JPH08273691A - Layered structure of solid electrolyte fuel cell - Google Patents

Layered structure of solid electrolyte fuel cell

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JPH08273691A
JPH08273691A JP7098080A JP9808095A JPH08273691A JP H08273691 A JPH08273691 A JP H08273691A JP 7098080 A JP7098080 A JP 7098080A JP 9808095 A JP9808095 A JP 9808095A JP H08273691 A JPH08273691 A JP H08273691A
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JP
Japan
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air
solid electrolyte
separator
holes
gas
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JP7098080A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasunobu Mizutani
安伸 水谷
Moriyoshi Tamura
守淑 田村
Masayuki Kawai
雅之 河合
Kazuhiro Nomura
和弘 野村
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Toho Gas Co Ltd
Original Assignee
Toho Gas Co Ltd
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PURPOSE: To provide a layered structure of a solid electrolyte fuel cell by which a crack caused by thermal expansion can be prevented and which has an excellent electric characteristic and in which solid electrolyte can be used by sealing respective cells and separators by gas in an unjoined condition. CONSTITUTION: Cells 10 where through holes 15 are formed in the four corners and separators 10 where through holes 25A, 25B, 25C and 25D are similarly formed in the four corners, are placed and layered over a large number of layers without using a sealing material. At this time, the cells 10 and the separators 20 are layered so that a gas passage tube 35A is penetratingly inserted into the through holes 15 and 25A and a gas passage tube 35B is penetratingly inserted into the through holes 15 and 25B and an air passage tube 35C is penetratingly inserted into the through holes 15 and 25C and an air passage tube 35D is penetratingly inerted into the through holes 15 and 25D, respectively. In the gas passage tubes 35A and 35B and the air passage tubes 35C and 35D, slit parts S are formed in the lengthwise direction in the penetratingly inserted parts.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
（以下、「ＳＯＦＣ」と略称する。）に関し、さらに詳
しくは、各単電池セルとセパレータを非接合状態でガス
シールを行うことにより、熱膨張に伴う割れを防止する
と共に優れた電気的特性を持つ固体電解質を用いること
ができるＳＯＦＣの積層構造に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as "SOFC"), and more specifically, by gas sealing in a non-bonding state between each unit cell and separator. The present invention relates to a SOFC laminated structure capable of preventing cracking due to thermal expansion and using a solid electrolyte having excellent electrical characteristics.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、新しい発電装置の一種として、各
型の燃料電池が各種の技術分野および用途において研究
開発されている。その中で、固体電解質型燃料電池（Ｓ
ＯＦＣ）は、それまでに開発されてきたリン酸型、溶融
炭酸塩型など他の燃料電池に比べて発電効率が良く、運
転温度も高いため効率的な利用が可能な発電システムを
構築できるということで近年特に注目を浴びている。2. Description of the Related Art In recent years, various types of fuel cells have been researched and developed in various technical fields and applications as a kind of new power generator. Among them, solid oxide fuel cell (S
OFC) has better power generation efficiency than other fuel cells such as phosphoric acid type and molten carbonate type that have been developed so far, and it has a high operating temperature, so it is possible to construct a power generation system that can be used efficiently. That's why it's been receiving a lot of attention in recent years.

【０００３】ところで、このＳＯＦＣの形態の一つとし
て、図５に示した平板型のものがある。この平板型の代
表的なものとして、図６に示した外部マニホールドタイ
プのものと、図７に示した内部マニホールドタイプのも
のとが挙げられる。By the way, as one of the forms of this SOFC, there is a flat plate type shown in FIG. Typical flat plate types include the external manifold type shown in FIG. 6 and the internal manifold type shown in FIG.

【０００４】図５、図６、図７に示した平板型のＳＯＦ
Ｃの構造について、図５を用いて簡単に説明すると、燃
料ガスが接する燃料極５２と空気が接する空気極５３と
の間にセラミックス材料製の固体電解質板５１を挟んだ
単電池セル５０と、燃料極５２の外側および空気極５３
の外側にそれぞれセパレータ６０Ａ、６０Ｂを設けたも
のが積層状に封着材を用いて固着されてなる。Flat plate type SOF shown in FIGS. 5, 6 and 7.
The structure of C will be briefly described with reference to FIG. 5. A single battery cell 50 in which a solid electrolyte plate 51 made of a ceramic material is sandwiched between a fuel electrode 52 in contact with a fuel gas and an air electrode 53 in contact with air, Outside of fuel electrode 52 and air electrode 53
The separators 60A and 60B are respectively provided on the outer sides of the above, and are fixed in a laminated form using a sealing material.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
平板型のＳＯＦＣの積層構造では、以下に述べる問題が
あった。即ち、外部マニホールドタイプ及び内部マニホ
ールドタイプのものは、単電池セルとセパレータを多数
層にわたって積層状に封着材を用いて固着するので、運
転条件である高温度では、熱膨張による固体電解質板の
割れやそれに伴うガス洩れ等が発生し、ＳＯＦＣの信頼
性が低下する問題があった。However, the conventional flat plate type SOFC laminated structure has the following problems. That is, in the external manifold type and the internal manifold type, since the unit cell and the separator are fixed to each other in multiple layers in a laminated manner by using a sealing material, the solid electrolyte plate of the solid electrolyte plate due to thermal expansion is generated at a high temperature which is an operating condition. There is a problem that the SOFC is deteriorated in reliability due to cracking and gas leakage.

