JP2014082201A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形の燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell device.
燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス、酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の単セル（燃料電池セル）をケーシング内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置のうち、固体酸化物形の燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、作動時の内部温度が７００度から１０００度近くにまで上昇する。このため、部品をシールする部材として、脆性材料（例えばガラス）からなるシール材が用いられる。下記特許文献１には、セラミック製又は金属製のセル支持板（マニホールド天板）と燃料電池セルとの間をガラスシール材でシールする燃料電池装置が開示され、下記特許文献２には、セラミック製の下支持板（マニホールド天板）と燃料電池セルとの間をガラスシール材でシールする燃料電池装置が開示され、下記特許文献３には、金属製の保持部材と燃料電池セルとをガラスシール材でシールする燃料電池装置が開示されている。
A plurality of single cells (fuel cell) that can obtain electric power using fuel gas (hydrogen-containing gas) and air (oxygen-containing gas, oxidant gas) are accommodated in the casing, Various fuel cell devices that generate power by supplying fuel gas and air have been proposed. Among such fuel cell devices, in the solid oxide fuel cell device (SOFC), the internal temperature during operation rises from 700 degrees to nearly 1000 degrees. For this reason, a sealing material made of a brittle material (for example, glass) is used as a member for sealing the component. The following
複数の単セルが互いに略平行な状態でマニホールドの上面に立設配置されており、隣り合う単セル同士が導電部材によって接続された構成の燃料電池装置においては、作動中、単セルとマニホールドとの接続部分に応力が集中し、当該部分が破損してしまうという問題が生じる場合がある。 In a fuel cell device in which a plurality of single cells are arranged upright on the upper surface of the manifold in a state of being substantially parallel to each other, and adjacent single cells are connected by a conductive member, There may be a problem that stress is concentrated on the connecting portion of the wire and the portion is damaged.
これは、複数の単セルを配列したセルスタックにおいては、配列の周囲よりも中央部分の方が高温となる傾向があるため、導電部材によって互いに接続（拘束）された状態のままで各単セルの熱膨張量に差が生じる結果、各単セルとマニホールドとの接続部分（単セルの下端）を中心に単セルが揺動してしまうことによるものである。当該揺動によって、単セルとマニホールドとの間に配置されたシール材が破損してしまうと、内部の燃料ガスが漏洩し、燃料電池装置の発電性能が低下してしまう。 This is because in a cell stack in which a plurality of single cells are arranged, the central portion tends to be hotter than the periphery of the arrangement, so that each single cell remains connected (constrained) by a conductive member. As a result of the difference in the amount of thermal expansion, the single cell oscillates around the connection portion (the lower end of the single cell) between each single cell and the manifold. If the sealing material disposed between the single cell and the manifold is damaged due to the swing, the internal fuel gas leaks, and the power generation performance of the fuel cell device is degraded.
上記のようなセルの揺動を防止するためには、導電部材によるセルの拘束が弱くなるように、導電部材の形状を容易に弾性変形し得るような形状（例えば、屈曲した板形状や蛇腹形状）とすることも考えられる。しかし、その場合には導電部材の電気抵抗が大きくなってしまうため、燃料電池装置の発電効率が低下してしまうという問題が生じてしまう。 In order to prevent the cell from swinging as described above, the shape of the conductive member can be easily elastically deformed (for example, a bent plate shape or a bellows) so that the restraint of the cell by the conductive member is weakened. Shape). However, in that case, since the electrical resistance of the conductive member increases, there arises a problem that the power generation efficiency of the fuel cell device decreases.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電効率を低下させることなく、シール材の破損を防止することのできる燃料電池装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell device capable of preventing the seal material from being damaged without lowering the power generation efficiency.
