JP3724788B2

JP3724788B2 - Solid oxide fuel cell module

Info

Publication number: JP3724788B2
Application number: JP2001016807A
Authority: JP
Inventors: 和彦野沢; 仁貴渡部; 山下　　明; 一彦新藤; 敏杉田; 嘉隆田畑
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: JP2002222657A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＯＦＣの代表的な形状として円筒型と平板型がよく知られている。ここでは概念的な説明を簡単にするために、円筒型を例にとって記述する。基本的な概念は平板型でも同様である。
【０００３】
ＳＯＦＣは、固体酸化物のセラミックを電解質とした燃料電池であり、電解質の、両端に燃料と酸化剤（通常は空気；以下単に空気とする）を供給することによって起こる化学反応を利用して発電を行う。従って電解質によって隔てられた燃料と空気は、両者が混合することのないような構成をもってモジュール化をする必要がある。
【０００４】
従来の円筒型ＳＯＦＣモジュールは、図８または図９で示す構成によって燃料と空気とを分離してきた。ここでは図９を用いて説明する。なお、燃料と空気の供給は、図示した供給法で説明するが、ＳＯＦＣセルの種類によっては、燃料と空気の供給が逆になる場合もあり、基本的な概念は以下と変らない。
【０００５】
円筒型ＳＯＦＣセル１は、隔壁支持板３にシール材８を介して固定されている。円筒型ＳＯＦＣセル１に供給される燃料５は、円筒型ＳＯＦＣセル１の燃料供給路７を通って供給され、未反応分の燃料は排出室４に排出される。このとき、反応室２側には反応用の空気６が供給されるが、隔壁支持板３と円筒型ＳＯＦＣ１間はガスシールがなされているために、空気６が排出室４側に漏れ出すことなく、また未反応の燃料５も反応室２側に漏れ出すことがなく、燃料５と空気６はそれぞれ分離した状態で円筒型ＳＯＦＣセル１に供給することができる。これがいわゆるシール型モジュール構造である。
【０００６】
一方、図８は、ほぼ図９の構成と同じであるが、隔壁支持板３と円筒型ＳＯＦＣセル１との間隙にシールを施していないことを特徴とする方式である。これはシールレス型モジュール構造と呼ばれるもので、多少のガス漏洩は黙認し、未反応の燃料５をモジュール内で燃やしてしまうというものである。
【０００７】
なお、図８、図９において、１は円筒型ＳＯＦＣセル、２は反応室、３は隔壁支持板、４は排出室、５は供給燃料、６は供給酸化剤（通常は空気）、７は燃料供給路、８はシール材（図９のみ）である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシールレス型モジュール構造においては、隔壁支持板３と円筒型ＳＯＦＣセル１との間隙より漏洩する空気６と燃料５が排出室４において燃焼反応を起こすことになる。この燃焼反応によって、排出室４内の温度が上昇し、モジュール内に大きな温度分布が発生することになり、構成材料の制約とともに、信頼性、耐久性の点で問題が生じる。さらに、燃焼反応で消費される燃料は直接発電には寄与しないので、高燃料利用率を標榜する円筒型ＳＯＦＣセル１の能力を十分に活かしきれなくなるという問題も発生する。
【０００９】
一方、シール型モジュール構造においては、燃料５と空気６との燃焼が起こらないため、不均一な異常温度上昇を回避でき、燃料５も発電のために有効に利用することができる。しかしながら、通常このタイプのモジュールでは、ガラスなど高温で軟化する材料をシール材８として用いているために、運転・停止を繰り返す度に円筒型ＳＯＦＣセル１がダメージを受けるという問題が発生する。
【００１０】
これは、円筒型ＳＯＦＣセル１とガラスの熱膨張係数が大きく異なるために、高温で軟化し、シールを実現していたガラスが、室温までの冷却時に固化する際に応力を生じるためであり、最悪の場合、円筒型ＳＯＦＣセル１の破損を引き起こす。
【００１１】
また、高温で軟化したガラスは、円筒型ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３両者に対して強固に密着するために、何らかの理由により円筒型ＳＯＦＣセル１を交換する必要が生じたときなど、ガラスシール材８を円筒型ＳＯＦＣ１や隔壁支持板３から取り除くことが極めて困難となり、作業効率の低下を引き起こすことになる。なお、シール材８としてはセラミックペーストなどガラス以外の材質も用いられているが、事情はほぼ同じである。
【００１２】
本発明は、こうした問題を解決するために、室温では被ガスシール体（上記の円筒型セル装着法では円筒型ＳＯＦＣセル本体）の脱着を容易にし、円筒型ＳＯＦＣセル１の運転温度である１０００℃付近においては堅固なガスシールを実現することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による固体電解質型燃料電池モジュールは、燃料と酸化剤とを分離する隔壁支持板の取り付け穴に、燃料極、固体電解質および空気極を含み、それらのいずれかを基板とした固体電解質型燃料電池セルを取り付けた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記隔壁支持板は前記固体電解質型燃料電池セルの前記基板の熱膨張係数より２０〜４０％小さな熱膨張係数を有し、かつ前記固体電解質型燃料電池セルの隔壁支持板への取り付け部分の断面形状と前記取り付け穴の形状が相似形であり、室温での前記取り付け部分の外周及び前記取り付け穴の大きさを、それぞれＲ_１、Ｒ_２、それぞれの熱膨張係数をα_１、α_２、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ_２＝Ｒ_１｛（１＋α_１ΔＴ）／（１＋α_２ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足し、動作温度における前記取り付け部分の外周と前記取り付け穴の大きさの差はサブミクロンオーダの値である形状であることを特徴とする。
【００１４】
以下、図１を用いて本発明の基本概念について説明する。
【００１５】
図１は、還元雰囲気と酸化雰囲気を分離する隔壁支持板３に円筒型ＳＯＦＣセル1を装着した様子を示している。２は反応室、４は排出室である。ここで、室温における円筒型ＳＯＦＣセル１の直径をＲ_c、隔壁支持板３の取り付け穴３１の直径をＲ_bとし、ΔＲ＝Ｒ_b−Ｒ_cとする。
【００１６】
