JP5211706B2

JP5211706B2 - Solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP5211706B2
Application number: JP2008005896A
Authority: JP
Inventors: 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: JP2008204946A

Description

本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池に関し、特に、同一平面上に並列配置された複数の発電セルとセパレータを交互に積層して成る固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell including a power generation cell in which a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer are disposed on both sides of a solid electrolyte layer, and in particular, a plurality of power generation cells and separators arranged in parallel on the same plane. The present invention relates to a solid oxide fuel cell that is alternately stacked.

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。 In recent years, fuel cells that directly convert chemical energy of fuel into electrical energy have attracted attention as highly efficient and clean power generators. This fuel cell has a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode) from both sides.

発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。 During power generation, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode layer side and a fuel gas (H ₂ , CO, CH _4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side as a reaction gas. The air electrode layer and the fuel electrode layer are both porous layers so that the reaction gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。 In the power generation cell, oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. It is ionized to (O ²⁻ ). The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H ₂ O, CO _2, etc.), and discharge electrons to the fuel electrode layer. Electrons generated by the electrode reaction can be taken out as an electromotive force at an external load on another route.

平板積層型の燃料電池は、これら発電セルとセパレータを交互に多数積層してスタック化すると共に、その両端より積層方向に荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成される。
また、セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると同時に発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に、燃料ガスを燃料極層側に誘導する燃料ガス通路と、酸化剤ガスを空気極層側に誘導する酸化剤ガス通路とを備える。 A flat plate type fuel cell is constructed by stacking a large number of these power generation cells and separators alternately and stacking them together, and by applying a load in the stacking direction from both ends of each of the components of the stack so that they are in pressure contact with each other. Is done.
The separator has a function of supplying the reaction gas to the power generation cells at the same time as electrically connecting the power generation cells, and a fuel gas passage for guiding the fuel gas to the fuel electrode layer side, And an oxidant gas passage for guiding the oxidant gas to the air electrode layer side.

図９は上記セパレータの一例を示している。当セレータ８は、厚さ数ｍｍの四角形のステンレス製板材で成り、板材の内部には上述した燃料ガス通路１１と酸化剤ガス通路１２がそれぞれ渦巻き状に形成されており、その表面にセパレータ８のほぼ全面を覆うように円形の発電セル５が配設される。 FIG. 9 shows an example of the separator. The sererator 8 is made of a square stainless steel plate having a thickness of several millimeters, and the above-described fuel gas passage 11 and oxidant gas passage 12 are formed in a spiral shape inside the plate, and the separator 8 is formed on the surface thereof. A circular power generation cell 5 is disposed so as to cover almost the entire surface of the battery.

ところで、固体酸化物形燃料電池では、発電出力を高めるために、セパレータとともに発電セルを大きく形成し、固体酸化物形燃料電池を大型化する必要がある。ところが、発電セルを所定以上に大きくすると（通常は、直径１２０ｍｍ程度）発電セルの運転時に温度分布が生じ易くなり、その際の熱応力により熱歪みが生じて発電セル（特に、固体電解質層）が割れ易くなるという問題があった。 By the way, in the solid oxide fuel cell, in order to increase the power generation output, it is necessary to form a large power generation cell together with the separator and to enlarge the solid oxide fuel cell. However, when the power generation cell is made larger than a predetermined size (usually about 120 mm in diameter), a temperature distribution is likely to occur during operation of the power generation cell, and thermal distortion occurs due to thermal stress at that time, and the power generation cell (especially a solid electrolyte layer) There was a problem that it became easy to crack.

このような実状から、従来より、上述の発電セルを同一セパレータ上に複数個配置することにより発電セルを小形化した構造の固体酸化物形燃料電池が提案されており、例えば、特許文献１〜３に開示されている。 Conventionally, a solid oxide fuel cell having a structure in which the power generation cell is miniaturized by arranging a plurality of the above power generation cells on the same separator has been proposed. 3 is disclosed.

特許文献１には、金属セパレータ間に複数の発電セルが配設された内部マニホールド構造の燃料電池が開示されているが、各発電セルの中央に反応用ガス（燃料および空気）の供給口を設ける構造である。この供給口でのシールは必須であるが、シールが発電セルの個数分必要であるためシール構造が複雑化すると共に、運転時の熱膨応力により、これらのシールが破損して燃料ガスと空気が混合し、その際の発熱によって発電セルが割れる不具合があった。 Patent Document 1 discloses a fuel cell having an internal manifold structure in which a plurality of power generation cells are disposed between metal separators. A reaction gas (fuel and air) supply port is provided at the center of each power generation cell. It is a structure to provide. Sealing at this supply port is indispensable, but the seal structure is complicated because it is necessary for the number of power generation cells, and these seals are broken due to thermal expansion stress during operation, resulting in fuel gas and air There is a problem that the power generation cell breaks due to heat generation at that time.

特許文献２は、特許文献１のように、発電セルに反応用ガスの供給口を設けず、燃料および空気はセパレータ内部のガス流路を通って発電セルの中心部に噴出する構造であるため、上述のシール構造の問題は回避されるが、外部マニホールド構造であるため、各セパレータ毎に燃料および空気のガス供給管が必要で反応用ガスの供給構造が極めて複雑化すると共に、セパレータ内において、空気導入部付近の温度が低下し、燃料導入部付近の温度が上昇する傾向にあり、このようなセパレータ内の温度不均一により、発電セルが割れる不具合があった。 Since Patent Document 2 has a structure in which a reaction gas supply port is not provided in the power generation cell and fuel and air are ejected to the center of the power generation cell through the gas flow path inside the separator as in Patent Document 1. Although the above-described problems of the seal structure are avoided, since the structure is an external manifold, a fuel and air gas supply pipe is required for each separator, and the reaction gas supply structure becomes extremely complicated. The temperature in the vicinity of the air introduction portion tends to decrease and the temperature in the vicinity of the fuel introduction portion tends to increase, and there is a problem that the power generation cell breaks due to such non-uniform temperature in the separator.

特許文献３は、セパレータ中央の空洞に燃料予熱管と空気予熱管が配設されており、反応ガスがこれらを通してマニホールドへ供給される構造であるため、セパレータ内での温度を均一に保つことは可能であるが、セパレータ中央部の空気および燃料の予熱管は筒状であるため、積層された各発電セルから中央部へのガスの流れが無く、このため、発電セルへの燃料と空気の供給が外周部に偏るガスの流れになり、結果として発電性能が低下してしまう不具合がある。加えて、外部マニホールド構造であるため、ガス配管構造は極めて複雑であり、運転時にスタックの構造に不要な熱応力が加わり、発電セルの割れやガス配管の破損等が生じる虞がある。
特開平６−３１０１６４号公報特開２００２−００８６８３号公報特開２００３−１６８４６９号公報 In Patent Document 3, a fuel preheating tube and an air preheating tube are disposed in the cavity in the center of the separator, and the reaction gas is supplied to the manifold through them, so that the temperature in the separator is kept uniform. Although the air and fuel preheating tubes in the central part of the separator are cylindrical, there is no gas flow from each stacked power generation cell to the central part. There is a problem that the gas flow is biased toward the outer periphery, resulting in a decrease in power generation performance. In addition, because of the external manifold structure, the gas piping structure is extremely complicated, and unnecessary thermal stress is applied to the stack structure during operation, which may cause cracking of the power generation cell, damage to the gas piping, and the like.
JP-A-6-310164 JP 2002-008683 A JP 2003-168469 A

本発明は、上述した従来の問題点に鑑み成されたもので、構造が簡便で、且つ発電セルの破損を防止できる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having a simple structure and capable of preventing damage to a power generation cell.

すなわち、請求項１に記載の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置した発電セルが同一平面内で複数並列接続状態で配置され、これら複数の発電セルが内部に燃料ガス通路および酸化剤ガス通路を備えたセパレータを介して複数積層されると共に、当該積層体内に各前記セパレータの酸化剤ガス通路および燃料ガス通路に連通して積層方向に貫通する酸化剤ガスマニホールドおよび燃料ガスマニホールドを備え、前記セパレータには、前記酸化剤ガスマニホールドに連通する酸化剤ガス孔と、前記燃料ガスマニホールドに連通する燃料ガス孔とがそれぞれ設けられ、前記酸化剤ガス通路は、一端が前記酸化剤ガス孔に連通すると共に、当該酸化剤ガス通路が分岐し又は複数設けられることにより、他端側が各前記酸化剤極層と対面する部分において開口されており、前記燃料ガス通路は、一端が前記燃料ガス孔に連通すると共に、当該燃料ガス通路が分岐し又は複数設けられることにより、他端側が各前記燃料極層と対面する部分において開口されていることを特徴としている。 That is, according to the first aspect of the present invention, a plurality of power generation cells in which the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer are arranged on both surfaces of the solid electrolyte layer are arranged in a parallel connection state in the same plane, A plurality of layers are stacked through a separator having a fuel gas passage and an oxidant gas passage, and an oxidant gas that communicates with the oxidant gas passage and the fuel gas passage of each of the separators in the stack and penetrates in the stacking direction. The separator is provided with an oxidant gas hole communicating with the oxidant gas manifold and a fuel gas hole communicating with the fuel gas manifold, and the oxidant gas passage includes: One end communicates with the oxidant gas hole, and the oxidant gas passage is branched or provided in plural, so that the other end side is each oxidant. The fuel gas passage is opened at a portion facing the layer, and one end of the fuel gas passage communicates with the fuel gas hole, and the fuel gas passage is branched or provided in plural, so that the other end side is each fuel electrode layer. It is characterized in that it is opened at the part facing to.

ここで、「当該酸化剤ガス通路が分岐し又は複数設けられる」とは、酸化剤ガス通路が複数設けられ、かつ分岐しているものも含む意味である。同様に、「当該燃料ガス通路が分岐し又は複数設けられる」とは、燃料ガス通路が複数設けられ、かつ分岐しているものも含む意味である。 Here, “the oxidant gas passage is branched or provided in plural” means that a plurality of oxidant gas passages are provided and branched. Similarly, “the fuel gas passage is branched or provided in plural” means that a plurality of fuel gas passages are provided and branched.

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、上記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの上記発電セルに囲まれた部位の中央部を経て各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴としている。 The invention described in claim 2 is the solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein each of the oxidant gas passages passes through a central portion of the separator surrounded by the power generation cell. It is characterized by being induced to a portion facing the oxidant electrode layer.

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記複数の発電セルは、前記セパレータの中央部に縦横対称に配置されるとともに、前記酸化剤ガスマニホールドに連通する酸化剤ガス孔と前記燃料ガスマニホールドに連通する燃料ガス孔とは、前記セパレータの一対向角部に配置されており、且つ前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの縁部より上記複数の発電セルで囲まれた部位の中央部に至り、当該中央部にて分岐して各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴としている。 Further, the invention according to claim 3 is the solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the plurality of power generation cells are arranged vertically and horizontally symmetrically at a central portion of the separator, The oxidant gas hole that communicates with the oxidant gas manifold and the fuel gas hole that communicates with the fuel gas manifold are disposed at one opposing corner of the separator, and the oxidant gas passage extends through the separator. It is characterized in that it reaches from the edge part to the center part of the part surrounded by the plurality of power generation cells, and is branched to the center part and guided to the part facing each of the oxidant electrode layers.