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、固体酸化物形の燃料電池装置であって、互いに略平行な状態で立設配置された複数の燃料電池セルと、それぞれの前記燃料電池セルの下端が固定されており、当該下端から前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、前記燃料電池セルと前記マニホールドとの間に配置された、脆性材料からなるシール材と、前記燃料電池セルの下端よりも上方側に配置され、隣り合う前記燃料電池セル同士を接続する導電部材と、前記導電部材の熱膨張に伴って前記燃料電池セルと前記マニホールドとの接続部分に生じる応力を緩和するための応力吸収部材と、を備え、前記応力吸収部材は、前記燃料電池セルと前記シール材との間、又は、前記シール材と前記マニホールドとの間のうち少なくとも一方に配置されており、高温時においては、前記燃料電池セルと前記マニホールドとの間における気密性を保ちながら、前記燃料電池セルが前記マニホールドに対して揺動することを許容するように変形するものであることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell device according to the present invention is a solid oxide fuel cell device, and includes a plurality of fuel cells arranged upright in a substantially parallel state to each other, and A lower end of the fuel battery cell is fixed, a manifold that supplies fuel gas from the lower end to the fuel battery cell, a sealing material that is disposed between the fuel battery cell and the manifold, and made of a brittle material, A conductive member that is disposed above the lower end of the fuel battery cell and connects the adjacent fuel battery cells, and is generated at a connection portion between the fuel battery cell and the manifold due to thermal expansion of the conductive member. A stress absorbing member for relieving stress, wherein the stress absorbing member is between the fuel cell and the sealing material or between the sealing material and the manifold. The fuel cell is allowed to swing with respect to the manifold while maintaining airtightness between the fuel cell and the manifold at a high temperature. It is characterized by being deformed.
本発明に係る燃料電池装置は、固体酸化物形の燃料電池装置であって、燃料電池セルとマニホールドとを備えている。 The fuel cell device according to the present invention is a solid oxide fuel cell device, and includes a fuel cell and a manifold.
燃料電池セルは複数備えられており、互いに略平行な状態で、後述のマニホールドの上に立設配置されている。燃料電池セルは所謂単セルと称されるものであって、それぞれが燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する。 A plurality of fuel cells are provided, and are arranged upright on a manifold, which will be described later, in a state substantially parallel to each other. The fuel cell is a so-called single cell, and each generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas.
マニホールドは、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための容器である。マニホールドは、その上面にそれぞれの燃料電池セルの下端が固定されており、当該下端から各燃料電池セルに燃料ガスを供給する。また、各燃料電池セルとマニホールドとの間には、脆性材料からなるシール材が配置されている。このようなシール材としては、例えばガラスやセラミックスが用いられる。 The manifold is a container for supplying fuel gas to the fuel cells. The lower end of each fuel cell is fixed to the upper surface of the manifold, and fuel gas is supplied to each fuel cell from the lower end. Further, a sealing material made of a brittle material is disposed between each fuel cell and the manifold. As such a sealing material, for example, glass or ceramics is used.
隣り合う燃料電池セル同士は、導電部材によって接続されている。導電部材は、燃料電池セルの下端よりも上方側に配置されており、燃料電池セル同士を機械的に且つ電気的に接続している。導電部材によって燃料電池セル同士が電気的に接続されているため、燃料電池セル全体（セルスタック）から高電圧の電力を出力することが可能となっている。 Adjacent fuel cells are connected by a conductive member. The conductive member is disposed above the lower end of the fuel cells, and mechanically and electrically connects the fuel cells. Since the fuel cells are electrically connected by the conductive member, it is possible to output high-voltage power from the entire fuel cell (cell stack).
ところで、このような構成の燃料電池装置においては、作動中、燃料電池セル毎の温度がばらつく結果、各燃料電池セルの熱膨張量に差が生じる。しかし、隣り合う燃料電池セル同士は導電部材によって互いに接続（拘束）された状態となっているため、熱膨張に伴って燃料電池セルが揺動し、燃料電池セルとマニホールドとの接続部分に応力が生じてしまうことがある。そこで、本発明に係る燃料電池装置では、このような応力を緩和するための応力吸収部材を更に備えている。 By the way, in the fuel cell device having such a configuration, the temperature of each fuel cell varies during operation, resulting in a difference in thermal expansion amount of each fuel cell. However, since adjacent fuel cells are connected (restrained) to each other by the conductive member, the fuel cells swing with thermal expansion, and stress is applied to the connection portion between the fuel cells and the manifold. May occur. Therefore, the fuel cell device according to the present invention further includes a stress absorbing member for relieving such stress.
応力吸収部材は、燃料電池セルとシール材との間、又は、シール材とマニホールドとの間のうち少なくとも一方に配置されている。高温時（燃料電池装置の作動中）において、応力吸収部材は、燃料電池セルとマニホールドとの間における気密性を保ちながら、燃料電池セルがマニホールドに対して揺動することを許容するように変形する。 The stress absorbing member is disposed at least one of between the fuel battery cell and the sealing material or between the sealing material and the manifold. At high temperatures (during operation of the fuel cell device), the stress absorbing member is deformed so as to allow the fuel cell to swing with respect to the manifold while maintaining airtightness between the fuel cell and the manifold. To do.
