JP2526390B2 - Solid electrolyte fuel cell power generator - Google Patents
Solid electrolyte fuel cell power generatorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体電解質燃料電池発電装置に関し、特
に、液体金属を用いてスタックとマニホールドとを密封
する構造を有する固体電解質燃料電池に関するものであ
る。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid oxide fuel cell power generator, and more particularly to a solid oxide fuel cell having a structure in which a stack and a manifold are sealed with a liquid metal. is there.
従来、固体電解質燃料電池発電装置として、要部が第
３図に示すような構造の装置が知られている。この固体
電解質燃料電池発電装置は、酸化物イオン導電体（固体
電解質）膜をガス透過性の良好な電極膜で挟んだ構成の
薄膜状燃料電池素子すなわち単セルを多孔性基体管外表
面上に１個もしくは多数個直列に接続した状態で一体的
に形成してなる燃料電池スタック１を１本以上有し、該
スタック１の基体管内部に燃料ガスを流し、外部雰囲気
を例えば空気などの酸化ガスとする構成の装置である。
前記単セルにおいて電解質膜を挟んでいる電極膜の一方
は燃料電極（アノード）であり、内側の基体管表面側に
位置し、他方の電極膜は酸素電極（カソード）であり、
外部雰囲気側に位置している。これら電極膜は、酸化ニ
ッケルあるいはペロブスカイト型のランタンコバルトオ
キサイドのような酸化物の膜で形成されており、その厚
さは100〜200μｍである。前記単セルの基体管外表面へ
の設置は、例えば、基体管外表面上に、フラズマ溶射法
を用いて、電極、電解質などの電池要素を直接パターン
形成することにより、行われる。この単セルの基体管外
表面への形成は、塗布などの他の周知の方法によって
も、実現される。2. Description of the Related Art Conventionally, as a solid oxide fuel cell power generation device, a device whose main part has a structure shown in FIG. 3 is known. This solid electrolyte fuel cell power generation device is a thin film fuel cell element, that is, a single cell having a structure in which an oxide ion conductor (solid electrolyte) film is sandwiched between electrode films having good gas permeability, on the outer surface of a porous substrate tube. There is one or more fuel cell stacks 1 integrally formed in a state where they are connected in series, and a fuel gas is caused to flow inside the substrate tube of the stack 1 to oxidize an external atmosphere such as air. This is a device configured to use gas.
One of the electrode films sandwiching the electrolyte membrane in the single cell is a fuel electrode (anode), is located on the inner surface of the base tube, and the other electrode film is an oxygen electrode (cathode),
It is located on the outside atmosphere side. These electrode films are formed of oxide films such as nickel oxide or perovskite type lanthanum cobalt oxide, and have a thickness of 100 to 200 μm. The installation of the unit cell on the outer surface of the base tube is performed, for example, by directly patterning battery elements such as electrodes and electrolytes on the outer surface of the base tube by using the plasma spraying method. The formation of the single cell on the outer surface of the base tube can be realized by other well-known methods such as coating.
この円筒状燃料電池スタック１は、酸化ガスとして空
気を満たす装置のハウジング内に収納されている。スタ
ック１は、窒化ボロン（BN）製のキャップ状のマニホー
ルド６によりその上下をハウジングに固定されるととも
に、その上下開口部をハウジング外に連通させており、
例えば、上部から燃料ガスを導入し、下方から排ガスお
よび反応の結果生じた水を排出するようになっている。
前記マニホールド６は、燃料電池スタック１に供給され
る前にこれらのガスが混合しないように充分なシールを
必要とする。そのために、スタック１とマニホールド６
との間にセメントを詰めることによりガスシールを施し
ていた。また、前記ハウジングの上下端の外周には冷却
水路７が設けられており、ここに冷却水を流すことによ
り、セメントを冷却するようになっている。The cylindrical fuel cell stack 1 is housed in a housing of a device that fills air with an oxidizing gas. The stack 1 has its upper and lower parts fixed to the housing by a cap-shaped manifold 6 made of boron nitride (BN), and its upper and lower opening parts communicate with the outside of the housing.
