されておらず、現状では、ある圧力以下のガスに対してのみ良好なシール特性を示すようなシール方法を用いることで持続的な発電を行うようにしている（特許文献１、２）。 Conventionally, reliable sealing is a particularly difficult technology for constructing SOFCs that operate at high temperatures, and no complete sealing technology has been established. Currently, only for gases below a certain pressure. Sustained power generation is performed by using a sealing method that exhibits good sealing characteristics (Patent Documents 1 and 2).

特開２００５−１７４８８４号公報JP 2005-174484 A 特開２００５−０１９２６８号公報JP 2005-019268 A

しかしながら、セパレータにおけるガス流路やガス分散層の形状や特性、供給流路、排出流路の形成位置等によってガスの濃度勾配が発生すると、空気極と燃料極の全面に対して均一にガスを分配して供給することができず、セルの面内での発電特性が不均一になる。この不均一により、セルの最良の出力が得られなくなるばかりか、セル面内の温度の分布にむらができる。
また、シールを用いる場合、セパレータにおけるガスの供給方法やガス流路の設計がシール部にかかるガス圧を決定するので、シール特性の良否にも影響を及ぼす。すなわち、シールされたセルの発電にはそれに適したセパレータのガス供給方法やガス流路の設計が必要となる。
このように、固体酸化物形燃料電池においては、空気極や燃料極上におけるガスの分布をある程度制御できるようにガス流路を柔軟に設計できることが望まれている。 However, if a gas concentration gradient occurs due to the shape and characteristics of the gas flow path or gas dispersion layer in the separator, the formation position of the supply flow path, the discharge flow path, etc., the gas is uniformly distributed over the entire surface of the air electrode and the fuel electrode. It cannot be distributed and supplied, and the power generation characteristics in the plane of the cell become non-uniform. This non-uniformity not only makes it impossible to obtain the best output of the cell, but also makes the temperature distribution in the cell surface uneven.
In addition, when using a seal, the gas supply method and the gas flow path design in the separator determine the gas pressure applied to the seal portion, thus affecting the quality of the seal characteristics. In other words, a separator gas supply method and a gas flow path design suitable for the power generation of the sealed cell are required.
As described above, in the solid oxide fuel cell, it is desired that the gas flow path can be designed flexibly so that the distribution of the gas on the air electrode and the fuel electrode can be controlled to some extent.

そこで、本発明は、スタック構造における柔軟なガス供給、排出設計を行うことができる平板型固体酸化物形燃料電池のセパレータを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a separator for a flat plate solid oxide fuel cell capable of performing flexible gas supply and discharge design in a stack structure.

本発明に係るセパレータは、固体酸化物からなる電解質層の表裏面に燃料極と空気極を配設してなる平板型のセルとセルとの間に配置され、これらを電気的に接続するとともに、一方のセルの燃料極に燃料ガスを供給する第１のガス供給通路と、他方のセルの空気極に酸化剤ガスを供給する第２のガス供給通路と、一方のセルの燃料極側から燃料ガスを排気する第１のガス排気通路とを有するセパレータであって、積層された複数の板状部材からなり、前記第１及び第２のガス供給通路の少なくとも一つは、互いに隣接する２つの前記板状部材の互いに対向する面の少なくとも一方に溝を設けることにより形成された内部供給通路と、一端が少なくとも前記セルと対向する板状部材の表面に開口し、他端が前記内部供給通路と接続された供給孔とから形成され、前記第１のガス排気通路は、互いに隣接する２つの前記板状部材の互いに対向する面の少なくとも一方に溝を設けることにより形成された内部排気通路と、一端が少なくとも前記セルの前記燃料極と対向する板状部材の表面に開口し、他端が前記内部排気通路と接続された第１の排気孔とから形成されるセパレータにおいて、前記供給孔の一端は、前記セルの燃料極または空気極の中央部に対向する位置に開口し、前記第１の排気孔は、前記セルの燃料極と対向する領域の外周部に複数設置されることを特徴とする。ここで、前記板状部材は、前記燃料極と対向する第１の板状部材と、前記空気極と対向する第２の板状部材と、前記第１および第２の板状部材に挾まれた第３の板状部材からなり、前記内部通路は、前記第１の板状部材と前記第３の板状部材の少なくともいずれか一方の対向面に溝を設けることにより形成され、前記孔は、前記第１の板状部材に形成されてもよい。 Separator according to the present invention is arranged between the flat plate type cell and the cell formed by disposing a fuel electrode and an air electrode on the front and back surfaces of the electrolyte layer consisting of a solid oxide, with these electrical connection A first gas supply passage for supplying fuel gas to the fuel electrode of one cell, a second gas supply passage for supplying oxidant gas to the air electrode of the other cell, and the fuel electrode side of one cell A separator having a first gas exhaust passage for exhausting fuel gas , comprising a plurality of stacked plate-like members, wherein at least one of the first and second gas supply passages is adjacent to each other. An internal supply passage formed by providing a groove on at least one of the opposing surfaces of the two plate-like members, one end opening at least on the surface of the plate-like member opposing the cell, and the other end of the internal supply Supply connected with passage The first gas exhaust passage is formed by providing a groove on at least one of the mutually opposing surfaces of the two plate members adjacent to each other, and at least one end of the cell. In the separator formed with a first exhaust hole that is open on the surface of the plate-like member facing the fuel electrode and the other end is connected to the internal exhaust passage, one end of the supply hole is connected to the cell. An opening is formed at a position facing the center of the fuel electrode or the air electrode, and a plurality of the first exhaust holes are provided in an outer peripheral portion of a region facing the fuel electrode of the cell . Here, the plate member is sandwiched between a first plate member facing the fuel electrode, a second plate member facing the air electrode, and the first and second plate members. The internal passage is formed by providing a groove on the opposing surface of at least one of the first plate member and the third plate member, and the hole The first plate-like member may be formed.

また、前記セルにそれぞれ対向する板状部材の少なくともいずれか１つは、前記セルに対向する面に前記供給孔と接続する溝を有してもよい。 In addition, at least one of the plate-like members that face each of the cells may have a groove that is connected to the supply hole on a surface that faces the cell .

また、他方のセルの空気極側から酸化剤ガスを排気する第２のガス排気通路を有し、この第２のガス排気通路は、互いに隣接する２つの板状部材の互いに対向する面の少なくとも一方に溝を設けることにより形成された第２の内部排気通路と、一端が少なくとも前記セルの前記空気極と対向する板状部材の表面に開口し、他端が前記内部排気通路と接続された第２の排気孔とから形成されてもよい。ここで、前記第２の排気通路における排気孔の一端は、前記セルの前記空気極と対向する領域の外周部に設置されてもよい。 The second cell has a second gas exhaust passage for exhausting the oxidant gas from the air electrode side of the other cell, and the second gas exhaust passage is at least on the surfaces of the two adjacent plate-like members facing each other. A second internal exhaust passage formed by providing a groove on one side, one end opened at least on the surface of the plate-like member facing the air electrode of the cell, and the other end connected to the internal exhaust passage You may form from a 2nd exhaust hole. Here, one end of the exhaust hole in the second exhaust passage may be installed in an outer peripheral portion of a region of the cell facing the air electrode.

また、前記板状部材は、前記燃料極と対向する第１の板状部材と、前記空気極と対向する第２の板状部材と、前記第１および第２の板状部材に挾まれた第３の板状部材からなり、前記第１のガス供給通路は、前記第１の板状部材と前記第３の板状部材の少なくともいずれか一方の対向面に溝を設けることにより形成される第１の内部供給通路と、前記第１の板状部材に形成され前記第１の内部供給通路と接続する第１の供給孔とから形成されるされてもよい。ここで、前記第２のガス供給通路は、前記第２の板状部材と前記第３の板状部材の少なくともいずれか一方の対向面に溝を設けることにより形成される第２の内部供給通路と、前記第２の板状部材に形成され前記第２の内部供給通路と接続する第２の供給孔とから形成されてもよい。
上述した第１および第２の排気通路に関しても、同様に、第１〜第３の板状部材に設けられた溝と第１または第２の板状部材に形成された孔とから構成してもよい。 The plate member is sandwiched between a first plate member facing the fuel electrode, a second plate member facing the air electrode, and the first and second plate members. The first gas supply passage is formed by providing a groove on at least one of the first plate member and the third plate member. The first internal supply passage may be formed from a first supply hole formed in the first plate-like member and connected to the first internal supply passage. Here, the second gas supply passage is a second internal supply passage formed by providing a groove on an opposing surface of at least one of the second plate member and the third plate member. And a second supply hole formed in the second plate-like member and connected to the second internal supply passage.
Similarly, the first and second exhaust passages described above are configured by grooves provided in the first to third plate-like members and holes formed in the first or second plate-like member. Also good.

