JP2006120589A - Flat plate lamination type fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、平板積層型燃料電池に関し、詳しくは、積層体の各発電部分の密着性とマニホールド部分のガスシール性を両立させた平板積層型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a flat plate type fuel cell, and more particularly to a flat plate type fuel cell that achieves both the adhesion of each power generation portion of a laminate and the gas sealability of a manifold portion.
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(O2-)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。
上記セパレータは、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。このような平板積層型の燃料電池は、例えば、特許文献1に開示されている。
A flat stacked fuel cell is constructed by stacking a large number of these power generation cells and separators alternately to form a stack, and by applying a load in the stacking direction from both ends of the stacks so that the components of the stack are pressed and adhered to each other. The
The separator has a function of supplying the reaction gas to the power generation cells while electrically connecting the power generation cells, and a fuel gas passage for guiding the fuel gas to the fuel electrode layer side, and an oxidation And an oxidant gas passage for guiding the oxidant gas to the air electrode layer side. Such a flat plate type fuel cell is disclosed in
外部反応用ガスをセパレータに供給するためのガス導入機構として、特許文献1に開示されるような、燃料電池スタックの外周に外部マニホールドを設け、多数の接続管を介して各セパレータに各ガスを供給する構造と、図5に示されるような、厚さ数mmのステンレス板等で構成される各セパレータ8の周縁部にガス孔13、14を設け、このガス孔から各ガス通路11、12を通して各発電セルの各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するようにした内部マニホールド構造とが知られている。
尚、内部マニホールドでは、図3に示すように、上下に積層されるセパレータ8のガス孔同士は、各セパレータ間に介在されたリング状の絶縁性ガスケット15、16によって連通される。
In the internal manifold, as shown in FIG. 3, the gas holes of the
ところで、平板積層型燃料電池は、複数の発電要素を積層して構成される発電セルを、更にセパレータ等の導電部材を介して多数積層した構造であるから、安定した電池性能を確保するために構成要素相互の優れた密着性が要求される。特に、内部マニホールドの場合は、各構成要素の密着性に加え、ガスケット部分のガスシール性も要求される。
このため、平板積層型燃料電池の場合は、スタック組立後にその両端より積層方向に荷重を掛けて各構成要素を圧接させる構造と成されており、例えば、特許文献1では、スタック上下端に配した締付板をボルトにて締め付けすることにより積層体を一括して加重している。
By the way, the flat plate type fuel cell has a structure in which a large number of power generation cells configured by stacking a plurality of power generation elements are further stacked via conductive members such as separators, so that stable battery performance is ensured. Excellent adhesion between components is required. In particular, in the case of an internal manifold, in addition to the adhesiveness of each component, the gas sealability of the gasket portion is also required.
For this reason, in the case of a flat stack type fuel cell, after stack assembly, a load is applied from both ends of the stack in the stacking direction so that the respective components are pressed against each other. The laminated body is collectively loaded by tightening the tightened plate with bolts.
ところが、特に、内部マニホールド構造では、スタック中央の発電部分とスタック縁部のマニホールド部分とで積層される構成要素が異なるため、マニホールド部分と発電部分を締付板を用いて上下より締め付けると、剛性の高いセパレータ板をもってその縁部と中央部が同じ変位量で締め付けられることから、双方の高さの違いが起因して各部の締め付けが不十分となり、各構成要素の密着性が損なわれるという問題がある。
この結果、発電部分では密着不良により電気的な接触抵抗が増大し、発電性能や発電効率の低下を招くことになり、また、マニホールド部分では、ガスケットとガス孔のシール性が低下し、ガス漏れによる発電性能の低下を招くことになる。
However, especially in the internal manifold structure, the components stacked in the power generation part at the center of the stack and the manifold part at the edge of the stack are different, so if the manifold part and the power generation part are tightened from above and below using a clamping plate, the rigidity Because the edge and center of the separator plate are tightened with the same amount of displacement with a high separator plate, the tightening of each part becomes insufficient due to the difference in height between the two, and the adhesion of each component is impaired. There is.
As a result, the electrical contact resistance increases due to poor adhesion in the power generation part, leading to a decrease in power generation performance and power generation efficiency. In the manifold part, the sealing performance between the gasket and the gas hole is reduced, causing gas leakage. This will cause a decrease in power generation performance.
尚、過大な締め付けは各構成要素の高温クリープを促進し、発電セルの破損を招く恐れがあるため、スタックの締め付けは、発電部分の電気的な接触性とマニホールド部分のガスシール性を確保するのに十分で、且つ、最小にするのが好ましい。 In addition, excessive tightening promotes high-temperature creep of each component and may cause damage to the power generation cell. Therefore, tightening the stack ensures electrical contact of the power generation portion and gas sealing performance of the manifold portion. Preferably, it is sufficient and minimal.