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池において、少なくとも前記燃料ガス通路は、流路方向と直行する方向に二股に分岐しながら各前記燃料極層と対向する部分に誘導されることを特徴としている。 The invention according to claim 4 is the solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein at least the fuel gas passage is bifurcated in a direction perpendicular to the flow path direction. It is characterized in that it is guided to the part opposite to.

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池において、分岐毎にガス通路の断面積を小さくすることを特徴としている。 The invention described in claim 5 is characterized in that, in the solid oxide fuel cell described in claim 4, the cross-sectional area of the gas passage is reduced for each branch.

また、請求項６に記載の発明は、請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記酸化剤ガスマニホールドに連通する酸化剤ガス孔は、前記発電セルに囲まれた部位に配置されるとともに、前記酸化剤ガス通路は、複数本設けられて、それぞれ上記発電セルに囲まれた部位より各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the first or second aspect, an oxidant gas hole communicating with the oxidant gas manifold is provided at a portion surrounded by the power generation cell. A plurality of the oxidant gas passages are provided, and are guided to portions facing the oxidant electrode layers from portions surrounded by the power generation cells.

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記発電セルは、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造を有し、且つ、前記複数の発電セルにより囲まれた部位に対応する前記セパレータの中央部分に厚さ方向に貫通するガス排出用の孔部を設けたことを特徴としている。 The invention according to claim 7 is the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the power generation cell generates residual gas that has not been used for power generation reaction. It has a sealless structure that discharges from the outer periphery of the cell, and a gas discharge hole that penetrates in the thickness direction is provided in the central portion of the separator corresponding to the portion surrounded by the plurality of power generation cells. It is characterized by that.

請求項１に記載の発明によれば、複数の発電セルを同一セパレータ上に並列接続状態に配置する構造としたので、セパレータ上に１個の発電セルを配置する場合に比べて、各発電セルのサイズを小さくすることができるため、その分、温度分布を均一化でき、発電セルを割れ難くできる。加えて、複数の発電セルの内の１つが破損した場合であっても、正常な他の発電セルより出力を取り出すことができるため、極端な出力低下を招かず運転を続行できる。
また、酸化剤ガス通路および燃料ガス通路を複数設け或いは分岐して、並列配置された複数の発電セル各々に酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給する構造としたので、必要なガスシール箇所は、配設される発電セルの個数に関係なく、酸化剤ガス孔と燃料ガス孔の２カ所のみとすることができ、よって、セパレータのシール構造が簡素化され、運転時の熱応力に対するシール構造の信頼性を向上でき、ひいては発電セルの割れ防止に寄与できる。 According to the first aspect of the present invention, since the plurality of power generation cells are arranged in parallel connection on the same separator, each power generation cell is compared with the case where one power generation cell is arranged on the separator. Therefore, the temperature distribution can be made uniform and the power generation cell can be made difficult to break. In addition, even if one of the plurality of power generation cells is damaged, the output can be taken out from other normal power generation cells, so that the operation can be continued without causing an extreme decrease in output.
In addition, since a plurality of oxidant gas passages and fuel gas passages are provided or branched to supply oxidant gas and fuel gas to each of the plurality of power generation cells arranged in parallel, the necessary gas seal locations are arranged. Regardless of the number of power generation cells installed, it is possible to have only two locations, the oxidant gas hole and the fuel gas hole, thereby simplifying the seal structure of the separator and the reliability of the seal structure against thermal stress during operation. This can improve the performance and contribute to prevention of cracking of the power generation cell.

請求項２に記載の発明によれば、酸化剤ガス通路がセパレータの発電セルに囲まれた部位の中央部を経て酸化剤極層と対面する部分に誘導されているため、酸化剤ガスの冷却効果により発電セルに囲まれた部位に対応するセパレータ中央部の温度上昇を抑制して、セパレータ面内での温度分布を均一化させることができ、発電セルの割れを防止することができる。 According to the second aspect of the present invention, since the oxidant gas passage is guided to the part facing the oxidant electrode layer through the central part of the part surrounded by the power generation cell of the separator, the oxidant gas cooling is performed. Due to the effect, it is possible to suppress the temperature rise in the central part of the separator corresponding to the part surrounded by the power generation cell, to uniform the temperature distribution in the separator surface, and to prevent the power generation cell from cracking.

請求項３に記載の発明によれば、酸化剤ガス通路をセパレータの中央部にて分岐させたため、酸化剤ガスを効率的に加熱することができるとともに、その冷却効果により効率的にセパレータ中央部分の温度上昇を抑制して、セパレータ面内での温度分布を均一化させることができ、より確実に発電セルの割れを防止することができる。また、酸化剤ガス孔と燃料ガス孔とをセパレータの一対向角部に配置したため、ガス流路の全長を長くすることができ、酸化剤ガス及び燃料ガスを充分に加熱して、発電セルに導入させることによって発電性能を向上させることができる。 According to the invention described in claim 3, since the oxidant gas passage is branched at the central portion of the separator, the oxidant gas can be efficiently heated, and the central portion of the separator can be efficiently separated by the cooling effect. The temperature increase in the separator can be suppressed, the temperature distribution in the separator surface can be made uniform, and cracking of the power generation cell can be prevented more reliably. In addition, since the oxidant gas hole and the fuel gas hole are arranged at one opposing corner of the separator, the total length of the gas flow path can be increased, and the oxidant gas and the fuel gas can be sufficiently heated to form a power generation cell. By introducing it, the power generation performance can be improved.

また、請求項４に記載の発明によれば、燃料ガス通路をＴ字状に分岐させるようにしたので、分岐部における燃料ガスの分配を均等にできると共に、ガス流路の全長をより長くすることができ、これにより、各燃料極層への燃料ガスの等流配が可能となり、発電性能を向上できる。 According to the invention described in claim 4, since the fuel gas passage is branched in a T shape, the distribution of the fuel gas at the branch portion can be made uniform and the total length of the gas flow path is made longer. As a result, the fuel gas can be evenly distributed to each fuel electrode layer, and the power generation performance can be improved.

また、請求項５に記載の発明によれば、ガス流路の下流側に向けて分岐毎にガス通路の断面積を小さくして、分岐した各ガス通路の流路抵抗を等しくさせるようにしたので、より確実な燃料ガスの等流配が可能となる。 According to the invention described in claim 5, the cross-sectional area of the gas passage is reduced for each branch toward the downstream side of the gas flow path so that the flow resistance of each branched gas path is equalized. Therefore, more reliable distribution of fuel gas is possible.

さらに、請求項６に記載の発明によれば、酸化剤ガス孔を発電セルに囲まれた部位に配置することによって、効率的にセパレータ中央部の温度上昇を抑制できるとともに、酸化剤ガス通路の全長を短くしても酸化剤ガスを等流配でき、セパレータ構造が簡素化されて、燃料電池全体の小型化を可能にすることができる。 Furthermore, according to the invention described in claim 6, by arranging the oxidant gas hole at the portion surrounded by the power generation cell, it is possible to efficiently suppress the temperature rise in the central portion of the separator, and the oxidant gas passage. Even if the total length is shortened, the oxidant gas can be distributed equally, the separator structure can be simplified, and the entire fuel cell can be miniaturized.

また、請求項７に記載の発明によればセパレータの中央部分にガス排出用の孔部を設けたので、発電セルの外周部より排出される反応ガスがパレータ中央付近に滞留することがなく、この孔部より効率良く排出されるため、酸化剤ガスおよび燃料ガスが各電極層の全面に効率良く供給されるようになり、発電性能を向上できる。 Further, according to the invention of claim 7, since the gas discharge hole is provided in the central portion of the separator, the reaction gas discharged from the outer peripheral portion of the power generation cell does not stay near the center of the palator, Since the gas is efficiently discharged from the hole, the oxidant gas and the fuel gas are efficiently supplied to the entire surface of each electrode layer, and the power generation performance can be improved.

以下、図面に基づいて本発明による固体酸化物形燃料電池の第１実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池１の構成を示し、図２は図１の一部拡大を示し、図３はセパレータ８の構造を示している。 Hereinafter, a first embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a flat plate type solid oxide fuel cell 1 to which the present invention is applied, FIG. 2 shows a partially enlarged view of FIG. 1, and FIG.

図２に示すように、単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と酸化剤極層４を配した複数個（４個）の発電セル５と、各燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、各酸化剤極層４の外側に配した空気極集電体７と、これら集電体６、７の外側に配した上下２枚のセパレータ８とで構成されている。 As shown in FIG. 2, the unit cell 10 includes a plurality of (four) power generation cells 5 in which a fuel electrode layer 3 and an oxidant electrode layer 4 are arranged on both surfaces of the solid electrolyte layer 2, and each fuel electrode layer 3. A fuel electrode current collector 6 disposed outside, an air electrode current collector 7 disposed outside each oxidant electrode layer 4, and two upper and lower separators 8 disposed outside these current collectors 6, 7, It consists of

これら発電要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、酸化剤極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されされている。 Among these power generation elements, the solid electrolyte layer 2 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 3 is composed of a metal such as Ni or a cermet such as Ni—YSZ, and an oxidant electrode layer. 4 is composed of LaMnO ₃ , LaCoO ₃ or the like, the fuel electrode current collector 6 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as Ni, and the air electrode current collector 7 is a sponge-like porous material such as Ag. It is composed of a sintered metal plate.

セパレータ８は、図３に示すように、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した複数の発電セル５（５ａ〜５ｄ）と、各集電体６、７が積層される中央部分のセパレータ本体８ｃと、このセパレータ本体８ｃより面方向に延設されて、当セパレータ本体８ｃの対向縁部を２カ所で支持するセパレータアーム８ａ、８ｂとで構成されている。 As shown in FIG. 3, the separator 8 is made of a substantially square plate made of stainless steel having a thickness of several millimeters, and includes the plurality of power generation cells 5 (5 a to 5 d) and the current collectors 6, 7 is composed of a separator main body 8c in the center of the stack 7 and separator arms 8a and 8b that extend in the surface direction from the separator main body 8c and support opposing edges of the separator main body 8c at two locations. Yes.