本発明によれば、セルへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの給排気をセルの電極面内の任意の位置から行うようにセパレータを設計することが可能となり、スタック構造における柔軟なガス供給、排出設計を行うことができる。その結果、電極の全面に対してガスを略均等に分配して供給することができ、発電効率を向上させることができる。
さらに、ガス供給、排出設計によって、シールされたセルに対しても発電に十分なシール性能を維持しつつ、電極の全面に対してガスを略均等に分配して供給することができ、発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to design a separator so that fuel gas and oxidant gas are supplied to and exhausted from a cell at an arbitrary position within the electrode surface of the cell. Design can be done. As a result, the gas can be distributed and supplied to the entire surface of the electrode substantially evenly, and the power generation efficiency can be improved.
Furthermore, the gas supply and discharge design enables gas to be distributed and supplied to the entire surface of the electrode substantially evenly while maintaining sufficient sealing performance for power generation even for sealed cells. Can be improved.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態にかかるセパレータ３用いた平板型固体酸化物形燃料電池１の構成を示す図である。
図１に示すように、平板型固体酸化物形燃料電池１は、平板型のセル２とセパレータ３とを交互に複数枚積層して一体的に結合したスタック構造を有し、複数のセル２をセパレータ３によって電気的に接続することにより形成されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a flat plate type solid oxide fuel cell 1 using a separator 3 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, a flat plate type solid oxide fuel cell 1 has a stack structure in which a plurality of flat plate cells 2 and separators 3 are alternately stacked and integrally joined. Are electrically connected by a separator 3.

図２は、２種類のセル２の構成を示す構成図である。
図２の（ａ）は、燃料極支持型セルの構成を示し、燃料極２２、電解質層２１、空気極２３の順に、薄い電解質層２１および空気極２３が厚い燃料極２２を基板として構造的に支えられた構造となっている。
一方、図２の（ｂ）は、電解質層支持型セルの構成を示し、燃料極２２、電解質層２１、空気極２３の順に、薄い燃料極２２および空気極２３が厚い電解質層２１の基板によって構造的に支えられた構造となっている。
本実施の形態では、セル２の一例として、図２（ａ）が示す燃料極支持型セル２を用いるものとして説明する。なお、本実施の形態においては、電界質層支持型セルを用いてもよいことは言うまでもない。 FIG. 2 is a configuration diagram showing configurations of two types of cells 2.
FIG. 2A shows the configuration of a fuel electrode-supporting cell, in which the fuel electrode 22, the electrolyte layer 21, and the air electrode 23 are arranged in this order, with the thin electrolyte layer 21 and the fuel electrode 22 having a thick air electrode 23 as a substrate. It has a structure supported by.
On the other hand, FIG. 2B shows the configuration of the electrolyte layer-supporting cell, in which the fuel electrode 22, the electrolyte layer 21, and the air electrode 23 are arranged in this order by the substrate of the electrolyte layer 21 in which the thin fuel electrode 22 and the air electrode 23 are thick. The structure is structurally supported.
In the present embodiment, as an example of the cell 2, a description will be given assuming that the fuel electrode supporting cell 2 shown in FIG. In the present embodiment, it goes without saying that an electrolyte layer supporting cell may be used.

電解質層２１の材質としては、電子を通さず、酸素イオンの伝導特性が高いセラミック材料、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）に酸化スカンジウム（Ｓｃ₂Ｏ₃）を添加したＳｃＳＺ、このＳｃＳＺにさらに酸化アルミ（Ａｌ₂Ｏ₃）を添加したＳＡＳＺや、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）に酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を添加したＹＳＺなどのジルコニア材料が用いられている。 The material of the electrolyte layer 21 is a ceramic material that does not transmit electrons and has high oxygen ion conductivity, for example, ScSZ in which scandium oxide (Sc ₂ O ₃ ) is added to zirconium oxide (ZrO ₂ ), and aluminum oxide is further added to this ScSZ. Zirconia materials such as SASZ added with (Al ₂ O ₃ ) and YSZ added with yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) in zirconium oxide (ZrO ₂ ) are used.

燃料極２２の材質としては、電子導電性を有する酸化物あるいは貴金属、例えばニッケル（Ｎｉ）−ＹＳＺサーメット、Ｐｔ等の材料が用いられる。
空気極２３の材質としては、高温酸化雰囲気下で安定で、触媒能が高く、かつ高い電子導電性を有する酸化物あるいは金属、例えば銀（Ａｇ）や白金（Ｐｔ）、電気伝導性酸化物であるＳｒ添加ランタンマンガナイト（（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ₃、ＬＳＭ）やランタンニッケル鉄酸化物（Ｌａ（Ｎｉ、Ｆｅ）Ｏ₃、ＬＮＦ）などの材料が用いられる。 As the material of the fuel electrode 22, a material such as oxide or noble metal having electronic conductivity, such as nickel (Ni) -YSZ cermet, Pt, or the like is used.
The material of the air electrode 23 is an oxide or metal that is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere, has high catalytic ability, and has high electronic conductivity, such as silver (Ag), platinum (Pt), or an electrically conductive oxide. A material such as a certain Sr-added lanthanum manganite ((La, Sr) MnO ₃ , LSM) or lanthanum nickel iron oxide (La (Ni, Fe) O ₃ , LNF) is used.

また、図１に示すように、セパレータ３には、外部からセパレータ３に燃料ガスを供給する燃料供給マニホールド４と、セパレータ３から外部に燃料ガスを排出する燃料排出マニホールド５と、外部からセパレータ３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールド６とが、それぞれパイプ９ａ、９ｂ、９ｃによって接続されている。
セパレータ３は、これらパイプ９ａ、９ｂ、９ｃによって、燃料ガスの給排気及び酸化剤ガスの供給を行う。また、酸化剤ガスの排気については、セパレータ間の隙間から排出される。この詳細は、後述する空気極側プレート３３にて説明する。 As shown in FIG. 1, the separator 3 includes a fuel supply manifold 4 that supplies fuel gas to the separator 3 from the outside, a fuel discharge manifold 5 that discharges fuel gas from the separator 3 to the outside, and a separator 3 from the outside. An oxidant gas supply manifold 6 for supplying an oxidant gas to each other is connected by pipes 9a, 9b and 9c, respectively.
The separator 3 supplies and exhausts fuel gas and supplies oxidant gas through these pipes 9a, 9b, and 9c. Further, the oxidant gas is exhausted from the gap between the separators. The details will be described in the air electrode side plate 33 described later.

図３は、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池におけるセパレータ３の構成を示す構成図である。
図３に示すように、セパレータ３は、本発明における第３の板状部材に相当するセンタープレート３１と、本発明における第１の板状部材に相当し、このセンタープレート３１の２つの主面のうちの一方の面（以下、「表面」という。）３４側に配設された燃料極側プレート３２と、本発明における第２の板状部材に相当し、センタープレート３１の他方の主面（以下、「裏面」という。）３５側に配設された空気極側プレート３３とから構成されている。 FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of the separator 3 in the flat plate solid oxide fuel cell according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, the separator 3 corresponds to the center plate 31 corresponding to the third plate member in the present invention and the first plate member in the present invention, and the two main surfaces of the center plate 31. The fuel electrode side plate 32 disposed on one side (hereinafter referred to as “surface”) 34 side and the second main surface of the center plate 31 corresponding to the second plate member in the present invention. (Hereinafter referred to as “rear surface”) and the air electrode side plate 33 disposed on the 35 side.

以下に、センタープレート３１と燃料極側プレート３２と空気極側プレート３３とをそれぞれ図面を参照しながら説明する。
まず、センタープレート３１について図４を参照しながら説明する。
センタープレート３１は、燃料ガスＧ１を供給する通路である燃料ガス供給通路４１と、発電に使われた燃料ガスＧ１の排ガスＧ１’を排出する通路である燃料ガス排出通路４２と、酸化剤ガスＧ２が供給される酸化剤ガス供給通路４３とを有している。 The center plate 31, the fuel electrode side plate 32, and the air electrode side plate 33 will be described below with reference to the drawings.
First, the center plate 31 will be described with reference to FIG.
The center plate 31 includes a fuel gas supply passage 41 that is a passage for supplying the fuel gas G1, a fuel gas discharge passage 42 that is a passage for discharging the exhaust gas G1 ′ of the fuel gas G1 used for power generation, and an oxidant gas G2. Is provided with an oxidant gas supply passage 43.