本発明は、このような問題に鑑み成されたもので、燃料電池スタックにおける発電部分の密着性とマニホールド部分のガスシール性の向上を図った平板積層型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 such problems, and an object of the present invention is to provide a flat plate type fuel cell in which the adhesion of the power generation part and the gas sealability of the manifold part in the fuel cell stack are improved. .
すなわち、請求項1に記載の本発明は、発電セルと反応用ガスの通路を備えたセパレータを交互に積層すると共に、各セパレータのガス通路に連通して積層体内を積層方向に貫通する反応ガス導入用の内部マニホールドを設け、且つ、前記積層体を積層方向より加重して各構成要素を圧接して成る平板積層型燃料電池において、前記セパレータのマニホールド部分と発電セルが位置する部分とを繋ぐ連絡部分に前記荷重に対する可撓性を持たせたことを特徴としている。
That is, the present invention according to
また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の平板積層型燃料電池において、前記連絡部分の少なくとも一部を幅狭・肉薄としたことを特徴としている。
The present invention described in
また、請求項3に記載の本発明は、請求項1に記載の平板積層型燃料電池において、前記連絡部分をセパレータの周縁に沿う細長帯状としたことを特徴としている。 Further, according to a third aspect of the present invention, in the flat-plate laminated fuel cell according to the first aspect, the connecting portion is formed in an elongated strip shape along the periphery of the separator.
また、請求項4に記載の本発明は、請求項1から請求項3までの何れかに記載の平板積層型燃料電池において、前記連絡部分に断熱材または断熱塗料を施したことを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the flat plate fuel cell according to any one of the first to third aspects, a heat insulating material or a heat insulating paint is applied to the connecting portion. .
また、請求項5に記載の本発明は、請求項1から請求項4までの何れかに記載の平板積層型燃料電池において、前記セパレータのマニホールド部分と発電セルが位置する部分を前記積層体の両端より個々に加重することを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the flat-plate laminated fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, the portion of the separator where the manifold portion and the power generation cell are located is disposed on the laminated body. It is characterized by weighting individually from both ends.
ここで、請求項1から請求項3に記載の構成では、セパレータに掛かる荷重をマニホールド部分と発電セルが位置する部分とに分離することができ、これにより、マニホールド部分と発電セルの位置する部分の高さのバラツキ等を吸収して双方を確実に加重することができる。その結果、積層体を構成する各発電要素相互の密着性とマニホールド部分のガスシール性が向上し、発電性能および発電効率の向上が図れる。
また、請求項4に記載の構成では、断熱材や断熱塗料により連絡部分を断熱処理することにより、マニホールドからの反応用ガスがこの連絡部分を通過する間に加熱、または冷却されるのが抑制でき、よって、反応用ガスはマニホールド内に導入された好適温度の状態で発電セルに供給されることになり、これにより、発電セル部分の温度が安定し、各発電要素の密着性は向上する。
また、請求項5に記載の構成では、マニホールド部分と発電セルの位置する部分のそれぞれに最適な荷重を掛けることができ、その結果、積層体を構成する各発電要素の密着性とマニホールド部分のガスシール性がより一層向上する。
Here, in the configuration according to any one of
Moreover, in the structure of Claim 4, it is suppressed that the reaction gas from a manifold is heated or cooled while passing through this connection part by heat-insulating a connection part with a heat insulating material or a heat insulation paint. Therefore, the reaction gas is supplied to the power generation cell at a suitable temperature state introduced into the manifold, thereby stabilizing the temperature of the power generation cell portion and improving the adhesion of each power generation element. .
Further, in the configuration according to
以上説明したように、本発明によれば、セパレータのマニホールド部分と発電セルが位置する部分を繋ぐ連絡部分に荷重に対する可撓性を持たせたので、セパレータに掛かる荷重をマニホールド部分と発電セルが位置する部分とに分けることができ、これにより、マニホールド部分と発電セルの位置する部分の高さのバラツキ等を吸収して双方を好適荷重にて締め付けることができる。
その結果、各発電部分の密着性とマニホールド部分のガスシール性が向上し、発電性能と発電効率の向上が図れる。
As described above, according to the present invention, the connecting portion that connects the manifold portion of the separator and the portion where the power generation cell is located is made flexible with respect to the load. It is possible to divide it into a portion where it is located, and thereby it is possible to absorb variations in height between the manifold portion and the portion where the power generation cell is located, and to tighten both with a suitable load.
As a result, the adhesion of each power generation portion and the gas seal performance of the manifold portion are improved, and the power generation performance and power generation efficiency can be improved.
以下、図面に基づいて本発明の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固体酸化物形燃料電池の構成を示し、図2は本発明に係るセパレータの構造を示し、図3は本発明に係る単セルの構成を示している。
Hereinafter, embodiments of 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 to which the present invention is applied, FIG. 2 shows a structure of a separator according to the present invention, and FIG. 3 shows a configuration of a single cell according to the present invention. Yes.