上記のように、熱膨張量の差に起因して燃料電池セルが揺動した場合には、当該揺動を許容するように応力吸収部材が変形するため、燃料電池セルとマニホールドとの接続部分における応力が確実に緩和される。その結果、シール材が破損して燃料ガスが漏洩してしまうようなことを防止することができる。 As described above, when the fuel cell swings due to the difference in thermal expansion amount, the stress absorbing member is deformed to allow the swing, so that the connecting portion between the fuel cell and the manifold The stress at is reliably relieved. As a result, it is possible to prevent the fuel gas from leaking due to breakage of the sealing material.
また、導電部材の形状を、容易に弾性変形し得るような形状とする必要はなく、例えば単純な平板状とすることができる。このため、導電部材の電気抵抗が大きくなってしまうことはなく、燃料電池装置の発電効率が低下してしまうという問題が生じることはない。 Further, the shape of the conductive member does not have to be a shape that can be easily elastically deformed, and can be a simple flat plate, for example. For this reason, the electric resistance of the conductive member does not increase, and the power generation efficiency of the fuel cell device does not decrease.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記シール材と前記応力吸収部材とが上下方向に積層されており、その積層面が水平となっていることも好ましい。 In the fuel cell device according to the present invention, it is also preferable that the sealing material and the stress absorbing member are stacked in the vertical direction, and the stacked surface is horizontal.
シール材や応力吸収部材は、燃料電池セルを下方から支えており、これらには鉛直方向に沿った力（重力）が常に加えられている。このため、燃料電池装置の作動中、応力吸収部材が高温である状態が長時間継続された場合には、応力吸収部材が重力の影響によって次第に変形してしまうことが考えられる。 The sealing material and the stress absorbing member support the fuel cell from below, and a force (gravity) along the vertical direction is always applied thereto. For this reason, when the state in which the stress absorbing member is at a high temperature is continued for a long time during the operation of the fuel cell device, the stress absorbing member may be gradually deformed due to the influence of gravity.
特に、シール材と応力吸収部材との積層面が水平面に対して傾斜している場合（又は垂直な場合）には、応力吸収部材には積層面に沿ったせん断力が加わるため、燃料電池セルが少しずつ下方に沈み込んでしまうことが考えられる。 In particular, when the laminated surface of the sealing material and the stress absorbing member is inclined (or vertical) with respect to the horizontal plane, a shearing force is applied to the stress absorbing member along the laminated surface. May sink down gradually.
そこで、この好ましい態様では、シール材と応力吸収部材とが上下方向に積層されており、その積層面が水平となっている。このため、応力吸収部材に加えられる重力の方向は、積層面に対して垂直となる。すなわち、応力吸収部材には重力による（積層面に沿った）せん断力が殆ど加えられない。その結果、燃料電池セルが少しずつ下方に沈み込んでしまうような現象が生じることもない。 Therefore, in this preferred embodiment, the sealing material and the stress absorbing member are laminated in the vertical direction, and the laminated surface is horizontal. For this reason, the direction of gravity applied to the stress absorbing member is perpendicular to the laminated surface. That is, almost no shear force due to gravity (along the laminated surface) is applied to the stress absorbing member. As a result, a phenomenon that the fuel battery cell sinks downward little by little does not occur.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記燃料電池セルの下端には金属部材が接続されており、前記金属部材のうち、前記応力吸収部材又は前記シール材に対して接合される部分の面積は、前記燃料電池セルの下端面の面積よりも大きいことも好ましい。 In the fuel cell device according to the present invention, a metal member is connected to a lower end of the fuel cell, and an area of a portion of the metal member that is joined to the stress absorbing member or the sealing material. Is preferably larger than the area of the lower end surface of the fuel cell.
