JPH03219563A - Solid electrolyte type fuel cell - Google Patents
Solid electrolyte type fuel cellInfo
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- JPH03219563A JPH03219563A JP1147291A JP14729189A JPH03219563A JP H03219563 A JPH03219563 A JP H03219563A JP 1147291 A JP1147291 A JP 1147291A JP 14729189 A JP14729189 A JP 14729189A JP H03219563 A JPH03219563 A JP H03219563A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は固体電解質を用い電気化学反応によってその
自由エネルギを電気エネルギに変換する固体電解質型燃
料電池に係り、特に信転性や特性および熱効率に優れる
固体電解質型燃料電池に関する。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] This invention relates to a solid electrolyte fuel cell that uses a solid electrolyte and converts its free energy into electrical energy through an electrochemical reaction. This invention relates to a solid oxide fuel cell that has excellent properties.
従来のガスタービンやジーゼルエンジンのような熱機関
を利用する発電装置では、その発電効率がカルノーサイ
クルによって制限を受けるのに対−
し、燃料電池の発電効率は電気化学反応の自由エネルギ
の変化とエンタルルビーとの関係に依存するので、熱機
関より高くなることが期待される。While the power generation efficiency of conventional power generation devices that use heat engines such as gas turbines and diesel engines is limited by the Carnot cycle, the power generation efficiency of fuel cells is determined by changes in the free energy of electrochemical reactions. Since it depends on the relationship with ental ruby, it is expected to be higher than that of a heat engine.
したがって、燃料電池を発電装置として利用することは
資源の有効利用になり、それにともなってCO,の排出
量が相対的に少なくなるのみならず、No、の排出も極
めて少なく、大気汚染による環境悪化に歯止めをかける
有力な手段の一つとして将来が期待されている。Therefore, using a fuel cell as a power generation device is an effective use of resources, which not only results in relatively low emissions of CO, but also extremely low emissions of NO, which worsens the environment due to air pollution. In the future, it is expected to be one of the effective means to put a brake on the situation.
燃料電池は、電解質板を酸素極(カソード)と燃料極(
アノード)で挟んだ構造になっており、酸素極側には酸
素または空気を供給し、燃料極側には水素または天然ガ
ス、メタノール、石油などの改質ガス、さらに石炭ガス
などを供給することにより、電気を化学的に取り出すと
ともに水も生成するものである。燃料電池は電解質の種
類によって分類され、アルカリ型、りん酸型、溶融炭酸
塩型および固体電解質型などが主として開発されている
。固体電解質型燃料電池は、電解質に固体酸化物を用い
、900〜1000℃で運転される。A fuel cell uses an electrolyte plate as an oxygen electrode (cathode) and a fuel electrode (
The structure is such that oxygen or air is supplied to the oxygen electrode side, and hydrogen or reformed gas such as natural gas, methanol, or petroleum, or coal gas is supplied to the fuel electrode side. This system extracts electricity chemically and also generates water. Fuel cells are classified according to the type of electrolyte, and alkaline type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid electrolyte type have mainly been developed. A solid oxide fuel cell uses a solid oxide as an electrolyte and is operated at 900 to 1000°C.
固体電解質型燃料電池においては、例えばイツトリアで
安定化されたジルコニア固体電解質(ZrO2Yz03
)の中を酸素イオン(0”−)が移行する。酸素極での
反応は
1/20g + 2e−= O”−−一−−・・・・
(1)燃料極での反応は
11t + O”−−LO+ 2e−−−(21Go
+ 0t−−CO,+ 2e−−・−(3)電池全
体の反応としては
1/20t + L −HgOf4t1/20t +
Go −Co□ 、(5)となり、溶融炭酸塩型
と共にCOが直接燃料として使える特長がある。したが
って、天然ガス、メタノール、石油などの改質ガスをC
O変成器を介さないで燃料電池に直接供給できる上に、
運転温度が1000℃と高く、燃料極にNiを使用して
いるので、燃料ガスの改質を電池の中で行えるため改質
器が不要になって燃料供給システムが他の燃料電池より
極めて箇素になる特徴がある。また、燃料電池からの排
出ガスは高温であるため、排熱の利用範囲が広くなる。In a solid electrolyte fuel cell, for example, a zirconia solid electrolyte stabilized with ittria (ZrO2Yz03
) Oxygen ions (0"-) migrate through the oxygen electrode. The reaction at the oxygen electrode is 1/20g + 2e-= O"--1--...
(1) The reaction at the fuel electrode is 11t + O”−LO+ 2e−−−(21Go
+ 0t--CO, + 2e--・-(3) The reaction of the entire battery is 1/20t + L -HgOf4t1/20t +
Go -Co□ , (5), which has the advantage that CO can be used directly as a fuel along with the molten carbonate type. Therefore, C
In addition to being able to supply directly to the fuel cell without going through an O transformer,
Since the operating temperature is as high as 1000°C and Ni is used for the fuel electrode, fuel gas can be reformed within the cell, eliminating the need for a reformer and making the fuel supply system much more complicated than other fuel cells. There are characteristics that make it simple. Furthermore, since the exhaust gas from the fuel cell is at a high temperature, the exhaust heat can be utilized over a wide range of areas.
固体電解質型燃料電池のセル構造は大きく2つに分類さ
れる。一つは米国特許第3.460,991号公報、1
983ナシヨナル・ツユエル・セル・セミナ(Nati
onal Fuel Ce1l Sem1nar)No
v、 13−1619830rkland、Flori
da p78及び1985フユエル・セル・セミナ(F
uel Ce1l Semlnar)May、 19−
221985 Tucson、 Ar1zona p9
5によって開示されている円筒形のちのと、もう一つは
米国特許第3,554,808号公報、米国特許第4,
490.445号公報、1983ナシヨナル・ツユエル
・セル・セミナ(National Fuel Cel
lSem1nar)Nov、 13−161983 p
’74によって開示されている平板形である。固体電解
質型燃料電池は主要材料がセラミックスであるため機械
的にもろ(、熱膨張差やセル内の発電の不均一さによっ
て発生する熱応力によって破損しやすい問題があり、長
い間実現できなかった。しかし、上記の特許によって明
らかにされているように電解質材とほぼ同し熱膨張係数
の電極やセパレータ材料が見出され、実際に電池を試作
して発電試験が出来るようになった。特に1983ナシ
ヨナル・ツユエル・セル・セミナ(National
Fuel Ce1l Sem1nar)Nov、 13
−1619830rkland、Florida p7
8は熱膨張を逃げることを重視した構造になっているの
で、単セルごとの信鯨性は高くなるが、まだセル間の接
合部にはニッケル・フェルト・バンド(nickel
felt pad)を用いており、熱膨張を十分に吸収
できない問題があり、かつ電流が薄い電極の面方向に沿
って流れる構造のため、抵抗損失が大きくなり、発電密
度が低くなる欠点がある。The cell structures of solid oxide fuel cells are broadly classified into two types. One is U.S. Patent No. 3,460,991, 1
983 National Thuuel Cell Seminar (Nati
onal Fuel Ce1l Sem1nar)No
v, 13-1619830rkland, Flori
da p78 and 1985 Fuel Cell Seminar (F
May, 19-
221985 Tucson, Arzona p9
One cylindrical shape is disclosed in U.S. Pat. No. 3,554,808, U.S. Pat.
No. 490.445, 1983 National Fuel Cel Seminar
lSem1nar) Nov, 13-161983 p
It is a flat plate type disclosed by '74. Because solid oxide fuel cells are made of ceramic as their main material, they are mechanically fragile and prone to damage due to thermal stress caused by differences in thermal expansion and uneven power generation within the cell, which has prevented them from being realized for a long time. However, as revealed in the above patent, electrode and separator materials with thermal expansion coefficients almost the same as the electrolyte material have been discovered, and it has become possible to actually make prototype batteries and conduct power generation tests. 1983 National Thuuel Cell Seminar
Fuel Ce1l Sem1nar) Nov, 13
-1619830rkland, Florida p7
8 has a structure that focuses on escaping thermal expansion, so the reliability of each single cell is high, but there is still a nickel felt band at the joint between cells.
(felt pad), which has the problem of not being able to absorb thermal expansion sufficiently, and because of the structure in which current flows along the plane of the thin electrode, there is a drawback that resistance loss is large and power generation density is low.
平板形電池の内1983ナショナル・ツユエル・セル・
セミナ(National Fuel Ce1l 5e
nlnar)Nov。Among the flat batteries, 1983 National Tsuyuel Cell
Seminar (National Fuel Ce1l 5e
nlnar) Nov.
13−1619830rkland、Florida
p74で発表されたものは、電解質、電極およびセパレ
ータを一体焼結したモノリシック構造であり、出力密度
が極めて高くなる特長があるが、製法に高度な技術を必
要とするのみならず、熱膨張はほとんど逃げられない構
造になっているので、大きいものが出来ず適用範囲が限
定される欠点がある。また、米国特許第4,490.4
45号公報の燃料電池は、電解質である0
Zr0g YzOsの円板状薄膜(厚さ0.01〜0
.02inch)の画側に電極(厚さ0.003〜0.