【０００６】また、内部マニホールドタイプのものは、
マニホールドが単電池セルとセパレータの内部に設けら
れているので、単電池セルとセパレータが非常に複雑で
精密な構造となり、ＳＯＦＣの製作コストが高くなる問
題があった。The internal manifold type is
Since the manifold is provided inside the unit cell and the separator, the unit cell and the separator have a very complicated and precise structure, and there is a problem that the manufacturing cost of the SOFC increases.

【０００７】また、単電池セルの固体電解質板に多数の
孔加工を施す必要性と熱膨張に伴う熱応力が発生するの
で、固体電解質板の材料としては機械的強度の高い固体
電解質が要求され、その結果、固体電解質板の材料には
部分安定化ジルコニアしか使用することができなかっ
た。この部分安定化ジルコニアは、一般に固体電解質板
の材料として用いられる安定化ジルコニアよりも電気抵
抗が高いため、ＳＯＦＣの発電性能が低下する問題があ
った。Further, since it is necessary to form a large number of holes in the solid electrolyte plate of a single battery cell and thermal stress is generated due to thermal expansion, a solid electrolyte having high mechanical strength is required as a material for the solid electrolyte plate. As a result, only partially stabilized zirconia could be used as the material of the solid electrolyte plate. Since this partially stabilized zirconia has a higher electric resistance than the stabilized zirconia generally used as a material for the solid electrolyte plate, there is a problem that the power generation performance of the SOFC deteriorates.

【０００８】更に、外部マニホールドタイプのものは、
マニホールドが単電池セルとセパレータの外部に設けら
れているので、モジュール内の容積効率が低くなり、Ｓ
ＯＦＣの設置性が悪くなる問題があった。また、マニホ
ールドが単電池セルとセパレータの外部に設けられてい
ることは、ＳＯＦＣ内の燃料ガスと空気の流れが直交流
に限られることになり、ＳＯＦＣの設計の自由度を拘束
する問題があった。Further, the external manifold type is
Since the manifold is provided outside the unit cells and the separator, the volume efficiency in the module is reduced, and
There was a problem that the installability of the OFC deteriorates. Further, since the manifold is provided outside the unit cells and the separator, the flow of fuel gas and air in the SOFC is limited to a cross flow, which poses a problem of restricting the degree of freedom in SOFC design. It was

【０００９】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、その目的とするところは、各
単電池セルとセパレータを非接合状態でガスシールを行
うことにより、熱膨張に伴う割れを防止すると共に優れ
た電気的特性を持つ固体電解質を用いることができるＳ
ＯＦＣの積層構造を提供することにある。これにより、
ＳＯＦＣの信頼性、コスト性、発電性、設置性、設計の
自由度の向上を図らんとするものである。The present invention has been made to solve the above problems, and its object is to achieve thermal expansion by performing gas sealing in a non-bonding state between each single cell and separator. It is possible to use a solid electrolyte that has excellent electrical characteristics while preventing cracking due to S
It is to provide a laminated structure of OFC. This allows
The aim is to improve the reliability, cost performance, power generation performance, installability, and design flexibility of SOFCs.

【００１０】[0010]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の積
層構造は、固体電界質板の片面に燃料ガスが接する燃料
極を有し、反対面に空気が接する空気極を有する単電池
セルをセパレータを介して多数層にわたって非接合状態
で載置状に積層し、これらの各単電池セルとセパレータ
との積層構造体の周辺部に各電池セルの燃料極面に燃料
ガスを供給するためのガス通路となるガス通路管と、空
気極面に空気を供給するための空気通路管が貫挿される
貫挿孔とをそれぞれ形成し、これらの貫挿孔に前記ガス
通路管と空気通路管とを遊挿してなることを要旨とする
ものである。In order to achieve such an object, a laminated structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) of the present invention has a fuel electrode in contact with a fuel gas on one surface of a solid electrolyte plate, A single battery cell having an air electrode in contact with air on the opposite surface is laminated in a non-bonded state over a large number of layers through a separator, and each of these single battery cells and a separator is surrounded by a laminated structure. A gas passage pipe serving as a gas passage for supplying the fuel gas to the fuel electrode surface of the battery cell, and a through hole through which an air passage pipe for supplying air to the air electrode surface are formed, respectively, The gist of the invention is that the gas passage pipe and the air passage pipe are loosely inserted into the through holes.

【００１１】この場合に、前記ガス通路管と前記空気通
路管にそれぞれスリットが設けられ、このスリットを介
してガス通路管により導入される燃料ガスが各電池セル
の燃料極面に供給され、また空気通路管により導入され
る空気が空気極面に供給されるようにするとよい。In this case, slits are provided in the gas passage pipe and the air passage pipe, respectively, and the fuel gas introduced by the gas passage pipe is supplied to the fuel electrode surface of each battery cell through the slits. The air introduced by the air passage tube may be supplied to the cathode surface.