この好ましい態様では、燃料電池セルの下端には金属部材が接続されている。この金属部材のうち、応力吸収部材又はシール材に対して接合される部分の面積、すなわち、金属部材に対して下方側から接合される部材との接合面積は、燃料電池セルの下端面の面積よりも大きい。燃料電池セルの下端がより広い面積で支えられるため、燃料電池セルを安定させることができ、燃料電池セルの揺動に伴うシール不良（シール材の破損等）を更に抑制することができる。 In this preferred embodiment, a metal member is connected to the lower end of the fuel cell. Of this metal member, the area of the portion joined to the stress absorbing member or the sealing material, that is, the joint area with the member joined from the lower side to the metal member is the area of the lower end surface of the fuel cell. Bigger than. Since the lower end of the fuel battery cell is supported by a wider area, the fuel battery cell can be stabilized, and seal failure (breakage of the sealing material, etc.) accompanying the oscillation of the fuel battery cell can be further suppressed.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記金属部材は、下方に向かって延びるように形成された延長部を有しており、前記マニホールドの上面には、ぞれぞれの前記燃料電池セルに対応した開口が形成されており、前記燃料電池セルは、前記延長部が前記開口に挿入された状態で前記マニホールドに固定され、前記延長部の側面と前記開口の縁との間には隙間が形成されていることも好ましい。 In the fuel cell device according to the present invention, the metal member has an extension portion formed to extend downward, and the upper surface of the manifold has each of the fuel cell units. The fuel cell is fixed to the manifold with the extension portion inserted into the opening, and a gap is formed between the side surface of the extension portion and the edge of the opening. It is also preferable that is formed.
この好ましい態様では、金属部材が、下方に向かって延びるように形成された延長部を有している。また、マニホールドの上面には、ぞれぞれの燃料電池セルに対応した開口が形成されている。燃料電池セルは、金属部材の延長部がマニホールドの開口に挿入された状態で、マニホールドに固定される。 In this preferred embodiment, the metal member has an extension portion formed so as to extend downward. In addition, openings corresponding to the respective fuel cells are formed on the upper surface of the manifold. The fuel battery cell is fixed to the manifold in a state where the extension portion of the metal member is inserted into the opening of the manifold.
このような構成により、燃料電池装置の内部が高温になり、燃料電池セルや導電部材等が熱膨張した場合であっても、燃料電池セルの下端位置が水平方向に大きく変位してしまうこと（位置ずれ）が防止される。 With such a configuration, even when the inside of the fuel cell device becomes high temperature and the fuel cell or the conductive member is thermally expanded, the lower end position of the fuel cell is greatly displaced in the horizontal direction ( Misalignment) is prevented.
また、延長部の側面と開口の縁との間には隙間が形成されている。燃料電池セルがある程度揺動するための自由度が確保されるため、高温時における金属部材やマニホールドの破損が防止される。 Further, a gap is formed between the side surface of the extension and the edge of the opening. Since the degree of freedom for the fuel cell to swing to some extent is ensured, damage to the metal member and the manifold at high temperatures is prevented.
また、本発明に係る燃料電池装置では、前記応力吸収部材は銀であることが好ましい。 In the fuel cell device according to the present invention, the stress absorbing member is preferably silver.
応力吸収部材として銀を用いた場合には、ＳＯＦＣの運転温度である７００℃近傍でも応力吸収部材が融解してしまうことはなく、燃料電池セルとマニホールドとの間における気密性を保つことができる。また、燃料電池セルがその下端を中心に揺動した場合であっても、応力吸収部材は（銀の延性により）容易に変形するため、シール材が破損して燃料ガスが漏洩してしまうようなことがない。 When silver is used as the stress absorbing member, the stress absorbing member does not melt even near the SOFC operating temperature of 700 ° C., and the airtightness between the fuel cell and the manifold can be maintained. . Even when the fuel cell is swung around its lower end, the stress absorbing member is easily deformed (due to the ductility of silver), so that the sealing material breaks and the fuel gas leaks. There is nothing.
本発明によれば、発電効率を低下させることなく、シール材の破損を防止することのできる燃料電池装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell apparatus which can prevent the failure | damage of a sealing material can be provided, without reducing electric power generation efficiency.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.