室温において（図１の（ａ）参照）、ある程度の直径差があれば、容易にセルの脱着を行うことができる。もし、ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３の熱膨張係数が同じであれば、両者の間隙ΔＲは室温時から動作温度に達するまで単調に増加することになる。
【００１７】
しかしながら、本発明のように隔壁板支持板３の熱膨張係数が、ＳＯＦＣセル１の熱膨張係数よりも僅かに小さい場合を考えると、隔壁支持板３の取り付け穴３１の広がり方に比べて、ＳＯＦＣセル１の直径の広がり方の方が大きくなるために、温度の上昇とともに間隙は減少していく。適当な熱膨張係数差、間隙寸法を規定することにより、動作温度で隔壁支持板３とＳＯＦＣセル１との間隙をゼロにすることが可能となる。
【００１８】
この様子を図２に示す。ここでは室温でのＳＯＦＣセル１の直径を１０ｍｍ、ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３の取り付け穴３１の直径差を３０μｍ、ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３の熱膨張係数をそれぞれ１１×１０^-6ｋ^-1と、８×１０^-6ｋ^-1とすれば、１０００℃におけるＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３の間隙（直径差）ΔＲ’は、室温を２０℃として、

となり、間隙はサブミクロンオーダーとなり、ほとんど実用上ガス漏洩が問題にならない程度に堅固なガスシールが実現できることになる。また、室温での間隙ΔＲは３０μｍ程度であるので、室温での脱着も比較的容易に行える。無論ΔＲをより小さく選べば、より堅固なガスシールを実現できる。すなわち、室温での前記取り付け部分の外周及び前記取り付け穴の大きさを、それぞれＲ₁、Ｒ₂、それぞれの熱膨張係数をα₁、α₂、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ₂＝Ｒ₁｛（１＋α₁ΔＴ）／（１＋α₂ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足する。
【００１９】
上述のようなＳＯＦＣセル１は、基本的に燃料極、固体電解質、空気極よりなっている。そして、前記燃料極、固体電解質、空気極のいずれかが基板となってその表面にセルが構成される。前記固体電解質が基板であるとき、セルの他の構成材料は固体電解質の熱膨張係数に一致するように作られる。前記燃料極が基板であるとき、セルの他の構成材料は前記燃料極の熱膨張係数に一致するように作られる。また、前記空気極が基板であるとき、セルの他の構成材料は空気極の熱膨張係数に一致するように作られる。このような場合においては、前記隔壁支持板３の熱膨張係数を前記ＳＯＦＣセル１の基板の熱膨張係数より２０〜４０％小さくする。熱膨張係数の差が２０％未満であると、室温での取り外しの容易さを優先すると、動作温度において、前記隔壁支持板とＳＯＦＣセル１とのシールが充分でない恐れがあり、また、動作温度でのシール性を優先すると、室温においてＳＯＦＣセル１を取り外すのが困難になる恐れがある。一方４０％を超えると、室温での脱着が容易となるようΔＲを設定すると、ＳＯＦＣセル１の膨張が大きすぎて、破壊される恐れを生じるとともに、動作温度付近でセルが破壊されないようにΔＲを設定すると、室温でのΔＲが異常に大きくなり、事実上セルを隔壁支持板に固定できない。
【００２０】
以上が本発明の基本形態である。実際の利用にあたっては、以下の実施例に示すように、より効率的且つ高信頼性ガスシールが可能となる。
【００２１】
【実施例１】
前項において図１で説明した例は、ＳＯＦＣセルの基板をＬａＳｒＭｎＯ₃（ＬＳＭ）（熱膨張係数：１１×１０^-6ｋ^-1）、隔壁支持板をアルミナ（熱膨張係数：８×１０^-6ｋ^-1）とした実施例の１つである。
【００２２】
【実施例２】
図３は、外周寸法８０ｍｍの中空平板型ＳＯＦＣセル（特開平６−１６３０６２号）を隔壁支持板３のセル取り付け穴３１の周囲寸法が８０．２ｍｍの隔壁支持板３に取り付けた様子を示している。ＳＯＦＣセルはＬＳＭを基板として作製されており、熱膨張係数はＬＳＭのそれとほぼ一致する。隔壁支持板３はアルミナで作製されている。このような構成で、動作温度１０００℃まで上昇した場合、セル周囲寸法と、隔壁支持板３のＳＯＦＣセルの取り付け穴３１の外周はほぼ一致し、ガスシールが実現する。これは本発明の実施例の１つである。
【００２３】
【実施例３】
実施例２の発展形態として、よりＳＯＦＣセルにかかる負担を軽減した実施例を以下に示す。中空平板型ＳＯＦＣセル１に、図４に示すようなセル突起部１１を前記ＳＯＦＣセル１の基板と同じ材質で形成する。一方、隔壁支持板３には切り込み３２を作製しておき、セル突起部１１を隔壁支持板３１の切り込み３２に嵌め合わせて装着する。
【００２４】
この場合、ＳＯＦＣセル１全体の寸法と隔壁支持板３の取り付け穴３１の寸法を正確に設計する必要はなく、セル突起部１１のみの寸法精度を上げればよい。このため、ＳＯＦＣセル１の歩留まり向上にも寄与し得る。なお、ＳＯＦＣセル１の突起部１１はセルと一体化した構造で作製することが望ましいが、個別に作製したものを組み合わせても同様な効果が期待できる。
【００２５】
【実施例４】
図５に示すように、ＳＯＦＣセル１および隔壁支持板３に、テーパを有する傾斜接触面１２および３３を形成する。そして、前記ＳＯＦＣセル１の傾斜接触面１２を、隔壁支持板３の傾斜接触面３３に嵌め合わせることによって、ＳＯＦＣセル１を隔壁支持板３に取り付ける。ここで、ＳＯＦＣセル１側、隔壁支持板３側の傾斜接触面１２，３３が平行であるとすれば、ＳＯＦＣセル１の傾斜接触面１２の最大外周をＲ_１、隔壁支持板３側の取り付け穴３１の外周をＲ_２としたときに、Ｒ₂＝Ｒ₁｛（１＋α₁ΔＴ）／（１＋α₂ΔＴ）｝なる関係をほぼ満足する。
【００２６】
ＳＯＦＣセル１はＬＳＭを基板とし、隔壁支持板３はアルミナとする。この実施例では、動作温度で、ＳＯＦＣセル１、隔壁支持板３間の間隙がゼロとなるように厳密に設計する必要はない。ＳＯＦＣセル１側の伸びが隔壁支持板３の取り付け穴３１の広がりを仮に上回ったとしても、ＳＯＦＣセル１は重力に抗して上側にずれを起こし、間隙が完全に塞がる位置で安定する。図は円筒型で記してあるが、中空平板型でも実施例３のような突起部を円盤状に作っておけば同様なシールを実現できる。
【００２７】
【実施例５】
