JP2011210632A - Cell assembly of fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase power generation performance of a cell of a fuel cell without removing a current collecting member from the cell of the fuel cell when the contact resistance between the cell of the fuel cell and a current collector.SOLUTION: A first current collecting part 103 of a current collector 102 is composed of a plane part 105 of the current collector 102, a side 105a of the current collector, and an outside electrode layer 92 of a cell unit 16 of the fuel cell, and includes a space 107 in which a conductive adhesive is arranged.

Description

本発明は、燃料電池セル集合体に関する。   The present invention relates to a fuel cell assembly.

固体電解質型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に空気を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, supplies fuel gas on one side, and supplies the other This is a fuel cell that generates electricity by supplying air to the side and generating a power generation reaction at a relatively high temperature.

この種の燃料電池では、単一の燃料電池セル(単セル)では、得られる電力が少ないので、特許文献1〜3に示すように、複数の燃料電池セルを平行に並べて、集電部材により電気的に直列に接続して必要な電力を得るようにしている。   In this type of fuel cell, since a single fuel cell (single cell) has a small amount of power, as shown in Patent Documents 1 to 3, a plurality of fuel cells are arranged in parallel, Electrical power is connected in series to obtain the required power.

特許文献1には、円筒状に形成された固体電解質の内周面に空気電極(+極)が、また外周面には燃料電極(−極)が形成され、内周側の内周側の空気電極が端部において固体電解質から筒状に延出されている燃料電池セル(単セル)が開示されている。この特許文献1の燃料電池では、複数の燃料電池セル(単セル)をハウジング内に平行に並べ、ハウジング内部に供給する燃料ガスが外部に漏れないように、ハウジングの開放された部分をガスで機密にシールしている。各単セルの外周面には集電体が取り付けられ、この集電体の端部が、一方の空気電極側でガラスから機密に延出して、接続用集電部材を介して隣接する単セルの空気電極に接続されている。特許文献1の燃料電池では、このようにして複数の単セルを直列に接続してスタック化して固体電解質型燃料電池を構成している。   In Patent Document 1, an air electrode (+ electrode) is formed on the inner peripheral surface of a solid electrolyte formed in a cylindrical shape, and a fuel electrode (-electrode) is formed on the outer peripheral surface. A fuel battery cell (single cell) is disclosed in which an air electrode extends in a cylindrical shape from a solid electrolyte at an end. In the fuel cell of Patent Document 1, a plurality of fuel cells (single cells) are arranged in parallel in the housing, and the opened portion of the housing is made of gas so that fuel gas supplied into the housing does not leak to the outside. Sealed confidentially. A current collector is attached to the outer peripheral surface of each single cell, and an end of the current collector extends secretly from the glass on one air electrode side and is adjacent to each other via a current collecting member for connection. Connected to the air electrode. In the fuel cell of Patent Document 1, a plurality of single cells are connected in series and stacked to form a solid oxide fuel cell.

特許文献2には、円筒状に形成された固体電解質の内周面に燃料電極(−極)が、また外周面には空気電極(+極)が形成され、一端には燃料電極と接続された内側電極(−極)と、他端には空気電極と接続された外側電極(+極)が形成された燃料電池セル(単セル)が開示されている。この特許文献1の固体電解質型燃料電池では、5×4列からなる20本の単セルの全てが直列に接続されるように配置されている。具体的には、複数の単セルが交互に逆方向に並べられ、複数の単セルの両端部が支持板により位置決めされ、それぞれの支持板側で、内側電極(−極)と外側電極(+極)が直列に接続されている。   In Patent Document 2, a fuel electrode (-electrode) is formed on the inner peripheral surface of a solid electrolyte formed in a cylindrical shape, an air electrode (+ electrode) is formed on the outer peripheral surface, and one end is connected to the fuel electrode. A fuel cell (single cell) is disclosed in which an inner electrode (-electrode) and an outer electrode (+ electrode) connected to an air electrode are formed at the other end. In the solid oxide fuel cell of Patent Document 1, all 20 single cells of 5 × 4 rows are arranged so as to be connected in series. Specifically, a plurality of single cells are alternately arranged in opposite directions, and both ends of the plurality of single cells are positioned by support plates, and on each support plate side, an inner electrode (−electrode) and an outer electrode (+ Poles) are connected in series.