005inch)を塗り付けて焼結したものを単セルと
して、それをリブ付のセパレータ板で挟んだ構造である
。タイトなガスシールを設けていないのでセルごとの熱
膨張は逃げることができる。13-1619830rkland, Florida
The one announced on page 74 has a monolithic structure in which the electrolyte, electrodes, and separator are sintered together, and has the feature of extremely high output density, but it not only requires advanced technology for manufacturing, but also has low thermal expansion. Since it has a structure that makes it almost impossible to escape, it has the disadvantage that it cannot be made large and its range of application is limited. Also, U.S. Patent No. 4,490.4
The fuel cell of Publication No. 45 uses a disk-shaped thin film (thickness 0.01 to 0.0
.. 0.02 inch) on the image side (thickness 0.003 to 0.02 inch).
005 inch) and sintered to form a single cell, which is sandwiched between ribbed separator plates. Since there is no tight gas seal, thermal expansion from each cell can escape.
しかしながらこのような燃料電池においては、反応ガス
は単セルの主面上を直径に沿って流れるので反応ガスの
パスが長くなりやすく、反応ガスの濃度勾配が大きくな
って、セル面上の電池の出力分布の不均一性が増大する
という問題がある。However, in such a fuel cell, the reactant gas flows along the diameter on the main surface of the single cell, so the path of the reactant gas tends to be long, and the concentration gradient of the reactant gas becomes large, causing the cell to flow on the cell surface. There is a problem in that the non-uniformity of the output distribution increases.
この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は電池の
各部材が相互に自由にスライドできるうえ、反応ガスの
パスが短(なるようにして、燃料電池の温度変化に際し
て電池部材の熱破損がなく信頼性に優れるうえ特性に優
れる固体電解質型燃料電池を提供すること、あわせて排
出ガスの燃焼熱を利用することにより、熱効率に優れる
固体電解質型燃料電池を提供することにある。This invention was made in view of the above-mentioned points, and its purpose is to allow each member of the battery to slide freely relative to each other, and to ensure that the path of the reactant gas is short (to prevent thermal damage to the battery members due to temperature changes in the fuel cell). It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell that is highly reliable and has excellent characteristics, and also to provide a solid oxide fuel cell that has excellent thermal efficiency by utilizing the combustion heat of exhaust gas.
上述の目的はこの発明によれば
1)固体電解質体の両生面にカソードとアノードの電極
を配してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸
化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応
ガス分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池に
おいて、
(1)中央部と周辺部との関に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽8Aを有する
反応ガス分配手段4A、 IIA、 IIBと、(2)
積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を貫通し
、単セルのアノードとカソードにそれぞれ反応ガスを並
列的に給気もしくは排気するマニホルド5,6、とを備
えること、
2)固体電解質体の両生面にカソードとアノードの電極
を配してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸
化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応
ガス分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池に
おいて、
(1)中央部と周辺部との間に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽8Aと、周辺
部に反応ガス排出用の反応ガス排出スリット14、とを
有する反応ガス分配手段4A、 IIA、 11Bと、
(2)積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を
貫通し、単セルのアノードとカソードにそれぞれ反応ガ
スを並列的に給気するマニホルド5.6と、
(3)単セルと反応ガス分配手段の積層されたセルスタ
ックの周囲に設けられ、セルスタック周囲に発生する燃
焼炎23をさえぎる遮炎体18と、(4)前記セルスタ
ックと前記遮炎体を予熱室を介して収納する断熱体17
A、とを備えること、3)固体電解質体の両生面にカソ
ードとアノードとを配してなる平板型単セルと、この単
セルの両電極に酸化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個
別に供給する反応ガス分配手段とを積層してなる固体電
解質型燃料電池において、
(1)中央部と周辺部との関に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽8B13
および周辺部に設けられた反応ガスシール用の案内羽8
Bとを有する反応ガス分配手段4C,IIC,110と
、(2)積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部
を貫通し、単セルのアノードとカソードにそれぞれ反応
ガスを並列的に給気もしくは排気するマニホルド27.
28および積層された単セルと反応ガス分配手段の周辺
部で前記反応ガスシール用の案内羽の内側を貫通するマ
ニホルド5.6と、(3)単セルと反応ガス分配手段の
積層されたセルスタックを収容するスタック室に隣接す
るとともに防炎壁32でスタック室と仕切られた燃焼室
30、とを備えること、により達成される。According to the present invention, the above-mentioned objects are as follows: 1) A flat plate type single cell having a cathode and an anode electrode arranged on both surfaces of a solid electrolyte body, and a double reaction of an oxidant gas and a fuel gas on both electrodes of this single cell. In a solid oxide fuel cell formed by stacking reactant gas distribution means for individually supplying gases, (1) guiding the reactant gas to the center and peripheral parts and electrically connecting it to the single cell; (2) reaction gas distribution means 4A, IIA, IIB having guide vanes 8A for performing
2) Manifolds 5 and 6 are provided that penetrate through the center of the stacked unit cell and the reactive gas distribution means and supply or exhaust reactive gas to the anode and cathode of the unit cell in parallel, respectively; 2) a solid electrolyte; A flat plate type single cell with cathode and anode electrodes arranged on both sides of the body, and a reactive gas distribution means for individually supplying both the oxidizing gas and fuel gas to both electrodes of this single cell are laminated. In a solid oxide fuel cell made up of: (1) a guide vane 8A that guides the reactive gas between the central part and the peripheral part and makes an electrical connection with the single cell, and a guide vane 8A that discharges the reactive gas to the peripheral part; Reactive gas distribution means 4A, IIA, 11B having a reaction gas exhaust slit 14, (2) passing through the center of the stacked single cells and the reaction gas distribution means, and discharging the anode and cathode of the single cell, respectively. a manifold 5.6 that supplies reactant gas in parallel; and (3) a flame shield that is provided around the cell stack in which the single cells and the reactant gas distribution means are stacked and blocks the combustion flame 23 generated around the cell stack. (4) a heat insulator 17 that accommodates the cell stack and the flame shield through a preheating chamber;
A. 3) A flat plate type single cell having a cathode and an anode disposed on both sides of a solid electrolyte body, and both reactant gases, oxidant gas and fuel gas, separately supplied to both electrodes of this single cell. (1) A guide for guiding the reactant gas to the connection between the central part and the peripheral part and for electrically connecting it to the single cell. Wings 8B13 and guide wings 8 for sealing the reaction gas provided in the periphery
and (2) a reactant gas distribution means 4C, IIC, 110 having B, and (2) penetrating the central part of the stacked unit cell and the reactant gas distribution means, and supplying the reactant gas to the anode and cathode of the single cell in parallel, respectively. Manifold for air or exhaust27.
28 and a manifold 5.6 penetrating the inner side of the guide vane for sealing the reaction gas at the periphery of the stacked single cell and the reactive gas distribution means; (3) a stacked cell of the stacked single cell and the reactive gas distribution means; This is achieved by providing a combustion chamber 30 adjacent to the stack chamber that accommodates the stack and partitioned from the stack chamber by a flameproof wall 32.
単セルは自立性の薄板状にあるいは基板上に支持して膜
状に形成することができる。自立性の単セルは支持体と
なる基板を使用しない。反応ガス分配手段についても同
様で自立性で緻密質の薄板状体であるセパレート板かま
たは案内羽を有する多孔質基板と、緻密質のセパレータ
膜を一つの主面に支持し他の主面に案内羽を有する多孔
質若しくは緻密質の基板とから形成される分配手段のい
14−
ずれかを使用することができる。マニホルドは単セルの
アノードに燃料ガスを供給し、あるいは反応後の燃料ガ
スを排出する。また単セルのカソードに酸化剤ガスを供
給し、あるいは反応後の酸化剤ガスを排出する。マニホ
ルドは反応ガス管によりこれを形成し、あるいは単セル
と反応ガス分配手段の厚さ方向に形成された反応ガス流
通孔を重合することによって形成することができる。反
応ガス分配手段の案内羽は反応ガスを単セルの中央部と
周辺部の間に移動させる。反応ガスの流れ方には直線状
、ジグザグ、ら旋状等が可能である。The single cell can be formed in the form of a free-standing thin plate or supported on a substrate in the form of a membrane. Freestanding single cells do not use a supporting substrate. The same applies to the reaction gas distribution means, which includes a separate plate that is a self-supporting dense thin plate-like body or a porous substrate having guide wings, and a dense separator membrane supported on one main surface and supported on the other main surface. Any distribution means formed from a porous or dense substrate with guide vanes can be used. The manifold supplies fuel gas to the anode of the single cell or discharges the fuel gas after reaction. Further, an oxidizing gas is supplied to the cathode of the single cell, or the oxidizing gas is discharged after the reaction. The manifold can be formed by a reaction gas pipe or by polymerizing reaction gas flow holes formed in the thickness direction of the single cell and the reaction gas distribution means. Guide vanes of the reactant gas distribution means move the reactant gas between the center and the periphery of the single cell. The flow direction of the reaction gas can be linear, zigzag, spiral, etc.