さらに、本発明によれば、隔壁支持板３に対するＳＯＦＣセル１の装着時の断面が円形であれば、より信頼性が高く、脱着が容易なシールを実現できる。簡単のために、ＳＯＦＣセルが円筒の場合を考え、図６のように、ＳＯＦＣセル１側と隔壁支持板３にねじ溝１３、３４を切っておく。ＳＯＦＣセル１側のねじ溝１３は、図８に示すようにセル突起部１４を設けて前記セル突起部１４の周囲に設けてもよく、またＳＯＦＣセル１に直接設けてもよい。このようなＳＯＦＣセル１側のねじ溝１３を隔壁支持板３の取り付け穴３１に形成されたねじ溝３４に螺合することによって、ＳＯＦＣセル１を隔壁支持板３に取り付ける。ここで、ＳＯＦＣセル１側のねじ溝１３の最大円周をＲ_１、隔壁支持板３側の取り付け穴３１のねじ溝３４の最大外周をＲ_２としたときに、Ｒ₂＝Ｒ₁｛（１＋α₁ΔＴ）／（１＋α₂ΔＴ）｝なる関係をほぼ満足する。
【００２８】
これまで説明してきたことと同様に、室温においては両者は疎に接触しているため、容易にねじ込みによってＳＯＦＣセルを装着することができる。これを動作温度まで昇温することで、接触が密となり、強くねじが締められた状況が現出する。
【００２９】
この方法では、シールの完全性とともに、より脱着の容易さが実現できる。なお、本方式では動作温度においてもねじが完全にタイトにかみ合う必要はない。酸化・還元両雰囲気を隔てるパスはＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３のねじであるので、かなり長いパスとなり、実用上問題とはならない。
【００３０】
【実施例６】
以上、ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３とのシール法に着目して説明を行ってきたが、本発明は隔壁支持板３とモジュールを収納するモジュール収納容器９との間のシールにも応用し得る。
【００３１】
図７に示すように、モジュール収納容器９を円筒形とし、隔壁支持板３を円盤状とする。円筒モジュール収納容器９の開口部内壁上端と、円盤状隔壁支持板３の側面に図のようなねじ溝９１、３５を形成しておき、円盤状隔壁支持板３のねじ溝３５を円筒モジュール収納容器９のねじ溝９１に螺合することによって、隔壁支持版３の取り付けられたＳＯＦＣセル１の反応部をモジュール収納容器９に収納できる。このとき、モジュール収納容器９および隔壁支持板３の構成材料を、室温での前記円盤状の隔壁支持板３の直径及び前記モジュール収納容器９の内径を、それぞれＲ₁、Ｒ₂、それぞれの熱膨張係数をα₁、α₂、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ₂＝Ｒ₁｛（１＋α₁ΔＴ）／（１＋α₂ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足するように設定することによって、ＳＯＦＣセルのシールと同様に、ＳＯＦＣセルスタックの装置への装着が容易に行え、かつ動作温度でガスシールが実現できることになる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による固体電解質型燃料電池モジュールによれば、隔壁支持板の熱膨張係数がＳＯＦＣセルより僅かに小さくすることによって、高温運転時には両者の間隔がサブμｍオーダとなり堅固なガスシールが実現されると共に、常温では比較的容易にセルの取り外しが可能となるので、効率的かつ高信頼性ガスシールを有する固体電解質燃料電池モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念（円筒型ＳＯＦＣの例）を示す説明図。
【図２】円筒型ＳＯＦＣの直径と、セル装着用支持板の穴の直径の温度変化を示す図。
【図３】中空平板型セルを用いた実施例を示す図。
【図４】セル突起部を有する中空平板型ＳＯＦＣセルを用いた実施例を示す図。
【図５】中空平板型ＳＯＦＣセル及び隔壁支持板に傾斜接触面を形成した実施例を示す図。
【図６】隔壁支持板および円筒型セルにねじ構造を形成した実施例を示す図。
【図７】隔壁支持板とモジュールを収納する容器との間のシールに応用した実施例を示す図。
【図８】従来のシールレス型モジュール構造（円筒型ＳＯＦＣの例）を示す図。
【図９】従来のシール型モジュール構造（円筒型ＳＯＦＣの例）を示す図。
【符号の説明】
１ＳＯＦＣセル
１１セル突起部
１２傾斜接触面
１３ねじ溝
１４セル突起部
２反応室
３隔壁支持板
３１取り付け穴
３２切り込み
３３傾斜接触面
３４ねじ溝
３５ねじ溝
４排出室
５燃料
６空気
７燃料供給路
８シール材
９モジュール収納容器
９１ねじ溝[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) module.
[0002]
[Prior art]
Cylindrical types and flat plate types are well known as representative shapes of SOFCs. Here, in order to simplify the conceptual explanation, a cylindrical shape will be described as an example. The basic concept is the same for the flat plate type.
[0003]
A SOFC is a fuel cell that uses a solid oxide ceramic as an electrolyte, and uses a chemical reaction that occurs when a fuel and an oxidant (usually air; hereinafter simply referred to as air) are supplied to both ends of the electrolyte to generate electricity. I do. Therefore, the fuel and air separated by the electrolyte must be modularized so that they do not mix.
[0004]
The conventional cylindrical SOFC module has separated fuel and air by the configuration shown in FIG. 8 or FIG. Here, a description will be given with reference to FIG. Although the supply of fuel and air will be described with the illustrated supply method, the supply of fuel and air may be reversed depending on the type of SOFC cell, and the basic concept remains the same.