特許文献3、4にも、特許文献2と同様な燃料電池が開示されている。   Patent Documents 3 and 4 also disclose a fuel cell similar to Patent Document 2.

特開平9−274927号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-274927 特開2008−71712号公報JP 2008-71712 A 特開2002−289249号公報JP 2002-289249 A 特開2007−95442号公報JP 2007-95442 A

燃料電池セル及び集電部材が熱によって、異なった膨張、収縮することにより、燃料電池セルと集電部材の接触面積の減少や密着力の低下等を引き起こし、燃料電池セルと集電部材との接触抵抗を増大させ、燃料電池セルの発電性能低下の一因となっていることを、本発明者らが初めて知見として得ることができた。   When the fuel cell and the current collecting member expand and contract differently due to heat, the contact area between the fuel cell and the current collecting member is reduced and the adhesion force is reduced. The inventors of the present invention were able to obtain for the first time that the contact resistance was increased and contributed to the decrease in power generation performance of the fuel cell.

また、上記のように接触抵抗増大となった場合、燃料電池セルから集電部材を取り外し、修正し、再度燃料電池セルに集電部材を取り付けることが考えられる。しかし、燃料電池セルに密着している集電部材を無理に取り外すことになり、燃料電池セルの電極を損傷させ、電極の機能を損失させることになり、燃料電池セルの発電性能や耐久性の低下の原因となっている。そこで、燃料電池セルから集電部材を取り外すことなく、燃料電池セルの発電性能を向上させることが課題であった。   Further, when the contact resistance increases as described above, it is conceivable to remove and correct the current collecting member from the fuel cell and attach the current collecting member to the fuel cell again. However, the current collecting member that is in close contact with the fuel cell is forcibly removed, and the electrode of the fuel cell is damaged and the function of the electrode is lost. This is the cause of the decline. Therefore, it has been a problem to improve the power generation performance of the fuel cell without removing the current collecting member from the fuel cell.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池セル集合体は、第1の燃料電池セルと、この第1の燃料電池セルに隣接して配置される第2の燃料電池セルと、これらの第1の燃料電池セルと第2の燃料電池セルを電気的に接続する集電体と、を備え、この集電体は第1の燃料電池セルに取り付けられる集電部を備え、集電部の内側面と第1の燃料電池セルの側面とで形成される、導電性接着剤が配置される空間部を備えることを特徴としている。
このように構成された本発明においては、第1の燃料電池セル、第2の燃料電池セル、及び、集電体が、熱によって異なる膨張、収縮して、第1の燃料電池セルの側面と集電体との接触抵抗が増大しても、第1の燃料電池セルから集電体を取り外すことなく、第1の燃料電池セルを損傷させずに、空間部に導電性接着剤を配置することができ、燃料電池セルによる発電性能を向上させることができる。
In order to solve the above-described problems, a fuel cell assembly according to the present invention includes a first fuel cell, a second fuel cell disposed adjacent to the first fuel cell, and these A current collector electrically connecting the first fuel cell and the second fuel cell, the current collector comprising a current collector attached to the first fuel cell, and a current collector It is characterized by including a space portion in which a conductive adhesive is disposed, which is formed by the inner surface of the first fuel cell and the side surface of the first fuel cell.
In the present invention configured as described above, the first fuel cell, the second fuel cell, and the current collector expand and contract differently due to heat, and the side surface of the first fuel cell Even if the contact resistance with the current collector increases, the conductive adhesive is disposed in the space without removing the current collector from the first fuel cell and without damaging the first fuel cell. It is possible to improve the power generation performance by the fuel cell.