【００１２】[0012]

【作用】このように構成された積層構造の固体電解質型
燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、高温度の運転状況にお
いて固体電解質板あるいはセパレータ部材が膨張・収縮
を繰り返すが、この繰り返しの運転によっても単電池セ
ル及びセパレータは接合されることなく、載置するよう
に交互に積層され、また、これらの各単電池セル及びセ
パレータの周辺部に形成される貫挿孔にガス通路管及び
空気通路管が遊挿される構造であるために、各単電池セ
ルとセパレータとが相対的に自由に熱膨張あるいは収縮
に伴う応力を受けることなくある程度動き得る余裕があ
る。そのために固体電解質板が熱膨張等に伴う応力によ
って破損（損壊）するようなことは回避され、繰り返し
の使用によっても安定して電池性能を発揮できることに
なる。According to the laminated solid oxide fuel cell (SOFC) having the above structure, the solid electrolyte plate or the separator member repeatedly expands and contracts in a high temperature operating condition. The unit cells and the separators are alternately laminated so as to be placed without being joined, and the gas passage pipe and the air passage pipe are formed in the through holes formed in the peripheral portion of each of the unit cells and the separators. Because of the structure in which each of the unit cells is loosely inserted, there is a margin in which each unit cell and the separator can move relatively freely to some extent without being subjected to stress due to thermal expansion or contraction. Therefore, it is possible to prevent the solid electrolyte plate from being damaged (damaged) due to the stress caused by thermal expansion and the like, and the battery performance can be stably exhibited even after repeated use.

【００１３】尚、この場合燃料ガス通路となるガス通路
管及び空気通路となる空気通路管にそれぞれスリットが
設けられている場合には、このスリットからセパレータ
面のガス導入溝部および空気導入溝部を介して燃料ガス
が燃料極面に供給され、また空気が空気極面に供給され
ることになる。In this case, when a slit is provided in each of the gas passage pipe that serves as the fuel gas passage and the air passage pipe that serves as the air passage, the slit is provided through the gas introduction groove portion and the air introduction groove portion of the separator surface. As a result, fuel gas is supplied to the fuel electrode surface, and air is supplied to the air electrode surface.

【００１４】[0014]

【実施例】以下、本発明に係る積層構造を具体化したＳ
ＯＦＣの実施例について、図１〜図４に基づいて詳細に
説明する。EXAMPLE An S embodying a laminated structure according to the present invention will be described below.
An example of the OFC will be described in detail with reference to FIGS.

【００１５】図１は、本発明に係る積層構造をしたＳＯ
ＦＣ１の外観斜視図である。図１に示すように、本発明
に係るＳＯＦＣ１の積層構造の概要は、封着材を使用せ
ずに方形平板状の単電池セル１０とこの各単電池セル１
０間に介在されるセパレータ２０とを多数層にわたって
上下に積層するとともに、燃料ガスの通路となるガス通
路管３５Ａ、３５Ｂ及び、空気の通路となる空気通路管
３５Ｃ、３５Ｄを単電池セル１０とセパレータ２０の四
隅に貫挿して、ＳＯＦＣ１を構成するものである。FIG. 1 shows an SO having a laminated structure according to the present invention.
It is an appearance perspective view of FC1. As shown in FIG. 1, the outline of the laminated structure of the SOFC 1 according to the present invention is as follows: a rectangular flat unit cell 10 without using a sealing material and each unit cell 1
A plurality of layers of separators 20 interposed between 0 are vertically stacked, and gas passage pipes 35A and 35B serving as fuel gas passages and air passage pipes 35C and 35D serving as air passages are referred to as single battery cells 10. The SOFC 1 is formed by inserting the separator 20 at the four corners.

【００１６】図２は、本発明に係る積層構造をしたＳＯ
ＦＣ１の分解斜視図である。図２に基づいて、本発明に
係る積層構造をしたＳＯＦＣ１の構成要素の特徴につい
て説明する。FIG. 2 shows an SO having a laminated structure according to the present invention.
It is an exploded perspective view of FC1. Based on FIG. 2, the features of the components of the SOFC 1 having a laminated structure according to the present invention will be described.

【００１７】ガス通路管３５Ａ、３５Ｂ及び空気通路管
３５Ｃ、３５Ｄは、外径５ｍｍφ、内径４ｍｍφのパイ
プの形状をしており、単電池セル１０とセパレータ２０
の四隅に形成された孔（後述する）に貫挿されている。
また、単電池セル１０とセパレータ２０に貫挿される部
分には、スリット部Ｓが長手方向に形成されている。材
料としては、イットリア配合量３モル％の部分安定化ジ
ルコニア等が使用される。The gas passage pipes 35A, 35B and the air passage pipes 35C, 35D are in the shape of pipes having an outer diameter of 5 mmφ and an inner diameter of 4 mmφ, and each of the unit cell 10 and the separator 20.
Are inserted into holes (described later) formed at the four corners of the.
Further, a slit portion S is formed in the longitudinal direction in a portion that is inserted into the unit cell 10 and the separator 20. As the material, partially stabilized zirconia having a yttria content of 3 mol% is used.

【００１８】単電池セル１０は、固体電解質板１１、燃
料極１２、空気極１３（図示されず）から構成されてい
る。固体電解質板１１は、約１２ｃｍの正方形で１００
〜３００μｍの板厚に成形されている。尚、固体電解質
板１１の材料については後述する。The unit cell 10 is composed of a solid electrolyte plate 11, a fuel electrode 12, and an air electrode 13 (not shown). The solid electrolyte plate 11 has a square shape of about 12 cm and a size of 100 mm.
It is molded to a plate thickness of 300 μm. The material of the solid electrolyte plate 11 will be described later.

【００１９】燃料極１２は、５０μｍ程度の厚さの薄膜
で、固体電解質板１１の上面に形成されている。燃料極
１２の材料としては、ニッケル（Ｎｉ）４０重量％−ジ
ルコニア（ＺｒＯ2 ）６０重量％のＮｉ−ジルコニアサ
ーメット材料等が使用される。The fuel electrode 12 is a thin film having a thickness of about 50 μm and is formed on the upper surface of the solid electrolyte plate 11. As the material for the fuel electrode 12, a Ni-zirconia cermet material containing 40% by weight of nickel (Ni) and 60% by weight of zirconia (ZrO2) is used.