図３中、一点鎖線で示すように、このセパレータ本体８ｃの中央部分には、直径約６０ｍｍ程の小径の発電セル５ａ〜５ｄが縦横対称に配設される。
セパレータ８は、これらの発電セル５ａ〜５ｄを共通の集電体６、７を介して電気的に並列接続すると共に、各発電セル５ａ〜５ｄに反応用ガス（酸化剤ガス、燃料ガス）を供給する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通路１２と燃料ガス通路１１とを有する。 In FIG. 3, as indicated by the alternate long and short dash line, small-diameter power generation cells 5a to 5d having a diameter of about 60 mm are arranged symmetrically in the vertical and horizontal directions in the central portion of the separator body 8c.
The separator 8 electrically connects these power generation cells 5a to 5d in parallel through common current collectors 6 and 7, and supplies a reaction gas (oxidant gas, fuel gas) to each power generation cell 5a to 5d. It has a function of supplying, and has an oxidant gas passage 12 and a fuel gas passage 11 therein.

また、各セパレータアーム８ａ、８ｂは、それぞれセパレータ本体８ｃの外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向隅角部より延設される細長帯状として、積層方向に可撓性を持たせており、これにより、積層方向の加重がセパレータ本体８ｃの全面に均一に加わるようになされていると共に、これらセパレータアーム８ａ、８ｂの端部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔（酸化剤ガス孔１４、燃料ガス孔１３）が設けられている。 Each separator arm 8a, 8b has a strip shape extending from the opposite corner with a slight gap along the outer periphery of the separator body 8c, and is flexible in the stacking direction. Thus, the load in the stacking direction is uniformly applied to the entire surface of the separator body 8c, and a pair of gas holes (oxidizer) penetrating in the plate thickness direction are formed at the ends of the separator arms 8a and 8b. Gas holes 14 and fuel gas holes 13) are provided.

酸化剤ガス孔１４は、セパレータ８の酸化剤ガス通路１２に連通し、また、燃料ガス孔１３は、燃料ガス通路１１に連通し、各々のガス孔１４、１３から、これらのガス通路１２、１１を通して通路末端のガス吐出口１２ａ、１１ａより各発電セル５の各電極面（酸化剤極層４、燃料極層３）の中央部に酸化剤ガスおよび燃料ガスを吐出するようなっている。 The oxidant gas hole 14 communicates with the oxidant gas passage 12 of the separator 8, and the fuel gas hole 13 communicates with the fuel gas passage 11, and the gas passages 12, 13 are connected to the gas passages 12, 13. 11, an oxidant gas and a fuel gas are discharged from the gas discharge ports 12a and 11a at the end of the passage to the center of each electrode surface (oxidant electrode layer 4 and fuel electrode layer 3) of each power generation cell 5.

さらに細述すれば、酸化剤ガス通路１２は、酸化剤ガス孔１４よりセパレータアーム８ａ内を通してセパレータ８の下辺部中央部位Ｐ１に至り、ここから内方に向けてセパレータ本体８ｃの発電セル５ａ〜５ｄで囲まれた中心部位Ｐ２に至り、中心部位Ｐ２において横方向Ｔ字に分岐し、一方の酸化剤ガス通路１２は、発電セル５ａ、５ｂの中間部位Ｐ３に至り、この中間部位Ｐ３においてさらに縦方向Ｔ字に分岐して、それぞれ発電セル５ａ、５ｂの中心部に対応するセパレータ面上に開口された酸化剤ガス吐出１２ａ、１２ａに連通している。
他方、上記中心部位Ｐ２において横方向Ｔ字に分岐した酸化剤ガス通路１２の他方側（図中右側）は、発電セル５ｃ、５ｄの中間部位Ｐ４に至り、この部位Ｐ４においてさらに縦方向Ｔ字に分岐してそれぞれ発電セル５ｃ、５ｄの中心部に対応するセパレータ面上に開口された酸化剤ガス吐出１２ａ、１２ａに連通している。 More specifically, the oxidant gas passage 12 passes through the separator arm 8a from the oxidant gas hole 14 to the lower side central portion P1 of the separator 8, and from here toward the inward, the power generation cells 5a to 5a of the separator body 8c. The center part P2 surrounded by 5d is branched into a transverse T-shape at the center part P2, and one oxidant gas passage 12 reaches the intermediate part P3 of the power generation cells 5a and 5b, and further in the intermediate part P3. It branches in the vertical T-shape and communicates with the oxidant gas discharges 12a and 12a opened on the separator surfaces corresponding to the central portions of the power generation cells 5a and 5b, respectively.
On the other hand, the other side (right side in the figure) of the oxidant gas passage 12 branched in the transverse T-shape at the central portion P2 reaches the intermediate portion P4 of the power generation cells 5c, 5d, and further in the longitudinal T-shape at this portion P4. The oxidant gas discharges 12a and 12a open on the separator surfaces corresponding to the central portions of the power generation cells 5c and 5d, respectively.

また、燃料ガス通路１１は、燃料ガス孔１３よりセパレータアーム８ｂ内を通してセパレータ本体８ｃの上辺部中央から発電セル５ｂ、５ｃの中間部位Ｐ５に至り、この中間部位Ｐ５において横方向Ｔ字に分岐し、一方の燃料ガス通路１１は、発電セル５ｂの周縁に沿って発電セル５ａ、５ｂの中間部位Ｐ６に至り、この中間部位Ｐ６においてさらに縦方向Ｔ字に分岐して、それぞれ発電セル５ａ、５ｂの中心部に対応するセパレータ面上に開口された燃料ガス吐出口１１ａ、１１ａに連通している。
他方、上記中間部位Ｐ５においてＴ字状に分岐した燃料ガス通路１１の他方側（図中右側）は、発電セル５ｃの周縁に沿って発電セル５ｃ、５ｄの中間部位Ｐ７に至り、この中間部位Ｐ７においてさらに縦方向Ｔ字に分岐してそれぞれ発電セル５ｃ、５ｄの中心部に対応するセパレータ面上に開口された燃料ガス吐出口１１ａ、１１ａに連通している。 The fuel gas passage 11 passes from the fuel gas hole 13 through the separator arm 8b to the middle portion P5 of the power generation cells 5b and 5c from the center of the upper side of the separator main body 8c, and branches into a lateral T-shape at the middle portion P5. The one fuel gas passage 11 reaches the intermediate portion P6 of the power generation cells 5a and 5b along the periphery of the power generation cell 5b, and further branches in a vertical T-shape at the intermediate portion P6 to generate the power generation cells 5a and 5b, respectively. The fuel gas discharge ports 11a and 11a are opened on the separator surface corresponding to the central portion of the fuel gas.
On the other hand, the other side (right side in the figure) of the fuel gas passage 11 branched in a T shape at the intermediate part P5 reaches the intermediate part P7 of the power generation cells 5c and 5d along the peripheral edge of the power generation cell 5c. At P7, the fuel cell discharge ports 11a and 11a are further branched in a vertical T-shape and opened on the separator surfaces corresponding to the central portions of the power generation cells 5c and 5d, respectively.

そして、この燃料ガス通路１１については、上述したセパレータ本体８ｃの部位Ｐ５、部位Ｐ６、部位Ｐ７においてガス通路が分岐される毎にその断面積が約１／２に縮小されている。 The cross section of the fuel gas passage 11 is reduced to about ½ each time the gas passage is branched at the parts P5, P6, and P7 of the separator body 8c.

また、発電セル５ａ〜５ｄにより囲まれた部位に対応するセパレータ本体８ｃの中央部分には、酸化剤ガス通路１２を避けるように、厚さ方向に貫通する３個のガス排出用の孔部３１が形成されている。また、発電セル５ａと発電セル５ｂの間であって、燃料ガス通路１１の分岐部Ｐ６と酸化剤ガス通路１２の分岐部Ｐ３とに挟まれた部位、および、発電セル５ｃと発電セル５ｄの間であって、燃料ガス通路１１の分岐部Ｐ７と酸化剤ガス通路１２の分岐部Ｐ４とに挟まれた部位、および、発電セル５ｂと発電セル５ｃの間であって、燃料ガス通路１１の分岐部Ｐ５とガス排出用の孔部３１に挟まれた部分には、それぞれ厚さ方向に貫通する放熱用の孔部３２が形成されている。 Further, three gas exhaust holes 31 penetrating in the thickness direction so as to avoid the oxidant gas passage 12 are formed in the central portion of the separator body 8c corresponding to the portion surrounded by the power generation cells 5a to 5d. Is formed. Further, a portion between the power generation cell 5a and the power generation cell 5b, which is sandwiched between the branch portion P6 of the fuel gas passage 11 and the branch portion P3 of the oxidant gas passage 12, and between the power generation cell 5c and the power generation cell 5d. Between the branch portion P7 of the fuel gas passage 11 and the branch portion P4 of the oxidant gas passage 12, and between the power generation cell 5b and the power generation cell 5c, In the portion sandwiched between the branch portion P5 and the gas discharge hole portion 31, a heat release hole portion 32 penetrating in the thickness direction is formed.

上記構成の単セル１０を、図１、図２に示すように、間にリング状の絶縁性ガスケット１６、１５を介在して順次積層すると共に、この積層体の上下両端にセパレータ８よりサイズの大きい四角形の上締付板２０ａと下締付板２０ｂを配して、その周縁部の４カ所をボルト２１とナット２６にて締め付けることにより、その締め付け荷重により各々のガスケット１６、１５がそれぞれセパレータ８の各ガス孔１４、１３を介して積層方向に連結され、スタック内部に積層方向に延びるガスシール性に優れる２系統の内部マニホールド（酸化剤ガスマニホールド１８と燃料ガスマニホールド１７）が形成される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the unit cell 10 having the above-described configuration is sequentially stacked with ring-shaped insulating gaskets 16 and 15 interposed therebetween. By arranging a large rectangular upper fastening plate 20a and a lower fastening plate 20b and fastening the four peripheral portions with bolts 21 and nuts 26, the gaskets 16 and 15 are separated from each other by the fastening load. Two internal manifolds (oxidant gas manifold 18 and fuel gas manifold 17) that are connected in the stacking direction via the respective gas holes 14 and 13 and extend in the stacking direction and have excellent gas sealing properties are formed inside the stack. .

そして、運転時には、酸化剤ガスマニホールド１８および燃料ガスマニホールド１７に外部から供給される酸化剤ガス（空気）と燃料ガスが流通し、各反応用ガスが各セパレータ８の酸化剤ガス孔１４、燃料ガス孔１３より酸化剤ガス通路１２、燃料ガス通路１１を介して各発電セル５の酸化剤極層４と燃料極層３に分配・供給され、各発電セル５において発電反応を生じさせるようになっている。 During operation, the oxidant gas (air) and the fuel gas supplied from the outside to the oxidant gas manifold 18 and the fuel gas manifold 17 circulate, and each reaction gas is fed to the oxidant gas hole 14 of each separator 8, the fuel. The gas holes 13 are distributed and supplied to the oxidant electrode layer 4 and the fuel electrode layer 3 of each power generation cell 5 through the oxidant gas passage 12 and the fuel gas passage 11 so that a power generation reaction is caused in each power generation cell 5. It has become.