本発明において、集電体の集電部は中央部に空間部を備え、この空間部の両端部に第1の燃料電池セルへ取り付けられる把持部と、を備えることを特徴としている。
このような構成された本発明において、集電体の集電部は中央部に空間部を備え、この空間部の両端部に第1の燃料電池セルへ取り付けられる把持部を備えているので、上述の特徴を持ちつつ、第1の燃料電池セルへの把持性能を向上させることができる。
In the present invention, the current collector of the current collector includes a space portion at the center portion, and gripping portions attached to the first fuel cells at both ends of the space portion.
In the present invention configured as described above, the current collector part of the current collector has a space part in the center part, and has grip parts attached to the first fuel cells at both ends of the space part. The gripping performance to the first fuel cell can be improved while having the above characteristics.

本発明において、集電体の集電部の内側面は矩形状であり、内側面の縦の長さに比べ、内側面の横の長さが短いことを特徴としている。
このように構成された本発明において、集電体の集電部の内側面は矩形状であり、内側面の縦の長さに比べ、内側面の横の長さが短いので、導電性接着剤が配置される空間部の大きさを変えることなく、集電体の把持部の長さを長くすることができ、第1の燃料電池セルへの把持性能を向上させることができる。
In the present invention, the inner side surface of the current collector of the current collector is rectangular, and the lateral length of the inner side surface is shorter than the vertical length of the inner side surface.
In the present invention configured as described above, the inner surface of the current collector of the current collector is rectangular, and the lateral length of the inner surface is shorter than the vertical length of the inner surface. Without changing the size of the space where the agent is disposed, the length of the grip portion of the current collector can be increased, and the grip performance of the first fuel cell can be improved.

本発明において、集電体の集電部が取り付けられる第1の燃料電池セルの取付部は第1の電極部であり、第1の電極部と異極である第2の電極部が第1の電極部と離間し配置されるとともに、この集電部は空間部へ連通する開口部を備え、この開口部は第2の電極部側に配置されないことを特徴としている。
このように構成された本発明において、集電体の集電部が取り付けられる第1の燃料電池セルの取付部は第1の電極部であり、第1の電極部と異極である第2の電極部が第1の電極部と離間し配置されるとともに、この集電部は空間部へ連通する開口部を備え、この開口部は第2の電極部に配置されないので、導電性接着剤が配置されても、第1の電極部と第2の電極部とが、導電性接着剤を介して接続してしまうことがない、短絡しにくく形成されており、燃料電池セルによる発電性能を向上させることができる・
In the present invention, the attachment portion of the first fuel cell to which the current collector portion of the current collector is attached is the first electrode portion, and the second electrode portion having a different polarity from the first electrode portion is the first electrode portion. The current collector is provided with an opening communicating with the space portion, and the opening is not disposed on the second electrode portion side.
In the present invention configured as described above, the attachment portion of the first fuel cell, to which the current collector portion of the current collector is attached, is the first electrode portion, and is a second electrode having a different polarity from the first electrode portion. The electrode portion is disposed away from the first electrode portion, and the current collecting portion includes an opening communicating with the space portion. Since the opening is not disposed in the second electrode portion, the conductive adhesive is provided. Even if the first electrode portion and the second electrode portion are arranged, the first electrode portion and the second electrode portion are formed so as not to be short-circuited without being connected via the conductive adhesive. Can be improved

本発明において、集電体の集電部は集電体の内側面を内側の面として備える板状の平面部を備え、集電体の開口部はこの平面部に開口される孔であることを特徴としている。
このように構成された本発明において、集電体の集電部は集電体の内側面を内側の面として備える板状の平面部を備え、集電体の開口部はこの平面部に開口される孔であるので、導電性接着剤を集電体の空間部に均一に配置することができ、燃料電池セルの発電性能を向上させることができる。
In the present invention, the current collector of the current collector is provided with a plate-like flat portion having the inner surface of the current collector as an inner surface, and the opening of the current collector is a hole opened in this flat portion. It is characterized by.
In the present invention configured as described above, the current collector part of the current collector includes a plate-like flat part including the inner side surface of the current collector as an inner surface, and the opening part of the current collector is opened to the flat part. Therefore, the conductive adhesive can be uniformly disposed in the space of the current collector, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.

