JP3995778B2

JP3995778B2 - Solid electrolyte fuel cell and stack structure of solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP3995778B2
Application number: JP35034097A
Authority: JP
Inventors: 義美江崎; 嘉範榊; 淳一藤田; 伸二竹内; 真司川崎; 清志奥村; 真村井
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Kansai Electric Power Co Inc; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Kansai Electric Power Co Inc; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: JPH11185793A

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池の単電池のマニホールド構造およびスタック構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、平板型と円筒型とに大別される（エネルギー総合工学１３−２、１９９０年）。ＳＯＦＣの単電池の起電力は、開回路において約１Ｖ、電流密度も精々数１００ｍＡ／ｃｍ²程度であるため、実際の使用に際しては、大きな発電面積を有する単電池を、容易に直列、並列に接続できるようにすることが重要である。この観点から、単電池とそのスタック( 集合電池) の構造を検討しなければならない。
【０００３】
特に、固体電解質型燃料電池のスタック構造において、酸化ガスと燃料ガスとの間で発電装置の運転温度で気密性を保持することが要求される。例えば、いわゆるウエスティングハウスタイプの固体電解質型燃料電池では、円筒型の空気極を基体とし、この上に固体電解質膜、燃料極膜を形成している。また、本出願人も、空気極とインターコネクタとからなる積層焼結体を、空気極／インターコネクタ基体とし、この上に固体電解質膜、燃料電極膜を形成した構造の平板形状の単電池について開示した（特開平５−１６６５１８号公報）。これらのスタック構造では、いわゆるシールレス構造が採用されている。即ち、各単電池に形成されている各酸化ガス通路に対してそれぞれ酸化ガス供給管を挿入し、各酸化ガス供給管から単電池の内部にそれぞれ酸化ガスを供給している。そして、単電池の各酸化ガス通路から排出されてきた排酸化ガスを、燃焼室へと流れるように誘導し、燃焼室で排燃料ガスと反応させている。
【０００４】
しかし、この方法では、例えば特開平５−１６６５１８号公報に開示されているように、単電池に例えば３個以上の酸化ガス通路を設け、各酸化ガス通路にそれぞれガス供給管を１個ごとに挿入する必要がある。このため、多数のガス供給管が必要になるし、各ガス供給管をそれぞれ別個に各単電池の各酸化ガス通路の中に挿入する必要がある。
【０００５】
一方、複数の酸化ガス通路を有する単電池を、複数個積み重ね、いわゆるスタック構造を形成する方法も幾つか提案されている（例えば、特開平７−２２６２２０号公報）。このスタック構造においては、直方体形状の単電池のスタックを形成する。このスタックにおいては、各単電池が直列接続されている。この後、このスタックの最上端部と最下端部とにそれぞれ集電板を接触させ、スタックと集電板とを金属製の外殻中に収容し、固定する。この際には、外殻の内側に断熱材層を設ける。そして、単電池に設けられている酸化ガス通路に酸化ガスを供給し、同時に、断熱層の内側に燃料ガスを流し、燃料ガスを各単電池の外側にある燃料極に対して接触させ、各単電池において発電を実施する。直列接続されている複数の単電池の電力を、一対の集電板から取り出す。
【０００６】
そして、単電池のスタックの四周のうち相対向する二面にそれぞれ空気用マニホールドを設置し、一方のマニホールドから他方のマニホールドへと空気を流している。また、単電池のスタックの四周のうち、残りの相対向する二面にそれぞれ燃料用マニホールドを設け、一方のマニホールドから他方のマニホールドへと燃料ガスを流している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述したような単電池のスタック構造には、以下の問題点が残っている。例えば、特開平７−２２６２２０号公報のスタック構造では、複数の単電池からなるスタックの四面のうち、相対向する２面にそれぞれ酸化ガス用マニホールド部材を固定し、スタックと各マニホールド部材との間をガスケットないしシール材によってリジッドにシールし、酸化ガスと燃料ガスとの混合を防止する。こうした構造では、マニホールド部材に対して、多数の単電池がリジッドに固定され、マニホールド部材と各単電池との間が気密にシールされている。