[0005]
The cylindrical SOFC cell 1 is fixed to the partition wall support plate 3 via a seal material 8. The fuel 5 supplied to the cylindrical SOFC cell 1 is supplied through the fuel supply path 7 of the cylindrical SOFC cell 1, and the unreacted fuel is discharged to the discharge chamber 4. At this time, the reaction air 6 is supplied to the reaction chamber 2 side, but since the gas seal is made between the partition wall support plate 3 and the cylindrical SOFC 1, the air 6 leaks to the discharge chamber 4 side. In addition, the unreacted fuel 5 does not leak to the reaction chamber 2 side, and the fuel 5 and the air 6 can be supplied to the cylindrical SOFC cell 1 in a separated state. This is a so-called seal-type module structure.
[0006]
On the other hand, FIG. 8 is a system that is substantially the same as the configuration of FIG. 9 but is characterized in that no seal is applied to the gap between the partition wall support plate 3 and the cylindrical SOFC cell 1. This is what is called a sealless module structure, in which some gas leakage is tolerated and unreacted fuel 5 is burned in the module.
[0007]
8 and 9, 1 is a cylindrical SOFC cell, 2 is a reaction chamber, 3 is a partition support plate, 4 is a discharge chamber, 5 is a supply fuel, 6 is a supply oxidant (usually air), 7 is A fuel supply path 8 is a sealing material (FIG. 9 only).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional sealless type module structure, the air 6 and the fuel 5 leaking from the gap between the partition wall support plate 3 and the cylindrical SOFC cell 1 cause a combustion reaction in the discharge chamber 4. Due to this combustion reaction, the temperature in the discharge chamber 4 rises and a large temperature distribution is generated in the module, which causes problems in terms of reliability and durability as well as restrictions on the constituent materials. Furthermore, since the fuel consumed in the combustion reaction does not directly contribute to power generation, there arises a problem that the ability of the cylindrical SOFC cell 1 to achieve a high fuel utilization rate cannot be fully utilized.
[0009]
On the other hand, in the seal-type module structure, combustion of the fuel 5 and the air 6 does not occur, so an uneven temperature rise can be avoided and the fuel 5 can also be used effectively for power generation. However, in this type of module, since a material that softens at high temperatures such as glass is usually used as the sealing material 8, there arises a problem that the cylindrical SOFC cell 1 is damaged each time the operation / stop is repeated.
[0010]
This is because because the glass SOFC cell 1 and the glass have a large thermal expansion coefficient, the glass that has been softened at a high temperature and has achieved a seal generates a stress when solidified upon cooling to room temperature. In the worst case, the cylindrical SOFC cell 1 is damaged.