本発明によれば、燃料電池セルと集電体との接触抵抗増大箇所について、燃料電池セルから集電体を取り外すことなく、接触抵抗を低減することで、燃料電池セルの発電性能を向上させることができる。   According to the present invention, the power generation performance of a fuel cell is improved by reducing the contact resistance at a location where the contact resistance between the fuel cell and the current collector is increased without removing the current collector from the fuel cell. be able to.

本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。1 is a front cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention. 図2のIII-III線に沿って断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックに使用される集電体を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the electrical power collector used for the fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) by embodiment of this invention. 図6に示す集電体の正面図である。FIG. 7 is a front view of the current collector shown in FIG. 6. 図5に示す燃料電池セルスタックの正面図である。FIG. 6 is a front view of the fuel cell stack shown in FIG. 5. 図8に示す燃料電池セルスタックの正面図A部分の詳細図である。It is detail drawing of the front view A part of the fuel cell stack shown in FIG. 図8に示す燃料電池セルスタックのB-B´線沿っての断面図の一部である。It is a part of sectional drawing along the BB 'line of the fuel cell stack shown in FIG.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)及びこのSOFCに使用される燃料電池セル集合体を説明する。 図1は、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。   Next, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention and a fuel cell assembly used in the SOFC will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材(図示せず)を介して密封空間8が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a sealed space 8 is formed in the housing 6 via a heat insulating material (not shown). In addition, you may make it not provide a heat insulating material. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and an oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8. The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5), and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell unit 16 (see FIG. 4). Yes. Thus, the fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、残余の燃料ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて発電用空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。   A combustion chamber 18 is formed above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the remaining oxidant (air) ) And combusted to generate exhaust gas. Further, a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the remaining fuel gas. is doing. Further, an air heat exchanger 22 for receiving combustion heat and heating power generation air is disposed above the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44(モータで駆動される「空気ブロア」等)及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される第発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores a pure water tank 26 that stores water from a water supply source 24 such as tap water and uses the filter to obtain pure water, and a water flow rate that adjusts the flow rate of the water supplied from the water storage tank. An adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) is provided. The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant supplied from an air supply source 40, and a reforming air flow rate adjustment unit 44 that adjusts the flow rate of air (driven by a motor " An air blower "and the like, a power generation air flow rate adjustment unit 45 (such as an" air blower "driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a power generation chamber And a second heater 48 for heating the second power generation air supplied to the power generator. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like.
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図2は、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿って断面図である。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
Next, the internal structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
As shown in FIGS. 2 and 3, in the sealed space 8 in the housing 6 of the fuel cell module 2, as described above, the fuel cell assembly 12, the reformer 20, and the air heat exchange are sequentially performed from below. A vessel 22 is arranged.

改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bを形成され、改質部20bには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。   The reformer 20 is provided with a pure water introduction pipe 60 for introducing pure water and a reformed gas introduction pipe 62 for introducing reformed fuel gas and reforming air to the upstream end side thereof. In addition, in the reformer 20, an evaporation unit 20a and a reforming unit 20b are formed in order from the upstream side, and the reforming unit 20b is filled with a reforming catalyst. The fuel gas and air mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。   A fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end side of the reformer 20, and the fuel gas supply pipe 64 extends downward and further in an manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. It extends horizontally. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b.

このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。   A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied.

次に、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図3に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。   Next, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20. The air heat exchanger 22 includes an air aggregation chamber 70 on the upstream side and two air distribution chambers 72 on the downstream side. The air aggregation chamber 70 and the air distribution chamber 72 include six air flow path tubes 74. Connected by. Here, as shown in FIG. 3, three air flow path pipes 74 form a set (74a, 74b, 74c, 74d, 74e, 74f), and the air in the air collecting chamber 70 is in each set. It flows into each air distribution chamber 72 from the air flow path pipe 74.

空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 is preheated by exhaust gas that burns and rises in the combustion chamber 18.
An air introduction pipe 76 is connected to each of the air distribution chambers 72, the air introduction pipe 76 extends downward, and the lower end side communicates with the lower space of the power generation chamber 10, and the air that has been preheated in the power generation chamber 10. Is introduced.