また反応ガス分配手段の最外周辺部にガスシール用の案
内羽を設けることができる。このとき反応ガスは単セル
と反応ガス分配手段の積層されたセルスタックの周囲に
排出されることがない。反応ガス排出スリットを用いる
と、セルスタックの周囲に排出できる。ガスシールは単
セルと反応ガス分配手段の全体につき行うことは要せず
、局部的にガラス0リングを用いて行うことができる。Further, guide vanes for gas sealing can be provided at the outermost peripheral portion of the reactive gas distribution means. At this time, the reactive gas is not discharged around the cell stack in which the single cells and the reactive gas distribution means are stacked. Using a reaction gas exhaust slit, the reaction gas can be exhausted around the cell stack. Gas sealing does not need to be performed on the entire unit cell and reaction gas distribution means, but can be performed locally using a glass O-ring.
ガラスOIJソング替えてセラミックス接着材による封
止も可能であるあセルスタックの周囲に反応ガスを排出
するときは、セルスタック周囲の炎室において燃焼炎が
生ずる。このときは燃料ガス改質器と酸化剤ガス外部供
給管、または反応ガス外部供給管を燃焼炎の熱を利用し
て加熱することができる。セルスタックの周囲の炎室に
反応ガスを排出しないときは、マニホルドにより各排出
ガスを集めスタック室と隔離された燃焼室で排出ガスを
反応させる。It is also possible to seal with a ceramic adhesive instead of the glass OIJ song. When the reaction gas is discharged around the cell stack, a combustion flame is generated in the flame chamber around the cell stack. At this time, the fuel gas reformer and the oxidizing gas external supply pipe or the reaction gas external supply pipe can be heated using the heat of the combustion flame. When reaction gases are not discharged into the flame chamber around the cell stack, each exhaust gas is collected by a manifold and reacted in a combustion chamber isolated from the stack chamber.
反応ガスは反応ガス分配手段に対しその中央部にあるマ
ニホルドと周辺部との間を流れるので燃料電池各部材間
の全体的なガスシールの必要性がなくなる。ガスシール
はマニホルド近傍等で局部的に行うことができる。また
反応ガスは中央部と周辺部の間を流れるので反応ガスの
パスが短くなり、反応ガスの濃度勾配が少なくなる。セ
ルスタックより排出された反応ガスは遮炎体とセルスタ
ックの間であるいはセルスタックと仕切られた燃焼室で
反応して燃焼するのでその燃焼熱を有効に利用すること
ができる。Since the reactant gas flows between the central manifold and the periphery of the reactant gas distribution means, the need for global gas seals between the fuel cell components is eliminated. Gas sealing can be performed locally, such as near the manifold. Furthermore, since the reactive gas flows between the central part and the peripheral part, the path of the reactive gas is shortened, and the concentration gradient of the reactive gas is reduced. Since the reaction gas discharged from the cell stack reacts and burns between the flame shield and the cell stack or in a combustion chamber partitioned from the cell stack, the heat of combustion can be effectively utilized.
(実施例1) 次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。 (Example 1) Next, embodiments of the present invention will be described based on the drawings.
第1図はこの発明の実施例に係るセルスタックのセパレ
ータ膜つき多孔質基板を示し、第1図(alは平面図、
第1図(b)は第1図(a)のA−A矢視図である。多
孔質基板11八(反応ガス分配手段)はランタンマンガ
ナイト(LaMnOs)を用いて形成される。セパレー
タ膜4Aは緻密なランタンクロマイト(LaCrOs)
層で形成される。セパレータ膜4Aも反応ガス分配手段
の1部である。セパレータ膜つき多孔質基板11Aの中
央部には反応ガス流通孔である酸化剤ガス供給マニホル
ド6と燃料ガス供給マニホルド5とが設けられる。酸化
剤ガス供給マニホルド6には反応ガス供給スリット10
^が形成される。多孔質基板tiaには酸化剤ガスを導
くリブ状の案内羽8A、酸化剤ガスを放射状にガイドす
るスリット29、また酸化剤ガス排出用の反応ガス排出
スリット14が設けられる。また燃料ガス供給マニホル
ドを形17−
成するリプにはガスシール用にガラスQ IJソング2
が装着される。第2図はこの発明の実施例に係るセルス
タックの単セルつき多孔質基板を示し、第2図(alは
平面図、第2図中)は第2図(81のB−B矢視図であ
る。多孔質基板11B(反応ガス分配手段)はニッケル
ージルコニア (Nl−ZrOt)サーメットを用いて
形成される。多孔質基板11B上には単セル13が形成
される。単セル13はイツトリアmos)で安定化され
た緻密質のジルコニアからなる固体電解質体1.多孔質
のNi−Zr0=サーメツトからなるアノード2.多孔
質のランタンマンガナイトからなるカソード3から構成
される。単セル13つき多孔質基板11Bの中央部には
酸化剤ガス供給マニホルド6と燃料ガス供給マニホルド
5とが設けられる。燃料ガス供給マニホルド5には反応
ガス供給スリットIOBが形成される。多孔質基板11
Bには燃料ガスを導くリプ状の案内羽8A、燃料ガスを
放射状にガイドするスリット29、また燃料ガス排出用
の反応ガス排出スリット14が設けられる。酸化剤ガス
供給マニホルド6を形成する基板のリブ18−
にはガスシール用にガラス0リング12が装着される。FIG. 1 shows a porous substrate with a separator film of a cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1(b) is a view taken along the line A--A in FIG. 1(a). The porous substrate 118 (reactive gas distribution means) is formed using lanthanum manganite (LaMnOs). Separator film 4A is made of dense lanthanum chromite (LaCrOs)
Formed in layers. The separator membrane 4A is also part of the reactive gas distribution means. An oxidant gas supply manifold 6 and a fuel gas supply manifold 5, which are reactive gas flow holes, are provided in the center of the porous substrate 11A with a separator film. The oxidant gas supply manifold 6 has a reaction gas supply slit 10.
^ is formed. The porous substrate tia is provided with rib-shaped guide wings 8A for guiding the oxidant gas, slits 29 for radially guiding the oxidant gas, and reaction gas discharge slits 14 for discharging the oxidant gas. In addition, the lip that forms the fuel gas supply manifold has glass Q IJ song 2 for gas sealing.
is installed. FIG. 2 shows a porous substrate with a single cell of a cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIG. The porous substrate 11B (reactive gas distribution means) is formed using nickel-zirconia (Nl-ZrOt) cermet.A single cell 13 is formed on the porous substrate 11B. Solid electrolyte body made of dense zirconia stabilized with mos) 1. Anode made of porous Ni-Zr0=cermet2. It consists of a cathode 3 made of porous lanthanum manganite. An oxidant gas supply manifold 6 and a fuel gas supply manifold 5 are provided in the center of the porous substrate 11B with the single cell 13. A reaction gas supply slit IOB is formed in the fuel gas supply manifold 5 . Porous substrate 11
B is provided with a lip-shaped guide vane 8A for guiding the fuel gas, a slit 29 for radially guiding the fuel gas, and a reaction gas exhaust slit 14 for discharging the fuel gas. A glass O-ring 12 is attached to the rib 18- of the substrate forming the oxidizing gas supply manifold 6 for gas sealing.
セパレータ膜つき多孔質基板11Aは次のようにして調
製される。縦と横が300fi×300fiで厚さ2n
のリブ状案内羽つき多孔質基板の平坦な主面上にランタ
ンクロマイトを緻密にプラズマ溶射し、厚さ40μのセ
パレータ膜4Aが形成される。単セルつき多孔質基板1
1Bは次のようにして調製される。縦と横が300 鶴
X 300 txで厚さ2fiの多孔質基板の平坦な主
面にNi Zr0tサーメツトが多孔質にプラズマ溶
射され、犀さ100−のアノード2が形成される。アノ
ード2の上にイツトリアで安定化されたジルコニアが溶
射され、厚さ30−の緻密な固体電解質体1が形成され
る。続いてランタンマンガナイトがプラズマ溶射され、
厚さ800−の多孔質なカソード3が形成される。ラン
タンマンガナイトを用いた多孔質基材は、緻密質にする
こともできる。しかしこの場合においてもランタンマン
ガナイトは還元性ふん囲気で還元されるので緻密質のラ
ンタンクロマイトからなるセパレータ膜は必要である。The porous substrate 11A with a separator film is prepared as follows. The length and width are 300fi x 300fi and the thickness is 2n.