最初に、図１を参照しながら、本発明の実施形態である燃料電池装置について説明する。図１に示す燃料電池装置２は、固体酸化物形燃料電池ユニットの一部を構成するものである。この固体酸化物形燃料ユニットは、燃料電池装置２と、補機ユニット（図示せず）とを備える。
First, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A
図１においては、燃料電池装置２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池装置２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池装置２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。
In FIG. 1, the height direction of the
燃料電池装置２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２とを備える。ケーシング５６の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。
The
被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスが燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。
The to-be-reformed
続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池装置２の内部について説明する。図２は、燃料電池装置２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。図３は、燃料電池装置２をその中央近傍において図１のＢ方向から見た断面図である。図４は、図１に示す燃料電池装置２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。
Next, the inside of the
図２〜図４に示すように、燃料電池装置２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８（ガスマニホールド）側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とを混合するためのものである。
In the present embodiment, an evaporating mixer (not explicitly shown) for evaporating the water supplied from the
被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
The reformed
改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。
The
改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。
The upper end of the
図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。燃料ガスタンク６８は、以下のようにして各燃料電池セルに燃料ガスを分配供給する。燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の***（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の***（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料ガスタンク６８の一部である保持部３０の開口を通過した後、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
続いて、図５を参照しながら、燃料電池セルユニット１６について説明する。図５は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。
Next, the
図５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。
As shown in FIG. 5, the
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内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層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。
The
燃料電池セルユニット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、下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の下部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと下端面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の下端面９０ｃと直接接触することで内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、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。内側電極端子８６及び導電性のシール材９６により、燃料電池セル８４の端部を覆う導電性のキャップ部３６を構成する。
Since the
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
電解質層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
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
続いて、図６を参照しながら、燃料電池セルスタック１４について説明する。図６は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。
Next, the
図６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、金属製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ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（開口）がそれぞれ形成されている。
As shown in FIG. 6, the
さらに、燃料電池セルユニット１６のうち上方側の部分には、集電体１０２が取り付けられている。この集電体１０２は、隣り合う燃料電池セルユニット１６同士を電気的且つ機械的に接続するものである。集電体１０２は、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、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面と、を電気的且つ機械的に接続している。
Further, a
さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外側電極層９２に接続されている。その結果、１６０本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。