次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図3に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス室通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。 図3に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。   Next, an exhaust gas chamber 78 is formed below the manifold 66. Further, as shown in FIG. 3, an exhaust gas passage 80 extending in the vertical direction is formed inside the front surface 6 a and the rear surface 6 b which are surfaces along the longitudinal direction of the housing 6, and the upper end of the exhaust gas chamber passage 80 is formed. The side communicates with the space in which the air heat exchanger 22 is disposed, and the lower end side communicates with the exhaust gas chamber 78. Further, an exhaust gas discharge pipe 82 is connected to substantially the center of the lower surface of the exhaust gas chamber 78, and the downstream end of the exhaust gas discharge pipe 82 is connected to the above-described hot water producing apparatus 50 shown in FIG. As shown in FIG. 3, an ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

次に図4により燃料電池セルユニット16について説明する。図4は、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の第2の電極である内側電極層90と、円筒形の第1の電極である外側電極層92と、第2の電極である内側電極層90と第1の電極である外側電極層92との間にある電解層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell unit according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.
The fuel battery cell 84 is a tubular structure that extends in the vertical direction, and is an inner electrode layer 90 that is a cylindrical second electrode that forms a fuel gas flow path 88 therein, and a cylindrical first electrode. The outer electrode layer 92 includes an inner electrode layer 90 as a second electrode and an electrolytic layer 94 between the outer electrode layer 92 as a first electrode. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。また、内側電極端子86は、突出した筒状部分86aと平坦面86bを備え、筒状部分86aの内部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 16 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90b and an upper end surface 90c exposed to the electrolytic layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. The inner electrode terminal 86 includes a protruding cylindrical portion 86a and a flat surface 86b, and a fuel gas channel 98 communicating with the fuel gas channel 88 of the inner electrode layer 90 is formed inside the cylindrical portion 86a. Has been.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolytic layer 94 includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に図5により燃料電池セルスタック14について説明する。図5は、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。   Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.

図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。   As shown in FIG. 5, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and the lower end side and the upper end side of these fuel cell units 16 are a ceramic lower support plate 68 and an upper side, respectively. It is supported by the support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes 68a and 100a through which the inner electrode terminal 86 can pass.

燃料電池セルユニット16には、金属製の集電体102及び外部端子99が取り付けられている。この集電体102は、燃料電池セルユニット16の両端部にある内側電極端子86と外側電極層92を電気的に接続するためのものである。   A metal current collector 102 and an external terminal 99 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 is for electrically connecting the inner electrode terminal 86 and the outer electrode layer 92 at both ends of the fuel cell unit 16.

次に図5及び図6により、集電体102について詳細に説明する。図6は本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタック(燃料電池セル集合体)に使用される集電体を示す斜視図であり、図7は図6に示す集電体の正面図である。図8は図5に示す燃料電池セルスタックの正面図である。図9は図8に示す燃料電池セルスタックの正面図A部分の詳細図である。図10は図8に示す燃料電池セルスタックのB-B´線沿っての断面図の一部である。   Next, the current collector 102 will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6. 6 is a perspective view showing a current collector used in a fuel cell stack (fuel cell assembly) of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is shown in FIG. It is a front view of a current collector. FIG. 8 is a front view of the fuel cell stack shown in FIG. FIG. 9 is a detailed view of a front view A portion of the fuel cell stack shown in FIG. FIG. 10 is a part of a cross-sectional view along the line BB ′ of the fuel cell stack shown in FIG.

先ず、集電体102は、燃料電池セルユニット16(燃料電池セル84)の空気極である外側電極層92の外周面と電気的に接続される空気極用接続用の第1の集電部103と、この第1の集電部103から隣接する燃料電セルユニット16の端部に向けて延び、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される第2の集電部108と、この第1の集電部103と第2の集電部108とを電気的に接続する連接部104とを備えている。   First, the current collector 102 is a first current collector for air electrode connection that is electrically connected to the outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is the air electrode of the fuel cell unit 16 (fuel cell 84). 103 and the first current collector 103 extending toward the end of the adjacent fuel cell unit 16 and electrically connected to the inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 as the fuel electrode. A second current collector 108 and a connecting portion 104 that electrically connects the first current collector 103 and the second current collector 108 are provided.