[0011]
Further, the glass softened at a high temperature is firmly attached to both the cylindrical SOFC cell 1 and the partition wall support plate 3, so that it is necessary to replace the cylindrical SOFC cell 1 for some reason. It becomes extremely difficult to remove the material 8 from the cylindrical SOFC 1 and the partition wall support plate 3, which causes a reduction in work efficiency. In addition, although materials other than glass, such as a ceramic paste, are used as the sealing material 8, the situation is almost the same.
[0012]
In order to solve these problems, the present invention facilitates the removal and attachment of the gas-sealed seal body (cylindrical SOFC cell main body in the above-described cylindrical cell mounting method) at room temperature, and the operating temperature of the cylindrical SOFC cell 1 is 1000. The purpose is to achieve a strong gas seal near ℃.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a solid oxide fuel cell module according to the present invention includes a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode in a mounting hole of a partition wall support plate that separates a fuel and an oxidant, and any one of them is included. In the solid oxide fuel cell module to which the solid oxide fuel cell as a substrate is attached, the partition wall support plate has a thermal expansion coefficient that is 20 to 40% smaller than the thermal expansion coefficient of the substrate of the solid oxide fuel cell. And the cross-sectional shape of the attachment portion to the partition wall support plate of the solid oxide fuel cell and the shape of the attachment hole are similar, the outer periphery of the attachment portion at room temperature and the size of the attachment hole, each R _1, R _2, the respective thermal expansion coefficients α _{_1,} α _{_2,} the temperature difference between the operating temperature and the room temperature is taken as [Delta] T,
R ₂ = R ₁ {(1 + α ₁ ΔT) / (1 + α ₂ ΔT)}
The difference between the outer circumference of the mounting portion and the size of the mounting hole at the operating temperature is a shape having a value on the order of submicron .
[0014]
Hereinafter, the basic concept of the present invention will be described with reference to FIG.
[0015]
FIG. 1 shows a state in which a cylindrical SOFC cell 1 is mounted on a partition wall support plate 3 that separates a reducing atmosphere and an oxidizing atmosphere. 2 is a reaction chamber and 4 is a discharge chamber. Here, the diameter of the cylindrical SOFC cell 1 at room temperature is R _c , the diameter of the mounting hole 31 of the partition wall support plate 3 is R _b, and ΔR = R _b −R _c .
[0016]
At room temperature (see FIG. 1A), if there is a certain difference in diameter, the cell can be easily detached. If the SOFC cell 1 and the partition wall support plate 3 have the same thermal expansion coefficient, the gap ΔR between them increases monotonously from room temperature until reaching the operating temperature.
[0017]
However, when considering the case where the thermal expansion coefficient of the partition plate support plate 3 is slightly smaller than the thermal expansion coefficient of the SOFC cell 1 as in the present invention, compared to the way in which the mounting holes 31 of the partition support plate 3 expand, Since the diameter of the SOFC cell 1 increases, the gap decreases as the temperature increases. By defining an appropriate difference in thermal expansion coefficient and gap size, the gap between the partition wall support plate 3 and the SOFC cell 1 can be made zero at the operating temperature.
[0018]
This is shown in FIG. Here, the diameter of the SOFC cell 1 at room temperature is 10 mm, the diameter difference between the mounting holes 31 of the SOFC cell 1 and the partition wall support plate 3 is 30 μm, and the thermal expansion coefficients of the SOFC cell 1 and the partition wall support plate 3 are 11 × 10 ^−6. If k ⁻¹ and 8 × 10 ⁻⁶ k ⁻¹ , the gap (diameter difference) ΔR ′ between the SOFC cell 1 and the partition wall support plate 3 at 1000 ° C. is 20 ° C.

Thus, the gap is on the order of submicrons, and a gas seal that is so firm that gas leakage does not become a problem in practical use can be realized. Further, since the gap ΔR at room temperature is about 30 μm, desorption at room temperature can be performed relatively easily. Of course, if ΔR is selected to be smaller, a stronger gas seal can be realized. That is, the outer periphery of the mounting portion at room temperature and the size of the mounting hole are R ₁ and R ₂ , the respective thermal expansion coefficients are α ₁ and α ₂ , and the temperature difference between the operating temperature and room temperature is ΔT. sometimes,
R ₂ = R ₁ {(1 + α ₁ ΔT) / (1 + α ₂ ΔT)}
The relationship is almost satisfied.
[0019]
The SOFC cell 1 as described above basically includes a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode. A cell is formed on the surface of any one of the fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode. When the solid electrolyte is a substrate, the other constituent materials of the cell are made to match the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte. When the anode is a substrate, the other constituent materials of the cell are made to match the thermal expansion coefficient of the anode. When the air electrode is a substrate, other constituent materials of the cell are made to match the thermal expansion coefficient of the air electrode. In such a case, the thermal expansion coefficient of the partition wall support plate 3 is made 20 to 40% smaller than the thermal expansion coefficient of the substrate of the SOFC cell 1. If priority is given to ease of removal at room temperature when the difference in thermal expansion coefficient is less than 20%, the seal between the partition wall support plate and the SOFC cell 1 may not be sufficient at the operating temperature. If priority is given to the sealing property at, it may be difficult to remove the SOFC cell 1 at room temperature. On the other hand, if it exceeds 40%, if ΔR is set so as to facilitate desorption at room temperature, the expansion of SOFC cell 1 is too large and may be destroyed, and ΔR so that the cell is not destroyed near the operating temperature. When Δ is set, ΔR at room temperature becomes abnormally large, and the cell cannot be actually fixed to the partition wall support plate.