図４（ａ）に示すように、センタープレート３１の表面３４は、ＳＵＳ４３０等のフェライト形ステンレスによってセル２の形状に合わせた形に形成されている。この表面３４には２系統の溝が互いに交わらないように形成され、それぞれ、燃料ガス供給通路４１と燃料ガス排出通路４２とを構成している。 As shown in FIG. 4A, the surface 34 of the center plate 31 is formed in a shape matching the shape of the cell 2 with a ferrite-type stainless steel such as SUS430. Two grooves are formed on the surface 34 so as not to cross each other, and constitute a fuel gas supply passage 41 and a fuel gas discharge passage 42, respectively.

燃料ガス供給通路４１の一端４１ａは、センタープレート３１の外周面に開放し、他端４１ｂは、センタープレート３１内部の燃料ガス供給位置まで達している。この燃料ガス供給通路４１の他端４１ｂは、後述するセンタープレート３１の上に配置される燃料極プレート３２に設けられてた燃料ガス供給用貫通孔５１に接続する。
また、燃料ガス排出通路４２の一端４２ａは、一端４１ａと同じく、センタープレート３１の外周面に開放し、この一端４２ａから伸びる通路が枝分かれして、１つ以上の他端４２ｂが、センタープレート３１内部の燃料ガス排出位置まで達している。 One end 41 a of the fuel gas supply passage 41 opens to the outer peripheral surface of the center plate 31, and the other end 41 b reaches the fuel gas supply position inside the center plate 31. The other end 41b of the fuel gas supply passage 41 is connected to a fuel gas supply through hole 51 provided in a fuel electrode plate 32 disposed on a center plate 31 described later.
Further, one end 42a of the fuel gas discharge passage 42 is opened to the outer peripheral surface of the center plate 31 like the one end 41a, and a passage extending from the one end 42a is branched, and one or more other ends 42b are connected to the center plate 31. The internal fuel gas discharge position has been reached.

上述したセンタープレート３１の燃料ガス供給通路４１および燃料ガス排出通路４２は、セパレータ３の設計に応じて、その形状等が決定される。
例えば、燃料ガス供給通路４１の他端４１ｂおよび燃料ガス排出通路４２の他端４２ｂを形成する位置や個数については、セパレータ３の設計に応じてセンタープレート３１上の任意とすることができる。 The shape and the like of the fuel gas supply passage 41 and the fuel gas discharge passage 42 of the center plate 31 described above are determined according to the design of the separator 3.
For example, the position and number of the other end 41 b of the fuel gas supply passage 41 and the other end 42 b of the fuel gas discharge passage 42 can be arbitrarily determined on the center plate 31 according to the design of the separator 3.

ここでは、図４（ａ）に示すように、燃料ガス供給用貫通孔５１が燃料極プレート３２の中央部に形成できるように、燃料ガス供給通路４１の他端４１ｂをセンタープレート３１の中央部に１箇所、また、燃料ガス排気用貫通孔５２が燃料極プレート３２の外周部に形成できるように他端４２ｂをセンタープレート３１の外周部に８箇所それぞれ形成する。 Here, as shown in FIG. 4A, the other end 41 b of the fuel gas supply passage 41 is formed at the center of the center plate 31 so that the fuel gas supply through hole 51 can be formed at the center of the fuel electrode plate 32. The other end 42 b is formed at eight locations on the outer periphery of the center plate 31 so that the fuel gas exhaust through holes 52 can be formed on the outer periphery of the fuel electrode plate 32.

一方、図４（ｂ）に示すように、センタープレート３１の裏面３５側には、１つの溝が形成され、この溝は酸化剤ガス供給通路４３を構成している。
酸化剤ガス供給通路４３の一端４３ａは、センタープレート３１の外周面に開放し、他端４３ｂは、後述するセンタープレート３１の裏面３５上に配置される空気極プレート３３に設けられた酸化剤ガス供給用貫通孔６１に接続する。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, one groove is formed on the back surface 35 side of the center plate 31, and this groove constitutes an oxidant gas supply passage 43.
One end 43a of the oxidant gas supply passage 43 is open to the outer peripheral surface of the center plate 31, and the other end 43b is oxidant gas provided on the air electrode plate 33 disposed on the back surface 35 of the center plate 31 described later. Connect to the supply through hole 61.

上述したセンタープレート３１の酸化剤ガス供給通路４３は、セパレータ３の設計に応じて、その形状等が決定される。
例えば、酸化剤ガス供給通路４３の他端４３ｂを形成するや個数については、セパレータ３の設計に応じてセンタープレート３１上の任意とすることができる。ここでは、図４（ｂ）に示すように、酸化剤ガス供給用貫通孔６１が空気極プレート３３の中央部に形成できるように、酸化剤ガス供給通路４３の他端４３ｂをセンタープレート３１の中央部に１箇所形成する。 The shape and the like of the oxidant gas supply passage 43 of the center plate 31 described above are determined according to the design of the separator 3.
For example, the number of the other end 43 b of the oxidant gas supply passage 43 may be arbitrarily determined on the center plate 31 according to the design of the separator 3. Here, as shown in FIG. 4B, the other end 43 b of the oxidant gas supply passage 43 is formed on the center plate 31 so that the oxidant gas supply through-hole 61 can be formed at the center of the air electrode plate 33. One place is formed at the center.

次に、燃料極側プレート３２について図５を参照しながら説明する。
図５の（ａ）と（ｂ）は、それぞれセンタープレート３１の表面３４と当接する裏面５４の平面図、セル２のアノード（燃料極２２）と相対する表面５３の平面図とを示している。
図５に示すように、燃料極側プレート３２には、燃料ガス供給用貫通孔５１と燃料ガス排気用貫通孔５２とが設けられている。さらに、表面５３には、燃料ガス供給用貫通孔５１と燃料ガス排気用貫通孔５２とに連通し、燃料極側プレート３２内部に張り巡らされた燃料ガス給排気溝５５と、表面５３よりセルの高さ分だけ外周を高くした土手部５６とが設けられている。この土手部５６の径は、セル２が納まる程度の大きさである。 Next, the fuel electrode side plate 32 will be described with reference to FIG.
FIGS. 5A and 5B show a plan view of the back surface 54 in contact with the surface 34 of the center plate 31 and a plan view of the surface 53 facing the anode (fuel electrode 22) of the cell 2, respectively. .
As shown in FIG. 5, the fuel electrode side plate 32 is provided with a fuel gas supply through hole 51 and a fuel gas exhaust through hole 52. Further, the surface 53 communicates with the fuel gas supply through-hole 51 and the fuel gas exhaust through-hole 52 and extends to the inside of the fuel electrode side plate 32. And a bank portion 56 having an outer periphery that is higher by the height of. The diameter of the bank portion 56 is large enough to accommodate the cell 2.

上述した燃料極側プレート３２は、セパレータ３の設計に応じて、その形状等が決定される。
例えば、燃料ガス供給用貫通孔５１を設ける位置については、セパレータ３の設計に応じて、センタープレート３１の燃料ガス供給通路４１と連通できれば燃料極側プレート３２上の任意とすることができる。また、燃料ガス排気用貫通孔５２を設ける位置については、セパレータ３の設計に応じて、センタープレート３１の燃料ガス排出通路４２と連通できれば、燃料極側プレート３２上の任意とすることができる。さらに、燃料ガス供給用貫通孔５１および燃料ガス排気用貫通孔５２の個数については、セパレータ３の設計に応じて任意とすることができる。 The shape and the like of the fuel electrode side plate 32 described above are determined according to the design of the separator 3.
For example, the position where the fuel gas supply through hole 51 is provided can be arbitrarily determined on the fuel electrode side plate 32 as long as it can communicate with the fuel gas supply passage 41 of the center plate 31 according to the design of the separator 3. Further, the position where the fuel gas exhaust through hole 52 is provided may be arbitrary on the fuel electrode side plate 32 as long as it can communicate with the fuel gas discharge passage 42 of the center plate 31 according to the design of the separator 3. Further, the number of the fuel gas supply through holes 51 and the fuel gas exhaust through holes 52 may be set arbitrarily according to the design of the separator 3.