次に、集電体102の第1の集電部103は、燃料電池セルユニット16に沿って長手方向に延びる平面部105と、この平面部105から鉛直方向に延び、かつ、燃料電池セルユニット16に沿って長手方向に延びる側面部105aと、この側面部105aから燃料電池セルユニット16に沿って円周方向に半円弧状に湾曲して延び、燃料電池セルユニット16の外側電極層92へ取り付けられる把持部105bとを備えられている。また、平面部105は、矩形状であり、燃料電池セルユニット16に沿って長手方向の縦の長さに比べ、燃料電池セルユニット16に沿って円周方向の横の長さが短いことを備えられている。さらに、平面部105は、空間部107へ連通し、開口される孔である開口部106が備えられている。また、第2の集電部108については、第1の集電部103とほぼ同様の構成となっている。   Next, the first current collector 103 of the current collector 102 has a flat portion 105 extending in the longitudinal direction along the fuel cell unit 16, a vertical portion extending from the flat portion 105, and the fuel cell unit. A side surface portion 105a extending in the longitudinal direction along 16 and a curved surface extending in a semicircular arc shape in the circumferential direction along the fuel cell unit 16 from the side surface portion 105a, to the outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16 And a grip portion 105b to be attached. Further, the flat portion 105 has a rectangular shape, and the lateral length in the circumferential direction along the fuel cell unit 16 is shorter than the vertical length in the longitudinal direction along the fuel cell unit 16. Is provided. Further, the flat portion 105 is provided with an opening 106 that is a hole that communicates with the space 107 and is opened. In addition, the second current collector 108 has substantially the same configuration as the first current collector 103.

また、図4〜図10により、集電体102の空間部107は、集電体102の平面部105の内側面109と、集電体の側面部105aと、燃料電池セルユニット16の外側電極層92とで形成され、導電性接着剤が配置されることを備えられている。燃料電池セルユニット16の外側電極層92と集電体102の側面部105aとは隣接配置し、燃料電池セルユニット16の外側電極層92と集電体102の平面部105の内側面109とは離間配置していることを特徴としている。また、空間部107は、この空間部107の両端に隣接された燃料電池セルユニット16の外側電極層92に取り付けられる把持部105bが備えられ、第1の集電部103の中央に配置されている。   4 to 10, the space portion 107 of the current collector 102 includes an inner side surface 109 of the flat surface portion 105 of the current collector 102, a side surface portion 105 a of the current collector, and an outer electrode of the fuel cell unit 16. And is provided with a conductive adhesive disposed thereon. The outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16 and the side surface portion 105a of the current collector 102 are disposed adjacent to each other, and the outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16 and the inner surface 109 of the flat surface portion 105 of the current collector 102 are defined. It is characterized by being spaced apart. In addition, the space portion 107 includes a grip portion 105 b attached to the outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16 adjacent to both ends of the space portion 107, and is disposed at the center of the first current collector 103. Yes.