Lanthanum chromite is densely plasma sprayed onto the flat main surface of the porous substrate with rib-like guide wings to form a separator film 4A having a thickness of 40 μm. Porous substrate with single cell 1
1B is prepared as follows. Ni Zr0t cermet is porously plasma sprayed onto the flat main surface of a porous substrate having a length and width of 300 x 300 tx and a thickness of 2 fi to form an anode 2 with a thickness of 100 -. Zirconia stabilized with yttria is thermally sprayed onto the anode 2 to form a dense solid electrolyte body 1 with a thickness of 30 mm. Lanthanum manganite was then plasma sprayed.
A porous cathode 3 having a thickness of 800 mm is formed. Porous substrates using lanthanum manganite can also be made dense. However, even in this case, since lanthanum manganite is reduced in a reducing atmosphere, a separator film made of dense lanthanum chromite is necessary.
第3図はこの発明の実施例に係るセパレータ膜つき多孔
質基板11Aと単セルつき多孔質基板11Bを交互に積
層したセルスタックを示す断面図である。反応ガス供給
スリッ) IOA。FIG. 3 is a sectional view showing a cell stack in which porous substrates with separator films 11A and porous substrates with single cells 11B are alternately laminated according to an embodiment of the present invention. Reaction gas supply slit) IOA.
10Bを通じて反応ガスの供給される様子が矢印で示さ
れる。右列の矢印は酸化剤ガスの流れ、左列の矢印は燃
料ガスの流れである。積層によって反応ガス流通孔がつ
ながり各反応ガスを並列的に反応ガス分配手段に供給す
るマニホルドが形成される。第4図は第3図のA部を示
す部分拡大図で第4図talは加熱前の状態を示す断面
図、第4図fblは加熱後の状態を示す断面図である。An arrow indicates how the reaction gas is supplied through 10B. The arrows in the right column indicate the flow of oxidant gas, and the arrows in the left column indicate the flow of fuel gas. The lamination forms a manifold in which reaction gas flow holes are connected and each reaction gas is supplied to the reaction gas distribution means in parallel. FIG. 4 is a partially enlarged view showing part A in FIG. 3, FIG. 4 tal is a sectional view showing the state before heating, and FIG. 4 fbl is a sectional view showing the state after heating.
加熱によってガラス0リング12が溶融し、液体シール
が行われる。ガラスOリング12の装着される基板のリ
ブはその内壁にセラミックセメント等を用いて目詰部3
4が形成される。反応ガスは目詰部34を透過すること
ができない。The glass O-ring 12 is melted by heating, creating a liquid seal. The inner wall of the rib of the substrate to which the glass O-ring 12 is attached is filled with ceramic cement or the like to form a clogging portion 3.
4 is formed. The reaction gas cannot pass through the clogging section 34.
ランタンマンガナイトからなる多孔質基板11Aには酸
化剤ガスが流される。酸化剤ガスは案内羽8Aとスリッ
ト29により多孔質基板11Aの周辺部に向かってジグ
ザグに流れるので単セルのカソード3に酸化剤ガスが分
配される。一方燃料ガスは旧−ZrO□サーメットから
なる多孔質基板11Bに流される。燃料ガスは酸化剤ガ
スと同様にして流れ、単セルのアノード2に燃料ガスが
分配される。セパレータ膜4^は酸化剤ガスと燃料ガス
が相互に混触する事を防止する。電気化学反応により単
セルに発生した起電力(0,5〜0.9 V)は直列的
に加算される。ランタンマンガナイトからなる多孔質基
板11Aやランタンクロマイトからなるセパレータ膜4
AおよびNi −ZrO,サーメットからなる多孔質基
板11Bは電子電導性があり、電流を直列的に流すこと
ができる。Oxidizing gas is flowed through the porous substrate 11A made of lanthanum manganite. The oxidizing gas flows in a zigzag manner toward the periphery of the porous substrate 11A by the guide vanes 8A and the slits 29, so that the oxidizing gas is distributed to the cathode 3 of the single cell. On the other hand, the fuel gas is passed through the porous substrate 11B made of old -ZrO□ cermet. The fuel gas flows in the same manner as the oxidant gas, and the fuel gas is distributed to the anode 2 of the single cell. The separator film 4^ prevents the oxidizing gas and the fuel gas from coming into contact with each other. The electromotive force (0.5 to 0.9 V) generated in the single cell by the electrochemical reaction is added in series. Porous substrate 11A made of lanthanum manganite and separator film 4 made of lanthanum chromite
The porous substrate 11B made of A, Ni-ZrO, and cermet has electronic conductivity and can allow current to flow in series.
セパレータ膜4Aは多孔質基板11A上に溶射され物理
的に接合しているので相互に自由に熱膨張収縮してスラ
イドすることができる。単セル13と多孔質基板11B
との関係、単セルを構成するアノード2.固体電解質体
1.カソード3間の関係についても同様である。セパレ
ータ膜つき多孔質基板11Aと単セルつき多孔質基板1
1Bを積層したセルスタックにおいても、セパレータ膜
4Aと多孔質基1−
板11Bとの間、単セル13と多孔質基板11Aとの間
はセルスタックの温度変化により自由に熱膨張収縮して
スライドすることができる。これは反応ガスを反応ガス
分配手段の中央部と周辺部の間に放射状に導(ためにセ
パレータ膜つき多孔質基板11^と単セルつき多孔質基
板11Bを積層するだけで足りるからである。ガスシー
ルは多孔質基板11A。Since the separator film 4A is thermally sprayed onto the porous substrate 11A and is physically bonded to the porous substrate 11A, the separator film 4A can freely expand and contract thermally and slide against each other. Single cell 13 and porous substrate 11B
The relationship between the anode 2. and the anode constituting the single cell. Solid electrolyte body 1. The same applies to the relationship between the cathodes 3. Porous substrate 11A with separator film and porous substrate 1 with single cell
Even in a cell stack in which cells 1B are laminated, the spaces between the separator film 4A and the porous substrate 1-board 11B, and between the single cell 13 and the porous substrate 11A, freely expand and contract thermally and slide due to temperature changes in the cell stack. can do. This is because it is sufficient to laminate the porous substrate 11^ with a separator film and the porous substrate 11B with a single cell in order to guide the reactive gas radially between the central part and the peripheral part of the reactive gas distribution means. The gas seal is a porous substrate 11A.
11Bについてマニホルド近傍のガラス0リング12に
よる局部的なシールに限定される。ガラス0リングによ
るガスシールは前述のように液体シールとなるからセル
スタック各構成部材の熱膨張収縮を妨げることがない。11B is limited to local sealing by the glass O-ring 12 near the manifold. Since the gas seal by the glass O-ring becomes a liquid seal as described above, it does not interfere with thermal expansion and contraction of each component of the cell stack.
また反応ガスは放射状に流れるために反応ガスのパスが
短くできる。これはセパレータ膜4^や単セル13を基
板上に形成する支持膜方式にとって極めて有利である。Furthermore, since the reactive gas flows radially, the path of the reactive gas can be shortened. This is extremely advantageous for the support film method in which the separator film 4^ and the single cells 13 are formed on the substrate.
支持膜方式は大面積のセルスタックを可能にするために
反応ガスのパスが長くなってくるからである。反応を終
了した反応ガスはセルスタックの周辺から排出され燃焼
する。This is because the supported membrane method requires a long path for the reactant gas in order to enable a large-area cell stack. The reaction gas that has completed the reaction is discharged from the vicinity of the cell stack and burned.
(実施例2)
2−
第5図はこの発明の異なる実施例に係るセルスタックを
示し、第5図(alは断面図、第5図中)は第5図(a
)のC−C矢視図である。燃料ガスである水素ガスが燃
料ガス供給マニホルド5によってセパレート板4B (
反応ガス分配手段)に導入される。(Example 2) 2- FIG. 5 shows a cell stack according to a different example of the present invention, and FIG.
) is a CC arrow view. Hydrogen gas, which is a fuel gas, is passed through the fuel gas supply manifold 5 through a separate plate 4B (
reactant gas distribution means).
反応ガスである酸素ガスが酸化剤ガス供給マニホルド6
によって自立性の!i板であるセパレート板4Bに導入
される。酸化剤ガスと燃料ガスはセパレート板4Bの二
つの主面に反応ガス供給孔10Bを介してそれぞれ分離
して導入される。反応ガス供給マニホルドはイツトリア
(YzOa)で安定化されたジルコニア製の反応ガス管
である。セパレー)14Bはランタンクロマイト(La
CrOs)製で0.5〜2fi厚に緻密に焼成される。Oxygen gas, which is a reactive gas, is supplied to the oxidant gas supply manifold 6.
By independence! It is introduced into the separate plate 4B, which is the i-plate. The oxidizing gas and the fuel gas are separately introduced into the two main surfaces of the separate plate 4B via the reactive gas supply holes 10B. The reaction gas supply manifold is a reaction gas tube made of zirconia stabilized with yttria (YzOa). Separate) 14B is lanthanum chromite (La
CrOs) and is densely fired to a thickness of 0.5 to 2 fi.