【０００８】
しかし、現実に発電を行っていくと、マニホールド部材とスタックとの境界における気密性が低下する傾向があり、この傾向は、運転時間が長くなるのにつれて顕著になってきた。この気密性が低下すると、発電効率、起電力の低下の原因となる。
【０００９】
本発明の課題は、特に複数のガス通路を有する固体電解質型燃料電池において、電池を長時間運転したときにも、マニホールド部材と単電池との境界における気密性の低下を防止し、発電効率、起電力の低下を防止できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体電解質型燃料電池は、少なくとも空気極、燃料極および固体電解質を備えており、かつ一方の発電用ガスを流すためのガス通路が一方の端面と他方の端面との間に延びるように複数列設けられている単電池と、前記の各ガス通路に対して前記一方の発電用ガスの導入または排気を行うため、前記単電池の前記一方の端面側に取り付けられているマニホールド部材と、このマニホールド部材に対して取り付けられているセラミックス製のガス流通管とを備えており、前記マニホールド部材が、前記単電池の前記一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、この突出壁部の内側に前記単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間が形成されており、この単電池固定空間が前記ガス分配空間に連通していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記の固体電解質型燃料電池を備えているスタック構造であって、複数の単電池と、これら複数の単電池にそれぞれ別個に取り付けられている複数のマニホールド部材と、複数の単電池を収容するための容器とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明者は、マニホールド部材とスタックとの境界における気密性の低下の原因について検討した結果、次の知見を得た。即ち、スタックを収容する容器内の温度は、発電時には１０００℃あるいはそれ以上にも達するが、この際、スタックを構成する各単電池の温度は必ずしも均一ではない。スタックの最上段や最下段の単電池は、比較的にガスの温度が低く、発電効率が低くなり易い。しかし、スタックの中央にある単電池、特にその単電池の中央付近の酸化ガス通路においては、排熱が集中し、この単電池の温度が上昇し、この温度上昇によって単電池の活性が一層上昇するために、スタックの中央部分の温度が上昇する傾向がある。発電時間が長くなると、この傾向が一層強くなってくる。
【００１３】
一方、単電池、金属製のマニホールド部材およびこれらの間に介在しているシール剤の熱膨張係数はそれぞれ異なっている。そして、運転時には、スタックを構成する各単電池とマニホールド部材とは熱膨張の度合いが異なるために、マニホールド部材と単電池との境界付近、特にシール材の周辺に応力が集中する。この際、特にスタックの中央付近に位置する単電池においては、単電池とマニホールド部材との熱膨張差が大きく、一方スタックの周縁部にある単電池においては、単電池とマニホールド部材との熱膨張差が小さい。この熱膨張の差によって、マニホールド部材と単電池との間のシール材に、位置ズレをもたらす熱応力が作用するものと思われる。
【００１４】
これに対して、本発明者は、各単電池に対してそれぞれ別個にマニホールド部材を準備し、単電池の一方の端面側にマニホールド部材を取り付け、かつセラミックス製のガス流通管をマニホールド部材に取り付け、マニホールド部材に、ガス流通管のガス流通孔および複数列のガス通路に対して連通しているガス分配空間を設けることを想到した。
【００１５】
これによって、単電池の複数のガス通路に一つのマニホールド部材からガスを供給できる。しかも、各単電池とこれに対応する各マニホールド部材との間のシール部分の面積が小さいために、スタックの各部分における温度差に起因する熱応力の総和が一部の単電池に集中することはない。つまり、各単電池と各マニホールド部材との境界部分に集中する歪みは小さい。