次に、上述した本発明の実施形態による燃料電池セル集合体における作用、特に、集電体102との関係を説明する。
先ず、集電体102において、第1の燃料電池セルユニット16(120)の中央外周部である外側電極層92と第1の燃料電池セルユニット16(120)に隣接する第2の燃料電池セルユニット16(122)の端部とを、集電体102を用いて接続し、これを複数接続することによって、燃料電池セルユニット16を得ることができる。集電体102の第1の集電部103が、集電体の平面部105と、側面部105aと、第1の燃料電池セルユニット16(120)の中央外周部である外側電極層92とで形成される、導電性接着剤が配置される空間部107を備えられているので、熱によって異なる膨張、収縮し、燃料電池セルユニット16と集電体102との接触抵抗が増大しても、燃料電池セルユニット16から集電体102を取り外すことなく、燃料電池セルユニット16を損傷させずに、集電体102の空間部107に導電性接着剤を配置することができ、燃料電池セルによる発電性能を向上させることができる。
Next, the operation of the fuel cell assembly according to the above-described embodiment of the present invention, particularly the relationship with the current collector 102 will be described.
First, in the current collector 102, the outer electrode layer 92 which is the center outer peripheral portion of the first fuel cell unit 16 (120) and the second fuel cell adjacent to the first fuel cell unit 16 (120). The fuel cell unit 16 can be obtained by connecting the end of the unit 16 (122) using the current collector 102 and connecting a plurality of the ends. The first current collector 103 of the current collector 102 includes a flat surface portion 105 of the current collector, a side surface portion 105a, and an outer electrode layer 92 that is a central outer peripheral portion of the first fuel cell unit 16 (120). Since the space 107 in which the conductive adhesive is disposed is provided, even if the expansion and contraction differ due to heat and the contact resistance between the fuel cell unit 16 and the current collector 102 increases. The conductive adhesive can be disposed in the space 107 of the current collector 102 without removing the current collector 102 from the fuel cell unit 16 and without damaging the fuel cell unit 16. The power generation performance by can be improved.

次に、集電体102の第1の集電部103が、中央に空間部107を備え、この空間部107の両端に隣接された燃料電池セルユニット16の外側電極層92に取り付けられる把持部105bが備えられているので、上述の特徴を維持しつつ、燃料電池セルユニット16への把持性能を向上させることができる。   Next, the first current collector 103 of the current collector 102 includes a space 107 in the center, and a gripping part attached to the outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16 adjacent to both ends of the space 107. Since 105b is provided, the holding | grip performance to the fuel cell unit 16 can be improved, maintaining the above-mentioned characteristic.

次に、集電体102の平面部105は、矩形状であり、燃料電池セルユニット16に沿って長手方向の縦の長さに比べ、燃料電池セルユニット16に沿って円周方向の横の長さが短いことを備えられているので、集電体102の空間部107の大きさを確保しつつ、導電性接着剤を配置でき、接触抵抗を低減させることができる。また、燃料電池セルユニット16の外側電極層92に取り付けられる把持部105bの燃料電池セルユニット16に沿って円周方向の長さを長くすることができ、燃料電池セルユニット16への把持性能を向上させることができる。   Next, the flat surface portion 105 of the current collector 102 has a rectangular shape, and has a lateral length along the circumferential direction along the fuel cell unit 16 as compared with a longitudinal length along the fuel cell unit 16. Since it is provided with short length, a conductive adhesive can be arrange | positioned, ensuring the magnitude | size of the space part 107 of the electrical power collector 102, and contact resistance can be reduced. Moreover, the length of the circumferential direction along the fuel cell unit 16 of the grip part 105b attached to the outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16 can be increased, and the gripping performance to the fuel cell unit 16 can be improved. Can be improved.

次に、集電体102の第1の集電部103が取り付けられる燃料電池セルユニット16の外側電極層92と、この外側電極層92と異極である内側電極層90及び内側電極端子86とが離間配置されるとともに、第1の集電部103は空間部107へ連通する開口部106を備え、この開口部106は内側電極層90及び内側電極端子86側に配置されないことを特徴としているので、空間部107へ導電性接着剤を配置した際、燃料電池セルユニット16の外側電極層92と、内側電極層90及び内側電極端子86とが、配置された導電性接着剤を介して接続されてしまうことがない、短絡しにくく形成されており、さらに、燃料電池セルによる燃料電池セルの発電性能を向上させることができる。   Next, the outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16 to which the first current collector 103 of the current collector 102 is attached, the inner electrode layer 90 and the inner electrode terminal 86 that are different from the outer electrode layer 92, The first current collector 103 is provided with an opening 106 communicating with the space 107, and the opening 106 is not disposed on the inner electrode layer 90 and the inner electrode terminal 86 side. Therefore, when the conductive adhesive is disposed in the space 107, the outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16, the inner electrode layer 90, and the inner electrode terminal 86 are connected via the disposed conductive adhesive. In other words, the power generation performance of the fuel cell by the fuel cell can be improved.