For example, fuel gas is introduced from the upper part, and exhaust gas and water resulting from the reaction are discharged from the lower part.
The manifold 6 needs a sufficient seal so that these gases do not mix before being supplied to the fuel cell stack 1. To that end, stack 1 and manifold 6
A gas seal was made by filling cement between and. A cooling water passage 7 is provided on the outer periphery of the upper and lower ends of the housing, and the cement is cooled by flowing cooling water there.
なお、以下において、固体電解質燃料電池発電装置
を、特に区別の必要のない限り、単に燃料電池と記し、
記載を簡略化する。In the following, the solid oxide fuel cell power generation device will be simply referred to as a fuel cell unless otherwise specified.
The description will be simplified.
しかしながら、燃料電池は一般に1000℃近傍の温度で
動作するため、スタック１とマニホールド６との間に詰
めたセメントの温度が上昇するので、従来のマニホール
ド構造においては、詰めたセメントの劣化を防止するた
めにセメントを冷却することが必要であった。However, since the fuel cell generally operates at a temperature of around 1000 ° C., the temperature of the cement packed between the stack 1 and the manifold 6 rises, so that in the conventional manifold structure, deterioration of the packed cement is prevented. For this reason it was necessary to cool the cement.
また、燃料電池が動作する際、マニホールド６とスタ
ック１が熱膨張し、熱膨張係数の差によってマニホール
ド６とスタック１との間に隙間が発生してしまうこと、
セメントに存在する気孔のためにガスリークを完全に防
止することはできなかった。このため、スタック１に供
給される燃料ガスの利用率が低下するという問題点、漏
れた燃料ガスが燃焼するために、マニホールド６および
スタック１の、セメントでシールされた部分が破壊して
しまうという問題点があった。Further, when the fuel cell operates, the manifold 6 and the stack 1 thermally expand, and a gap is generated between the manifold 6 and the stack 1 due to the difference in thermal expansion coefficient.
Gas leaks could not be completely prevented due to the pores present in the cement. For this reason, there is a problem that the utilization rate of the fuel gas supplied to the stack 1 is reduced, and the leaked fuel gas is burned, so that the portions of the manifold 6 and the stack 1 which are sealed with cement are destroyed. There was a problem.
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、ガスシール
構造を簡略化しかつ供給されるガスの利用率を向上させ
たマニホールド構造を有する固体電解質燃料電池を提供
することにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a solid electrolyte fuel cell having a manifold structure in which the gas seal structure is simplified and the utilization rate of the supplied gas is improved.
このような目的を達成するために、本発明は、ガス供
給・排気のための開口端を有する燃料電池スタックと、
液体金属が満たされかつ前記開口端がこの液体金属に浸
漬されているマニホールドとを備えたことを特徴とす
る。In order to achieve such an object, the present invention provides a fuel cell stack having open ends for gas supply and exhaust,
A manifold filled with liquid metal and having the open end immersed in the liquid metal.
本発明に関わる燃料電池ガスシール構造は、燃料電池
スタック、マニホールドおよび液体金属から構成され
る。The fuel cell gas seal structure according to the present invention is composed of a fuel cell stack, a manifold and a liquid metal.
本発明においては、液体金属がスタック開口端管壁を
濡らしているので、この液体金属がガスのリークを防止
するシール材として作用する。このため、従来のガスシ
ール構造では不可能であったスタック管壁とマニホール
ドのすり合わせ部に沿って発生するガスリークを防止す
ることが可能となる。In the present invention, since the liquid metal wets the stack opening end tube wall, the liquid metal acts as a seal material for preventing gas leakage. For this reason, it becomes possible to prevent a gas leak that occurs along the abutting portion between the stack pipe wall and the manifold, which is impossible with the conventional gas seal structure.