ここでは、図５に示すように、燃料ガス供給用貫通孔５１は、燃料極プレート３２の中央部に１箇所設けられている。この燃料ガス供給用貫通孔５１は、センタープレート３１に設けられた燃料ガス供給通路４１の他端４１ｂと接続している。また、燃料ガス排出通路４２は、燃料極プレート３２の外周部に８箇所設けられている。この燃料ガス排出通路４２は、燃料ガス排出通路４２の８箇所の他端４２ｂとそれぞれ対応して接続する。 Here, as shown in FIG. 5, the fuel gas supply through hole 51 is provided at one location in the center of the fuel electrode plate 32. The fuel gas supply through hole 51 is connected to the other end 41 b of the fuel gas supply passage 41 provided in the center plate 31. Further, eight fuel gas discharge passages 42 are provided on the outer peripheral portion of the fuel electrode plate 32. The fuel gas discharge passages 42 are connected to the eight other ends 42b of the fuel gas discharge passage 42, respectively.

次に、空気極側プレート３３について図６を参照しながら説明する。
図６の（ａ）と（ｂ）は、それぞれセンタープレート３１の裏面３５と当接する裏面６３の平面図と、セル２のカソード（空気極２３）と相対する表面６２の平面図とを示している。
図６に示すように、空気極側プレート３３には、酸化剤ガス供給用貫通孔６１が設けられている。さらに、表面６２には、酸化剤ガス供給用貫通孔６１と接続し、空気極側プレート３３内部に張り巡らされた酸化剤ガス給排気用溝６４と、空気極側プレート３３の外周に酸化剤ガス給排気用溝６４よりも一段低くした空気極側プレート外縁部６５とが設けられている。この空気極側プレート外縁部６５によって、酸化剤ガス給排気用溝６４は、外部に開放され、酸化剤ガスＧ２の排気を可能とする。さらに、空気極側プレート外縁部６５によって、酸化剤ガス排出通路を形成すると共に、隣接するセパレータと電気的に短絡することを防ぐことができる。 Next, the air electrode side plate 33 will be described with reference to FIG.
6A and 6B show a plan view of the back surface 63 that contacts the back surface 35 of the center plate 31 and a plan view of the surface 62 facing the cathode (air electrode 23) of the cell 2, respectively. Yes.
As shown in FIG. 6, the air electrode side plate 33 is provided with an oxidant gas supply through hole 61. Further, the surface 62 is connected to the oxidant gas supply through-hole 61, the oxidant gas supply / exhaust groove 64 stretched inside the air electrode side plate 33, and the oxidant on the outer periphery of the air electrode side plate 33. An air electrode side plate outer edge portion 65 that is one step lower than the gas supply / exhaust groove 64 is provided. By the air electrode side plate outer edge portion 65, the oxidant gas supply / exhaust groove 64 is opened to the outside, and the oxidant gas G2 can be exhausted. Furthermore, the air electrode side plate outer edge portion 65 can form an oxidant gas discharge passage and can be prevented from being electrically short-circuited with an adjacent separator.

上述した空気極側プレート３３は、セパレータ３の設計に応じて、その形状等が決定される。
例えば、酸化剤ガス供給用貫通孔６１を設ける位置については、セパレータ３の設計に応じて、センタープレート３１の酸化剤ガス供給通路４３と連通できれば、空気極側プレート３３上の任意とすることができる。また、酸化剤ガス供給用貫通孔６１の個数については、セパレータ３の設計に応じて任意とすることができる。
ここでは、図６に示すように、酸化剤ガス供給用貫通孔６１は、燃料極プレート３２の中央部に１箇所設けられている。この酸化剤ガス供給用貫通孔６１は、酸化剤ガス供給通路４３の他端４３ｂと接続する。 The shape of the air electrode side plate 33 described above is determined according to the design of the separator 3.
For example, the position where the oxidant gas supply through-hole 61 is provided may be arbitrary on the air electrode side plate 33 as long as it can communicate with the oxidant gas supply passage 43 of the center plate 31 according to the design of the separator 3. it can. Further, the number of the oxidant gas supply through-holes 61 can be arbitrarily determined according to the design of the separator 3.
Here, as shown in FIG. 6, the oxidant gas supply through-hole 61 is provided at one location in the center of the fuel electrode plate 32. The oxidant gas supply through hole 61 is connected to the other end 43 b of the oxidant gas supply passage 43.

次に、図４、図５及び図６を用いて説明したセンタープレート３１、燃料極側プレート３２及び空気極側プレート３３からセパレータ３を組み立てる方法について説明する。
センタープレート３１、燃料極側プレート３２及び空気極側プレート３３は、センタープレート３１の表面３４と燃料極側プレート３２の裏面５４とを、また、センタープレート３１の裏面３５と空気極側プレート３３の裏面６３とをロウ付け等の方法によってそれ
ぞれ接合することで、１枚のセパレータ３となる。 Next, a method for assembling the separator 3 from the center plate 31, the fuel electrode side plate 32, and the air electrode side plate 33 described with reference to FIGS. 4, 5, and 6 will be described.
The center plate 31, the fuel electrode side plate 32, and the air electrode side plate 33 include the front surface 34 of the center plate 31 and the back surface 54 of the fuel electrode side plate 32, and the back surface 35 of the center plate 31 and the air electrode side plate 33. By joining the back surface 63 by a method such as brazing, one separator 3 is obtained.

この際に、燃料ガス供給マニホールド４と燃料ガス供給通路４１の一端４１ａとにパイプ９ａを、酸化剤ガス供給マニホールド６と酸化剤ガス供給通路４３の一端４３ａとにパイプ９ｂを、また、燃料ガス排気マニホールド５と燃料排気通路４２の一端４２ａとにパイプ９ｃをそれぞれ接合する。これら各パイプの太さや、各セパレータおよび各マニホールドへの荷重方法については、スタックの接触圧力をその他のスタック構成部分の圧力とは独立に取れるようにする方法（引用文献１）や、加圧機構によってスタックと各マニホールドにそれぞれ所定の荷重を加える方法（引用文献２）を用いることができる。
以上の接合により、センタープレート３１、燃料極側プレート３２および空気極側プレート３３は、図１で示したセパレータ３となる。
なお、燃料極側プレート３２および空気極側プレート３３に設けた貫通孔は、接合後に設けるようにしてもよい。 At this time, the pipe 9 a is connected to the fuel gas supply manifold 4 and one end 41 a of the fuel gas supply passage 41, the pipe 9 b is connected to the oxidant gas supply manifold 6 and one end 43 a of the oxidant gas supply passage 43, and the fuel gas Pipes 9c are joined to the exhaust manifold 5 and one end 42a of the fuel exhaust passage 42, respectively. Regarding the thickness of each pipe and the method of loading each separator and each manifold, a method of taking the contact pressure of the stack independently of the pressure of other stack components (Cited document 1), pressurizing mechanism Thus, a method of applying a predetermined load to the stack and each manifold (Cited document 2) can be used.
Through the above-described joining, the center plate 31, the fuel electrode side plate 32, and the air electrode side plate 33 become the separator 3 shown in FIG.
The through holes provided in the fuel electrode side plate 32 and the air electrode side plate 33 may be provided after joining.

次に、セル２とセパレータ３とを交互に積層する方法について説明する。
ここでは、説明の便宜上、１枚のセパレータ３と２枚のセル２Ａ、２Ｂを当接する例を用いて説明する。
セル２Ａの燃料極２２とセパレータ３の燃料極側プレート３２の表面５３とを直接または導電性の接続部材を介して接するように、セル２Ａを土手部５６の内部に納めて当接する。土手部５６の内部に納められたセル２Ａの電解質層２１の表面は、土手部５６の上面と同じ高さとなる。そして、燃料極側プレート３２の土手部５６とセル２Ａとの間をシールする。 Next, a method for alternately stacking the cells 2 and the separators 3 will be described.
Here, for convenience of explanation, description will be made using an example in which one separator 3 and two cells 2A and 2B are in contact with each other.
The cell 2A is accommodated in the bank portion 56 so as to contact the fuel electrode 22 of the cell 2A and the surface 53 of the fuel electrode side plate 32 of the separator 3 directly or via a conductive connecting member. The surface of the electrolyte layer 21 of the cell 2 A housed inside the bank portion 56 has the same height as the upper surface of the bank portion 56. Then, the gap between the bank portion 56 of the fuel electrode side plate 32 and the cell 2A is sealed.