[0020]
The above is the basic form of the present invention. In actual use, as shown in the following examples, a more efficient and highly reliable gas seal is possible.
[0021]
[Example 1]
In the example described in FIG. 1 in the previous section, the substrate of the SOFC cell is LaSrMnO ₃ (LSM) (thermal expansion coefficient: 11 × 10 ⁻⁶ k ⁻¹ ), and the partition wall support plate is alumina (thermal expansion coefficient: 8 × 10 ^−6). k ⁻¹ ) is one of the examples.
[0022]
[Example 2]
FIG. 3 shows a state where a hollow flat plate type SOFC cell (Japanese Patent Laid-Open No. 6-163062) having an outer peripheral dimension of 80 mm is attached to the partition wall support plate 3 having a peripheral dimension of the cell mounting hole 31 of the partition wall support plate 3 of 80.2 mm. Yes. The SOFC cell is manufactured using LSM as a substrate, and the thermal expansion coefficient almost matches that of LSM. The partition support plate 3 is made of alumina. With such a configuration, when the operating temperature rises to 1000 ° C., the cell peripheral dimension and the outer periphery of the SOFC cell mounting hole 31 of the partition wall support plate 3 substantially coincide, and a gas seal is realized. This is one of the embodiments of the present invention.
[0023]
[Example 3]
As a development form of the second embodiment, an embodiment in which the burden on the SOFC cell is further reduced will be described below. A cell projection 11 as shown in FIG. 4 is formed on the hollow flat plate SOFC cell 1 with the same material as the substrate of the SOFC cell 1. On the other hand, a notch 32 is formed in the partition wall support plate 3, and the cell protrusion 11 is fitted into the notch 32 of the partition wall support plate 31 and attached.
[0024]
In this case, it is not necessary to accurately design the dimensions of the SOFC cell 1 as a whole and the dimensions of the mounting holes 31 of the partition wall support plate 3, and it is only necessary to increase the dimensional accuracy of only the cell projections 11. For this reason, it can also contribute to the yield improvement of the SOFC cell 1. Although the protrusion 11 of the SOFC cell 1 is desirably manufactured with a structure integrated with the cell, a similar effect can be expected by combining individually manufactured ones.
[0025]
[Example 4]
As shown in FIG. 5, inclined contact surfaces 12 and 33 having a taper are formed on the SOFC cell 1 and the partition support plate 3. The SOFC cell 1 is attached to the partition wall support plate 3 by fitting the inclined contact surface 12 of the SOFC cell 1 to the inclined contact surface 33 of the partition wall support plate 3. Here, if the inclined contact surfaces 12 and 33 on the SOFC cell 1 side and the partition support plate 3 side are parallel, the maximum outer periphery of the inclined contact surface 12 of the SOFC cell 1 is R ₁ , and the partition support plate 3 side is attached. When the outer periphery of the hole 31 is R ₂ , the relationship of R ₂ = R ₁ {(1 + α ₁ ΔT) / (1 + α ₂ ΔT)} is substantially satisfied.
[0026]
The SOFC cell 1 uses LSM as a substrate, and the partition support plate 3 uses alumina. In this embodiment, it is not necessary to design strictly so that the gap between the SOFC cell 1 and the partition wall support plate 3 becomes zero at the operating temperature. Even if the elongation on the SOFC cell 1 side exceeds the expansion of the mounting hole 31 of the partition wall support plate 3, the SOFC cell 1 is displaced upward against gravity and is stabilized at a position where the gap is completely closed. Although the figure is shown in a cylindrical shape, a similar seal can be realized even in the case of a hollow flat plate type if the projections as in Example 3 are made in a disk shape.
[0027]
[Example 5]
Furthermore, according to the present invention, if the cross section when the SOFC cell 1 is attached to the partition wall support plate 3 is circular, a seal with higher reliability and easy removal can be realized. For simplicity, consider the case where the SOFC cell is a cylinder, and thread grooves 13 and 34 are cut in the SOFC cell 1 side and the partition support plate 3 as shown in FIG. As shown in FIG. 8, the thread groove 13 on the SOFC cell 1 side may be provided around the cell protrusion 14 by providing a cell protrusion 14, or may be directly provided in the SOFC cell 1. The SOFC cell 1 is attached to the partition wall support plate 3 by screwing the screw groove 13 on the SOFC cell 1 side into a screw groove 34 formed in the mounting hole 31 of the partition wall support plate 3. Here, when the maximum circumference of the screw groove 13 on the SOFC cell 1 side is R ₁ and the maximum outer periphery of the screw groove 34 of the mounting hole 31 on the partition wall support plate 3 side is R ₂ , R ₂ = R ₁ {( 1 + α ₁ ΔT) / (1 + α ₂ ΔT)} is substantially satisfied.
[0028]
Similar to what has been described so far, the two are in loose contact at room temperature, so that the SOFC cell can be easily mounted by screwing. By raising the temperature to the operating temperature, the contact becomes dense and a situation where the screw is strongly tightened appears.
[0029]
With this method, it is possible to realize the ease of detachment as well as the integrity of the seal. In this method, the screw does not have to be tightly engaged even at the operating temperature. Since the path that separates both the oxidizing and reducing atmospheres is a screw between the SOFC cell 1 and the partition wall support plate 3, it becomes a considerably long path and does not cause a problem in practice.