ランタンクロマイトは電子電導性があり、酸化ふん囲気
においても酸化されることがない。さらにランタンクロ
マイトはイ・ノドリアで安定化されたジルコニアに近似
した熱膨張率を示す。単セル13はこのランタンクロマ
イトにより直列に接続される。セパレート板4Bの二つ
の主面にはそれぞれ案内胴8^が設けられる。この案内
胴8Aはセパレート板4Bの中央部から周辺部に向かっ
て反応ガスを導く。酸化剤ガスはこのようにして単セル
のカソード3に到達する。一方燃料ガスは阜セルのアノ
ード2に到達する。Lanthanum chromite has electronic conductivity and will not be oxidized even in an oxidizing atmosphere. Furthermore, lanthanum chromite exhibits a coefficient of thermal expansion similar to that of zirconia stabilized by I-nodoria. The single cells 13 are connected in series by this lanthanum chromite. A guide cylinder 8^ is provided on each of the two main surfaces of the separate plate 4B. This guide cylinder 8A guides the reaction gas from the center of the separate plate 4B toward the periphery. The oxidizing gas thus reaches the cathode 3 of the single cell. Meanwhile, the fuel gas reaches the anode 2 of the fuel cell.
固体電解質体1はイツトリアで安定化された自立性の薄
板状ジルコニアで50〜500戸厚に調製される。固体
電解質体1の主面にはアノード2とカソード3が焼きつ
けられる。アノード2としてNlZr0□が使われる。The solid electrolyte body 1 is made of self-supporting thin plate-like zirconia stabilized with ittria and has a thickness of 50 to 500 mm. An anode 2 and a cathode 3 are baked onto the main surface of the solid electrolyte body 1 . NlZr0□ is used as anode 2.
厚さは0.01〜1日に選ばれる。The thickness is selected from 0.01 to 1 day.
カソード3はランタンマンガナイトが使用される。Lanthanum manganite is used for the cathode 3.
共に多孔質に―製される。Both are made porous.
このような構成の燃料電池においては単セル13とセパ
レート板4Bとはガスシールを要しない。従って単セル
13とセパレート板4Bとは単に交互に積み重ねるだけ
でよい。そのために熱膨張の過程で単セル13とセパレ
ート板4Bとは相互に自由にスライドするので熱応力の
発生がない0反応ガス供給マニホルド5,6とマニホル
ド用の単セル13とセパレート板4Bに設けられた貫通
孔との間の間隙は、セパレート板4Bにシール壁9を設
け、シール壁9と反応ガス供給マニホルド5,6との間
にセラミック封止部7を形成することによってふさぐこ
とができる。この封止部7によって発生する熱応力は小
さいので全体としての熱応力は小さいままである。周辺
部に達した反応ガスはここで燃焼し、燃料電池の温度を
所定の高温度に維持する。In a fuel cell having such a configuration, a gas seal is not required between the unit cell 13 and the separate plate 4B. Therefore, it is sufficient to simply stack the single cells 13 and the separate plates 4B alternately. Therefore, in the process of thermal expansion, the single cell 13 and the separate plate 4B slide freely relative to each other, so no thermal stress is generated. The gap between the through hole and the through hole can be closed by providing a seal wall 9 on the separate plate 4B and forming a ceramic sealing part 7 between the seal wall 9 and the reaction gas supply manifolds 5 and 6. . Since the thermal stress generated by this sealing portion 7 is small, the overall thermal stress remains small. The reactant gas that has reached the periphery is combusted here, maintaining the temperature of the fuel cell at a predetermined high temperature.
単セルは第5図では円板形状としているがこれに限定さ
れるものでなく角形のものでもよい。また案内胴8Aも
電池特性が最大になるようガス等配を考慮した設計を自
由になし得る。Although the single cell has a disk shape in FIG. 5, it is not limited to this and may be square. Further, the guide cylinder 8A can be freely designed in consideration of equal gas distribution so as to maximize battery characteristics.
また反応ガス供給マニホルド5.6は2本とせず1本に
まとめることも可能である。この場合は反応ガス供給マ
ニホルドの内部を2つの反応ガスが分離して流れる。こ
の場合、貫通孔の数が減るメリットがある。It is also possible to combine the reaction gas supply manifolds 5.6 into one instead of two. In this case, two reaction gases flow separately inside the reaction gas supply manifold. In this case, there is an advantage that the number of through holes is reduced.
第6図は案内胴8Aの変形例に係るセルスタ・ツクを示
し、第6図(a)は平面図、第6図(b)は第6図(1
11のD−D矢視図である。案内胴8Aはら旋状に形成
される。案内胴8Aのピッチはセルスタックの直径によ
り最適値に選ばれる。反応ガスを単セル13に25−
均等に流すことができ、排ガスを1箇所に集めることが
できる。FIG. 6 shows a cell stack according to a modification of the guide cylinder 8A, FIG. 6(a) is a plan view, and FIG. 6(b) is a
It is a DD arrow view of No.11. The guide cylinder 8A is formed in a spiral shape. The pitch of the guide cylinder 8A is selected to be an optimum value depending on the diameter of the cell stack. The reaction gas can flow uniformly through the single cell 13, and the exhaust gas can be collected in one place.
第7図はガスシールの変形例に係るセルスタックを示す
断面図である。円形の固体電解質体1にアノード2とカ
ッ・−ド3の積層された単セル13と円形のセパレート
板4Bとが交互に積層され、反応ガス管である燃料ガス
供給マニホルド5と酸化剤ガス供給マニホルド6とが貫
通する。他に反応ガス管である燃料ガス排出マニホルド
と酸化剤ガス排出マニホルドとが貫通するがこれは図示
を省略している。アノード2にはガラス貯溜部16Aが
設けられ内部にガラス0リング12Bが装着される。FIG. 7 is a sectional view showing a cell stack according to a modified example of the gas seal. A single cell 13 in which an anode 2 and a cathode 3 are laminated on a circular solid electrolyte body 1 and a circular separate plate 4B are alternately laminated, and a fuel gas supply manifold 5 serving as a reaction gas pipe and an oxidizing gas supply are provided. The manifold 6 penetrates therethrough. In addition, a fuel gas exhaust manifold and an oxidant gas exhaust manifold, which are reactive gas pipes, pass through the tube, but these are not shown. The anode 2 is provided with a glass reservoir 16A, and a glass O-ring 12B is mounted inside.
カソード3には突起部15Aが設けられる。セパレート
板4Bの上面にはガラス貯溜部16B、下面には突起部
15Bが形成される。このような固体電解質型燃料電池
は以下のようにして調製される。イ・ノドリアで安定化
したジルコニアを用い円形状の固体電解質体(100〜
500μ厚)1が形成される。固体電解質体1は燃料ガ
ス供給マニホルド、酸化剤ガス供給マニホルド、燃料ガ
ス排出マニホルド。The cathode 3 is provided with a protrusion 15A. A glass reservoir 16B is formed on the upper surface of the separate plate 4B, and a protrusion 15B is formed on the lower surface. Such a solid oxide fuel cell is prepared as follows. A circular solid electrolyte body (100 ~
500μ thick) 1 is formed. The solid electrolyte body 1 includes a fuel gas supply manifold, an oxidant gas supply manifold, and a fuel gas discharge manifold.
26− 酸化剤ガス排出マニホルド用の貫通孔を有する。26- It has a through hole for the oxidant gas exhaust manifold.
固体電解質体1の1主面にNi ZrOxサーメット
が100μ厚に溶射され多孔質のアノード2が形成され
る。固体電解質体1の他の主面にはランタンマンガナイ
トがスパッタリングされ、50〜200戸厚の多孔質な
カソード3が形成される。またNi −ZrO2サーメ
ットを用いガラス貯溜のための溝を有するガスケット状
のガラス貯溜部16Aがプレス成型され温度1000℃
で焼成される。またランタンマンガナイトを用いガスケ
ット状の突起部15Aがプレス成型され温度1000℃
で焼成される。セパレート板4Bはランタンクロマイト
を用い、燃料ガス供給マニホルド等の貫通孔を有しかつ
ガラス貯溜部16Bと突起部15Bを有する形でプレス
成型され、緻密に焼成される。ガラス貯溜部16A、1
6Bの中にはガラスQ IJソング2B、 12Cが装
着される。ガラスとしては融点900℃で作業温度10
00℃のソーダライムガラスが用いられる。単セル13
とセパレート板4Bとが交互に積層され、燃料ガス供給
マニホルド等が貫通孔内にセットされる。燃料電池の動
作温度が1000℃で維持される。このときアノード2
にガラス貯溜部16^が焼きつけられる。またカソード
3には突起部15Aが焼きつけられる。ガラスOリング
12B、 12Cは溶融して液体シールが可能となる。Ni ZrOx cermet is thermally sprayed to a thickness of 100 μm on one main surface of the solid electrolyte body 1 to form a porous anode 2 . Lanthanum manganite is sputtered on the other main surface of the solid electrolyte body 1 to form a porous cathode 3 having a thickness of 50 to 200 mm. In addition, a gasket-shaped glass reservoir 16A having a groove for storing glass is press-molded using Ni-ZrO2 cermet at a temperature of 1000°C.