図７は、土手部５６とセル２Ａとの間をシールした状態の一例を示す図である。
図７（ａ）に示すように、燃料極側プレート３２の土手部５６とセル２Ａとの間にシール材７１を配置している。このシール材７１は、酸化剤ガス等がセル２Ａの燃料極２２に接触しないようにするため、電解質層２１まで達している必要がある。
さらに、図７（ｂ）に示すように、シール材７１を設けた上に、電解質層２１の表面の一部、シール材７１および燃料極側プレート３２の土手部５６を覆うセルカバー８１を設けてもよい。このセルカバー８１によって、シールの信頼性をより高めることができる。 FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a state in which the space between the bank portion 56 and the cell 2A is sealed.
As shown in FIG. 7A, a sealing material 71 is disposed between the bank portion 56 of the fuel electrode side plate 32 and the cell 2A. The sealing material 71 needs to reach the electrolyte layer 21 so that oxidant gas or the like does not contact the fuel electrode 22 of the cell 2A.
Further, as shown in FIG. 7B, a cell cover 81 that covers a part of the surface of the electrolyte layer 21, the seal material 71, and the bank portion 56 of the fuel electrode side plate 32 is provided after the seal material 71 is provided. May be. This cell cover 81 can further enhance the reliability of the seal.

セル２Ｂの空気極２３とセパレータ３の空気極側プレート３３の裏面６３とを直接または導電性の接続部材を介して接触させる。
なお、燃料ガス等がセル２Ｂの空気極２３に接触しないようにするため、電解質層２１まで達するように、空気極側プレート３３とセル２Ｂとの間をシールしてもよい。 The air electrode 23 of the cell 2B and the back surface 63 of the air electrode side plate 33 of the separator 3 are brought into contact directly or through a conductive connecting member.
In order to prevent the fuel gas or the like from coming into contact with the air electrode 23 of the cell 2B, the space between the air electrode side plate 33 and the cell 2B may be sealed so as to reach the electrolyte layer 21.

このようにセル２とセパレータ３とを交互に積層し、この両端にそれぞれ負極終端セパレータ１１と正極終端セパレータ１２とを当接することで、平板型固体酸化物形燃料電池１が構成される。
負極終端セパレータ１１は、燃料極側プレート３２とセンタープレート３１とに相当するプレートから構成される。積層されたセル２の燃料極２２と負極終端セパレータ１１の燃料極側プレート３２の表面５３とを直接または導電性の接続部材を介して接するように、セル２を土手部５６の内部に納めて当接する。
また、正極終端セパレータ１２は、図示はしないが、上述したセパレータ３の空気極側プレート３３とセンタープレート３１とに相当するプレートから構成される。積層されたセル２の空気極２３と正極終端セパレータ１２の空気極側プレート３３の裏面６３とを直接または導電性の接続部材を介して接触させる。
なお、平板型固体酸化物形燃料電池１は、セル２と負極終端セパレータ１１と正極終端セパレータ１２とを当接した最小構成でもよい。 In this manner, the cells 2 and the separators 3 are alternately laminated, and the negative electrode termination separator 11 and the positive electrode termination separator 12 are brought into contact with both ends thereof, whereby the flat solid oxide fuel cell 1 is configured.
The negative electrode termination separator 11 is composed of plates corresponding to the fuel electrode side plate 32 and the center plate 31. The cell 2 is placed inside the bank 56 so that the fuel electrode 22 of the stacked cell 2 and the surface 53 of the fuel electrode side plate 32 of the negative electrode termination separator 11 are in contact with each other directly or through a conductive connecting member. Abut.
Further, although not shown, the positive electrode terminal separator 12 is composed of plates corresponding to the air electrode side plate 33 and the center plate 31 of the separator 3 described above. The air electrode 23 of the stacked cells 2 and the back surface 63 of the air electrode side plate 33 of the positive electrode terminal separator 12 are brought into contact directly or through a conductive connecting member.
The flat solid oxide fuel cell 1 may have a minimum configuration in which the cell 2, the negative electrode termination separator 11, and the positive electrode termination separator 12 are in contact with each other.

平板型固体酸化物形燃料電池１を構成する際に、燃料ガス供給マニホールド４、燃料ガス排出マニホールド５および酸化剤ガス供給マニホールド６は、電気的に絶縁するための絶縁リング７を介して積層される。また、各マニホールドの積層の際、各境界面でのガスの機密性を高める為、シール材であるシールリング８を接続部に配置するしてもよい。
図１に示すように、ここでは、燃料ガス供給マニホールド４および燃料ガス排出用マニホールド５にのみシールリング８を用いている。 When configuring the flat solid oxide fuel cell 1, the fuel gas supply manifold 4, the fuel gas discharge manifold 5 and the oxidant gas supply manifold 6 are stacked via an insulating ring 7 for electrical insulation. The In addition, when the manifolds are stacked, a seal ring 8 that is a sealing material may be disposed in the connection portion in order to increase gas confidentiality at each boundary surface.
As shown in FIG. 1, here, the seal ring 8 is used only for the fuel gas supply manifold 4 and the fuel gas discharge manifold 5.

次に、平板型固体酸化物形燃料電池１の動作手順について説明する。
まず、酸化剤ガスＧ２の給排気について図８を参照しながら説明する。
図８に示すように、酸化剤ガスＧ２は、酸化剤ガス供給マニホールド６からパイプ９ｂを通る。そして、酸化剤ガスＧ２が、センタープレート３１の酸化剤ガス供給通路４３−空気極側プレート３３の酸化剤ガス供給用貫通孔６１を通ることによって、酸化剤ガス給排気用溝６４に供給される。そして、酸化剤ガスＧ２は、セル２の空気極２３に接触する。 Next, the operation procedure of the flat plate type solid oxide fuel cell 1 will be described.
First, supply / exhaust of the oxidizing gas G2 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 8, the oxidant gas G2 passes from the oxidant gas supply manifold 6 through the pipe 9b. The oxidant gas G 2 is supplied to the oxidant gas supply / exhaust groove 64 by passing through the oxidant gas supply passage 43 of the center plate 31 and the oxidant gas supply through hole 61 of the air electrode side plate 33. . The oxidant gas G 2 contacts the air electrode 23 of the cell 2.

酸化剤ガスＧ２がセル２の空気極２７に接触すると、電解質層２１と空気極２３の界面では、電極反応に寄与する三層界面が形成され、下記（１）式に示す空気極反応により酸化剤ガス中の酸素と電子が反応して酸素イオンに変わる。そして、この酸素イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の電解質層２１の内部を移動して燃料極２２に到達する。 When the oxidant gas G2 comes into contact with the air electrode 27 of the cell 2, a three-layer interface that contributes to the electrode reaction is formed at the interface between the electrolyte layer 21 and the air electrode 23, and is oxidized by the air electrode reaction shown in the following formula (1). Oxygen and electrons in the agent gas react to turn into oxygen ions. The oxygen ions move inside the electrolyte layer 21 such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and reach the fuel electrode 22.

（空気極反応）
1/2Ｏ₂ ＋２ｅ^- →Ｏ^2- ・・・（１） (Air electrode reaction)
1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → O ²⁻ (1)

空気極反応によって生成された酸化剤ガス給排気用溝６４内の排ガスＧ２’および未反応の酸化剤ガスＧ２は、酸化剤ガス給排気用溝６４の縁からセパレータ３との隙間である酸化剤ガス給排気用通路を通ってスタック１の外部に排出される。 The exhaust gas G2 ′ and the unreacted oxidant gas G2 in the oxidant gas supply / exhaust groove 64 generated by the air electrode reaction are an oxidant that is a gap between the edge of the oxidant gas supply / exhaust groove 64 and the separator 3. The gas is discharged to the outside of the stack 1 through the gas supply / exhaust passage.