Further, the
このように、燃料電池セルユニット１６の下端（燃料ガスタンク６８との接続部）よりも上方側には、集電体１０２及び外部端子１０４が配置されており、これらによって、隣り合う燃料電池セルユニット１６同士が電気的且つ機械的に接続されている。すなわち、集電体１０２及び外部端子１０４は、本発明の導電部材に該当する。
As described above, the
燃料電池セルユニット１６は、燃料ガスタンク上板６８ａ上に配置された保持部３０に対して、その下端が固定されている。保持部３０には、上下方向に貫く貫通孔が形成されており、当該貫通孔を介して、燃料ガスタンク６８の内部空間と燃料ガス流路９８とが連通している。
The lower end of the
保持部３０は、燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６を燃料ガスタンク上板６８ａの貫通穴に挿入して固定する際に用いる部材である。つまり、保持部３０は、燃料電池セルユニット１６を燃料ガスタンク６８に保持する部材として用いられる。
The holding
図７を参照しながらキャップ部３６及び保持部３０について説明する。図７は、本発実施形態のキャップ部３６及び保持部３０を示す部分断面図である。キャップ部３６を含む燃料電池セルユニット１６と保持部３０とにより、燃料電池セルモジュール１７を構成する。
The
図７に示すように、キャップ部３６と保持部３０との間には、シール部３２が配置される。シール部３２は、燃料ガスの漏洩を防止するために、燃料電池セルユニット１６と燃料ガスタンク６８との間をシールする（気密にする）ものである。シール部３２の材料としては、ガラスやセラミックス等の脆性材料を用いることができる。ここで、「ガラス」とは、非晶質ガラス、結晶化ガラス、及び非晶質と結晶質が混在したガラスを含む概念である。また、「非晶質ガラス」とは、ガラス転移を示す（ガラス転移Tgを有する）非晶質（狭義のガラス）のみならず、ガラス転移を示さない非晶質のものも含む概念である。
As shown in FIG. 7, a
ところで、以上のような構成の燃料電池装置２においては、作動中、燃料電池セルユニット１６毎の温度がばらつく結果、各燃料電池セルユニット１６の熱膨張量に差が生じる。しかし、隣り合う燃料電池セルユニット１６同士は導電部材（集電体１０２、外部端子１０４）によって互いに接続（拘束）された状態となっているため、熱膨張に伴って燃料電池セルユニット１６が揺動し、燃料ガスタンク６８との接続部分（燃料電池セルユニット１６の下端）を中心に燃料電池セルユニット１６が揺動してしまう場合がある。その結果、燃料電池セルユニット１６と燃料ガスタンク６８との接続部分に応力が集中して、当該接続部分（特にシール部３２）が破損してしまい、内部から燃料ガスが漏洩してしまうことが考えられる。
By the way, in the
また、シール部３２の材料となるガラスやセラミックスは、キャップ部３６の材料となる金属に比べて熱膨張係数が小さく、ヤング率も小さいという特性がある。そのため、キャップ部３６と保持部３０との間をシール部３２のみでシールした場合には、燃料電池の運転時等における高温下でシール部３２とキャップ部３６との熱膨張差が大きくなり、シール部３２とキャップ部３６との間に発生する応力が更に大きくなってしまう。
Further, the glass or ceramic used as the material of the
そこで、燃料電池装置２では、シール部３２とキャップ部３６との間に緩衝部３４を配置することにより、上記のような応力の発生を抑制している。図７に示したように、シール部３２と緩衝部３４とは上下方向に積層されており、その積層面は水平となっている。
Therefore, in the
緩衝部３４は、燃料電池セルユニット１６と燃料ガスタンク６８との接続部分に生じる応力を吸収するために、シール部３２とキャップ部３６との間に配置された金属部材である。緩衝部３４の材料としては、銀、銀を主成分とする合金、銀や銀を主成分とする合金に金属酸化物を少量（数質量％）添加した材料、金、白金のように延性の高い金属を適用することができる。このような材料を用いることで、運転温度の高い固体酸化物型燃料電池装置２の運転時の温度分布においても、安定して、シール部３２に発生した応力を吸収することができる。
The
高温時（燃料電池装置２の作動中）において、緩衝部３４は、燃料電池セルユニット１６と燃料ガスタンク６８との間における気密性を保ちながら、燃料電池セルユニット１６が燃料ガスタンク６８に対して揺動することを許容するように変形する。
When the temperature is high (while the
上記のように、熱膨張量の差に起因して燃料電池セルユニット１６が揺動した場合には、当該揺動を許容するように緩衝部３４が変形するため、燃料電池セルユニット１６と燃料ガスタンク６８との接続部分における応力が確実に緩和される。その結果、シール部３２が破損して燃料ガスが漏洩してしまうようなことが防止される。
As described above, when the
また、導電部材（集電体１０２、外部端子１０４）の形状を、容易に弾性変形し得るような形状とする必要はなく、図６に示したような単純な平板状とすることができる。このため、導電部材（集電体１０２、外部端子１０４）の電気抵抗が大きくなってしまうことはなく、燃料電池装置２の発電効率が低下してしまうという問題が生じることはない。
Further, the shape of the conductive member (the
緩衝部３４の材料としては、キャップ部３６の材料となる金属やシール部３２の材料となるガラスよりも柔らかい材料であって、高温時にキャップ部３６とシール部３２とが熱膨張しても、双方の熱膨張に追従しながら変形可能な材料（緩衝材）から選定されるのが望ましい。
The material of the
キャップ部３６の下面のうち、緩衝部３４と接合される部分である被接合部３７の面積は、燃料電池セル８４の下端面９０ｃの面積よりも大きくなっている。このため、燃料電池セル８４の下端面９０ｃからシール部３２へと伝わる力が分散される。また、燃料電池セル８４の下端がより広い面積で支えられるため、燃料電池セル８４を安定させることができ、燃料電池セル８４の揺動に伴うシール不良（シール部３２の破損等）が更に抑制されている。
Of the lower surface of the
キャップ部３６は、下方に向かって延びるように形成された延長部３８を有している。延長部３８は円筒形状であって、その中心軸が燃料電池セル８４の中心軸と一致している。また、延長部３８の直径（外径）は、保持部３０に形成された開口の直径（内径）よりも僅かに小さい。燃料電池セルユニット１６は、延長部３８が保持部３０の開口内に挿入された状態で、燃料ガスタンク６８の上面に固定されている。
The
このような構成により、燃料電池装置２の内部が高温になり、燃料電池セルユニット１６や導電部材（集電体１０２、外部端子１０４）等が熱膨張した場合であっても、燃料電池セルユニット１６の下端位置が水平方向に大きく変位してしまうこと（位置ずれ）がない。
With such a configuration, even when the inside of the
また、延長部３８の側面と保持部３０の開口の縁（内側面）との間には不図示の隙間が形成されている。このような構成により、燃料電池セルユニット１６がある程度揺動するための自由度が確保されるため、高温時におけるキャップ部３６や燃料ガスタンク６８（保持部３０）の破損が防止される。