また、この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造であり、運転時には、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を各発電セル５の外周部から外に自由に放出するようになっている。 The solid oxide fuel cell 1 has a sealless structure in which a gas leakage prevention seal is not provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 5, and the remaining gas (exhaust gas) that has not been consumed in the power generation reaction during operation. The power generation cell 5 is freely discharged from the outer periphery.

以上、本実施形態では、発電セル５の形状を円形としたが、この他、発電セル５の形状を図４に示すような六角形、或いは図５に示すような四角形等とすることも可能である。
尚、図４、図５において、図３と共通する部分はそれぞれ同一符号を用いており、８はセパレータ、５ａ〜５ｄは発電セル、１１は燃料ガス通路、１２は酸化剤ガス通路、１３は燃料ガス孔、１４は酸化剤ガス孔、３１はガス排出用の孔部、３２は放熱用の孔部である。 As described above, in the present embodiment, the shape of the power generation cell 5 is circular. However, in addition to this, the shape of the power generation cell 5 may be a hexagon as shown in FIG. 4 or a quadrangle as shown in FIG. It is.
4 and 5, the same reference numerals are used for parts common to FIG. 3, 8 is a separator, 5a to 5d are power generation cells, 11 is a fuel gas passage, 12 is an oxidant gas passage, and 13 is an oxidant gas passage. A fuel gas hole, 14 is an oxidant gas hole, 31 is a gas discharge hole, and 32 is a heat dissipation hole.

次いで、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池を、図６および７を用いて説明する。
尚、第1実施形態と同一の構成については、同一符号を用いることによって説明を省略する。 Next, a solid oxide fuel cell according to a second embodiment will be described with reference to FIGS.
In addition, about the structure same as 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted by using the same code | symbol.

図６に示すように、単セル４０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と酸化剤極層４を配した複数個（４個）の発電セル５と、各燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、各酸化剤極層４の外側に配した空気極集電体７と、これら集電体６、７の外側に配した上下２枚のセパレータ９とで構成されている。 As shown in FIG. 6, the single cell 40 includes a plurality of (four) power generation cells 5 in which the fuel electrode layer 3 and the oxidant electrode layer 4 are arranged on both surfaces of the solid electrolyte layer 2, and each fuel electrode layer 3. A fuel electrode current collector 6 disposed outside, an air electrode current collector 7 disposed outside each oxidant electrode layer 4, and two upper and lower separators 9 disposed outside these current collectors 6, 7; It consists of

セパレータ９は、図７に示すように、厚さ数ｍｍの方形状のステンレス製の板材で構成されており、縦横対称に配設される直径約６０ｍｍ程の小径の発電セル５ａ〜５ｄを覆う大きさに形成されている。そして、これらの発電セル５ａ〜５ｄを共通の集電体６、７を介して電気的に並列接続すると共に、各発電セル５ａ〜５ｄに反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通路９２と燃料ガス通路９１とを有する。 As shown in FIG. 7, the separator 9 is made of a rectangular stainless steel plate having a thickness of several millimeters, and covers the small-sized power generation cells 5 a to 5 d having a diameter of about 60 mm arranged symmetrically. It is formed in size. The power generation cells 5a to 5d are electrically connected in parallel via the common current collectors 6 and 7 and have a function of supplying a reaction gas to each of the power generation cells 5a to 5d. An oxidant gas passage 92 and a fuel gas passage 91 are provided.

さらに、セパレータ９には、複数の発電セル５ａ〜５ｄに囲まれた部位に対応する中央部に、板厚方向に貫通する酸化剤ガス孔４４が設けられるとともに、この酸化剤ガス孔４４を挟むようにして、複数の発電セル５ａ〜５ｂの外方に対応する外周部であって、かつ発電セル５ａ、５ｂ間および発電セル５ｃ、５ｄ間に対応する部位に、それぞれ板厚方向に貫通する燃料ガス孔４３が対になって設けられている。 Further, the separator 9 is provided with an oxidant gas hole 44 penetrating in the plate thickness direction at a central portion corresponding to a portion surrounded by the plurality of power generation cells 5a to 5d. Thus, the fuel gas that penetrates in the plate thickness direction in the outer peripheral portion corresponding to the outside of the plurality of power generation cells 5a to 5b and in the portion corresponding to between the power generation cells 5a and 5b and between the power generation cells 5c and 5d. The holes 43 are provided in pairs.

酸化剤ガス孔４４は、それぞれセパレータ９の四角部方向に向けて延在する直線状の４本の酸化剤ガス通路９２に連通しており、各酸化剤通路９２は、各発電セル５の中央部に対応する位置に開口する末端のガス突出口９２ａより各発電セル５の酸化剤極層４に酸化剤ガスを吐出するようなっている。
他方、各燃料ガス孔４３は、各発電セル５の中央部に向けて延在する直線状の２本の燃料ガス通路９１に連通し、各燃料ガス通路９１は、末端のガス突出口９１ａより各発電セル５の燃料極層３の中央部に燃料ガスを吐出するようなっている。 The oxidant gas holes 44 communicate with four linear oxidant gas passages 92 extending in the direction of the square portion of the separator 9, and each oxidant passage 92 is connected to the center of each power generation cell 5. An oxidant gas is discharged to the oxidant electrode layer 4 of each power generation cell 5 from a gas outlet port 92a at the end that opens to a position corresponding to the portion.
On the other hand, each fuel gas hole 43 communicates with two linear fuel gas passages 91 extending toward the center of each power generation cell 5, and each fuel gas passage 91 is connected to a terminal gas projection 91a. Fuel gas is discharged to the center of the fuel electrode layer 3 of each power generation cell 5.

また、発電セル５ａ〜５ｄにより囲まれた部位に対応するセパレータ９の中央部分には、酸化剤ガス孔４４の周囲における酸化剤ガス通路９２間に各々酸化剤ガス通路９２を避けるように、それぞれ厚さ方向に貫通する４個のガス排出用の孔部９３が形成されている。 Further, in the central portion of the separator 9 corresponding to the portion surrounded by the power generation cells 5a to 5d, respectively, so as to avoid the oxidant gas passages 92 between the oxidant gas passages 92 around the oxidant gas holes 44, respectively. Four gas discharge holes 93 penetrating in the thickness direction are formed.

上記構成の単セル４０を、第１実施形態と同様に、間にリング状の絶縁性ガスケット１６、１５を介在して順次積層すると共に、この積層体の上下両端にセパレータ９よりサイズの大きい四角形の上締付板２０ａと下締付板２０ｂを配して、その周縁部の４カ所をボルト２１とナット２６にて締め付けることにより、その締め付け荷重により各々のガスケット１６、１５がそれぞれセパレータ９の各ガス孔４４、４３を介して積層方向に連結され、スタック内部に積層方向に延びるガスシール性に優れる２系統の内部マニホールド（酸化剤ガスマニホールドと燃料ガスマニホールド）が形成される。 Similarly to the first embodiment, the unit cell 40 having the above-described configuration is sequentially stacked with ring-shaped insulating gaskets 16 and 15 interposed therebetween, and a rectangular shape having a size larger than that of the separator 9 at both upper and lower ends of the stacked body. The upper tightening plate 20a and the lower tightening plate 20b are arranged, and the four peripheral portions thereof are tightened with bolts 21 and nuts 26, so that the gaskets 16 and 15 are attached to the separator 9 by the tightening load. Two internal manifolds (oxidant gas manifold and fuel gas manifold) that are connected in the stacking direction via the gas holes 44 and 43 and have excellent gas sealing properties extending in the stacking direction are formed inside the stack.

そして、運転時には、酸化剤ガスマニホールドおよび燃料ガスマニホールドに外部から供給される酸化剤ガス（空気）と燃料ガスが流通し、各反応用ガスが各セパレータ９の酸化剤ガス孔４４、燃料ガス孔４３より酸化剤ガス通路９２、燃料ガス通路９１を介して各発電セル５の酸化剤極層４と燃料極層３に分配・供給され、各発電セル５において発電反応を生じさせるようになっている。 During operation, the oxidant gas (air) and the fuel gas supplied from the outside to the oxidant gas manifold and the fuel gas manifold circulate, and the respective reaction gases are oxidant gas holes 44 and fuel gas holes of each separator 9. 43 is distributed / supplied to the oxidant electrode layer 4 and the fuel electrode layer 3 of each power generation cell 5 through the oxidant gas passage 92 and the fuel gas passage 91 to cause a power generation reaction in each power generation cell 5. Yes.

また、この第２実施形態の固体酸化物形燃料電池も、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造であり、運転時には、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を各発電セル５の外周部から外に自由に放出するようになっている。 The solid oxide fuel cell according to the second embodiment also has a sealless structure in which no gas leakage prevention seal is provided on the outer peripheral portion of the power generation cell 5, and the residual gas (which is not consumed by the power generation reaction) during operation ( The exhaust gas) is freely discharged from the outer peripheral portion of each power generation cell 5 to the outside.

次いで、第３実施形態の固体酸化物形燃料電池を、図８を用いて説明する。
尚、第２実施形態と同一の構成については、同一符号を用いることによって説明を省略する。 Next, a solid oxide fuel cell according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
In addition, about the structure same as 2nd Embodiment, description is abbreviate | omitted by using the same code | symbol.

図８に示すように、単セルは、固体電解質層２の両面に燃料極層３と酸化剤極層４を配した複数個の発電セル５と、各燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、各酸化剤極層４の外側に配した空気極集電体７と、これら集電体６、７の外側に配した上下２枚のセパレータ９５とで構成されている。ここで、発電セル５は、縦方向に複数行（２行）、横方向に偶数列（４列）に配置されることにより、合計８個設けられている。 As shown in FIG. 8, the single cell includes a plurality of power generation cells 5 in which a fuel electrode layer 3 and an oxidant electrode layer 4 are arranged on both surfaces of the solid electrolyte layer 2, and a fuel arranged on the outside of each fuel electrode layer 3. An electrode current collector 6, an air electrode current collector 7 disposed outside each oxidant electrode layer 4, and two upper and lower separators 95 disposed outside these current collectors 6, 7. . Here, a total of eight power generation cells 5 are provided by being arranged in a plurality of rows (2 rows) in the vertical direction and even columns (4 columns) in the horizontal direction.

セパレータ９５は、厚さ数ｍｍの長方形状のステンレス製の板材で構成されて、直径約６０ｍｍ程の小径の発電セル５ａ〜５ｈを覆う大きさに形成されている。そして、これらの発電セル５ａ〜５ｈを共通の集電体６、７を介して電気的に並列接続すると共に、各発電セル５ａ〜５ｈに反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通路９７と燃料ガス通路９６とを有する。 The separator 95 is made of a rectangular stainless steel plate having a thickness of several millimeters, and is sized to cover the power generation cells 5a to 5h having a small diameter of about 60 mm. The power generation cells 5a to 5h are electrically connected in parallel via the common current collectors 6 and 7 and have a function of supplying a reaction gas to the power generation cells 5a to 5h. An oxidant gas passage 97 and a fuel gas passage 96 are provided.