【００２０】また、空気極１３は、５０μｍ程度の厚さ
の薄膜で、固体電解質板１１の反対側の下面に形成され
ている。空気極１３の材料としては、ランタンストロン
チウムマンガネイト（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 ）材料等が
使用される。尚、ランタンストロンチウムマンガネイト
（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 ）材料の配合比率としては、ラ
ンタンマンガネイト９５〜８５モル％に対し、ストロン
チウム５〜１５モル％程度とするのが適当である。The air electrode 13 is a thin film having a thickness of about 50 μm and is formed on the lower surface on the opposite side of the solid electrolyte plate 11. As a material for the air electrode 13, a lanthanum strontium manganate (La (Sr) MnO3) material or the like is used. Incidentally, the compounding ratio of the lanthanum strontium manganate (La (Sr) MnO3) material is appropriately about 5 to 15 mol% of strontium to 95 to 85 mol% of lanthanum manganate.

【００２１】燃料極１２あるいは空気極１３を固体電解
質板１１に形成するに当たっては、前記極材料のセラミ
ックス粉末を泥状にしていわゆるスラリーコーティング
法によりこの固体電解質板１１の上面と下面とにそれぞ
れ塗布し、しかる後所定温度で焼成する。焼成温度は、
燃料極１２の場合には１３００〜１５００℃であり、ま
た空気極１３の場合には１１５０℃前後である。In forming the fuel electrode 12 or the air electrode 13 on the solid electrolyte plate 11, the ceramic powder of the electrode material is formed into a mud and applied to the upper surface and the lower surface of the solid electrolyte plate 11 by the so-called slurry coating method. Then, it is baked at a predetermined temperature. The firing temperature is
In the case of the fuel electrode 12, it is 1300 to 1500 ° C, and in the case of the air electrode 13, it is around 1150 ° C.

【００２２】そして、燃料極１２及び空気極１３の周辺
部における固体電解質板１１の四隅には、ガス通路管３
５Ａ、３５Ｂ及び空気通路管３５Ｃ、３５Ｄが貫挿され
る貫挿孔１５が形成されており、この各貫挿孔１５にそ
れぞれガス通路管３５Ａ、３５Ｂ及び空気通路管３５
Ｃ、３５Ｄが貫挿されるように構成されている。この場
合貫挿孔１５の直径はガス通路管３５Ａ、３５Ｂ及び空
気通路管３５Ｃ、３５Ｄの外径より大きく７ｍｍφ程度
に設定される。At the four corners of the solid electrolyte plate 11 around the fuel electrode 12 and the air electrode 13, the gas passage pipe 3 is provided.
5A, 35B and the air passage pipes 35C, 35D are formed with through holes 15, and the gas passage pipes 35A, 35B and the air passage pipe 35 are formed in the through holes 15, respectively.
C and 35D are configured to be inserted. In this case, the diameter of the through hole 15 is set to about 7 mmφ which is larger than the outer diameters of the gas passage pipes 35A and 35B and the air passage pipes 35C and 35D.

【００２３】セパレータ２０は、約１２ｃｍの正方形で
１ｃｍ程度の厚さのセラミックスまたはインコネルから
できており、セパレータ２０の上面には空気ガスの通路
となる溝部２１が、セパレータ２０の反対側の下面には
燃料ガスの通路となる溝部２２がそれぞれ形成されてい
る。The separator 20 is made of ceramics or Inconel having a square shape of about 12 cm and a thickness of about 1 cm. The upper surface of the separator 20 is provided with a groove portion 21 serving as an air gas passage, on the lower surface opposite to the separator 20. Are formed with grooves 22 which serve as fuel gas passages.

【００２４】また、溝部２１、２２の周辺部におけるセ
パレータ２０の四隅には、ガス通路管３５Ａ、３５Ｂが
貫挿される貫挿孔２５Ａ、２５Ｂと、空気通路管３５
Ｃ、３５Ｄが貫挿される貫挿孔２５Ｃ、２５Ｄが形成さ
れており、貫挿孔２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄの直
径はガス通路管３５Ａ、３５Ｂ及び空気通路管３５Ｃ、
３５Ｄの外径より大きく同じく７ｍｍφに設定される。Further, in the four corners of the separator 20 in the peripheral portions of the grooves 21 and 22, through holes 25A and 25B through which the gas passage tubes 35A and 35B are inserted, and the air passage tube 35, respectively.
Penetration holes 25C and 25D through which C and 35D are inserted are formed, and the diameters of the penetration holes 25A, 25B, 25C and 25D are gas passage pipes 35A and 35B and air passage pipe 35C, respectively.
It is set to 7 mmφ which is larger than the outer diameter of 35D.

【００２５】次に、本発明に係る積層構造をしたＳＯＦ
Ｃ１に供給される燃料ガス及び空気の流れについて、図
３、図４に基づいて説明する。図３は、本発明に係る積
層構造をしたＳＯＦＣ１のセパレータ２０の下面図であ
る。また、図４は、本発明に係る積層構造をしたＳＯＦ
Ｃ１のセパレータ２０の上面図である。Next, the SOF having the laminated structure according to the present invention
The flow of fuel gas and air supplied to C1 will be described based on FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a bottom view of the SOFC 1 separator 20 having a laminated structure according to the present invention. In addition, FIG. 4 shows an SOF having a laminated structure according to the present invention.
It is a top view of the separator 20 of C1.