Further, a gap (not shown) is formed between the side surface of the
また、例えば、運転中にセルスタック内に温度分布が発生して燃料電池セル８４が応力を受け、燃料電池セル８４が傾いたり、動いたりした際に、キャップ部３６は燃料電池セル８４に固定されているため、燃料電池セル８４の姿勢の変化とともにキャップ部３６の延長部３８も傾こうとするが、延長部３８は保持部３０の開口に嵌合されているため、保持部３０によって延長部３８の姿勢の変化が妨げられる。さらに、延長部３８の根元側（燃料電池セル８４側）よりも先端側（保持部３０側）の方が燃料電池セル８４の姿勢の変化に伴う変化が大きく影響するが、姿勢の変化が大きい先端側は保持部３０で保持されており、姿勢の変化が小さい根元側にシール部３２が配置されているため、シール部３２には応力がかからず、燃料電池セル８４の姿勢の変化は、保持部３０で抑えることができる。このようにして、燃料電池セル８４の姿勢の変化を抑制することができるため、シール部３２に発生する応力を抑制し、シール部３２の破損を防ぐことができる。
Further, for example, when the temperature distribution is generated in the cell stack during operation and the
燃料電池セルモジュール１７を製造する際に、緩衝部３４を形成する方法について、以下に説明する。
A method of forming the
最初に、キャップ部３６に銀ペーストを塗布する等して緩衝部３４としての層を形成する。続いて、緩衝部３４としての層を挟むようにキャップ部３６とシール部３２とを配置して接合する。これにより、図７で示す本実施形態のように、キャップ部３６とシール部３２との間に緩衝部３４を形成することができる。
First, a layer as the
ところで、緩衝部３４を形成する際に、シール部３２側ではなく、キャップ部３６側に銀ペーストを塗布することで、キャップ部３６とシール部３２との間の接着強度を高めることができる。これは、金属製のキャップ部３６の表面粗さが、ガラス製のシール部３２の表面粗さよりも大きいことによる。
By the way, when the
より詳細に説明すると、シール部３２側に銀ペーストを塗布してからキャップ部３６を接合した場合には、図８に示すように、キャップ部３６と緩衝部３４とが対向する領域に、キャップ部３６と緩衝部３４とがキャップ部３６表面上の凸凹の頂点で接触する点接触領域が形成される。
More specifically, when the
これに対して、キャップ部３６側に銀ペーストを塗布してからシール部３２を接合した場合には、キャップ部３６表面上の凸凹を、柔らかい銀ペーストで埋めながら緩衝部３４を形成することができる。したがって、この場合には、図９に示すように、キャップ部３６と緩衝部３４とが対向する領域に、キャップ部３６と緩衝部３４とがしっかりとくっつく密着領域を形成することができる。
On the other hand, when the
また、キャップ部３６側に銀ペーストを塗布してからシール部３２を接合することで、シール部３２と緩衝部３４との間に点接触領域が形成されたとしても、燃料電池運転時における高温により、シール部３２が軟化するため、シール部３２と緩衝部３４との間に、シール部３２と緩衝部３４とがしっかりとくっつく密着領域を形成することができる。
Even if a point contact region is formed between the
このようにキャップ部３６と緩衝部３４とがしっかりとくっつく密着領域を形成することにより、燃料電池セルユニット１６と燃料ガスタンク６８との間の気密性をしっかりと保持することができる。
Thus, by forming the contact | adherence area | region where the
また、図１２（Ａ）のように、保持部３０の上面に銀ペーストを塗布する等して緩衝部３４としての層を形成し、続いて、緩衝部３４としての層を挟むように保持部３０とシール部３２とを配置して接合するようにしてもよい。これにより、保持部３０とシール部３２との間に緩衝部３４を形成することができる。この場合にも上述した実施形態において説明したのと同様、保持部３０の表面粗さが、ガラス製のシール部３２の表面粗さよりも大きいため、保持部３０と緩衝部３４との間に密着領域を形成することができる。密着領域を形成することにより、燃料電池セルユニット１６と燃料ガスタンク６８との間の気密性をしっかりと保持することができる。
Further, as shown in FIG. 12A, a layer as the
さらに、図１２（Ｂ）で示すように、キャップ部３６の下面と保持部３０の上面の両方に銀ペーストを塗布する等して、それぞれ緩衝部３４としての層を形成し、続いて緩衝部３４としての層を挟むようにキャップ部３６とシール部３２と保持部３０との間に緩衝部３４を形成することもできる。この場合には、キャップ部３６と緩衝部３４との間と、保持部３０と緩衝部３４との間と、の両側にそれぞれ密着領域を形成することができるため、より一層燃料電池セルユニット１６と燃料ガスタンク６８との間の気密性をしっかりと保持することができる。
Further, as shown in FIG. 12B, a layer as a
続いて、図２〜図４及び図１０、図１１を参照しながら、発電用空気を燃料電池装置２の内部へ供給するための構造を説明する。図１０は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図１１は、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。
Next, a structure for supplying power generation air to the inside of the
熱交換器２２の上面における一端側（図３及び図１１における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（図示しない）から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
A power generation
熱交換器２２の上側の他端側（図３及び図１１における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池装置２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。
As shown in FIG. 2, a pair of
したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、上方側に流れる。
Therefore, power generation air is supplied to the power generation
続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、整流板２１に至る。整流板２１には、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
Subsequently, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air will be described. The combustion gas generated above the
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.