さらに、セパレータ９５には、複数の発電セル５ａ〜５ｈに囲まれた部位に対応する中央部に、全ての酸化剤ガス孔４４を配設すべく、複数の発電セル５ａ〜５ｂの外方に対応する外周部であって、かつ発電セル５ａ、５ｂ間および発電セル５ｅ、５ｆ間に対応する部位に、それぞれ板厚方向に貫通する燃料ガス孔４３が対になって設けられている。
これにより、セパレータ９５には、これら発電セル５ａ、５ｂに対する燃料ガス孔４３の反対側の発電セル５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｈに囲まれた部位に対応する位置、およびこれら発電セル５ｅ、５ｆに対する燃料ガス孔４３の反対側である発電セル５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇに囲まれた部位に対応する位置に、それぞれ板厚方向に貫通する酸化剤ガス孔４４が設けられている。
また、セパレータ９５には、これら発電セル５ｃ、５ｈに対する酸化剤ガス孔４４の反対側であって、これら発電セル５ｄ、５ｇに対する酸化剤ガス孔４４の反対側でもある発電セル５ｃ、５ｈ、５ｄ、５ｇに囲まれた部位に対応する位置にも、板厚方向に貫通する燃料ガス孔４３が設けられている。 Further, in the separator 95, in order to dispose all the oxidant gas holes 44 in the central portion corresponding to the portion surrounded by the plurality of power generation cells 5a to 5h, the separator 95 is disposed outside the plurality of power generation cells 5a to 5b. Fuel gas holes 43 penetrating in the plate thickness direction are provided in pairs at corresponding outer peripheral portions and corresponding portions between the power generation cells 5a and 5b and between the power generation cells 5e and 5f.
Accordingly, the separator 95 has a position corresponding to a portion surrounded by the power generation cells 5a, 5b, 5c, and 5h on the opposite side of the fuel gas hole 43 with respect to the power generation cells 5a and 5b, and the power generation cells 5e and 5f. Oxidant gas holes 44 penetrating in the plate thickness direction are provided at positions corresponding to portions surrounded by the power generation cells 5d, 5e, 5f, and 5g on the opposite side of the fuel gas holes 43.
The separator 95 has power generation cells 5c, 5h, and 5d that are opposite to the oxidant gas holes 44 for the power generation cells 5c and 5h and that are also opposite to the oxidant gas holes 44 for the power generation cells 5d and 5g. Fuel gas holes 43 penetrating in the thickness direction are also provided at positions corresponding to the portions surrounded by 5 g.

各酸化剤ガス孔４４は、それぞれ各発電セル５の中央部に向けて延在する直線状の４本の酸化剤ガス通路９７に連通しており、各酸化剤通路９７は、末端のガス突出口９７ａより各発電セル５の酸化剤極層４の中央部に酸化剤ガスを吐出するようなっている。同様に、各燃料ガス孔４３も、各発電セル５の中央部に向けて延在する直線状の４本の燃料ガス通路９６に連通し、各燃料ガス通路９６は、末端のガス突出口９６ａより各発電セル５の燃料極層３の中央部に燃料ガスを吐出するようなっている
ただし、セパレータ９５の発電セル５ａ、５ｂ間および発電セル５ｅ、５ｆ間に対応する部位に対になって設けられた燃料ガス孔４３は、各発電セル５の中央部に向けて延在する直線状の２本の燃料ガス通路９６に連通しており、これらの燃料ガス通路９６も、末端のガス突出口９６ａより各発電セル５の燃料極層３の中央部に燃料ガスを吐出するようなっている。 Each oxidant gas hole 44 communicates with four linear oxidant gas passages 97 extending toward the central portion of each power generation cell 5, and each oxidant passage 97 has a terminal gas protrusion. An oxidant gas is discharged from the port 97a to the central portion of the oxidant electrode layer 4 of each power generation cell 5. Similarly, each fuel gas hole 43 communicates with four linear fuel gas passages 96 extending toward the central portion of each power generation cell 5, and each fuel gas passage 96 has a terminal gas projection 96 a. Further, the fuel gas is discharged to the central portion of the fuel electrode layer 3 of each power generation cell 5. However, the separator 95 is paired with a portion corresponding to between the power generation cells 5a and 5b and between the power generation cells 5e and 5f. The provided fuel gas hole 43 communicates with two linear fuel gas passages 96 extending toward the center of each power generation cell 5, and these fuel gas passages 96 are also connected to the end gas projections. Fuel gas is discharged from the port 96a to the center of the fuel electrode layer 3 of each power generation cell 5.

また、発電セル５ａ〜５ｈにより囲まれた部位に対応するセパレータ９５の中央部分には、各酸化剤ガス孔４４の周囲における酸化剤ガス通路９７間に各々酸化剤ガス通路９７を避けるように４個のガス排出用の孔部９３がそれぞれ厚さ方向に貫通して形成されて、８個のガス排出用の孔部９３が形成されている。また、酸化剤ガス孔４４の周囲における燃料ガス通路９６間に各々燃料ガス通路９６を避けるように、それぞれ厚さ方向に貫通する４個のガス排出用の孔部９３が形成されている。 Further, in the central portion of the separator 95 corresponding to the portion surrounded by the power generation cells 5a to 5h, the oxidant gas passages 97 are avoided between the oxidant gas passages 97 around the oxidant gas holes 44, respectively. Each of the gas discharge holes 93 is formed so as to penetrate in the thickness direction, so that eight gas discharge holes 93 are formed. Further, four gas discharge holes 93 penetrating in the thickness direction are formed between the fuel gas passages 96 around the oxidant gas hole 44 so as to avoid the fuel gas passages 96 respectively.

上記構成の単セルを、第２実施形態と同様に、間にリング状の絶縁性ガスケット１６、１５を介在して順次積層すると共に、この積層体の上下両端にセパレータ９５よりサイズの大きい四角形の上締付板２０ａと下締付板２０ｂを配して、その周縁部の４カ所をボルト２１とナット２６にて締め付けることにより、その締め付け荷重により各々のガスケット１６、１５がそれぞれセパレータ９５の各ガス孔４４、４３を介して積層方向に連結され、スタック内部に積層方向に延びるガスシール性に優れる２系統の内部マニホールド（酸化剤ガスマニホールドと燃料ガスマニホールド）が形成される。 Similarly to the second embodiment, the single cells having the above-described configuration are sequentially stacked with ring-shaped insulating gaskets 16 and 15 interposed therebetween, and rectangular layers having a size larger than the separator 95 are formed on the upper and lower ends of the stacked body. By arranging the upper fastening plate 20a and the lower fastening plate 20b and fastening the four peripheral portions with bolts 21 and nuts 26, the gaskets 16 and 15 are respectively attached to the separators 95 by the fastening load. Two internal manifolds (oxidant gas manifold and fuel gas manifold) that are connected in the stacking direction via the gas holes 44 and 43 and have excellent gas sealing properties extending in the stacking direction are formed inside the stack.

そして、運転時には、酸化剤ガスマニホールドおよび燃料ガスマニホールドに外部から供給される酸化剤ガス（空気）と燃料ガスが流通し、各反応用ガスが各セパレータ９５の酸化剤ガス孔４４、燃料ガス孔４３より酸化剤ガス通路９７、燃料ガス通路９６を介して各発電セル５の酸化剤極層４と燃料極層３に分配・供給され、各発電セル５において発電反応を生じさせるようになっている。
また、この第３実施形態の固体酸化物形燃料電池も、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造である。 During operation, the oxidant gas (air) and the fuel gas supplied from the outside to the oxidant gas manifold and the fuel gas manifold circulate, and each reaction gas is fed to the oxidant gas hole 44 and the fuel gas hole of each separator 95. 43 is distributed / supplied to the oxidant electrode layer 4 and the fuel electrode layer 3 of each power generation cell 5 through the oxidant gas passage 97 and the fuel gas passage 96 to cause a power generation reaction in each power generation cell 5. Yes.
The solid oxide fuel cell according to the third embodiment also has a sealless structure in which no gas leakage prevention seal is provided on the outer periphery of the power generation cell 5.

尚、第２および第３実施形態では、発電セル５の形状を円形としたが、第1実施形態と同様に発電セル５の形状を四角形或いは六角形等とすることも可能である。 In the second and third embodiments, the shape of the power generation cell 5 is circular. However, the shape of the power generation cell 5 may be rectangular or hexagonal as in the first embodiment.

以上、第１実施形態ないし第３実施形態による固体酸化物形燃料電池１では、同一セパレータ８、９、９５上に複数の発電セル５を並列に配置する構造とすることにより、同じ出力を得る場合において、セパレータ８、９、９５上に１個の発電セル５を配置する構造に比べて、発電セル５の径を小さくすることができるため（例えば、直径１２０ｍｍを６０ｍｍとする）、その分、温度分布を均一化でき、発電セル５を割れ難くできる。加えて、各々発電セル５が並列に接続されているため、複数の発電セル５の内の１つが破損した場合であっても、正常な他の発電セル５より出力を取り出すことができ、極端な出力低下を招かずに運転を続行できる。 As described above, in the solid oxide fuel cell 1 according to the first to third embodiments, the same output can be obtained by adopting a structure in which the plurality of power generation cells 5 are arranged in parallel on the same separator 8, 9, 95. In this case, since the diameter of the power generation cell 5 can be reduced as compared with the structure in which one power generation cell 5 is disposed on the separators 8, 9, and 95 (for example, the diameter of 120 mm is set to 60 mm), accordingly The temperature distribution can be made uniform and the power generation cell 5 can be made difficult to break. In addition, since each of the power generation cells 5 is connected in parallel, even if one of the plurality of power generation cells 5 is damaged, the output can be taken out from other normal power generation cells 5. The operation can be continued without causing a significant decrease in output.

また、酸化剤ガス通路１２、９２、９７より、セパレータ８、９、９５の中央部分に酸化剤ガス（空気）を導入することにより、その冷却効果により、セパレータ中心部分の温度上昇を抑制してセパレータ面内での温度分布を均一化させることができ、発電セル５の割れを防止することができる。 Also, by introducing oxidant gas (air) into the central part of the separators 8, 9, and 95 from the oxidant gas passages 12, 92, and 97, the cooling effect prevents the temperature rise in the central part of the separator. The temperature distribution in the separator surface can be made uniform, and cracking of the power generation cell 5 can be prevented.

特に、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１では、燃料ガスは酸化剤ガスに比べて流量が少ないため、燃料ガスによる冷却効果は得られないが、図３のように、発電セル５の隣接部位に放熱用の孔部３２を設けることにより、セパレータ８隣接部位の放熱効果を助長することができ、セパレータ面内での温度分布の均一化に寄与できる。 In particular, in the solid oxide fuel cell 1 of the first embodiment, since the fuel gas has a smaller flow rate than the oxidant gas, the cooling effect by the fuel gas cannot be obtained. However, as shown in FIG. By providing the heat radiating hole 32 at the adjacent portion, the heat radiation effect at the adjacent portion of the separator 8 can be promoted, and the temperature distribution in the separator surface can be made uniform.