[0030]
[Example 6]
As described above, the description has been given focusing on the sealing method between the SOFC cell 1 and the partition support plate 3, but the present invention is also applied to the seal between the partition support plate 3 and the module storage container 9 for storing the module. obtain.
[0031]
As shown in FIG. 7, the module storage container 9 has a cylindrical shape, and the partition wall support plate 3 has a disk shape. Screw grooves 91 and 35 as shown in the figure are formed on the upper end of the inner wall of the opening of the cylindrical module storage container 9 and the side surface of the disk-shaped partition wall support plate 3, and the screw grooves 35 of the disk-shaped partition wall support plate 3 are stored in the cylindrical module. The reaction portion of the SOFC cell 1 to which the partition wall support plate 3 is attached can be stored in the module storage container 9 by being screwed into the thread groove 91 of the container 9. In this case, a material for the module container 9 and the partition support plate 3, the disk-shaped inner diameter of the bulkhead support plate 3 of the diameter and the module container 9 at room temperature, each R _1, R _2, each heat When the expansion coefficient is α ₁ , α ₂ and the temperature difference between the operating temperature and room temperature is ΔT,
R ₂ = R ₁ {(1 + α ₁ ΔT) / (1 + α ₂ ΔT)}
By setting so that the above relationship is substantially satisfied, it is possible to easily attach the SOFC cell stack to the apparatus and realize a gas seal at the operating temperature, similarly to the seal of the SOFC cell.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the solid oxide fuel cell module of the present invention, the thermal expansion coefficient of the partition wall support plate is made slightly smaller than that of the SOFC cell, so that the distance between the two is on the order of sub-μm during high-temperature operation. Since the gas seal is realized and the cell can be removed relatively easily at normal temperature, a solid electrolyte fuel cell module having an efficient and highly reliable gas seal can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a basic concept of the present invention (example of a cylindrical SOFC).
FIG. 2 is a diagram showing temperature changes in the diameter of a cylindrical SOFC and the diameter of a hole in a cell mounting support plate.
FIG. 3 is a view showing an embodiment using a hollow flat plate cell.
FIG. 4 is a view showing an embodiment using a hollow flat plate type SOFC cell having a cell protrusion.
FIG. 5 is a view showing an embodiment in which an inclined contact surface is formed on a hollow flat plate type SOFC cell and a partition support plate.
FIG. 6 is a view showing an embodiment in which a screw structure is formed on a partition wall support plate and a cylindrical cell.
FIG. 7 is a diagram showing an embodiment applied to a seal between a partition wall support plate and a container for housing a module.
FIG. 8 is a diagram showing a conventional sealless type module structure (an example of a cylindrical SOFC).
FIG. 9 is a diagram showing a conventional seal-type module structure (an example of a cylindrical SOFC).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 SOFC cell 11 Cell protrusion 12 Inclined contact surface 13 Screw groove 14 Cell protrusion 2 Reaction chamber 3 Partition wall support plate 31 Mounting hole 32 Notch 33 Inclined contact surface 34 Screw groove 35 Screw groove 4 Discharge chamber 5 Fuel 6 Air 7 Fuel supply Road 8 Sealing material 9 Module storage container 91 Screw groove

Claims

燃料と酸化剤とを分離する隔壁支持板の取り付け穴に、燃料極、固体電解質および空気極を含み、それらのいずれかを基板とした固体電解質型燃料電池セルを取り付けた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記隔壁支持板は前記固体電解質型燃料電池セルの前記基板の熱膨張係数より２０〜４０％小さな熱膨張係数を有し、かつ前記固体電解質型燃料電池セルの隔壁支持板への取り付け部分の断面形状と前記取り付け穴の形状が相似形であり、室温での前記取り付け部分の外周及び前記取り付け穴の大きさを、それぞれＲ_１、Ｒ_２、それぞれの熱膨張係数をα_１、α_２、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ_２＝Ｒ_１｛（１＋α_１ΔＴ）／（１＋α_２ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足し、動作温度における前記取り付け部分の外周と前記取り付け穴の大きさの差はサブミクロンオーダの値である形状であることを特徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。A solid oxide fuel cell module including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode in a mounting hole of a partition wall support plate that separates fuel and an oxidant, and a solid oxide fuel cell unit using any of them as a substrate The partition wall support plate has a thermal expansion coefficient that is 20 to 40% smaller than the thermal expansion coefficient of the substrate of the solid oxide fuel cell, and the portion of the solid oxide fuel cell cell that is attached to the partition wall support plate The shape of the cross section and the shape of the mounting hole are similar, the outer periphery of the mounting portion and the size of the mounting hole at room temperature are respectively R ₁ and R ₂ , and the respective thermal expansion coefficients are α ₁ and α _2. When the temperature difference between the operating temperature and room temperature is ΔT,
R ₂ = R ₁ {(1 + α ₁ ΔT) / (1 + α ₂ ΔT)}
The solid oxide fuel cell module is characterized in that the difference between the outer circumference of the attachment portion and the size of the attachment hole at an operating temperature is a shape having a value on the order of submicron .

前記固体電解質型燃料電池セルの基板が前記固体電解質の場合には、前記隔壁支持板は固体電解質の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュール。2. The solid electrolyte fuel according to claim 1, wherein when the substrate of the solid oxide fuel cell is the solid electrolyte, the partition wall support plate has a thermal expansion coefficient smaller than that of the solid electrolyte. Battery module.