【００２６】図３に示したように、セパレータ２０の下
面に形成された溝部２２は、ガス通路管３５Ａ、３５Ｂ
が貫挿される貫挿孔２５Ａ、２５Ｂと連結している。従
って、ＳＯＦＣ１に供給される燃料ガスは、貫挿孔２５
Ａに貫挿されたガス通路管３５ＡのスリットＳを通じ
て、貫挿孔２５Ａに連結された溝部２２に導入される。
セパレータ２０の下面は固体電解質板１１の上面に載置
されているので、溝部２２に導入された燃料ガスは、固
体電解質板１１の上面に形成された燃料極１２と接する
ことができる。As shown in FIG. 3, the groove portion 22 formed on the lower surface of the separator 20 has gas passage tubes 35A and 35B.
Is connected to the through holes 25A and 25B. Therefore, the fuel gas supplied to the SOFC 1 is
It is introduced into the groove portion 22 connected to the through hole 25A through the slit S of the gas passage pipe 35A inserted through A.
Since the lower surface of the separator 20 is placed on the upper surface of the solid electrolyte plate 11, the fuel gas introduced into the groove 22 can contact the fuel electrode 12 formed on the upper surface of the solid electrolyte plate 11.

【００２７】その後、溝部２２に導入された燃料ガス
は、溝部２２と連結された貫挿孔２５Ｂに導入されて、
貫挿孔２５Ｂに貫挿されたガス通路管３５Ｂのスリット
Ｓを通じて、ガス通路管３５Ｂ内に回収されることによ
り、ＳＯＦＣ１の外部に排出される。尚、供給圧力の損
失を防ぐため、ガス通路管３５Ａ、３５ＢのスリットＳ
は溝部２２の方向を向いている。After that, the fuel gas introduced into the groove portion 22 is introduced into the through hole 25B connected to the groove portion 22,
It is discharged to the outside of the SOFC 1 by being collected in the gas passage pipe 35B through the slit S of the gas passage pipe 35B which is inserted into the through hole 25B. In addition, in order to prevent the loss of the supply pressure, the slits S of the gas passage pipes 35A and 35B are provided.
Faces toward the groove 22.

【００２８】また、図４に示したように、セパレータ２
０の上面に形成された溝部２１は、空気通路管３５Ｃ、
３５Ｄが貫挿される貫挿孔２５Ｃ、２５Ｄと連結してい
る。従って、ＳＯＦＣ１に供給される空気は、上述した
ＳＯＦＣ１に供給される燃料ガスの場合と同様な流れが
行なわれる。即ち、貫挿孔２５Ｃに貫挿された空気通路
管３５ＣのスリットＳを通じて、貫挿孔２５Ｃに連結さ
れた溝部２１に導入される。セパレータ２０の上面には
固体電解質板１１の下面が載置されているので、溝部２
１に導入された空気は、固体電解質板１１の下面に形成
された空気極１３と接することができる。As shown in FIG. 4, the separator 2
The groove portion 21 formed on the upper surface of 0 is an air passage tube 35C,
35D is connected to the through holes 25C and 25D. Therefore, the air supplied to the SOFC 1 has the same flow as in the case of the fuel gas supplied to the SOFC 1 described above. That is, the air is introduced into the groove portion 21 connected to the through hole 25C through the slit S of the air passage pipe 35C inserted through the through hole 25C. Since the lower surface of the solid electrolyte plate 11 is placed on the upper surface of the separator 20, the groove portion 2
The air introduced in 1 can contact the air electrode 13 formed on the lower surface of the solid electrolyte plate 11.

【００２９】その後、溝部２１に導入された空気は、溝
部２１と連結された貫挿孔２５Ｄに導入されて、貫挿孔
２５Ｄに貫挿された空気通路管３５ＤのスリットＳを通
じて、空気通路管３５Ｄ内に回収されることにより、Ｓ
ＯＦＣ１の外部に排出される。尚、供給圧力の損失を防
ぐため、空気通路管３５Ｃ、３５ＤのスリットＳは溝部
２１の方向を向いている。After that, the air introduced into the groove portion 21 is introduced into the through hole 25D connected to the groove portion 21 and passes through the slit S of the air passage tube 35D inserted into the through hole 25D, and the air passage tube 35D. By being collected in 35D, S
It is discharged to the outside of the OFC1. The slits S of the air passage tubes 35C and 35D face the groove 21 in order to prevent the loss of the supply pressure.

【００３０】以上、各種の構成要素の特徴及び燃料ガス
と空気の流れについて説明したが、これらの構成要素か
らなるＳＯＦＣ１の積層構造をここで要約すると、四隅
に貫挿孔１５が形成された単電池セル１０と、同じく四
隅に貫挿孔２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄが形成され
たセパレータ２０を多数層にわたって、封着材を使用す
ることなく載置して積層する構造である。The features of the various constituent elements and the flow of fuel gas and air have been described above. To summarize the laminated structure of the SOFC 1 consisting of these constituent elements, the through holes 15 are formed at the four corners. The battery cell 10 and the separator 20 having through holes 25A, 25B, 25C, and 25D formed at the four corners thereof are stacked and laminated on a large number of layers without using a sealing material.