また、酸化剤ガス通路１２および燃料ガス通路１１をＴ字状に分岐させていくことにより、分岐部における反応用ガスの分配を均等にでき、且つ、各ガス流路の全長を長くすることができる。これにより、各発電セルへの反応用ガスの等流配が可能となり、発電性能を向上できる。
燃料ガス通路１１においては、ガス流路の下流側に向けて分岐毎にガス通路の断面積を小さくして圧損失を生じさせるようにしたので、燃料ガス通路１１においては、より確実な燃料ガスの等流配が可能となり、より安定した発電性能が得られるようになる。 Further, by branching the oxidant gas passage 12 and the fuel gas passage 11 in a T shape, the distribution of the reaction gas at the branch portion can be made uniform, and the total length of each gas flow path can be increased. it can. Thereby, equal distribution of the reaction gas to each power generation cell becomes possible, and power generation performance can be improved.
In the fuel gas passage 11, since the cross-sectional area of the gas passage is reduced at each branch toward the downstream side of the gas passage to cause pressure loss, a more reliable fuel gas is provided in the fuel gas passage 11. Can be distributed evenly, and more stable power generation performance can be obtained.

他方、第２および第３実施形態の固体酸化物形燃料電池では、セパレータ９、９５の複数の発電セル５ａ〜５ｄ、５ａ〜５ｈに囲まれた部位に対応する中央部に設けた酸化剤ガス孔４４によって酸化剤ガスマニホールドを形成したため、この酸化剤ガスマニホールドから酸化剤ガス孔４４を通じて、酸化剤ガスを直接セパレータ９、９５の酸化剤ガス通路９２、９７に供給することによって、効率的にセパレータ中心部分の温度上昇を抑制できる。さらには、セパレータ９、９５の酸化剤ガス通路９２、９７の全長を短くすることによって、セパレータ９、９５の構造が簡素化されて、燃料電池全体の小型化を可能にすることができる。 On the other hand, in the solid oxide fuel cells of the second and third embodiments, the oxidant gas provided in the central portion of the separators 9 and 95 corresponding to the portions surrounded by the plurality of power generation cells 5a to 5d and 5a to 5h. Since the oxidant gas manifold is formed by the holes 44, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas manifold directly to the oxidant gas passages 92 and 97 of the separators 9 and 95 through the oxidant gas holes 44. The temperature rise in the central part of the separator can be suppressed. Furthermore, by shortening the total length of the oxidant gas passages 92 and 97 of the separators 9 and 95, the structure of the separators 9 and 95 can be simplified, and the overall size of the fuel cell can be reduced.

また、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１では、セパレータ８の中央部分にガス排出用の孔部３１を設けることにより、第２および第３実施形態の固体酸化物形燃料電池では、セパレータ９、９５の中央部分にガス排出用の孔部９３を設けることにより、発電セル５ａ〜５ｄの外周部より排出される反応ガスがパレータ中央付近において滞留することがなく、この孔部３１、９３より効率良く排出されるため、酸化剤ガスおよび燃料ガスが各電極層の全面に効率良く供給されるようになり、発電性能を向上できる。 In the solid oxide fuel cell 1 of the first embodiment, by providing the gas discharge hole 31 in the central portion of the separator 8, the solid oxide fuel cells of the second and third embodiments By providing the gas discharge hole 93 in the central part of the separators 9 and 95, the reaction gas discharged from the outer peripheral part of the power generation cells 5a to 5d does not stay in the vicinity of the center of the palator. Therefore, the oxidizing gas and the fuel gas are efficiently supplied to the entire surface of each electrode layer, and the power generation performance can be improved.

次に、本発明の効果を確認するため、以下のような発電試験を実施した。 Next, in order to confirm the effect of the present invention, the following power generation test was performed.

作動温度７５０℃、電流密度５００ｍＡ／ｃｍ²、燃料利用率７５％にて発電試験を実施し、セルの形状および１枚のセパレータ８上に設置する発電セル５の枚数を変化させた時の発電セルの平均出力密度と発電セルの割れを調査し、その結果を表１に示した。上記セルとは、発電セル５をセパレータ８で挟み込んだものを示している。尚、酸化剤ガスとして空気を水素の５倍量を供給した。また、発電セル５には自立膜型ランタンガレート系電解質のＬＳＧＭＣ５を使用し、固体電解質層３の厚さは０．２０〜０．２５ｍｍとした。燃料極層３はＣｅ_0.2Ｓｍ_0.8Ｏ₂とＮｉのサーメット、酸化剤極層４にはＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃を用いた。 A power generation test is performed at an operating temperature of 750 ° C., a current density of 500 mA / cm ² , and a fuel utilization rate of 75%, and power generation is performed when the shape of the cell and the number of power generation cells 5 installed on one separator 8 are changed. The average power density of the cell and cracking of the power generation cell were investigated, and the results are shown in Table 1. The above-described cell is a cell in which the power generation cell 5 is sandwiched between the separators 8. In addition, as an oxidant gas, air was supplied 5 times as much as hydrogen. Further, the self-supporting membrane type lanthanum gallate electrolyte LSGMC5 was used for the power generation cell 5, and the thickness of the solid electrolyte layer 3 was 0.20 to 0.25 mm. The fuel electrode layer 3 was Ce _0.2 Sm _0.8 O ₂ and Ni cermet, and the oxidant electrode layer 4 was Sm _0.5 Sr _0.5 CoO ₃ .

実施例１−１（従来型）では、直径１６０ｍｍの円形平板形のセルを５段積層し、燃料ガスとして水素を５Ｎｍｌ／ｃｍ²／ｍｉｎで供給した。ここで、ＮｍｌのＮは０℃を意味する。
この時の平均出力密度は５００ｍＷ／ｃｍ²であり、高い性能が得られたが、室温に降温後、スタックを解体すると５枚のセル中、３枚が割れていた。これは、作動温度７５０℃から室温に降温する際の収縮で生じる引張り応力によるものと推測される。
この割れた発電セル５を再度スタックに組み込み、発電試験を同条件にて実施したところ、平均出力密度は０．１８Ｗ／ｃｍ²まで低下した。このように、スタック中のセルが割れてしまうと発電性能が著しく低下することが確認された。 In Example 1-1 (conventional type), five circular plate cells having a diameter of 160 mm were stacked, and hydrogen was supplied at 5 Nml / cm ² / min as a fuel gas. Here, N in Nml means 0 ° C.
The average power density at this time was 500 mW / cm ² , and high performance was obtained, but when the stack was disassembled after the temperature was lowered to room temperature, 3 of the 5 cells were cracked. This is presumed to be due to tensile stress generated by shrinkage when the operating temperature is lowered from 750 ° C. to room temperature.
When the cracked power generation cell 5 was assembled in the stack again and the power generation test was performed under the same conditions, the average power density was reduced to 0.18 W / cm ² . As described above, it was confirmed that the power generation performance was significantly reduced when the cells in the stack were broken.

実施例１−２（従来型）では、円形セルの直径を１２０ｍｍとし、実施例１−１と同様に従来型の１枚のセルを５段積層した時の結果である。セルの単位面積当たりの燃料ガスおよび空気流量を一定とした条件下での平均出力密度は０．５１Ｗ／ｃｍ²であった。発電試験後のセルの割れは５枚中１枚であった。
この割れたセルを再度スタックに組み込み、発電試験を同条件で実施したところ、平均出力密度は０．３６Ｗ／ｃｍ²まで低下した。この場合の、低下率は２９％である。
このように、スタック中の１枚のセルが割れただけで発電性能は急激に低下した。この理由は、５枚のセルが直列に接続されているため、その内の１枚のセルが破損すると、その部分での抵抗が著しく増大し、スタック全体の性能を低下させてしまうためである。 In Example 1-2 (conventional type), the diameter of the circular cell is 120 mm, and the result is obtained when five conventional cells are stacked in the same manner as in Example 1-1. The average power density under the condition that the flow rates of the fuel gas and air per unit area of the cell were constant was 0.51 W / cm ² . The cell crack after the power generation test was 1 in 5 sheets.
When the cracked cell was again incorporated into the stack and a power generation test was performed under the same conditions, the average power density was reduced to 0.36 W / cm ² . In this case, the reduction rate is 29%.
As described above, the power generation performance was drastically lowered only by breaking one cell in the stack. The reason for this is that five cells are connected in series, and if one of the cells is damaged, the resistance at that portion increases remarkably, reducing the performance of the entire stack. .

実施例１−３では、円形セルの直径を８０ｍｍとし、１枚のセパレータ８上に４枚の発電セル５を並列配置し、５段積層した時の結果である。この場合の同条件における平均出力密度は０．４９Ｗ／ｃｍ²であり、従来型のセルを用いた実施例１−１に較べて０．０１Ｗ／ｃｍ²の減少となった。
この性能低下の理由は、発電セル５の半径を小さくすることにより、セルの中心部と外周部との距離が減少して、セパレータ８の中心部から吐出される水素と燃料極層３との電気化学反応の頻度が減少したためと推測される。
発電試験後の２０枚のセルの内、割れは１枚であり、割れたセルを再度スタックに組み込み、発電試験を同条件で実施したところ、平均出力密度は０．４５Ｗ／ｃｍ²となり、出力低下は０．０４Ｗ／ｃｍ²、低下率は８％に留まった。
尚、従来型のセルを用いた実施例１−２では、１枚のセルの割れたことによる平均出力密度の低下率は２９％であった。このことにより、セル割れが発生した場合、本実施形態のセパレータ構造では、スタック全体の性能低下を低く抑えることができることが確認された。 In Example 1-3, the circular cell has a diameter of 80 mm, and four power generation cells 5 are arranged in parallel on one separator 8, and five layers are stacked. Average power density in the same conditions in this case is 0.49W / cm ^2, a decrease of 0.01 W / cm ² compared to Example 1-1 using a conventional cell.
The reason for this performance decrease is that by reducing the radius of the power generation cell 5, the distance between the center portion and the outer peripheral portion of the cell decreases, and the hydrogen discharged from the center portion of the separator 8 and the fuel electrode layer 3 It is presumed that the frequency of electrochemical reactions has decreased.
Of the 20 cells after the power generation test, there was one crack, and when the cracked cell was reinserted into the stack and the power generation test was performed under the same conditions, the average power density was 0.45 W / cm ² , and the output The decrease was 0.04 W / cm ² and the decrease rate was only 8%.
In Example 1-2 using a conventional cell, the reduction rate of the average power density due to the cracking of one cell was 29%. As a result, when cell cracking occurred, it was confirmed that the separator structure of the present embodiment can suppress the performance degradation of the entire stack to a low level.