It is fired in In addition, the gasket-like protrusion 15A is press-molded using lanthanum manganite at a temperature of 1000°C.
It is fired in The separate plate 4B is made of lanthanum chromite, is press-molded to have a through hole for a fuel gas supply manifold, etc., and has a glass reservoir 16B and a protrusion 15B, and is densely fired. Glass reservoir 16A, 1
Glass Q IJ song 2B and 12C are installed inside 6B. As a glass, the melting point is 900℃ and the working temperature is 10℃.
00°C soda lime glass is used. Single cell 13
and separate plates 4B are alternately stacked, and a fuel gas supply manifold and the like are set in the through holes. The operating temperature of the fuel cell is maintained at 1000°C. At this time, anode 2
The glass reservoir 16^ is burned. Further, a protrusion 15A is burned into the cathode 3. The glass O-rings 12B and 12C are melted to provide a liquid seal.
反応を終了した燃料ガスと酸化剤ガスは図示しない燃料
ガス排出マニホルドと反応ガス排出マニホルドとによっ
て排気される。排出ガスはセルスタックの周辺で燃焼す
ることをせず、隔離された燃焼室内で反応する。The fuel gas and oxidant gas that have completed the reaction are exhausted by a fuel gas exhaust manifold and a reaction gas exhaust manifold (not shown). Exhaust gases do not combust around the cell stack, but react in an isolated combustion chamber.
運転終了後はガラスは固化するがソーダライムガラスの
線膨張係数はジルコニアやその他の電極材料より大きい
ため、ガラス貯溜部16A、16Bで小さい体積を占め
、他の電池構成材料に割れの損傷を与えない。After the operation ends, the glass solidifies, but since the linear expansion coefficient of soda lime glass is larger than that of zirconia and other electrode materials, it occupies a small volume in the glass reservoirs 16A and 16B, causing cracking and damage to other battery constituent materials. do not have.
第8図はガスシールの異なる変形例に係るセルスタック
を示す断面図である。反応ガス排出マニホルドは用いな
いのでセルスタック周辺部でのガスシールは行わない。FIG. 8 is a sectional view showing a cell stack according to a different modification of the gas seal. Since a reaction gas exhaust manifold is not used, gas sealing around the cell stack is not performed.
排出ガスはセルスタックの周囲で燃焼する。Exhaust gases are combusted around the cell stack.
(実施例3)
第9図はこの発明の実施例に係る燃焼室を有する固体電
解質型燃料電池の断面図である。燃焼室34がセルスタ
ックの周囲に設けられる。燃料ガスである天然ガスが水
蒸気と共に燃料ガス外部供給管2OAから導入され、改
質器22の上部から入り、下でUターンして上部に出て
、燃料ガス外部供給管20Bを経てセルスタック19に
入る。この間天然ガスは予熱室25で予熱されながら、
改質器内の触媒によって水素、COl及びCO2に改質
される。このような改質に適した温度は700〜850
℃であるため、本電池の運転温度800〜1000℃か
らの排ガスや燃焼ガスで十分改質できる。また、酸化剤
ガスである空気は酸化剤ガス外部供給管21Aから入っ
て21Bに至る経路によって改質器の廻りをスパイラル
に廻って電池の運転温度近くまで予熱され、セルスタッ
ク19の上面の中央部から電池内に入る。(Example 3) FIG. 9 is a sectional view of a solid oxide fuel cell having a combustion chamber according to an example of the present invention. A combustion chamber 34 is provided around the cell stack. Natural gas, which is a fuel gas, is introduced together with water vapor from the fuel gas external supply pipe 2OA, enters from the top of the reformer 22, makes a U-turn at the bottom, exits to the top, and passes through the fuel gas external supply pipe 20B to the cell stack 19. to go into. During this time, while the natural gas is being preheated in the preheating chamber 25,
It is reformed into hydrogen, COl and CO2 by a catalyst in the reformer. The temperature suitable for such modification is 700-850
℃, the exhaust gas or combustion gas from the operating temperature of the battery of 800 to 1000° C. can be used for sufficient reforming. In addition, the air that is the oxidizing gas enters from the oxidizing gas external supply pipe 21A and goes through the path 21B to spiral around the reformer and is preheated to near the operating temperature of the battery. Enter the battery from the inside.
各反応ガスはセルスタック内で反応したのち、未反応の
水素及び酸素と生成した水とが一緒にセルスタックの周
囲の炎室24に排出されてくる。そこで混合して燃焼し
、燃焼炎23を形成する。この9−
とき遮炎体18は炎で直接に改質器22を加熱しないよ
うに配置してあり、遮炎体18には小さい孔があけられ
ており、熱の遮蔽は出来るだけ少なくするように配慮し
ている。燃焼したガスである水蒸気二酸化炭素ガス、窒
素は予熱室25で冷却されて、排ガス孔26を通って外
部に取り出される。しかしこの段階でも排ガスは十分高
温であるため、更に温水を生成するのに用いることもで
きる。After each reaction gas reacts within the cell stack, unreacted hydrogen and oxygen and generated water are discharged into the flame chamber 24 around the cell stack. There, they are mixed and combusted, forming a combustion flame 23. At this time, the flame shield 18 is arranged so that the flame does not directly heat the reformer 22, and the flame shield 18 is provided with small holes to minimize heat shielding. We take into consideration the following. The combusted gases, water vapor, carbon dioxide gas, and nitrogen are cooled in the preheating chamber 25 and taken out to the outside through the exhaust gas hole 26. However, since the exhaust gas is still at a sufficiently high temperature at this stage, it can also be used to generate hot water.
改質器用容器材料や酸化剤ガス外部供給管21A21B
には耐熱合金であるインコロイ800Hなどが適してお
り、遮炎体18は耐火レンガを薄くしたものやアルミナ
などが適している。セルスタック19炎室24.遮炎体
18.予熱室25は断熱体17Aにより収容される。Reformer container material and oxidant gas external supply pipe 21A21B
A heat-resistant alloy such as Incoloy 800H is suitable for the flame shield 18, and a thin fireproof brick or alumina is suitable for the flame shield 18. Cell stack 19 flame chamber 24. Flame shield 18. The preheating chamber 25 is accommodated by a heat insulator 17A.
第10図は燃焼室の変形例に係る固体電解質型燃料電池
を示し、第10図(a)は断面図、第10図Q)lは第
10図(a)のE−E矢視図である。予熱室25におい
て燃料ガス外部供給管2OAと酸化剤ガス外部供給管2
1A とが予熱される。Fig. 10 shows a solid oxide fuel cell according to a modification of the combustion chamber, Fig. 10(a) is a sectional view, and Fig. 10Q)l is a view taken along the line E-E in Fig. 10(a). be. In the preheating chamber 25, the fuel gas external supply pipe 2OA and the oxidant gas external supply pipe 2
1A is preheated.
(実施例4)
3〇−
第11図はこの発明のさらに異なる実施例に係るセルス
タックのセパレータ膜つき多孔質基板11Cを示し、第
11図+81は平面図、第11図(blは第11図+8
1のF−F矢視図である。多孔質基板11Cは周辺部の
酸化剤ガス供給マニホルド6と同じく周辺部の燃料ガス
供給マニホルド5.および中央部の燃料ガス排出マニホ
ルド27と酸化剤ガス排出マニホルド28とを有してい
る。さらに酸化剤ガスを周辺部から中央部へと導くリブ
状案内羽8Aとガスシール用のリプ状案内羽8Bとが設
けられている。セパレータ膜4Cや多孔質基板11Cの
材料、製法は第1図に示すセパレータ膜つき多孔質基板
11Aの場合と同様である。第12図はこの発明のさら
に異なる実施例に係るセルスタックの単セルつき多孔質
基板を示し、第12図(alは平面図、第12図(b)
は第12図falのF−F矢視図である。単セル13や
多孔質基板110の材料、製法は第2図に示す単セルつ
き多孔質基板11Bの場合と同様である。セパレータ膜
つき多孔質基板11Cと単セルつき多孔質基板LIDと
は積層され、第13図に示すセルスタック19が形成さ
れる。(Example 4) 30- Fig. 11 shows a porous substrate 11C with a separator film of a cell stack according to yet another embodiment of the present invention, Fig. 11+81 is a plan view, Fig. 11 (bl is the Figure +8
FIG. 1 is a FF arrow view of FIG. The porous substrate 11C has a peripheral fuel gas supply manifold 5. It also has a central fuel gas exhaust manifold 27 and an oxidant gas exhaust manifold 28. Furthermore, rib-shaped guide vanes 8A for guiding the oxidizing gas from the peripheral part to the central part and lip-shaped guide vanes 8B for gas sealing are provided. The materials and manufacturing method for the separator film 4C and the porous substrate 11C are the same as those for the porous substrate 11A with a separator film shown in FIG. FIG. 12 shows a porous substrate with a single cell of a cell stack according to still another embodiment of the present invention, FIG. 12 (al is a plan view, FIG. 12(b)
is a view taken along the line FF of FIG. 12 fal. The materials and manufacturing method for the single cell 13 and the porous substrate 110 are the same as those for the single cell-equipped porous substrate 11B shown in FIG. The porous substrate with a separator film 11C and the porous substrate with a single cell LID are stacked to form a cell stack 19 shown in FIG. 13.