【００３１】このとき、ガス通路管３５Ａは単電池セル
１０の貫挿孔１５とセパレータ２０の貫挿孔２５Ａに、
ガス通路管３５Ｂは単電池セル１０の貫挿孔１５とセパ
レータ２０の貫挿孔２５Ｂに、空気通路管３５Ｃは単電
池セル１０の貫挿孔１５とセパレータ２０の貫挿孔２５
Ｃに、空気通路管３５Ｄは単電池セル１０の貫挿孔１５
とセパレータ２０の貫挿孔２５Ｄに、それぞれ貫挿され
るように、単電池セル１０とセパレータ２０を積層す
る。At this time, the gas passage pipe 35A is inserted into the through hole 15 of the unit cell 10 and the through hole 25A of the separator 20,
The gas passage pipe 35B is in the through hole 15B of the single battery cell 10 and the through hole 25B of the separator 20, and the air passage pipe 35C is in the through hole 15 of the single battery cell 10 and the through hole 25 of the separator 20.
In C, the air passage pipe 35D is the through hole 15 of the single battery cell 10.
The battery cell 10 and the separator 20 are stacked so as to be respectively inserted into the through holes 25D of the separator 20.

【００３２】かかる積層構造を有するＳＯＦＣ１では、
運転条件である高温度において、単電池セル１０とセパ
レータ２０は熱膨張により垂直方向に増大して単電池セ
ル１０とセパレータ２０の隙間を収縮させることができ
る。また、運転条件である高温度における燃料ガス及び
空気は高粘度性を有するので、収縮した単電池セル１０
とセパレータ２０の隙間を通過することができない。従
って、単電池セル１０とセパレータ２０の間から供給さ
れる燃料ガス及び空気が漏洩することがなく、良好なガ
スシール性が得ることが可能である。In the SOFC 1 having such a laminated structure,
At a high temperature, which is an operating condition, the battery cells 10 and the separator 20 can expand in the vertical direction due to thermal expansion to shrink the gap between the battery cells 10 and the separator 20. Further, since the fuel gas and the air at a high temperature which is an operating condition have high viscosity, the contracted single battery cell 10
And the separator 20 cannot pass through the gap. Therefore, the fuel gas and the air supplied from between the unit cell 10 and the separator 20 do not leak, and a good gas sealing property can be obtained.

【００３３】また、運転条件である高温度においては、
単電池セル１０とセパレータ２０は熱膨張により水平方
向にも増大する。しかし、貫挿孔１５、２５Ａ、２５
Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄの直径は、貫挿されるガス通路管３
５Ａ、３５Ｂ及び空気通路管３５Ｃ、３５Ｄの外径より
大きく設定されているので、貫挿孔１５が形成される単
電池セル１０と貫挿孔２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ
が形成されるセパレータ２０は水平方向に動きうる余裕
が存在する。At high temperature, which is an operating condition,
The unit cell 10 and the separator 20 also increase in the horizontal direction due to thermal expansion. However, the through holes 15, 25A, 25
The diameters of B, 25C and 25D are the gas passage pipes 3 to be inserted.
5A, 35B and the air passage tubes 35C, 35D are set to be larger than the outer diameters of the unit cells 10 in which the through holes 15 are formed and the through holes 25A, 25B, 25C, 25D.
The separator 20 in which is formed has a margin to move in the horizontal direction.

【００３４】従って、ＳＯＦＣ１の構成要素に熱膨張に
よる熱応力が生じることはなく、ＳＯＦＣ１の構成要素
の割れやそれに伴うガス洩れが生じることがない。尚、
ガス通路管３５Ａ、３５Ｂ及び空気通路管３５Ｃ、３５
Ｄは、単電池セル１０とセパレータ２０が必要以上に水
平方向に動くことを防止することが可能である。Therefore, thermal stress due to thermal expansion does not occur in the constituent elements of the SOFC1, and cracking of the constituent elements of the SOFC1 and accompanying gas leakage do not occur. still,
Gas passage pipes 35A, 35B and air passage pipes 35C, 35
D can prevent the unit cell 10 and the separator 20 from moving more than necessary in the horizontal direction.

【００３５】更に、固体電解質板１１に対する孔加工
は、ガス通路管３５Ａ、３５Ｂ及び空気通路管３５Ｃ、
３５Ｄが貫挿される貫挿孔１５について４箇所のみに行
なえばよい。また、上述したように、かかる積層構造で
は固体電解質板１１には熱応力が発生することはない。
従って、固体電解質板１１の機械的強度を確保するため
に、固体電解質板１１の材料として従来使われていた、
部分安定化ジルコニア等のような機械的強度が高い固体
電解質を用いる必要はない。Further, holes are formed in the solid electrolyte plate 11 by using gas passage pipes 35A and 35B and an air passage pipe 35C.
The through holes 15 through which 35D is inserted may be made only at four positions. Further, as described above, no thermal stress is generated in the solid electrolyte plate 11 in such a laminated structure.
Therefore, in order to secure the mechanical strength of the solid electrolyte plate 11, it has been conventionally used as a material of the solid electrolyte plate 11,
It is not necessary to use a solid electrolyte having high mechanical strength such as partially stabilized zirconia.

【００３６】よって、機械的強度については部分安定化
ジルコニア等より低いけれども、より優れた電気的特性
を持つ固体電解質を用いることが可能となる。例えば、
本発明者が既に出願しているスカンジア安定化ジルコニ
アやアルミナが配合されたスカンジア安定化ジルコニ
ア、または安定化ジルコニア等の電気的特性に優れた固
体電解質を、固体電解質板１１の材料として用いること
が可能となる。Therefore, although the mechanical strength is lower than that of partially stabilized zirconia or the like, it is possible to use a solid electrolyte having more excellent electrical characteristics. For example,
A solid electrolyte having excellent electrical characteristics such as scandia-stabilized zirconia or alumina mixed with scandia-stabilized zirconia, or stabilized zirconia, which the present inventor has already applied, can be used as a material for the solid electrolyte plate 11. It will be possible.