実施例１−４では、円形セルの直径を６０ｍｍとし、１セパレータ８上に４枚の発電セル５を並列配置し、５段積層した時の結果である。この場合、同条件における平均出力密度は０．４７Ｗ／ｃｍ²であり、従来型セルを用いた実施例１−１に較べて０．０３Ｗ／ｃｍ²の減少となった。この性能低下の理由は、上述した通りである。
発電試験後の２０枚のセルの内、割れはなく、再度同じセルをスタックに組み込み同条件で発電試験を実施したところ、平均出力密度は０．４７Ｗ／ｃｍ²であり、発電性能の低下は見られなかった。発電セル５を小形化することにより、電流密度６５０ｍＡ／ｃｍ²の高出力条件下にも拘わらず、セル割れを起こさずに昇温・発電・降温することが可能であることが確認された。
これらの発電セル５をそれぞれ未使用セルに入れ換えて比較試験（２）（３）を実施し、降温後のセル割れを確認したところ、２０枚中割れていたセルはなく、発電セル５の小形化がセル割れ防止に効果的であり、且つ、発電セル５の並列接続がその発電性能を維持できることが確認された。 In Example 1-4, the diameter of the circular cell is set to 60 mm, and four power generation cells 5 are arranged in parallel on one separator 8 and are stacked in five stages. In this case, the average power density in the same conditions is 0.47 W / cm ^2, a decrease of 0.03 W / cm ² compared to Example 1-1 using a conventional cell. The reason for this decrease in performance is as described above.
Of the 20 cells after the power generation test, there were no cracks, and when the same cell was assembled in the stack again and the power generation test was performed under the same conditions, the average power density was 0.47 W / cm ² and the decrease in power generation performance was I couldn't see it. It was confirmed that by reducing the size of the power generation cell 5, it is possible to increase the temperature, generate power, and decrease the temperature without causing cell cracking, regardless of the high output condition of a current density of 650 mA / cm ² .
When these power generation cells 5 were replaced with unused cells, comparative tests (2) and (3) were carried out, and cell cracking after temperature reduction was confirmed, there were no cells that were cracked in 20 sheets. It has been confirmed that this is effective for preventing cell cracking and that the parallel connection of the power generation cells 5 can maintain the power generation performance.

実施例１−５では、円形セルの直径を４０ｍｍとし、実施例１−６では、円形セルの直径を３０ｍｍとし、１枚のセパレータ８上に１６枚のセルを並列配置し、それぞれ５段積層した時の結果である。
この場合、同条件における平均出力密度はそれぞれ０．４５Ｗ／ｃｍ²、０．４３Ｗ／ｃｍ²であり、小形化により発電性能は減少傾向にある。試験後の８０枚のセルの内、実施例１−５、実施例１−６とも割れはなく、かつ、比較試験（２）（３）を実施して降温後のセルの割れを確認したところ、割れは全く見られず、発電セル５の小形化がセルの割れ防止に効果的であることが再度確認された。実施例１−５、６の場合は、１Ａ／ｃｍ²以上の高電流密度においてもセル割れを起こさずに昇温・発電・降温が可能であると推測される。 In Example 1-5, the diameter of the circular cell is set to 40 mm, and in Example 1-6, the diameter of the circular cell is set to 30 mm, and 16 cells are arranged in parallel on one separator 8, each of which is stacked in five stages. It is the result when we did.
In this case, each average power density 0.45 W / cm ² under the same condition, a 0.43 W / cm ^2, the power generation performance by miniaturization is decreasing. Of the 80 cells after the test, neither Example 1-5 nor Example 1-6 was cracked, and the comparative test (2) (3) was carried out to confirm the cell crack after cooling. No cracks were seen, and it was confirmed again that downsizing of the power generation cell 5 is effective in preventing the cracking of the cells. In the case of Examples 1-5 and 6, it is presumed that heating, power generation, and cooling can be performed without causing cell cracking even at a high current density of 1 A / cm ² or more.

実施例１−７（従来型）、実施例１−８、実施例１−９では、角形の発電セルを用い、セパレータ８上のセル枚数を変化させ、全セルの合計面積を５００ｃｍ²一定とした時の発電性能および降温後のセル割れの枚数についての試験結果である。
従来型のセルを用いた実施例１−７の場合、比較試験（１）後、５枚のセルの全てが割れており、再度組み立て後の平均出力密度は０．０８Ｗ／ｃｍ²まで減少した。これより、セル形状を角形にすると、円形セルに較べて割れ易くなっていることが分かる。セルを小形化した実施例１−８、実施例１−９の場合、比較試験（１）後のセルの割れがないことが確認された。 In Example 1-7 (conventional type), Example 1-8, and Example 1-9, a square power generation cell was used, the number of cells on the separator 8 was changed, and the total area of all cells was kept constant at 500 cm ^2. It is a test result about the number of cell cracks after power generation performance at the time of cooling and temperature fall.
In the case of Example 1-7 using a conventional cell, after the comparative test (1), all of the five cells were cracked, and the average power density after reassembly was reduced to 0.08 W / cm ² . . From this, it can be seen that when the cell shape is a square, it is easier to break than a circular cell. In the case of Example 1-8 and Example 1-9 in which the cell was miniaturized, it was confirmed that there was no cell crack after the comparative test (1).

実施例１−１０（従来型）、実施例１−１１、実施例１−１２では、六角形の発電セルを用い、セパレータ８上のセル枚数を変化させ、全セルの合計面積を５４０ｃｍ²一定とした時の発電性能および降温後のセル割れについての試験結果である。 In Example 1-10 (conventional type), Example 1-11, and Example 1-12, hexagonal power generation cells were used, the number of cells on the separator 8 was changed, and the total area of all cells was constant at 540 cm ^2. It is a test result about the power generation performance at the time of making and the cell crack after temperature fall.

従来型のセルを用いた実施例１−１０の場合では、比較試験（１）後、２枚のセルが割れており、組み立て後の平均出力密度は０．２３Ｗ／ｃｍ²まで減少した。セル形状を六角形としたため、上述した角形セルに較べて割れ難くなっているが、円形セルに較べて割
れ易いことが分かる。 In the case of Example 1-10 using a conventional cell, two cells were cracked after the comparative test (1), and the average power density after assembly was reduced to 0.23 W / cm ² . Since the cell shape is hexagonal, it is harder to crack than the above-described rectangular cell, but it can be seen that it is easier to crack than the circular cell.

実施例１−１１の場合では、比較試験（１）後、１枚のセル割れがあったが、極端な発電性能の低下には至らなかった。４枚のセルの内の３枚が割れていなければ、この３枚のセルにより燃料ガスの少なくとも３／４は電気化学的に消費可能であるため、燃料利用率７５％以上での正常な発電が可能であり、例えば、割れたセル１枚の半分の面積が発電可能であるとすると、概算で燃料利用率８７．５％まで正常発電が可能と推測される。これに対し、実施例１−１０の場合、１枚のセル割れが起こり、仮に割れたセルの５０％の部分が発電可能であるとしても、燃料利用率５０％以上では正常な発電は不可能である。 In the case of Example 1-11, there was one cell crack after the comparative test (1), but the power generation performance was not extremely lowered. If three of the four cells are not cracked, at least 3/4 of the fuel gas can be consumed electrochemically by the three cells, so normal power generation with a fuel utilization rate of 75% or more is possible. For example, assuming that half the area of one broken cell can generate power, it is estimated that normal power generation is possible up to a fuel utilization rate of 87.5%. On the other hand, in the case of Example 1-10, even if one cell crack occurs and 50% of the cracked cells can generate power, normal power generation is impossible at a fuel utilization rate of 50% or more. It is.

実施例２では、セパレータ８内部のガス供給流路において、本実施形態の中心部に空気を供給した場合（図３において、セパレータ８の酸化剤ガス通路１２に空気を供給し、燃料ガス通路１１に燃料ガスを供給する）と、燃料ガスと空気の供給を入れ換えてセパレータ８中心部のガス供給路に燃料ガスを供給した場合（すなわち、酸化剤ガス通路１２に燃料ガスを供給し、燃料ガス通路１１に空気を供給する）とで比較試験を行い、その結果を表２に示した。 In Example 2, when air is supplied to the central portion of the present embodiment in the gas supply flow path inside the separator 8 (in FIG. 3, air is supplied to the oxidant gas passage 12 of the separator 8 and the fuel gas passage 11 is supplied). When the fuel gas is supplied to the oxidant gas passage 12 and the fuel gas is supplied to the gas supply passage at the center of the separator 8 (ie, the fuel gas is supplied to the oxidant gas passage 12). A comparison test was conducted on the air supply to the passage 11 and the results are shown in Table 2.

実施例２−１では、直径６０ｍｍの円形セルを１セパレータ８上に４個並列配置し、５段積層した。この時の平均出力密度は０．４７Ｗ／ｃｍ²である。これに対して、実施例２−２の場合の、燃料と空気の流路を入れ換えた発電試験では、平均出力密度は０．４３Ｗ／ｃｍ²に低下した。
空気がセパレータ中央部に供給されない実施例２−２の場合では、セパレータ中心部の温度は７８８℃程、端部は７３４℃程となり、同一セパレータ上での温度差は５２℃程であった。これは、燃料ガスの流量は空気流量に較べて１／５であるため、セパレータ中心部分での熱交換量が低下して温度が上昇したものと考えられる。これに対し、空気がセパレータ中央部に供給される実施例２−１の場合は、温度差は僅か１２℃程であった。 In Example 2-1, four circular cells having a diameter of 60 mm were arranged in parallel on one separator 8, and five layers were stacked. The average power density at this time is 0.47 W / cm ² . On the other hand, in the power generation test in which the fuel and air flow paths were switched in the case of Example 2-2, the average power density was reduced to 0.43 W / cm ² .
In the case of Example 2-2 in which air was not supplied to the central portion of the separator, the temperature at the central portion of the separator was about 788 ° C., the end portion was about 734 ° C., and the temperature difference on the same separator was about 52 ° C. This is probably because the flow rate of the fuel gas is 1/5 of the air flow rate, so that the amount of heat exchange in the central portion of the separator is reduced and the temperature is increased. On the other hand, in the case of Example 2-1 in which air is supplied to the central portion of the separator, the temperature difference is only about 12 ° C.

実施例２−２の場合では、比較試験（４）の降温後のセル割れはなかったが、比較試験（５）、（６）では、２０枚のセルの内、直径６０ｍｍの小型セルを用いたにも拘わらず、比較試験（５）で３枚、比較試験（６）で１枚割れていた。割れがあった時の発電性能が低下していることから、発電中にセパレータ内部で温度差が生じて割れた可能性が大きいと考えられる。
また、発電試験後、セル割れが生じていないのにも拘わらず比較試験（４）の平均出力密度は０．４３Ｗ／ｃｍ²と低かった。この理由は、燃料ガスを、分岐部分において流路幅が狭まっていない酸化剤ガス通路１２に供給したことにより、セパレータ内部での燃料ガスの均等流配が崩れたためと推測される。 In the case of Example 2-2, there was no cell crack after the temperature drop in the comparative test (4), but in the comparative tests (5) and (6), a small cell having a diameter of 60 mm was used among the 20 cells. In spite of this, 3 sheets were broken in the comparative test (5) and 1 sheet was broken in the comparative test (6). Since the power generation performance at the time of cracking is lowered, it is considered that there is a high possibility that a temperature difference occurs inside the separator during power generation and cracking occurs.
In addition, after the power generation test, the average output density of the comparative test (4) was as low as 0.43 W / cm ² even though no cell cracking occurred. The reason for this is presumed that the fuel gas is supplied to the oxidant gas passage 12 where the flow path width is not narrowed at the branch portion, so that the uniform flow of the fuel gas inside the separator is broken.