図3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と空気極層4を配した発電セル5と、燃料極層3の外側に配した燃料極集電体6と、空気極層4の外側に配した空気極集電体7と、各集電体6、7の外側に配したセパレータ8とで構成されている。
As shown in FIG. 3, the
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、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層4はLaMnO3、LaCoO3等で構成され、燃料極集電体6はNi基合金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基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ8はステンレス等で構成されている。
Among these power generation elements, the
上記セパレータ8は、厚さ2〜3mmのステンレス板で構成され、、発電セル5間を電気的に接続すると共に、発電セル5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セパレータ8の縁部から導入してセパレータ8の燃料極集電体6に対向する面のほぼ中央部11aから吐出する燃料ガス通路11と、酸化剤ガスをセパレータ8の縁部から導入してセパレータ8の空気極集電体7に対向する面のほぼ中央12aから吐出する酸化剤ガス通路12を有する。
The
また、セパレータ8の左右縁部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔13、14が設けてあり、一方のガス孔13は燃料ガス通路11に、他方のガス孔14は酸化剤ガス通路12に連通し、各々のガス孔13、14からこれらのガス通路11、12を通して各発電セル5の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるようなっている。尚、上下に積層されるセパレータ8のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット15、16にて連結されている。
Further, a pair of
本実施形態のセパレータは、例えば、図2に示すように、左右のマニホールド部分8a、8aと中央の発電セル5が位置する部分8cとを繋ぐ連絡部分8b、8bを肉薄・幅狭として積層方向の加重に対してある程度の可撓性を持たせた構造として、スタック組立後にセパレータ8に掛かる荷重をマニホールド部分8aと発電セル5が位置する部分8cとに分離させるようにしたもので、この点が図5に示した全体的に高い剛性を有する従来型と相違している。
In the separator of this embodiment, for example, as shown in FIG. 2, the connecting portions 8b and 8b connecting the left and right manifold portions 8a and 8a and the portion 8c in which the central
連絡部分に可撓性を持たせることにより、構成要素の積層・組立で生じる周縁のマニホールド部分8aと中央の発電セル5の位置する部分の高さバラツキ等を吸収して各部8a、8cが個々に確実な状態で加重されるようになる。即ち、上記した各部分8a、8cは相互に影響を及ぼすことなく個々に加重される。
その結果、好適荷重により、積層体を構成する各発電要素の密着性とガスケット部分のガスシール性が向上し、発電性能および発電効率の向上が図れる。
By making the connecting portion flexible, each of the portions 8a and 8c can be individually absorbed by absorbing the height variation of the peripheral manifold portion 8a and the central
As a result, due to the suitable load, the adhesion of each power generation element constituting the laminate and the gas sealability of the gasket portion are improved, and the power generation performance and power generation efficiency can be improved.
上記構成の単セル10を、間にガスケット15、16を介在して順次積層していくことにより、図1に示す平板積層型の燃料電池スタック1が構成される。この燃料電池スタック1の上下両端に締付板20aと締付板20bが配設されている。
上締付板20aはドーナツ状を成し、この締付板20aをスタックの上端部に配置すると、中央部の孔23よりセパレータ8の中央部分、即ち、発電セルが位置する部分8cが露出するようになっている。一方、下締付板20bは円板状を成し、スタックの底部を下方より支持する。
By laminating the
The upper clamping plate 20a has a donut shape, and when this clamping plate 20a is arranged at the upper end of the stack, the central portion of the
燃料電池スタック1は、図1に示すように、スタック上下両端に締付板20a、20bを配してその周縁部がボルト21にて締め付けされ、その強力な締め付け荷重により、主にスタック各層のマニホールド部分8a、8aにおいて、セパレータ8のガス孔13、14と各ガスケット15、16を機械的に密着・接合させる。締め付け荷重により、各々のガスケット15、16がそれぞれセパレータ8の各ガス孔13、14を介して積層方向に連結されることにより、スタック内部を積層方向に延びる燃料ガス用の管状マニホールドと酸化剤ガス用の管状マニホールドの2系統が形成される。
尚、発電時、各管状マニホールドには、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスが流通し、各ガスが各セパレータ8のガス孔13、14より各ガス通路を介して各発電セル5の各電極面に分配・誘導される。
As shown in FIG. 1, the
During power generation, fuel gas and oxidant gas supplied from the outside flow through each tubular manifold, and each gas flows from the gas holes 13 and 14 of each