次に、燃料ガスＧ１の給排気について図９を参照しながら説明する。
図９に示すように、燃料ガスＧ１は、燃料ガス供給マニホールド４からパイプ９ａを通る。そして、燃料ガスＧ１が、センタープレート３１の燃料ガス供給通路４１−燃料極側プレート３２の燃料極供給用貫通孔５１を通ることによって、燃料ガス給排気用溝５５に供給される。そして、燃料ガスＧ１は、セル２の燃料極２２に接触する。 Next, the supply and exhaust of the fuel gas G1 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 9, the fuel gas G1 passes from the fuel gas supply manifold 4 through the pipe 9a. The fuel gas G 1 is supplied to the fuel gas supply / exhaust groove 55 by passing through the fuel gas supply passage 41 of the center plate 31 and the fuel electrode supply through hole 51 of the fuel electrode side plate 32. The fuel gas G 1 contacts the fuel electrode 22 of the cell 2.

燃料ガスＧ１がセル２の燃料極２２に接触すると、燃料極２２では、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット、Ｐｔ等から形成された燃料極２２の働きで、空気極２３から電解質層２１の内部を通って移動してきた酸素イオンが下記（２）式および（３）式に示す反応により燃料極２２に供給された水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成される。そして、燃料極２２で生成された電子は、外部回路を移動し、空気極２３に達する。空気極２３に達した電子は、空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で電気エネルギーを出力として取り出すことができる。 When the fuel gas G1 comes into contact with the fuel electrode 22 of the cell 2, the fuel electrode 22 moves from the air electrode 23 through the inside of the electrolyte layer 21 by the action of the fuel electrode 22 formed of Ni-YSZ cermet, Pt or the like. The oxygen ions thus reacted react with hydrogen and carbon monoxide supplied to the fuel electrode 22 by the reactions shown in the following formulas (2) and (3) to generate water vapor or carbon dioxide and electrons. Then, the electrons generated at the fuel electrode 22 move through the external circuit and reach the air electrode 23. The electrons that have reached the air electrode 23 react with oxygen by the air electrode reaction. Electric energy can be taken out as an output in the process in which the electrons move through the external circuit.

（燃料極反応）
Ｈ² ＋Ｏ^2- →Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^2- →ＣＯ₂＋２ｅ^- ・・・（３） (Fuel electrode reaction)
H ² + O ²⁻ → H ₂ O + 2e ⁻ (2)
CO + O ²⁻ → CO ₂ + 2e ⁻ (3)

燃料極反応によって生成された燃料ガス給排気用溝５５内の排ガスＧ１’および未反応の燃料ガスＧ１は、燃料ガス給排気用溝５２−燃料ガス排気用貫通孔５２−センタープレート３１の燃料ガス排出通路４２を通って燃料ガス排気用マニホールド５に排出される。 The exhaust gas G1 ′ and the unreacted fuel gas G1 in the fuel gas supply / exhaust groove 55 generated by the anode reaction are the fuel gas supply / exhaust groove 52—the fuel gas exhaust through hole 52—the fuel gas in the center plate 31. The exhaust gas is discharged to the fuel gas exhaust manifold 5 through the discharge passage 42.

このように本発明によれば、セパレータ３をセンタープレート３１，燃料極側プレート３２および空気極側プレート３３の層状構造で構成したので、燃料ガスＧ１と酸化剤ガスＧ２とをそれぞれセル２の燃料極２２と空気極２３とに任意の位置から供給することができる。その結果、スタックにおける柔軟なガス供給、排出設計を行うことができるので、電極の全面に対してガスを略均等に分配して供給することができ、発電効率を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, the separator 3 is constituted by the layered structure of the center plate 31, the fuel electrode side plate 32, and the air electrode side plate 33, so that the fuel gas G1 and the oxidant gas G2 are respectively supplied to the fuel of the cell 2. The electrode 22 and the air electrode 23 can be supplied from arbitrary positions. As a result, flexible gas supply and discharge design in the stack can be performed, so that gas can be distributed and supplied to the entire surface of the electrode substantially evenly, and power generation efficiency can be improved.

特に、燃料ガスＧ１の供給を燃料極２２の中央部から行い、燃料ガスＧ１’の排出をセル２のシール部に近い周辺部にて複数の燃料排出用貫通孔５２から行うように構成したことで、ガスの濃度分布のむらが生じず、燃料ガスＧ１の濃度を略均一に維持することができる。さらに、セル２のシール部にかかる燃料ガスＧ１の内圧を低い状態に抑えることが可能となり、シールされたセルに対しても発電に十分なシール性能を維持しつつ、セル２の耐久性及び発電性能を向上させることができる。 In particular, the fuel gas G1 is supplied from the central portion of the fuel electrode 22 and the fuel gas G1 ′ is discharged from the plurality of fuel discharge through holes 52 in the peripheral portion close to the seal portion of the cell 2. Therefore, the concentration distribution of the gas does not vary and the concentration of the fuel gas G1 can be maintained substantially uniform. Furthermore, the internal pressure of the fuel gas G1 applied to the seal portion of the cell 2 can be suppressed to a low state, and the durability and power generation of the cell 2 are maintained while maintaining sufficient sealing performance for power generation even for the sealed cell. Performance can be improved.

[他の実施の形態]
燃料ガスＧ１および酸化ガスＧ２の給排気に用いる貫通孔や、通路、マニホールドの数や配置は、セルの大きさに応じて、発電が最適に行えるよう柔軟に設計を変更してもよい。例えば、セル２の直径が大きい場合、シールされる燃料極側プレート３２の土手部分５６の内圧が大きくなるという問題がある。
この場合、セパレータを図１０乃至１３に示すセパレータ３’のように設計することで、この問題を解決することができる。 [Other embodiments]
The number and arrangement of through holes, passages, and manifolds used for supplying and exhausting the fuel gas G1 and the oxidizing gas G2 may be flexibly changed according to the size of the cell so that power generation can be optimally performed. For example, when the diameter of the cell 2 is large, there is a problem that the internal pressure of the bank portion 56 of the fuel electrode side plate 32 to be sealed becomes large.
In this case, this problem can be solved by designing the separator like a separator 3 ′ shown in FIGS.

図１０が示すように、セパレータ３’は、センタープレート３１’と燃料極側プレート３２’と空気極側プレート３３’とから構成される。
図４のセパレータ３と図１１のセパレータ３’とを比較すると、セパレータ３’は、セパレータ３と同様に、燃料ガス供給通路４１と、燃料ガス排出通路４２と、酸化剤ガス供給通路４３とを有しているが、全体的により大きくなっているのは言うまでもなく、主に、燃料ガス排出通路４２を２系統に増やして他端４２ｂの数を１６箇所としている。
このセパレータ３’の構成に伴って、図１２に示すように、燃料極側プレート３２’は、図５の燃料極側プレート３２より全体的に大きくなっているのは言うまでもなく、主に、燃料供給用貫通孔５２を１６箇所としている。また、図１３に示すように、空気極側プレート３３’は、図６の空気極側プレート３３より全体的に大きくなっている。
その他の箇所の詳細な説明は、図３の説明にて説明したので、ここでは省略する。
以上のように、セパレータ３’に燃料ガス排気マニホールド５と接続する燃料ガス排気用通路４２を２系統設けると共に、燃料ガス排気用貫通孔５２の数を１６箇所設けたので、シールされる燃料極側プレート３２’の土手部分５６の内圧を下げることができる。 As shown in FIG. 10, the separator 3 ′ includes a center plate 31 ′, a fuel electrode side plate 32 ′, and an air electrode side plate 33 ′.
When the separator 3 in FIG. 4 is compared with the separator 3 ′ in FIG. 11, the separator 3 ′ includes a fuel gas supply passage 41, a fuel gas discharge passage 42, and an oxidant gas supply passage 43 in the same manner as the separator 3. Needless to say, however, the fuel gas discharge passage 42 is increased to two systems, and the number of the other ends 42b is set to sixteen.
With the configuration of the separator 3 ′, as shown in FIG. 12, it goes without saying that the fuel electrode side plate 32 ′ is generally larger than the fuel electrode side plate 32 of FIG. There are 16 supply through holes 52. Further, as shown in FIG. 13, the air electrode side plate 33 ′ is generally larger than the air electrode side plate 33 of FIG.
Since the detailed description of the other portions has been described in the description of FIG. 3, it is omitted here.
As described above, since two systems of fuel gas exhaust passages 42 connected to the fuel gas exhaust manifold 5 are provided in the separator 3 ′ and the number of through holes 52 for fuel gas exhaust is provided in 16 places, the fuel electrode to be sealed The internal pressure of the bank portion 56 of the side plate 32 ′ can be lowered.