２：燃料電池装置
１０：発電室
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
１７：燃料電池セルモジュール
１８：燃焼室
２０：改質器
２１：整流板
２１ａ：開口
２２：熱交換器
３０：保持部
３２：シール部
３４：緩衝部
３６：キャップ部
３７：被接合部
３８：延長部
５６：ケーシング
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク
６８ａ：燃料ガスタンク上板
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７４：発電用空気導入管
７６：連絡流路
７６ａ：出口ポート
７７：発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ：吹出口（気流生成部）
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：下部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：下端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
１００：上支持板
１０２：集電体
１０４：外部端子
2: Fuel cell device 10: Power generation chamber 12: Fuel cell assembly 14: Fuel cell stack 16: Fuel cell unit 17: Fuel cell module 18: Combustion chamber 20: Reformer 21: Rectifying
82: Combustion gas discharge pipe 84: Fuel cell 86: Inner electrode terminal 88: Fuel gas flow path 90:
Claims (5)
互いに略平行な状態で立設配置された複数の燃料電池セルと、
それぞれの前記燃料電池セルの下端が固定されており、当該下端から前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、
前記燃料電池セルと前記マニホールドとの間に配置された、脆性材料からなるシール材と、
前記燃料電池セルの下端よりも上方側に配置され、隣り合う前記燃料電池セル同士を接続する導電部材と、
前記導電部材の熱膨張に伴って前記燃料電池セルと前記マニホールドとの接続部分に生じる応力を緩和するための応力吸収部材と、を備え、
前記応力吸収部材は、
前記燃料電池セルと前記シール材との間、又は、前記シール材と前記マニホールドとの間のうち少なくとも一方に配置されており、
高温時においては、前記燃料電池セルと前記マニホールドとの間における気密性を保ちながら、前記燃料電池セルが前記マニホールドに対して揺動することを許容するように変形するものであることを特徴とする燃料電池装置。 A solid oxide fuel cell device comprising:
A plurality of fuel cells arranged upright in a substantially parallel state;
A lower end of each of the fuel cells is fixed, a manifold for supplying fuel gas from the lower end to the fuel cells,
A sealing material made of a brittle material, disposed between the fuel cell and the manifold;
A conductive member disposed above the lower end of the fuel cell and connecting the adjacent fuel cells; and
A stress absorbing member for relieving stress generated in a connection portion between the fuel battery cell and the manifold in association with thermal expansion of the conductive member,
The stress absorbing member is
Between the fuel cell and the seal material, or at least one of the seal material and the manifold,
The fuel cell is deformed to allow the fuel cell to swing with respect to the manifold while maintaining airtightness between the fuel cell and the manifold at a high temperature. A fuel cell device.
前記金属部材のうち、前記応力吸収部材又は前記シール材に対して接合される部分の面積は、前記燃料電池セルの下端面の面積よりも大きいことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。 A metal member is connected to the lower end of the fuel cell,
3. The fuel according to claim 2, wherein an area of a portion of the metal member joined to the stress absorbing member or the sealing material is larger than an area of a lower end surface of the fuel cell. Battery device.
前記マニホールドの上面には、ぞれぞれの前記燃料電池セルに対応した開口が形成されており、
前記燃料電池セルは、前記延長部が前記開口に挿入された状態で前記マニホールドに固定され、
前記延長部の側面と前記開口の縁との間には隙間が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池装置。 The metal member has an extension formed to extend downward,
An opening corresponding to each of the fuel cells is formed on the upper surface of the manifold,
The fuel cell is fixed to the manifold with the extension portion inserted into the opening,
The fuel cell device according to claim 3, wherein a gap is formed between a side surface of the extension and an edge of the opening.
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