また、本発明においては、燃料電池を動作させる際の
高温による熱膨張によりスタックの長さが液体金属中に
伸びてスタックが浸潤する長さが増加する。このため、
熱膨張によって発生するシール部分の剥離などのために
起こるガスシール機能の劣化は完全に防止することがで
きる。Further, in the present invention, the length of the stack extends into the liquid metal due to thermal expansion due to the high temperature when the fuel cell is operated, and the length that the stack infiltrates increases. For this reason,
It is possible to completely prevent the deterioration of the gas seal function caused by the peeling of the seal portion caused by thermal expansion.
本発明においてはハニカム構造あるいは格子構造のガ
ス供給排気マニホールド構造となっている。このため、
マニホールドをセラミックスで形成することにより、各
スタックを電気的に相互に絶縁することが可能である。
また、隣合うマニホールドの壁を低くし、液体金属がこ
の壁を越えるようにすれば、隣合うスタック同士を容易
に電気的に接続することができる。In the present invention, a gas supply / exhaust manifold structure having a honeycomb structure or a lattice structure is adopted. For this reason,
By forming the manifold with ceramics, it is possible to electrically insulate each stack from each other.
Also, by lowering the walls of the adjacent manifolds so that the liquid metal can cross the walls, it is possible to easily electrically connect the adjacent stacks.
また、複数のマニホールドがハニカム状あるいは格子
状に並べられているので、マニホールドに収められてい
る各スタックの位置決めを容易にかつ正確に行うことが
できる。このため、スタック同士が接触するのを防止す
ることができ、スタック同士の接続を確実に行うことが
できる。Further, since the plurality of manifolds are arranged in a honeycomb shape or a lattice shape, each stack housed in the manifold can be easily and accurately positioned. Therefore, it is possible to prevent the stacks from coming into contact with each other, and it is possible to reliably connect the stacks.
さらに、本発明においては、マニホールドにガイドパ
イプを設けることにより、燃料ガスの供給および排気を
容易に行うことができる。また、このガイドパイプによ
ってスタックの位置を正確に固定し、振動などによって
スタックの位置がずれることはない。Further, in the present invention, by providing the guide pipe in the manifold, it is possible to easily supply and exhaust the fuel gas. Further, the position of the stack is accurately fixed by this guide pipe, and the position of the stack does not shift due to vibration or the like.
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第１図は、本発明の実施例を示す。本実施例において
は単セルの内側に水素あるいは炭化水素などの燃料を、
単セルの外側に空気を流す場合、すなわち燃料電池が発
電の状態にある場合について説明する。この場合、スタ
ックの内側に燃料を、スタックの外側に空気を流すこと
になる。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In this embodiment, a fuel such as hydrogen or hydrocarbon is used inside the single cell,
A case where air flows to the outside of the single cell, that is, a case where the fuel cell is in a power generating state will be described. In this case, fuel will flow inside the stack and air will flow outside the stack.
燃料ガスは燃料ガス通路３を経由し、ガイドパイプ５
を介して燃料電池スタック１に供給される。ガイドパイ
プ５は耐熱温度が1000℃以上のセラミックスあるいは耐
熱金属で作製されており、多数の孔が開けられている。
ガイドパイプ５によって、スタック１の端は自由支持と
されている。ガイドパイプ５はスタック１を形成する単
セル全てに均一に燃料ガスを供給するためのものであ
る。燃料ガスと空気との電気化学反応によって生じた水
は、スタック１の上方に吹き上げられて排出される。The fuel gas passes through the fuel gas passage 3 and the guide pipe 5
Is supplied to the fuel cell stack 1 via The guide pipe 5 is made of ceramics or heat-resistant metal having a heat resistant temperature of 1000 ° C. or higher, and has a large number of holes.
The end of the stack 1 is freely supported by the guide pipe 5. The guide pipe 5 is for uniformly supplying the fuel gas to all the unit cells forming the stack 1. Water generated by the electrochemical reaction between the fuel gas and air is blown up above the stack 1 and discharged.