なお、燃料極プレート２２に設けた燃料ガス給排気用溝５５によって、燃料極面内における燃料ガスの濃度をより略均一に維持することが可能となるとともに、ガス供給時の圧力損失をコントロールすることができ、一層発電性能を向上させることができる。
なお、本実施の形態においては、セル２を燃料極支持型セルを例に説明したが、これに限定するものではなく、図２（ｂ）示した電解質層支持型セルまたは空気極支持型セルにも適用することができる。 The fuel gas supply / exhaust groove 55 provided in the fuel electrode plate 22 makes it possible to maintain the concentration of the fuel gas in the fuel electrode surface more substantially uniformly and to control the pressure loss during gas supply. Power generation performance can be further improved.
In the present embodiment, the cell 2 is described as an example of a fuel electrode support cell, but the present invention is not limited to this, and the electrolyte layer support cell or the air electrode support cell shown in FIG. It can also be applied to.

また、本実施の形態においては、酸化剤ガスの排出流路を隣合うセパレータ間の隙間で構成したが、燃料極２２と同様に、センタープレート３１の裏面３５に酸化剤ガスの排出通路である酸化剤ガス排出通路を酸化剤ガス供給通路４３と交わらないように形成し、この酸化剤ガス排出通路と接続する酸化剤ガス排出用貫通孔を空気極側プレート３３に設け、酸化剤ガス給排気用溝６４と接続するようにしてもよい。
この場合、酸化剤ガス排出マニホールドを設けることで、スタックの外周部、つまり空気極側プレート３３の外周部を外部に開放する必要がなくなる。その結果、セル２の空気極２３をカバーすることが可能となり、シールの不良により漏れ出た燃料ガスから燃料ガスによる空気極２３の劣化を防ぎ、発電特性をより安定に維持することができる。また、この酸化剤ガス排出通路を溝で構成してもよい。 Further, in the present embodiment, the oxidant gas discharge flow path is formed by the gap between the adjacent separators, but the oxidant gas discharge passage is formed on the back surface 35 of the center plate 31 as in the fuel electrode 22. An oxidant gas discharge passage is formed so as not to intersect with the oxidant gas supply passage 43, and an oxidant gas discharge through hole connected to the oxidant gas discharge passage is provided in the air electrode side plate 33 to supply and discharge the oxidant gas. You may make it connect with the groove | channel 64 for use.
In this case, by providing the oxidant gas discharge manifold, there is no need to open the outer peripheral portion of the stack, that is, the outer peripheral portion of the air electrode side plate 33 to the outside. As a result, it is possible to cover the air electrode 23 of the cell 2, and it is possible to prevent deterioration of the air electrode 23 due to the fuel gas from the fuel gas leaked due to a poor seal, and to maintain power generation characteristics more stably. Further, the oxidant gas discharge passage may be constituted by a groove.

また、本実施の形態においては、電極面上でのガスの分配を円滑にするために、燃料ガス給排気用溝５５や酸化剤ガス給排気用溝６４が設けられているが、セル２の電極の部分のみで十分な発電特性が得られる場合や、セパレータ３と電極との間に金属のメッシュや不織布等の導電性のガス拡散性の高い接続部材を設ける場合などは燃料ガス給排気溝５５や酸化剤ガス給排気用溝６４等を設けなくてもよい。また、燃料ガス給排気用溝５５および酸化剤ガス給排気用溝６４は、セパレータ３に設けたが、これらを電極に設けるようにしてもよい。 Further, in the present embodiment, the fuel gas supply / exhaust groove 55 and the oxidant gas supply / exhaust groove 64 are provided in order to facilitate the gas distribution on the electrode surface. When sufficient power generation characteristics can be obtained with only the electrode portion, or when a conductive gas diffusible connecting member such as a metal mesh or nonwoven fabric is provided between the separator 3 and the electrode, the fuel gas supply / exhaust groove 55, the oxidant gas supply / exhaust groove 64, etc. may not be provided. Further, although the fuel gas supply / exhaust groove 55 and the oxidant gas supply / exhaust groove 64 are provided in the separator 3, they may be provided in the electrode.

また、センタープレート３１は、複数枚のプレート、例えば、燃料ガス供給通路４１を有するプレートと、燃料ガス排出通路４２を有するプレートと、酸化剤ガス供給通路４３有するプレートとから構成されてもよい。
また、本実施の形態において、センタープレート３が有する燃料ガス供給通路４１、燃料ガス排出通路４２や酸化剤ガス供給通路４３等を溝としたが、センタープレート３を貫通する管としてもよい。この場合、例えば、図１４に示すように、酸化剤ガスＧ２は、セパレータ２内を貫通する管を通って平板型固体酸化物形燃料電池１’に給排気される。また、図１５に示すように、燃料ガスＧ１もセパレータ２内を貫通する管を通って平板型固体酸化物形燃料電池１’に給排気される。 The center plate 31 may be composed of a plurality of plates, for example, a plate having the fuel gas supply passage 41, a plate having the fuel gas discharge passage 42, and a plate having the oxidant gas supply passage 43.
In the present embodiment, the fuel gas supply passage 41, the fuel gas discharge passage 42, the oxidant gas supply passage 43, etc. of the center plate 3 are grooves, but a pipe that penetrates the center plate 3 may be used. In this case, for example, as shown in FIG. 14, the oxidant gas G2 is supplied to and exhausted from the flat solid oxide fuel cell 1 ′ through a pipe penetrating the separator 2. Further, as shown in FIG. 15, the fuel gas G1 is also supplied to and exhausted from the flat solid oxide fuel cell 1 ′ through a pipe passing through the separator 2.

また、本実施の形態においては、燃料ガス供給通路４１および燃料ガス排出通路４２は、センタープレート３１に設けられた溝としたが、燃料極側プレート３２に設けられた溝でもよい。また、燃料ガス供給通路４１および燃料ガス排出通路４２は、センタープレート３１及び燃料極側プレート３２に設けられた溝を組合わせて形成されてもよい。
また、酸化剤ガス供給通路４３は、センタープレート３１に設けられた溝としたが、空気極側プレート３３に設けられた溝でもよい。また、空気極側プレート３３は、センタープレート３１及び空気極側プレート３３に設けられた溝を組合わせて形成されてもよい。 In the present embodiment, the fuel gas supply passage 41 and the fuel gas discharge passage 42 are grooves provided in the center plate 31, but may be grooves provided in the fuel electrode side plate 32. The fuel gas supply passage 41 and the fuel gas discharge passage 42 may be formed by combining grooves provided in the center plate 31 and the fuel electrode side plate 32.
The oxidant gas supply passage 43 is a groove provided in the center plate 31, but may be a groove provided in the air electrode side plate 33. In addition, the air electrode side plate 33 may be formed by combining grooves provided in the center plate 31 and the air electrode side plate 33.

また、本実施の形態においては、セパレータ３は、センタープレート３１、燃料極側プレート３２および空気極側プレート３３とから構成されるとしたが、燃料ガス供給通路４１および燃料ガス排出通路４２が燃料極側プレート３２に、酸化剤ガス供給通路４３が空気極側プレート３３にそれぞれ設けられている場合、燃料極側プレート３２と空気極側プレート３３と組合わせて、セパレータを形成するとしてもよい。この場合、燃料ガス供給通路４１および燃料ガス排出通路４２と酸化剤ガス供給通路４３が交わらないように設計する必要があるが、センタープレート３１は不要となり、セパレータ３をより薄くすることができる。 In the present embodiment, the separator 3 is composed of the center plate 31, the fuel electrode side plate 32, and the air electrode side plate 33. However, the fuel gas supply passage 41 and the fuel gas discharge passage 42 are the fuel. When the oxidant gas supply passage 43 is provided in the electrode side plate 32 in the air electrode side plate 33, a separator may be formed by combining the fuel electrode side plate 32 and the air electrode side plate 33. In this case, it is necessary to design so that the fuel gas supply passage 41, the fuel gas discharge passage 42, and the oxidant gas supply passage 43 do not intersect, but the center plate 31 is not required, and the separator 3 can be made thinner.