(実施例5)
第13図はこの発明の異なる実施例に係る燃焼室を有す
る固体電解質型燃料電池の部分断面図である。燃料ガス
は燃料ガス外部供給管20B、第11図と第12図で示
されるる燃料ガス供給マニホルド5第11図、第12図
で示されるる燃料ガス排出マニホルド27そして燃料ガ
ス外部排出管31Bを通る。酸化剤ガスは酸化剤ガス外
部供給管21B、第11図と第12図に示される酸化剤
ガス供給マニホルド6、第11図と第12図で示される
酸化剤ガス排出マニホルド28そして酸化剤ガス外部排
出管31Aを通る。排出ガスは燃焼室3oで燃焼する。(Embodiment 5) FIG. 13 is a partial sectional view of a solid oxide fuel cell having a combustion chamber according to a different embodiment of the present invention. The fuel gas is supplied through a fuel gas external supply pipe 20B, a fuel gas supply manifold 5 shown in FIGS. 11 and 12, a fuel gas discharge manifold 27 shown in FIGS. 11 and 12, and a fuel gas external discharge pipe 31B. Pass. The oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas external supply pipe 21B, the oxidizing gas supply manifold 6 shown in FIGS. 11 and 12, the oxidizing gas discharge manifold 28 shown in FIGS. 11 and 12, and the oxidizing gas external It passes through the discharge pipe 31A. The exhaust gas is burned in the combustion chamber 3o.
燃焼熱により燃料ガス外部供給管と燃料ガス外部供給管
が加熱され、内部を流れる反応ガスが予熱される。燃焼
室3oは防炎壁32でスタック室33と隔離される。燃
焼室3゜やスタック室33は断熱体17Bにより形成さ
れる。The combustion heat heats the fuel gas external supply pipe and the fuel gas external supply pipe, and preheats the reaction gas flowing inside. The combustion chamber 3o is separated from the stack chamber 33 by a flameproof wall 32. The combustion chamber 3° and the stack chamber 33 are formed by a heat insulator 17B.
反応ガスは予熱されてスタック19に供給されるので燃
料電池を構成するセラミックス材料が熱破損することが
ない。また燃料電池の単セルの温度が所定の高温度に維
持されるので燃料電池の特性が向上する。Since the reactant gas is preheated and supplied to the stack 19, the ceramic material constituting the fuel cell will not be damaged by heat. Furthermore, since the temperature of the single cell of the fuel cell is maintained at a predetermined high temperature, the characteristics of the fuel cell are improved.
この発明によれば、反応ガス分配手段の中央部と周辺部
との間に放射状に反応ガスを導くので燃料電池各部材間
の全体的なガスシールの必要性がなくなる。ガスシール
を行うとしても局部的なシールで足りる。そのために燃
料電池の各部材は自由にスライドして熱膨張収縮を行う
ことができる。According to the present invention, since the reactive gas is introduced radially between the center and peripheral parts of the reactive gas distribution means, there is no need for an overall gas seal between each member of the fuel cell. Even if a gas seal is performed, a local seal is sufficient. Therefore, each member of the fuel cell can freely slide and undergo thermal expansion and contraction.
また放射状の反応ガスの流れのために反応ガスのバスを
短くすることができ、反応ガスの濃度勾配が減少する。Also, due to the radial flow of the reactant gas, the reactant gas bath can be shortened, and the concentration gradient of the reactant gas is reduced.
このようにして信頼性と特性に優れる固体電解質型燃料
電池が得られる。さらに反応ガスの排出ガスは燃焼室に
おいて燃焼させることができ、その燃焼熱を利用して熱
効率に優れる固体電解質型燃料電池が得られる。In this way, a solid oxide fuel cell with excellent reliability and characteristics can be obtained. Further, the exhaust gas of the reaction gas can be combusted in a combustion chamber, and the combustion heat can be used to obtain a solid oxide fuel cell with excellent thermal efficiency.
第1図はこの発明の実施例に係るセルスタックのセパレ
ータ膜つき多孔質基板を示し、第1図Ta)は平面図、
第1開山)は第1図Ta)のA−A矢視図、33−
第2図はこの発明の実施例に係るセルスタックの単セル
つき多孔質基板を示す、第2図(a)は平面図、第2図
(b)は第2図Ta)のB−B矢視図、第3図はこの発
明の実施例に係るセルスタックを示す断面図、第4図は
第3図のA部を示す部分拡大図で第4図+11)は加熱
前の状態を示す断面図、第4図(1))は加熱後の状態
を示す断面図、第5図はこの発明の異なる実施例に係る
セルスタックを示し、第5図(a)は断面図、第5図(
blは第5図Ta)のC−C矢視図、第6図は案内羽の
変形例に係るセルスタックを示し、第6図fa)は平面
図、第6図(b)は第6図(a)のD−D矢視図、第7
図はガスシールの変形例に係るセルスタックを示す断面
図、第8図はガスシールの異なる変形例に係るセルスタ
ックを示す断面図、第9図はこの発明の実施例に係る燃
焼室を有する固体電解質型燃料電池の断面図、第10図
は燃焼室の変形例に係る固体電解質型燃料電池を示し、
第10図(alは断面図、第10図中)は第10図(a
)のE−E矢視図、第11図はこの発明のさらに異なる
実施例に係るセルスタックのセパレータ膜つき多孔質基
板を4−
示し、第11図+alは平面図、第11開山)は第11
図falのF−F矢視図、第12図はこの発明のさらに
異なる実施例に係るセルスタックの単セルつき多孔質基
板を示し、第12図fa)は平面図、第12図(blは
第12図(a)のF−F矢視図、第13図はこの発明の
異なる実施例に係る燃焼室を有する固体電解質型燃料電
池の部分断面図である。
4^、4C:セパレータ膜、5:燃料ガス供給マニホル
ド、6:酸化剤ガス供給マニホルド、8A:案内羽、I
IA、IIB、IIC,IID :多孔質基板(反応ガ
ス分配手段)、17^ :断熱体、18:遮炎体、23
;燃焼炎、27:燃料ガス排出マニホルド、28:酸化
剤ガス排出マニホルド、30:燃焼室、32:防炎壁、
5
シー
シー
トuやFIG. 1 shows a porous substrate with a separator film of a cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 Ta) is a plan view,
33-2 shows a porous substrate with a single cell of a cell stack according to an embodiment of the present invention. A plan view, FIG. 2(b) is a view taken along the line B-B in FIG. 2 Ta), FIG. FIG. 4(1)) is a sectional view showing the state before heating, FIG. 4(1)) is a sectional view showing the state after heating, and FIG. 5 is a partially enlarged view showing a different embodiment of this invention. Such a cell stack is shown, with FIG. 5(a) being a cross-sectional view and FIG.