前記固体電解質型燃料電池セルの基板が前記燃料極の場合には、前記隔壁支持板は前記燃料極の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュール。2. The solid electrolyte type according to claim 1, wherein when the substrate of the solid oxide fuel cell is the fuel electrode, the partition wall support plate has a thermal expansion coefficient smaller than that of the fuel electrode. Fuel cell module.

前記固体電解質型燃料電池セルの基板が前記空気極の場合には、前記隔壁支持板は前記空気極の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュール。2. The solid electrolyte type according to claim 1, wherein when the substrate of the solid oxide fuel cell is the air electrode, the partition wall support plate has a thermal expansion coefficient smaller than that of the air electrode. Fuel cell module.

前記固体電解質型燃料電池セルの周囲に、前記基板と同じ材料で形成したセル突起部を設け、一方、前記隔壁支持板に前記セル突起部を嵌め合わせることが可能な切り込みを形成し、前記セル突起部を前記切り込みに嵌め合わせることによって、前記隔壁支持板に前記固体電解質型燃料電池セルを前記取り付け穴に取り付けたことを特徴とする請求項１から４記載のいずれかの固体電解質型燃料電池モジュール。A cell projection formed of the same material as the substrate is provided around the solid oxide fuel cell, while a notch capable of fitting the cell projection to the partition support plate is formed, 5. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell is attached to the mounting hole on the partition wall support plate by fitting a protrusion into the notch. module.

前記固体電解質型燃料電池セルの周囲に、前記基板と同じ材料で形成したテーパを有し、かつ突出した傾斜接触面を設け、一方、前記隔壁支持板に前記傾斜接触面を嵌め合わせることが可能な、同様な傾斜接触面を形成し、前記傾斜接触面を前記隔壁支持板の傾斜接触面に嵌め合わせることによって、前記隔壁支持板に前記固体電解質型燃料電池セルを前記取り付け穴に取り付けたことを特徴とする請求項１から４記載のいずれかの固体電解質型燃料電池モジュール。Around the solid oxide fuel cell, a tapered and protruding inclined contact surface made of the same material as the substrate is provided, and the inclined contact surface can be fitted to the partition wall support plate. The solid electrolyte fuel cell is attached to the attachment hole on the partition support plate by forming a similar inclined contact surface and fitting the inclined contact surface to the inclined contact surface of the partition support plate. The solid oxide fuel cell module according to any one of claims 1 to 4, wherein:

前記固体電解質型燃料電池セルの周囲にねじ溝を設け、一方、前記隔壁支持板の前記取り付け穴に、前記ねじ溝と螺合するねじ溝を形成して、前記前記固体電解質型燃料電池セルのねじ溝を前記取り付け穴のねじ溝に螺合することによって、前記隔壁支持板に前記固体電解質型燃料電池セルを前記取り付け穴に取り付けたことを特徴とする請求項１から４記載にいずれかの固体電解質型燃料電池モジュール。A screw groove is provided around the solid oxide fuel cell, and a screw groove that is screwed with the screw groove is formed in the mounting hole of the partition wall support plate. 5. The solid oxide fuel cell is attached to the attachment hole on the partition wall support plate by screwing a screw groove into the screw groove of the attachment hole. 6. Solid oxide fuel cell module.

前記固体電解質型燃料電池セルを設けた円盤状の前記隔壁支持板の周囲にねじ溝を形成し、反応室を形成する円筒形モジュール収納容器の開口部内壁上端に前記ねじ溝と螺合するねじ溝を形成して、前記隔壁支持板のねじ溝を前記モジュール収納容器のねじ溝に螺合することによって、前記固体電解質型燃料電池セルの少なくとも一部を前記モジュール収納容器内に収納するとともに、室温での前記円盤状の隔壁支持板の直径及び前記モジュール収納容器の内径を、それぞれＲ_１、Ｒ_２、それぞれの熱膨張係数をα_１、α_２、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ_２＝Ｒ_１｛（１＋α_１ΔＴ）／（１＋α_２ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足し、動作温度における前記隔壁支持板の直径と前記モジュール収納容器の内径の差はサブミクロンオーダの値である形状であることを特徴とする請求項１から７記載のいずれかの固体電解質型燃料電池モジュール。A screw thread is formed around the disk-shaped partition wall support plate provided with the solid oxide fuel cell, and is screwed into the upper end of the inner wall of the opening of the cylindrical module storage container forming the reaction chamber. By forming a groove and screwing the screw groove of the partition wall support plate into the screw groove of the module storage container, at least a part of the solid oxide fuel cell is stored in the module storage container, The diameter of the disk-shaped partition wall support plate and the inner diameter of the module storage container at room temperature are respectively R ₁ and R ₂ , the respective thermal expansion coefficients are α ₁ and α ₂ , and the temperature difference between the operating temperature and room temperature is ΔT. And when
R ₂ = R ₁ {(1 + α ₁ ΔT) / (1 + α ₂ ΔT)}
8. The structure according to claim 1, wherein the following relationship is substantially satisfied, and the difference between the diameter of the partition wall support plate and the inner diameter of the module storage container at an operating temperature is a shape having a value on the order of submicrons . Solid oxide fuel cell module.