【００３７】また、ガス通路管３５Ａ、３５Ｂ及び空気
通路管３５Ｃ、３５Ｄが単電池セル１０とセパレータ２
０の内部に設けられているので、セパレータ２０の溝部
２１、２２に連結される貫挿孔２５Ａ、２５Ｂ、２５
Ｃ、２５Ｄやセパレータ２０の溝部２１、２２の溝方向
を選択することにより、ＳＯＦＣ１内の燃料ガスと空気
の流れを直交流、平行流、対向流のいずれも実現するこ
とが可能となる。The gas passage pipes 35A and 35B and the air passage pipes 35C and 35D are connected to the unit cells 10 and the separator 2.
Since it is provided inside 0, the through holes 25A, 25B, 25 connected to the groove portions 21, 22 of the separator 20.
By selecting the groove directions of C and 25D and the groove portions 21 and 22 of the separator 20, it is possible to realize the cross flow, the parallel flow, and the counter flow of the fuel gas and the air in the SOFC 1.

【００３８】尚、上記実施例では、ガス通路管３５Ａ、
３５Ｂ及び空気通路管３５Ｃ、３５Ｄの単電池セル１０
とセパレータ２０に貫挿される部分にはスリットＳが形
成されているが、当該部分に多数の孔を加工したり多孔
率の高いセラミックスを使用しても、燃料ガス及び空気
を溝部２１、２２に供給、若しくは溝部２１、２２から
回収することが可能である。In the above embodiment, the gas passage pipe 35A,
35B and air passage tubes 35C and 35D, single battery cell 10
Slits S are formed in the portion that is inserted into the separator 20. However, even if a large number of holes are formed in the portion or a ceramic having a high porosity is used, the fuel gas and the air are supplied to the grooves 21 and 22. It can be supplied or recovered from the grooves 21 and 22.

【００３９】また、ＳＯＦＣ１の形状は方形に限定する
ものでなく、長方形や円形等の種々の形状においても、
目的を達成することは可能である。The shape of the SOFC 1 is not limited to the rectangular shape, and various shapes such as a rectangular shape and a circular shape can be used.
It is possible to achieve the purpose.

【００４０】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るＳＯ
ＦＣの積層構造によれば、単電池セルとセパレータは、
多数層にわたって封着材を使用することなく載置して積
層されるので、運転条件である高温度において割れやそ
れに伴うガス洩れが生じることがなく、もって長期間に
わたって性能が劣化しにくく、信頼性に優れたＳＯＦＣ
を構成することができる。As described above, the SO according to the present invention
According to the laminated structure of FC, the unit cell and the separator are
Since many layers are placed and stacked without using a sealing material, cracks and gas leakage due to it do not occur at high temperature, which is the operating condition, so performance does not deteriorate over a long period of time and reliability is high. SOFC with excellent properties
Can be configured.

【００４１】また、固体電解質板とセパレータに加工す
る貫挿孔の直径が、貫挿されるガス通路管及び空気通路
管の外径より大きく設定されることは、熱膨張による単
電池セルとセパレータの水平方向の増大に対応するため
であるから、孔加工に対して高い加工精度を要求される
ことはなく、もって構成要素の歩留まりが向上して、Ｓ
ＯＦＣの製作コストを低くすることができる。Further, the diameter of the through hole to be processed into the solid electrolyte plate and the separator is set to be larger than the outer diameters of the gas passage pipe and the air passage pipe to be inserted, which means that the unit cell and the separator due to thermal expansion are separated. Since this is to cope with the increase in the horizontal direction, it is not necessary to have high processing accuracy for hole processing, and thus the yield of the constituent elements is improved and S
The manufacturing cost of the OFC can be reduced.

【００４２】特に、固体電解質板については、多数の孔
加工をする必要がなく、また熱応力が発生することもな
いので、固体電解質板の材料として機械的強度の高い固
体電解質を使用する必要がなくなり、もってスカンジア
安定化ジルコニア等の電気的特性に優れた固体電解質を
用いることができて、ＳＯＦＣの発電性を向上すること
ができる。In particular, since it is not necessary to form a large number of holes in the solid electrolyte plate and thermal stress is not generated, it is necessary to use a solid electrolyte having high mechanical strength as the material of the solid electrolyte plate. Therefore, the solid electrolyte having excellent electric characteristics such as scandia-stabilized zirconia can be used, and the power generation performance of SOFC can be improved.

【００４３】更に、燃料ガスの通路となるガス通路管及
び空気の通路となる空気通路管が、ＳＯＦＣの内部に設
けられているので、モジュール内の容積効率が高くな
り、もって複数のモジュールを密に配置することができ
るので、ＳＯＦＣの設置性を向上することができる。ま
た、放熱による熱損失も減少することができるので、発
電効率に優れたＳＯＦＣシステムが構成することができ
る。Further, since the gas passage pipe serving as the fuel gas passage and the air passage pipe serving as the air passage are provided inside the SOFC, the volumetric efficiency in the module is increased, and thus a plurality of modules are packed together. Therefore, it is possible to improve the installability of the SOFC. Further, heat loss due to heat radiation can be reduced, so that an SOFC system having excellent power generation efficiency can be configured.