また、上締付板20aの中央部(孔23の部分)には、縁部材24を介在して錘22が配設されており、この錘22による積層方向の荷重によりセパレータ8の中央部分8cが押圧されることにより、単セル10を構成する複数の発電要素が相互に密着させられて一体的に固定される。
尚、セパレータ8間に介在されている燃料極集電体6と空気極集電体7はスポンジ状の多孔質焼結金属とされるから、錘22の荷重でこれらスポンジ状部材が弾性変形し、上下セパレータ8の間にある程度の弾力を持って圧接・挟持された状態となっている。
このため、錘22による発電部分の荷重は、上記したボルト21によるマニホールド部分8aの強力な締め付け荷重に比べて極端に少なくしても発電要素間に良好な電気的接触性が得られることになり、荷重による各発電要素のダメージを極力軽減できる。
In addition, a
Since the fuel electrode
For this reason, even if the load of the power generation portion by the
このように、本発明の燃料電池スタック1では、セパレータ8のマニホールド部分8aと発電セル5の位置する部分8cのそれぞれに他の部分に影響を与えずに最適荷重を掛け得る構造としている。この結果、スタックを構成する各発電要素の密着性とマニホールド部分8aのガスシール性をより一層向上した状態で両立させることが可能となる。
As described above, the
このような加重構造は、セパレータ8に設けた連絡部分8bの奏する可撓性により可能となるものであり、実施形態の燃料電池スタック1では、図1(a)に示すような連絡部分8bを細長帯状としたセパレータ8を用いている。
当セパレータ8も、マニホールド部分8aと発電セル5が位置する部分8cとの連絡部分8bに荷重に対する可撓性を持たせた点は図2のセパレータ8の場合と同様であるが、本実施形態で連絡部分8bをセパレータ8に沿う細長帯状とすることにより、図2のように連絡部分8bの肉厚を他の部分より薄くしなくともが優れた可撓性が得られること、セパレータ8自体をコンパクトに纏められること等のメリットを有する。
Such a weighted structure is made possible by the flexibility exhibited by the connecting portion 8b provided in the
The
尚、燃料電池スタック1に掛ける積層方向の荷重は構成要素の高温クリープ等を考慮して各発電要素の電気的接触性とガスケットのシール性を確保可能な必要最小限に設定することが好ましく、本実施形態では、縁部のマニホールド部分8aは数百kgf程度に、中央部の発電部分8cは数kgf程度の荷重が設定されている。
The load in the stacking direction applied to the
また、図1、図2において、セパレータ8の連絡部分8bの表面に図示しない断熱材や断熱塗料を用いた断熱処理を施すこともできる。連絡部分8bに断熱処理を施すことにより、各マニホールドからの反応用ガスがこの連絡部分8bを流通・通過する間に加熱、または冷却されるのが抑制でき、よって、反応用ガスはマニホールド内に導入された好適温度の状態でマニホールド部分8aより発電セル5に供給されることになり、これにより、発電セル部分8cの温度が安定し、各発電要素の密着性は向上する。
1 and 2, the surface of the connecting portion 8b of the
以上、本実施形態では円板状のセパレータ8を用いたが、セパレータ8の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図4に示すような四角形状のセパレータ8としても勿論構わない。本構成においても、図1(a)と同様に、マニホールド部分8aと発電セル5が位置する部分8cとの連絡部分8bを細長帯状として荷重に対する可撓性を持たせている。当連絡部分8bにおいても、上記した断熱処理を施すことは勿論可能である。
As described above, the disk-shaped
尚、図4において、セパレータ8内部には、反応用ガスが流通する燃料ガス通路11と酸化剤ガス通路12がそれぞれ渦巻状に、且つ、それぞれが交差しないように入れ子状態に形成されている。従って、セパレータ8内に導入された反応用ガスは渦巻状に形成された各ガス通路11、12を通してセパレータ8内部の全域に流通する過程でセパレータ8と効率良く熱交換し、セパレータ8は面方向の全域に亘って均一に加熱される。よって、発電セル部分8cの温度はより安定し、各発電要素の密着性はより向上する。
In FIG. 4, the
1 積層体(燃料電池スタック)
5 発電セル
8 セパレータ
8a マニホールド部分
8b 連絡部分
8c 発電セルが位置する部分
11、12 ガス通路(燃料ガス通路、酸化剤ガス通路)
1 Laminate (fuel cell stack)
5
Claims (5)
前記セパレータのマニホールド部分と発電セルが位置する部分とを繋ぐ連絡部分に前記荷重に対する可撓性を持たせたことを特徴とする平板積層型燃料電池。 The power generation cells and the separators provided with the reaction gas passages are alternately stacked, and an internal manifold for introducing a reaction gas is provided that communicates with the gas passages of the separators and penetrates the stack in the stacking direction. In a flat plate stacked fuel cell in which the body is weighted from the stacking direction and each component is press-contacted,
A flat stacked fuel cell, characterized in that a connecting portion connecting a manifold portion of the separator and a portion where a power generation cell is located has flexibility with respect to the load.
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