スタック１の内側に供給される燃料ガスの圧力と、ス
タック１の外側に供給される空気の圧力との差によって
発生するガス差圧は数十〜数百mmH2Oである。この差圧
に起因して発生するスタック１の開口端からのガスリー
クを、マニホールド２とスタック１との間に貯溜された
液体金属４によって防止する。The gas differential pressure generated due to the difference between the pressure of the fuel gas supplied to the inside of the stack 1 and the pressure of the air supplied to the outside of the stack 1 is several tens to several hundreds mmH 2 O. Gas leakage from the open end of the stack 1 caused by this pressure difference is prevented by the liquid metal 4 stored between the manifold 2 and the stack 1.
ガスリークを防ぐための流動体として液体金属が適し
ているのは、スタック１の内外の差圧に対してはその重
量で十分に対応することができ、スタック１とマニホー
ルド２が熱膨張あるいは収縮した場合に両者の伸縮に対
して容易に対応することができ、また、セメントのよう
な固体を用いたガスシールではないのですり合わせがな
いという理由による。液体金属４としては、例えば銀ロ
ウのように融点800℃前後の金属を使用することができ
る。The reason why liquid metal is suitable as a fluid for preventing gas leakage is that the weight can sufficiently cope with the pressure difference between the inside and outside of the stack 1, and the stack 1 and the manifold 2 are thermally expanded or contracted. In this case, it is possible to easily deal with expansion and contraction of both, and because it is not a gas seal using a solid such as cement, there is no match. As the liquid metal 4, for example, a metal having a melting point of about 800 ° C. such as silver wax can be used.
第２図は本発明の実施例のマニホールドの一例を示す
図である。ハニカム状のマニホールド２をアルミナある
いは安定化ジルコニアなどのようなセラミックスで作製
し、燃料電池スタック１を第２図に示すようにガイドパ
イプ５に合せると、各マニホールド２に収められたスタ
ック１同士は電気的に絶縁された状態にある。そこで、
スタック１の外部に出力端子を取り出してスタック１同
士を容易に直列あるいは並列に接続することができる。FIG. 2 is a diagram showing an example of the manifold of the embodiment of the present invention. When the honeycomb-shaped manifold 2 is made of ceramics such as alumina or stabilized zirconia, and the fuel cell stack 1 is fitted to the guide pipe 5 as shown in FIG. It is in an electrically insulated state. Therefore,
The output terminals can be taken out of the stack 1 to easily connect the stacks 1 in series or in parallel.
マニホールド２を例えばNi−Cr合金のような耐熱金属
で作製した場合、スタック１は出力端子なしですべて電
気的に並列接続されるので、大電流を容易に得ることが
できる。第２図に示すマニホールド２はハニカム状であ
るが、これに限るものではなく、格子状であってもよ
い。When the manifold 2 is made of a heat-resistant metal such as Ni-Cr alloy, the stack 1 is electrically connected in parallel without any output terminal, so that a large current can be easily obtained. Although the manifold 2 shown in FIG. 2 has a honeycomb shape, it is not limited to this and may have a lattice shape.
以上説明したように、本発明においては、燃料電池ス
タックの開口端を液体金属中に浸す構造としたので、ガ
スシールが完全なものとなり、また、液体金属の流動性
のゆえにスタックの熱膨張による伸びを容易に吸収処理
できるので、機械的ストレスを生ずることなく、スタッ
クの破損を防止することができるという効果がある。As described above, in the present invention, since the open end of the fuel cell stack is soaked in the liquid metal, the gas seal is perfect, and due to the fluidity of the liquid metal, the thermal expansion of the stack causes Since the elongation can be easily absorbed, the stack can be prevented from being damaged without causing mechanical stress.