bl is a view taken along the line C-C of FIG. 5 Ta), FIG. 6 shows a cell stack according to a modified example of the guide vane, FIG. 6 fa) is a plan view, and FIG. 6(b) is a diagram of FIG. (a) DD arrow view, 7th
The figure is a sectional view showing a cell stack according to a modified example of the gas seal, FIG. 8 is a sectional view showing a cell stack according to a different modified example of the gas seal, and FIG. 9 has a combustion chamber according to an embodiment of the present invention. A sectional view of a solid oxide fuel cell, FIG. 10 shows a solid oxide fuel cell according to a modification of the combustion chamber,
Figure 10 (al is a cross-sectional view, in Figure 10) is a
), FIG. 11 shows a porous substrate with a separator film of a cell stack according to yet another embodiment of the present invention, FIG. 11+al is a plan view, and FIG. 11
FIG. 12 shows a porous substrate with a single cell of a cell stack according to yet another embodiment of the present invention, FIG. 12 fa) is a plan view, and FIG. 12(a), and FIG. 13 are partial sectional views of a solid oxide fuel cell having a combustion chamber according to a different embodiment of the present invention. 4^, 4C: separator membrane; 5: Fuel gas supply manifold, 6: Oxidizing gas supply manifold, 8A: Guide vane, I
IA, IIB, IIC, IID: Porous substrate (reactive gas distribution means), 17^: Heat insulator, 18: Flame shield, 23
; Combustion flame, 27: Fuel gas discharge manifold, 28: Oxidizing gas discharge manifold, 30: Combustion chamber, 32: Flameproof wall,
5 sea seat uya
Claims (1)
を配してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸
化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応
ガス分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池に
おいて、 (1)中央部と周辺部との間に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽を有する反応
ガス分配手段と、 (2)積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を
貫通し、単セルのアノードとカソードにつきそれぞれ反
応ガスを並列的に給気もしくは排気するマニホルド、と
を備えることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 2)固体電解質体の両主面にカソードとアノードの電極
を配してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸
化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応
ガス分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池に
おいて、 (1)中央部と周辺部との間に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽と、周辺部に
反応ガス排出用の反応ガス排出スリット、とを有する反
応ガス分配手段と、 (2)積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を
貫通し、単セルのアノードとカソードにつきそれぞれ反
応ガスを並列的に給気するマニホルドと、 (3)単セルと反応ガス分配手段の積層されたセルスタ
ックの周囲に設けられ、セルスタック周囲に発生する燃
焼炎をさえぎる遮炎体と、 (4)前記セルスタックと前記遮炎体を予熱室を介して
収納する断熱体、とを備えることを特徴とする固体電解
質型燃料電池。 3)固体電解質体の両主面にカソードとアノードとを配
してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸化剤
ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応ガス
分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池におい
て、 (1)中央部と周辺部との間に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽および周辺部
に設けられた反応ガスシール用の案内羽とを有する反応
ガス分配手段と、 (2)積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を
貫通し、単セルのアノードとカソードにつきそれぞれ反
応ガスを並列的に給気もしくは排気するマニホルドおよ
び積層された単セルと反応ガス分配手段の周辺部で前記
反応ガスシール用の案内羽の内側を貫通するマニホルド
と、 (3)単セルと反応ガス分配手段の積層されたセルスタ
ックを収容するスタック室に隣接するとともに防炎壁で
スタック室と仕切られた燃焼室、とを備えることを特徴
とする固体電解質型燃料電池。 4)反応ガス管よりなるマニホルドを備えることを特徴
とする請求項1、2または3記載の固体電解質型燃料電
池。 5)反応ガス流通孔よりなるマニホルドを備えることを
特徴とする請求項1、2または3記載の固体電解質型燃
料電池。 6)反応ガスを直線状に導く案内羽を備えることを特徴
とする請求項1、2または3記載の固体電解質型燃料電
池。 7)反応ガスをジグザグに導く案内羽を備えることを特
徴とする請求項1、2または3記載の固体電解質型燃料
電池。 8)反応ガスをら旋状に導く案内羽を備えることを特徴
とする請求項1、2または3記載の固体電解質型燃料電
池。 9)自立性の薄板状単セルを備えることを特徴とする請
求項1、2または3記載の固体電解質型燃料電池。 10)基板に支持された膜状単セルを備えることを特徴
とする請求項1、2または3記載の固体電解質型燃料電
池。 11)自立性で緻密質の薄板状反応ガス分配手段を備え
ることを特徴とする請求項1、2または3記載の固体電
解質型燃料電池。 12)案内羽のある多孔質基板と、緻密質のセパレータ
膜を一つの主面に支持し他の主面に案内羽のある基板、
とからなる反応ガス分配手段を備えることを特徴とする
請求項1、2または3記載の固体電解質型燃料電池。 13)ガスシール用のガラスOリングを備えることを特
徴とする請求項1、2または3記載の固体電解質型燃料
電池。 14)ガスシール用のセラミックス封止部を備えること
を特徴とする請求項1、2または3記載の固体電解質型
燃料電池。 15)反応ガス分配手段の周辺部に反応ガス排出スリッ
トを備えることを特徴とする請求項1記載の固体電解質
型燃料電池。 16)反応ガス分配手段の周辺部に設けられた反応ガス
ガスシール用の案内羽と、積層された単セルと反応ガス
分配手段の周辺部でかつ前記ガスシール用の案内羽の内
側を貫通するマニホルド、とを備えることを特徴とする
請求項1記載の固体電解質型燃料電池。 17)遮炎体と断熱容器との間の予熱室に燃料ガス改質
器と酸化剤ガス外部供給管とを備えることを特徴とする
請求項2記載の固体電解質型燃料電池。 18)遮炎体と断熱容器との間の予熱室に反応ガス外部
供給管を備えることを特徴とする請求項2記載の固体電
解質型燃料電池。 19)マニホルドと接続し、かつ燃焼室の内部を貫通す
る反応ガス外部供給管と、マニホルドと接続しかつ燃焼
室の内部に管端を開放する反応ガス外部排出管とを備え
ることを特徴とする請求項3記載の固体電解質型燃料電
池。[Scope of Claims] 1) A flat plate type single cell having cathode and anode electrodes arranged on both main surfaces of a solid electrolyte body, and both reactant gases, oxidizing gas and fuel gas, being supplied to both electrodes of this single cell. In a solid oxide fuel cell formed by stacking reactant gas distribution means for individually supplying the reactant gas, (1) guiding the reactant gas between the central part and the peripheral part and electrically connecting it to the single cell; (2) A manifold that passes through the center of the stacked single cells and the reactive gas distribution means and supplies or exhausts reactive gas to the anode and cathode of the single cell in parallel, respectively. A solid oxide fuel cell characterized by comprising , and. 2) A flat plate type single cell with cathode and anode electrodes arranged on both main surfaces of a solid electrolyte body, and a reactive gas in which both the oxidizing gas and the fuel gas are individually supplied to both electrodes of this single cell. In a solid oxide fuel cell formed by laminating a distribution means, (1) a guide vane that guides the reactive gas between the central part and the peripheral part and makes an electrical connection with the single cell, and a peripheral part; (2) a reactive gas distribution means having a reactive gas discharge slit for discharging the reactive gas; a manifold that supplies air in parallel; (3) a flame shield that is provided around a cell stack in which a single cell and a reactive gas distribution means are stacked and blocks combustion flames generated around the cell stack; (4) A solid oxide fuel cell comprising: a heat insulating body that accommodates the cell stack and the flame shield through a preheating chamber. 3) A flat plate type single cell with a cathode and an anode arranged on both main surfaces of a solid electrolyte body, and reactive gas distribution that supplies both reactive gases, oxidizing gas and fuel gas, individually to both electrodes of this single cell. In a solid oxide fuel cell formed by stacking means, (1) guide vanes and peripheral parts that guide the reactive gas between the central part and the peripheral part and electrically connect with the single cell; (2) A reaction gas distribution means having a guide vane for sealing the reaction gas; (3) a manifold that passes through the inside of the guide vane for sealing the reaction gas at the periphery of the laminated unit cell and the reaction gas distribution means; A solid oxide fuel cell comprising a combustion chamber that is adjacent to a stack chamber that accommodates stacked cell stacks and is separated from the stack chamber by a flameproof wall. 4) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, further comprising a manifold consisting of a reaction gas pipe. 5) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, further comprising a manifold comprising reaction gas flow holes. 6) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, further comprising guide vanes that guide the reactant gas in a straight line. 7) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, further comprising guide vanes that guide the reaction gas in a zigzag manner. 8) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, further comprising guide vanes for guiding the reaction gas in a spiral shape. 9) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, comprising a self-supporting thin plate-like single cell. 10) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, comprising a membrane-like single cell supported by a substrate. 11) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the solid oxide fuel cell is provided with a self-supporting and dense thin plate-like reaction gas distribution means. 12) A porous substrate with guide wings, a substrate that supports a dense separator film on one main surface and has guide wings on the other main surface,
4. The solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising a reactive gas distribution means comprising: 13) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, further comprising a glass O-ring for gas sealing. 14) The solid oxide fuel cell according to claim 1, 2 or 3, further comprising a ceramic sealing portion for gas sealing. 15) The solid oxide fuel cell according to claim 1, characterized in that a reaction gas discharge slit is provided at the periphery of the reaction gas distribution means. 16) A guide vane for a reactive gas gas seal provided at the periphery of the reactive gas distribution means, and a manifold penetrating inside the gas sealing guide vane at the periphery of the laminated unit cells and the reactive gas distribution means. 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, comprising: . 17) The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the preheating chamber between the flame shield and the heat insulating container is provided with a fuel gas reformer and an oxidizing gas external supply pipe. 18) The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein a reaction gas external supply pipe is provided in the preheating chamber between the flame shield and the heat insulating container. 19) A reaction gas external supply pipe connected to the manifold and penetrating the inside of the combustion chamber, and a reaction gas external discharge pipe connected to the manifold and having a pipe end open to the inside of the combustion chamber. The solid oxide fuel cell according to claim 3.
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