【００４４】また、セパレータの溝部に連結される貫挿
孔やセパレータの溝部の溝方向を選択することにより、
燃料ガスと空気の流れを直交流、平行流、対向流のいず
れも実現することができるので、ＳＯＦＣの設計の自由
度を向上することができる。Further, by selecting the through hole to be connected to the groove portion of the separator and the groove direction of the groove portion of the separator,
Since the flow of the fuel gas and the air can be a cross flow, a parallel flow, or a counter flow, the degree of freedom in designing the SOFC can be improved.

【００４５】したがって、本発明の積層構造を固体電解
質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に適用することは、熱膨張に
伴う割れを防止すると共に優れた電気的特性を持つ固体
電解質を用いることができるＳＯＦＣが得られ、その産
業上の有益性は極めて大きいものである。Therefore, when the laminated structure of the present invention is applied to a solid oxide fuel cell (SOFC), it is possible to prevent the SOFC from cracking due to thermal expansion and use a solid electrolyte having excellent electrical characteristics. The industrial benefit obtained is extremely great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明に係る積層構造をした固体電解質型燃料
電池の外観斜視図である。FIG. 1 is an external perspective view of a solid oxide fuel cell having a laminated structure according to the present invention.

【図２】本発明に係る積層構造をした固体電解質型燃料
電池の分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of a solid oxide fuel cell having a laminated structure according to the present invention.

【図３】本発明に係る積層構造をした固体電解質型燃料
電池のセパレータの下面図である。FIG. 3 is a bottom view of a separator of a solid oxide fuel cell having a laminated structure according to the present invention.

【図４】本発明に係る積層構造をした固体電解質型燃料
電池のセパレータの上面図である。FIG. 4 is a top view of a separator of a solid oxide fuel cell having a laminated structure according to the present invention.

【図５】従来一般に知られる平板型の固体電解質型燃料
電池の構造の一例を示した図である。FIG. 5 is a view showing an example of a structure of a conventionally known flat plate type solid oxide fuel cell.

【図６】平板型の固体電解質型燃料電池における外部マ
ニホールドタイプのものの概略構成を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of an external manifold type of a flat plate type solid oxide fuel cell.

【図７】平板型の固体電解質型燃料電池における内部マ
ニホールドタイプのものの概略構成を示した図である。FIG. 7 is a view showing a schematic configuration of an internal manifold type of a flat plate type solid oxide fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ ＳＯＦＣ １０、５０ 単電池セル １１、５１ 固体電解質板 １２、５２ 燃料極 １３、５３ 空気極 １５ 貫挿孔 ２０、６０Ａ、６０Ｂ セパレータ ２１、２２ 溝部 ２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ 貫挿孔 ３５Ａ、３５Ｂ ガス通路管 ３５Ｃ、３５Ｄ 空気通路管 Ｓ スリット 1 SOFC 10, 50 Single battery cell 11, 51 Solid electrolyte plate 12, 52 Fuel electrode 13, 53 Air electrode 15 Penetration hole 20, 60A, 60B Separator 21, 22 Groove 25A, 25B, 25C, 25D Penetration hole 35A, 35B Gas passage pipe 35C, 35D Air passage pipe S Slit

フロントページの続き (72)発明者 野村 和弘 愛知県東海市新宝町507−２ 東邦瓦斯株 式会社総合技術研究所内Continuation of front page (72) Inventor Kazuhiro Nomura, Toho Gas Co., Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 固体電界質板の片面に燃料ガスが接する
燃料極を有し、反対面に空気が接する空気極を有する単
電池セルをセパレータを介して多数層にわたって非接合
状態で載置状に積層し、これらの各単電池セルとセパレ
ータとの積層構造体の周辺部に各電池セルの燃料極面に
燃料ガスを供給するための燃料ガス通路となるガス通路
管と、空気素極面に空気を供給するための空気通路管が
貫挿される貫挿孔とをそれぞれ形成し、これらの貫挿孔
に前記ガス通路管と前記空気通路管とを遊挿してなるこ
とを特徴とする固体電解質型燃料電池の積層構造。1. A single cell having a fuel electrode in contact with fuel gas on one surface of a solid electrolyte plate and an air electrode in contact with air on the other surface of the solid electrolyte plate is placed in a non-bonded state across a multiplicity of layers via a separator. And a gas passage tube serving as a fuel gas passage for supplying a fuel gas to the fuel electrode surface of each battery cell in the peripheral portion of the laminated structure of each of these single battery cells and a separator, and an air element electrode surface. Solid through-holes through which air passage pipes for supplying air are formed, and the gas passage pipes and the air passage pipes are loosely inserted into these through-holes. Laminated structure of an electrolyte fuel cell. 【請求項２】 前記ガス通路管および前記空気通路管に
はそれぞれスリットが設けられ、このスリットによりガ
ス通路管により導入される燃料ガスが各電池セルの燃料
極面に、また空気通路管により導入される空気が空気極
面に、それぞれセパレータ面に形成されるガス導入溝部
および空気導入溝部を介して供給されるように構成した
ことを特徴とする請求項１に記載する固体電解質型燃料
電池の積層構造。2. A slit is provided in each of the gas passage pipe and the air passage pipe, and the fuel gas introduced by the gas passage pipe is introduced into the fuel electrode surface of each battery cell by the slit and by the air passage pipe. 2. The solid electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the generated air is supplied to the air electrode surface via a gas introduction groove portion and an air introduction groove portion formed on the separator surface, respectively. Laminated structure.
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