さらに、集電体102の第1の集電部103は、この第1の集電部103の内側面を内側の面おして備える平面部105を備え、この第1の集電部103の開口部106は、平面部105に開口される孔であることを特徴としているので、燃料電池セルユニット16の外側電極層92から内側電極層90に向かう燃料電池セルユニット16に沿って長手方向から導電性接着剤を配置させるより、この開口部106から空間部107へ導電性接着剤を均一に配置することができ、燃料電池セルの発電性能を向上させることができる。   Further, the first current collector 103 of the current collector 102 includes a flat portion 105 provided with the inner surface of the first current collector 103 as an inner surface, and the opening of the first current collector 103. Since 106 is a hole opened in the flat portion 105, it is conductive from the longitudinal direction along the fuel cell unit 16 from the outer electrode layer 92 of the fuel cell unit 16 toward the inner electrode layer 90. Rather than disposing the adhesive, the conductive adhesive can be evenly disposed from the opening 106 to the space 107, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.

1 固体電解質型燃料電池(SOFC)
2 燃料電池モジュール
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
68 下支持板
68a 貫通穴
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
100 上支持板
102 集電体
104 連接部
106 開口部
1 Solid oxide fuel cell (SOFC)
2 Fuel cell module 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit 68 Lower support plate 68a Through hole 84 Fuel cell 86 Inner electrode terminal 100 Upper support plate 102 Current collector 104 Connecting portion 106 Opening portion

Claims (5)

第1燃料電池セルと、
この第1の燃料電池セルに隣接して配置される第2の燃料電池セルと、
これらの第1の燃料電池セルと第2燃料電池セルを電気的に接続する集電体と、を備え、
前記集電体は前記第1の燃料電池セルに取り付けられる集電部を備え、
前記集電部の内側面と前記第1の燃料電池セルの側面とで形成される、導電性接着剤が配置される空間部を備えることを特徴とする燃料電池セル集合体。
A first fuel cell;
A second fuel cell disposed adjacent to the first fuel cell;
A current collector that electrically connects the first fuel cell and the second fuel cell, and
The current collector includes a current collector attached to the first fuel cell,
A fuel cell assembly comprising a space portion formed by an inner surface of the current collector and a side surface of the first fuel cell and in which a conductive adhesive is disposed.
前記集電部は中央部に前記空間部を備え、前記空間部の両端部に前記第1の燃料電池セルへ取り付けられる把持部と、を備えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セル集合体。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the current collector includes the space portion at a central portion, and gripping portions attached to the first fuel cell at both ends of the space portion. Aggregation. 前記集電部の内側面は矩形状であり、内側面の縦の長さに比べ、内側面の横の長さが短いことを特徴する請求項2記載の燃料電池セル集合体。 The fuel cell assembly according to claim 2, wherein an inner side surface of the current collector is rectangular and a lateral length of the inner side surface is shorter than a vertical length of the inner side surface. 前記集電部が取り付けられる前記第1の燃料電池セルの取付部は第1の電極部であり、前記電極部と異極である第2の電極部が前記第1の電極部と離間し配置されるとともに、
前記集電部は前記空間部へ連通する開口部を備え、
前記開口部は前記第2の電極側に配置されないことを特徴とする請求項3記載の燃料電池セル集合体。
The attachment portion of the first fuel cell to which the current collector is attached is a first electrode portion, and a second electrode portion having a different polarity from the electrode portion is spaced apart from the first electrode portion. As
The current collector includes an opening communicating with the space;
The fuel cell assembly according to claim 3, wherein the opening is not disposed on the second electrode side.
前記集電部は前記内側面を内側の面として備える板状の平面部を備え、
前記開口部は前記平面部に開口される孔であることを特徴とする請求項4記載の燃料電池セル集合体。
The current collector includes a plate-like flat surface including the inner surface as an inner surface,
The fuel cell assembly according to claim 4, wherein the opening is a hole opened in the flat portion.
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