また、本発明においては、ハニカム状あるいは格子状
のマニホールド構造を採用しているので、スタックの集
積密度が向上するという効果がある。ハニカム構造にガ
スのガイドパイプを設けているので、スタックの位置を
正確に決定することができる。このため、スタックを集
積したときの各スタックの温度分布を均等にすることが
できるので、その発電動作のばらつきを少なくすること
ができる。さらに、スタックの端をガイドパイプにより
自由支持としているので、振動などに対してもストレス
を生ずることなく耐振性を獲得することができるという
効果がある。Further, in the present invention, since the honeycomb-shaped or lattice-shaped manifold structure is adopted, there is an effect that the stack integration density is improved. Since the gas guide pipe is provided in the honeycomb structure, the position of the stack can be accurately determined. Therefore, since the temperature distribution of each stack when the stacks are integrated can be made uniform, it is possible to reduce variations in the power generation operation. Further, since the end of the stack is freely supported by the guide pipe, there is an effect that vibration resistance can be obtained without causing stress against vibration and the like.
第１図は本発明の実施例を示す断面図、 第２図は本発明の実施例のマニホールドを示す図、 第３図は従来の固体電解質燃料電池のマニホールド構造
を示す断面図である。 １……燃料電池スタック、２……マニホールド、３……
燃料ガス通路、４……液体金属、５……ガイドパイプ。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a drawing showing a manifold of an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view showing a manifold structure of a conventional solid oxide fuel cell. 1 ... Fuel cell stack, 2 ... Manifold, 3 ...
Fuel gas passage, 4 ... Liquid metal, 5 ... Guide pipe.
Claims (3)
で挟んだ構成の薄膜状燃料電池素子を多孔性基体管外表
面上に１個もしくは多数個直列に接続した状態で一体的
に形成してなる燃料電池スタックを１本以上有し、該ス
タックの基体管内部にマニホールドを介して燃料ガスを
流し、外部雰囲気を酸化ガスとする構成を少なくとも有
する固体電解質燃料電池発電装置において、 前記マニホールドの内部に、前記燃料電池スタックの開
口端と該マニホールドとのシールを果たす液体金属が満
たされ、かつ前記開口端が該液体金属に浸漬されている
ことを特徴とする固体電解質燃料電池発電装置。1. A thin film fuel cell device having a structure in which a solid electrolyte membrane is sandwiched between electrode membranes having good gas permeability, and one or a plurality of thin film fuel cell elements are integrally connected in series on the outer surface of a porous substrate tube. A solid electrolyte fuel cell power generator having at least one formed fuel cell stack, at least a structure in which a fuel gas is allowed to flow through a manifold inside a substrate tube of the stack and an oxidizing gas is used as an external atmosphere, A solid electrolyte fuel cell power generation device characterized in that the inside of a manifold is filled with a liquid metal that seals the open end of the fuel cell stack and the manifold, and the open end is immersed in the liquid metal. .
体がハニカム構造を有することを特徴とする請求項１記
載の固体電解質燃料電池発電装置。2. The solid oxide fuel cell power generator according to claim 1, wherein an integrated body in which a plurality of the manifolds are integrated has a honeycomb structure.
れていることを特徴とする請求項１記載の固体電解質燃
料電池発電装置。3. A solid oxide fuel cell power generator according to claim 1, wherein said manifold is provided with a guide pipe.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2111956A JP2526390B2 (en) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | Solid electrolyte fuel cell power generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2111956A JP2526390B2 (en) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | Solid electrolyte fuel cell power generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0412461A JPH0412461A (en) | 1992-01-17 |
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ID=14574371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2111956A Expired - Lifetime JP2526390B2 (en) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | Solid electrolyte fuel cell power generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2526390B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010033474A2 (en) * | 2008-09-18 | 2010-03-25 | Fuelcell Energy, Inc. | Liquid metal heat exchanger for high temperature fuel cells |
Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2005518645A (en) * | 2002-02-20 | 2005-06-23 | アキュメントリクス・コーポレーション | Fuel cell stacking and sealing |
-
1990
- 1990-04-27 JP JP2111956A patent/JP2526390B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| WO2010033474A3 (en) * | 2008-09-18 | 2010-06-24 | Fuelcell Energy, Inc. | Liquid metal heat exchanger for high temperature fuel cells |
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Also Published As
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|---|---|
| JPH0412461A (en) | 1992-01-17 |
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