本発明の実施の形態に係るセパレータを用いた平板型固体酸化物形燃料電池の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the flat type solid oxide fuel cell using the separator which concerns on embodiment of this invention. セルの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of a cell. 本発明の実施の形態に係るセパレータの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the separator which concerns on embodiment of this invention. センタープレートの平面図である。It is a top view of a center plate. 燃料極側プレートの平面図である。It is a top view of a fuel electrode side plate. 空気極側プレートの平面図である。It is a top view of an air electrode side plate. シールの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a seal | sticker. 平板型固体酸化物形燃料電池における酸化剤ガスの給排気を示す図である。It is a figure which shows supply / exhaust of oxidant gas in a flat type solid oxide fuel cell. 平板型固体酸化物形燃料電池における燃料ガスの給排気を示す図である。It is a figure which shows supply / exhaust of the fuel gas in a flat type solid oxide fuel cell. 他の実施の形態に係るセパレータの接合後（ａ）と接合前（ｂ）とを示す図である。It is a figure which shows (a) after joining of the separator which concerns on other embodiment, and (b) before joining. 図１０におけるセンタープレートの表面（ａ）と裏面（ｂ）とを示す図である。It is a figure which shows the surface (a) and back surface (b) of the center plate in FIG. 図１０における燃料極側プレートの表面（ａ）と裏面（ｂ）とを示す図である。It is a figure which shows the surface (a) and back surface (b) of the fuel electrode side plate in FIG. 図１０における空気極側プレートの裏面（ａ）と表面（ｂ）とを示す図である。It is a figure which shows the back surface (a) and surface (b) of the air electrode side plate in FIG. 他の平板型固体酸化物形燃料電池における酸化剤ガスの給排気を示す図である。It is a figure which shows supply / exhaust of the oxidant gas in another flat type solid oxide fuel cell. 他の平板型固体酸化物形燃料電池におけるの燃料ガスの給排気を示す図である。It is a figure which shows supply / exhaust of the fuel gas in another flat type solid oxide fuel cell.

Explanation of symbols

１…平板型固体酸化物形燃料電池、２、２Ａ、２Ｂ…セル、３、３’…セパレータ、４…燃料供給用マニホールド、５…燃料排出用マニホールド、６…酸化剤供給用マニホールド、７…絶縁リング、８…シールリング、９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ…パイプ、１１…負極終端セパレータ、１２…正極終端セパレータ、２１…電解質層、２２…燃料極、２３…空気極、３１、３１’…センタープレート、３２、３２’…燃料極側プレート、３３、３３’…空気極側プレート、３４…（センタープレート）表面、３５…（センタープレート）裏面、４１…燃料ガス供給通路、４２…燃料ガス排出通路、４３…酸化剤ガス供給通路、５１…燃料供給用貫通孔、５２…燃料排出用貫通孔、５３…（燃料極側プレート）表面、５４…（燃料極側プレート）裏面、５５…燃料ガス給排気用溝、５６…酸化剤ガス供給用溝、６１…酸化剤ガス供給用貫通孔、６２…（空気極側プレート）表面、６３…（空気極側プレート）裏面、６４…酸化剤ガス給排気用溝、６５…空気極側プレート外縁部、Ｇ１…燃料ガス、Ｇ１’…排出ガス、Ｇ２…酸化剤ガス、Ｇ２’…排出ガス。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flat type solid oxide fuel cell, 2, 2A, 2B ... Cell, 3, 3 '... Separator, 4 ... Fuel supply manifold, 5 ... Fuel discharge manifold, 6 ... Oxidant supply manifold, 7 ... Insulating ring, 8 ... Seal ring, 9, 9a, 9b, 9c, 9d ... Pipe, 11 ... Negative electrode termination separator, 12 ... Positive electrode termination separator, 21 ... Electrolyte layer, 22 ... Fuel electrode, 23 ... Air electrode, 31, 31 '... center plate, 32, 32' ... fuel electrode side plate, 33, 33 '... air electrode side plate, 34 ... (center plate) surface, 35 ... (center plate) back surface, 41 ... fuel gas supply passage, 42 ... Fuel gas discharge passage, 43 ... Oxidant gas supply passage, 51 ... Fuel supply through hole, 52 ... Fuel discharge through hole, 53 ... (Fuel electrode side plate) surface, 54 ... (Fuel electrode side plate) Back surface 55... Fuel gas supply / exhaust groove 56. Oxidant gas supply groove 61. Oxidant gas supply through-hole 62 62 (Air electrode side plate) surface 63 63 (Air electrode side plate) back surface 64 ... Oxidant gas supply / exhaust groove, 65 ... Air electrode side plate outer edge, G1 ... Fuel gas, G1 '... Exhaust gas, G2 ... Oxidant gas, G2' ... Exhaust gas.

Claims

A flat plate cell having a fuel electrode and an air electrode disposed on the front and back surfaces of an electrolyte layer made of a solid oxide is disposed between the cells and electrically connected to each other, and the fuel electrode of one cell A first gas supply passage for supplying fuel gas to the second gas supply passage, a second gas supply passage for supplying oxidant gas to the air electrode of the other cell, and a first gas exhausting the fuel gas from the fuel electrode side of one cell. A separator having a gas exhaust passage of
It consists of a plurality of laminated plate-like members,
At least one of the first and second gas supply passages includes an internal supply passage formed by providing a groove on at least one of the mutually opposed surfaces of the two plate-like members adjacent to each other, and at least one end thereof Opened on the surface of the plate-like member facing the cell, the other end is formed from a supply hole connected to the internal supply passage ,
The first gas exhaust passage includes an internal exhaust passage formed by providing a groove on at least one of mutually opposing surfaces of the two plate-like members adjacent to each other, and at least one end of the fuel electrode of the cell. In the separator formed in the first exhaust hole that opens to the surface of the opposing plate-like member and the other end is connected to the internal exhaust passage,
One end of the supply hole opens at a position facing the center of the fuel electrode or air electrode of the cell, and a plurality of the first exhaust holes are installed in the outer peripheral portion of the region facing the fuel electrode of the cell. separator, characterized in that that.

The separator according to claim 1 , wherein
At least any one of the plate-like members facing each of the cells has a groove connected to the supply hole on the surface facing the cell.

The separator according to claim 1 or 2 , further comprising:
A second gas exhaust passage for exhausting oxidant gas from the air electrode side of the other cell;
The second gas exhaust passage includes a second internal exhaust passage formed by providing a groove on at least one of mutually opposing surfaces of two adjacent plate-like members, and at least one end of the air of the cell. A separator having a second opening formed in a surface of a plate-like member facing the pole and having the other end connected to the internal exhaust passage.

In the separator according to claim 3 ,
One end of the exhaust hole in the second exhaust passage is installed in an outer peripheral portion of a region of the cell facing the air electrode.

In the separator as described in any one of Claims 1 thru | or 4 ,
The plate member includes a first plate member facing the fuel electrode, a second plate member facing the air electrode, and a third sandwiched between the first and second plate members. Consisting of a plate-shaped member
The first gas supply passage includes a first internal supply passage formed by providing a groove on an opposing surface of at least one of the first plate member and the third plate member; A separator formed from a first supply hole formed in a first plate-like member and connected to the first internal supply passage.

The separator according to claim 5 , wherein
The second gas supply passage includes a second internal supply passage formed by providing a groove on an opposing surface of at least one of the second plate member and the third plate member, A separator formed from a second supply hole formed in a second plate-like member and connected to the second internal supply passage.

In the separator as described in any one of Claims 1 thru | or 4 ,
The plate member includes a first plate member facing the fuel electrode, a second plate member facing the air electrode, and a third sandwiched between the first and second plate members. Consisting of a plate-shaped member
The first gas exhaust passage includes a first internal exhaust passage formed by providing a groove on an opposing surface of at least one of the first plate member and the third plate member; A separator formed from a first exhaust hole formed in a first plate-like member and connected to the first internal exhaust passage.

The separator according to claim 3 or 4 ,
The plate member includes a first plate member facing the fuel electrode, a second plate member facing the air electrode, and a third sandwiched between the first and second plate members. Consisting of a plate-shaped member
The second gas exhaust passage includes a second internal exhaust passage formed by providing a groove on an opposing surface of at least one of the second plate member and the third plate member; A separator formed by a second plate-shaped member and a second exhaust hole connected to the second internal exhaust passage.

Electrically connecting a plurality of flat plate-shaped cells having a fuel electrode and an air electrode on the front and back surfaces of an electrolyte layer made of a solid oxide, and the fuel electrode of the first cell and the air electrode of the second cell In a flat plate solid oxide fuel cell in which separators to be connected are alternately stacked, and power is generated by supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode and the air electrode through the separator,
A flat plate solid oxide fuel cell, wherein the separator is the separator according to any one of claims 1 to 8 .