実施例３では、セパレータ中心部のガス排出用の孔部３１の有無についての比較試験（７）および比較試験（８）を行い、その結果を表３に示した。
これらの発電試験では、直径６０ｍｍの円形セルをセパレータ上に４個並列配置し、５段積層した。また、空気は通常通り、セパレータ８の酸化剤ガス通路１２より供給した。 In Example 3, a comparative test (7) and a comparative test (8) were performed on the presence or absence of the gas discharge hole 31 at the center of the separator, and the results are shown in Table 3.
In these power generation tests, four circular cells having a diameter of 60 mm were arranged in parallel on a separator and laminated in five stages. Air was supplied from the oxidant gas passage 12 of the separator 8 as usual.

排気孔３１を設けた実施例３−１場合では、平均出力密度は０．４７Ｗ／ｃｍ²であった。これに対し、排気孔３１を設けていない実施例３−２の場合の平均出力密度は０．３８Ｗ／ｃｍ²と発電性能の低下が見られた。尚、実施例３−１の場合、同一セパレータ内部での温度差は１２℃程であるのに対して、実施例３−２の場合は、温度差が３１℃程と大きかった。
比較試験（７）および比較試験（８）において、実施例３−２の場合、試験後にセル割れは生じなかったが、発電性能は低かった。この理由は、排気孔３１を設けていないと、発電反応生成物である水蒸気がセパレータ中心部分で排出されずに滞留し、この部分での電気化学反応が著しく低下したためと推定される。よって、セパレータ中心部分に排気孔３１を設けることが、発電性能の向上のために重要であることが確認された。 In the case of Example 3-1, in which the exhaust holes 31 were provided, the average power density was 0.47 W / cm ² . In contrast, the average power density in Example 3-2 in which no exhaust hole 31 was provided was 0.38 W / cm ² , indicating a decrease in power generation performance. In the case of Example 3-1, the temperature difference inside the same separator was about 12 ° C., whereas in Example 3-2, the temperature difference was as large as about 31 ° C.
In Comparative Test (7) and Comparative Test (8), in Example 3-2, no cell cracking occurred after the test, but the power generation performance was low. This is presumably because, if the exhaust hole 31 is not provided, water vapor as a power generation reaction product stays without being discharged in the central portion of the separator, and the electrochemical reaction in this portion is significantly reduced. Therefore, it was confirmed that providing the exhaust hole 31 in the central portion of the separator is important for improving the power generation performance.

実施例４では、直径６０ｍｍの円形セルをセパレータ８上に４個並列配置し、５段積層した構造で、発電セル５の固体電解質層４の種類を変えた場合の発電試験を行い、その結果を表４に示した。
すなわち、実施例４−１では、固体電解質層４として厚さが０．２ｍｍ程度の自立膜型のランタンガレートを用い、実施例４−２では、固体電解質層４として厚さ０．０３ｍｍのジルコニア系８ＹＳＺを用い、実施例４−３では、セリア系電解質（ＣｅＯ₂）を用いた。 In Example 4, a power generation test was performed when four circular cells having a diameter of 60 mm were arranged in parallel on the separator 8 and five layers were stacked, and the type of the solid electrolyte layer 4 of the power generation cell 5 was changed. Are shown in Table 4.
That is, in Example 4-1, a self-supporting lanthanum gallate having a thickness of about 0.2 mm was used as the solid electrolyte layer 4, and in Example 4-2, a zirconia having a thickness of 0.03 mm was used as the solid electrolyte layer 4. The system 8YSZ was used, and in Example 4-3, a ceria-based electrolyte (CeO ₂ ) was used.

実施例４−１の場合、平均出力密度が０．４７Ｗ／ｃｍ²と高いが、実施例４−２の場合は、平均出力密度が０．２０Ｗ／ｃｍ²と低かった。
これは、実施例４−２では、燃料極層３にＮｉ−ＣｅＯ₂サーメットを支持基盤として使用し、酸化剤極層４にランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ₃）を使用しており、ＹＳＺ電解質のイオン伝導度に対する電子伝導度の割合がランタンガレートに較べて低いため、開回路起電力は５．５Ｖと高いが薄膜の電解質においても７５０℃では十分なイオン伝導度が得られず、性能が低下したものと推定される。
実施例４−２の場合、３回の比較試験において比較試験（１０）でセル割れが１枚発生したが、全体的にセル割れが少ないことが確認された。 In the case of Example 4-1, the average power density was as high as 0.47 W / cm ² , but in the case of Example 4-2, the average power density was as low as 0.20 W / cm ² .
In Example 4-2, Ni—CeO ₂ cermet was used as the support base for the fuel electrode layer 3, and lanthanum manganite (LaMnO ₃ ) was used for the oxidant electrode layer 4, and the ions of the YSZ electrolyte were used. Since the ratio of the electronic conductivity to the conductivity is lower than that of lanthanum gallate, the open circuit electromotive force is as high as 5.5 V, but even in the thin film electrolyte, sufficient ion conductivity was not obtained at 750 ° C., and the performance deteriorated. Estimated.
In the case of Example 4-2, one cell crack occurred in the comparative test (10) in the three comparative tests, but it was confirmed that the cell crack was small as a whole.

実施例４−３では、Ｎｉ−ＣｅＯ₂サーメットを支持基盤として使用し、酸化剤極層４にランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ₃）を使用した。セリア系電解質であるため、イオン伝導度に対する電子伝導度が高く、電解質部分での内部短絡により開回路起電力が低い結果となった。また、比較試験後、多数のセルが割れたことから、セリア系電解質を用いる場合は、セルの大きさを径６０ｍｍよりもさらに小さくする必要があると考えられる。 In Example 4-3, Ni—CeO ₂ cermet was used as a support base, and lanthanum manganite (LaMnO ₃ ) was used for the oxidant electrode layer 4. Since it is a ceria-based electrolyte, the electron conductivity relative to the ionic conductivity is high, and the open circuit electromotive force is low due to an internal short circuit in the electrolyte portion. In addition, since many cells were cracked after the comparative test, it is considered that the size of the cell needs to be further smaller than the diameter of 60 mm when a ceria-based electrolyte is used.

第1実施形態の平板積層型の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。1 is a diagram showing a configuration of a flat plate type solid oxide fuel cell according to a first embodiment. FIG. 図１の一部拡大図。The partially expanded view of FIG. 図１のセパレータの構造を示す図。The figure which shows the structure of the separator of FIG. 図３とは別のセパレータの構造を示す図。The figure which shows the structure of the separator different from FIG. 図４とは別のセパレータの構造を示す図。The figure which shows the structure of the separator different from FIG. 第２実施形態の平板積層型の固体酸化物形燃料電池の一部拡大図。The partially expanded view of the flat-plate laminated type solid oxide fuel cell of 2nd Embodiment. 図６のセパレータの構造を示す図。The figure which shows the structure of the separator of FIG. 第３実施形態の平板積層型の固体酸化物形燃料電池におけるセパレータの構造を示す図。The figure which shows the structure of the separator in the flat plate type solid oxide fuel cell of 3rd Embodiment. 従来例として示したセパレータの構造を示す図。The figure which shows the structure of the separator shown as a prior art example.

Explanation of symbols

１固体酸化物形燃料電池
２固体電解質層
３燃料極層
４酸化剤極層
５発電セル
８、９、９５セパレータ
１１、９１、９６燃料ガス通路
１２、９２、９７酸化剤ガス通路
１３、４３燃料ガス孔
１４、４４酸化剤ガス孔
１７燃料ガスマニホールド
１８酸化剤ガスマニホールド
３１、９３ガス排出用の孔部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Solid electrolyte layer 3 Fuel electrode layer 4 Oxidant electrode layer 5 Power generation cell 8, 9, 95 Separator 11, 91, 96 Fuel gas passage 12, 92, 97 Oxidant gas passage 13, 43 Fuel Gas holes 14, 44 Oxidant gas holes 17 Fuel gas manifold 18 Oxidant gas manifolds 31, 93 Holes for gas discharge

Claims

A plurality of power generation cells in which a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer are arranged on both surfaces of the solid electrolyte layer are arranged in a parallel connection state in the same plane, and the plurality of power generation cells have a fuel gas passage and an oxidant gas passage inside. A plurality of stacked via the separators, and an oxidant gas manifold and a fuel gas manifold that are communicated with the oxidant gas passages and the fuel gas passages of the separators and penetrate in the stacking direction in the stacked body,
The separator is provided with an oxidant gas hole communicating with the oxidant gas manifold and a fuel gas hole communicating with the fuel gas manifold,
The oxidant gas passage has one end communicating with the oxidant gas hole, and the other end side is opened at a portion facing each oxidant electrode layer by branching or providing a plurality of the oxidant gas passages. And
One end of the fuel gas passage communicates with the fuel gas hole, and the fuel gas passage is branched or provided in plural so that the other end side is opened at a portion facing each fuel electrode layer. A solid oxide fuel cell.

2. The solid oxide according to claim 1, wherein the oxidant gas passage is guided to a portion facing each of the oxidant electrode layers through a central portion of the separator surrounded by the power generation cell. Physical fuel cell.

The plurality of power generation cells are arranged vertically and horizontally symmetrically at the center of the separator,
The oxidant gas hole and the fuel gas hole are disposed at one opposing corner of the separator, and the oxidant gas passage is surrounded by the plurality of power generation cells from an edge of the separator 3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell is led to a central portion of the first and second portions, and is branched to the central portion to be in contact with each of the oxidant electrode layers.

4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein at least the fuel gas passage is bifurcated in a direction perpendicular to the flow path direction and is guided to a portion facing each fuel electrode layer. 5. .

5. The solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein the cross-sectional area of the gas passage is reduced for each branch.

The oxidant gas hole communicating with the oxidant gas manifold is disposed in a part surrounded by the power generation cell, and a plurality of the oxidant gas passages are provided, each part surrounded by the power generation cell. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell is guided to a portion facing each of the oxidant electrode layers.

The power generation cell has a sealless structure that discharges residual gas that has not been used for power generation reaction from the outer periphery of the power generation cell, and a center of the separator corresponding to a portion surrounded by the plurality of power generation cells. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a hole for gas discharge penetrating the portion in the thickness direction is provided.