【００１６】
しかも、スタックを構成する各単電池の膨張、収縮の度合いが異なってきた場合にも、各単電池は互いに相対的に位置移動できる。これと共に、各単電池の微小な位置移動に合わせて各ガス供給管も向きを変え、回動し、各単電池の相対的な位置移動を吸収する余地がある。
【００１７】
本発明において、マニホールド部材とは、単電池の各ガス通路に対して発電用ガスを供給するための部材、または単電池の各ガス通路から、減損した発電用ガスを排出するための部材を意味する。これに応じて、ガス流通管は、ガス供給管またはガス排出管となる。
【００１８】
【発明の実施形態】
一方の発電用ガスとして酸化ガスを使用した場合には、他方の発電用ガスとして燃料ガスを使用し、他方の発電用ガスとして酸化ガスを使用した場合には、一方の発電用ガスとして燃料ガスを使用する。
【００１９】
ガス流通管、マニホールド部材の材質は、耐熱性、酸化ガスおよび燃料ガスに対する耐久性を有するものでなければならない。こうした材質としては、アルミナ、アルミナ−マグネシアスピネル、ジルコニアが好ましい。
【００２０】
本発明においては、更に、マニホールド部材が、単電池の一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、突出壁部の内側に単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間を形成し、単電池固定空間をガス分配空間に連通させることが好ましい。この際、突出壁部が単電池の少なくとも一対の主面に対して密着するようにすると、単電池の主面方向に作用する応力に対しても、固体電解質型燃料電池の気密性が破れにくくなるので一層好ましい。この場合には、更に、突出壁部を単電池の一対の側面に対しても密着させることによって、マニホールド部材と単電池との境界のシール部分の気密性が、一層良好に保持される。
【００２１】
これらの実施形態について、図１〜図５を参照しつつ、更に詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態で使用する単電池１の横断面図である。図４は、図１の単電池を例えば３個直列接続してなるスタック３６を用いたスタック構造８を示す縦断面図であり、図５は、図４のスタック構造８の横断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）はマニホールド部材４１を示すものであり、図３は各単電池１と各マニホールド部材４１との接続状態を説明するための平面図である。
【００２３】
最初にスタック構造８の全体を説明し、次いで固体電解質型燃料電池の詳細を説明する。
【００２４】
単電池１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）の支持体２は、空気極板３とセパレータ４とからなっている。セパレータ４の平面形状は長方形である。セパレータ４の平板状本体の横断面方向の縁部に、一対の細長い側壁４ａが形成されている。各側壁４ａは、共に四角柱形状であり、セパレータ４の長手方向の一端から他端へと向って延びている。
【００２５】
一対の側壁４ａの間に、四角柱形状の隔壁４ｂが、例えば３列設けられている。各隔壁４ｂは、セパレータ４の長手方向の一端から他端へと向って互いに平行に延びている。側壁４ａ、隔壁４ｂの間に、互いに平行な溝が、例えば計四列形成されている。
【００２６】
空気極板３の平面形状は、セパレータ４の平面形状と同様である。空気極板３の平板状本体の横断面方向の縁部に、一対の細長い側壁３ａが形成されており、一対の側壁３ａの間に、四角柱形状の隔壁３ｂが、例えば３列設けられている。側壁３ａ、隔壁３ｂの間に、互いに平行な溝が、例えば計四列形成されている。セパレータ４の各側壁４ａが、空気極３の各側壁３ａに対して接合されており、セパレータ４の各隔壁４ｂが、空気極板３の各隔壁３ｂに対して接合されている。この結果、空気極板３とセパレータ４との間に、例えば４列の酸化ガス通路５が形成されている。
【００２７】
固体電解質膜６は、空気極３の主面３ｃ、側面３ｄを被覆しており、更に、セパレータ４の幅方向側面４ｄの上部を被覆している。酸化ガス通路５と空気極３の側面３ｄとは、いずれも気密質であるセパレータ４および固体電解質膜６によって包囲されている。固体電解質膜６上に、燃料極膜７が形成されている。
【００２８】
図１に示すような各単電池を積み重ね、直列接続することによって、図４、図５に示すようなスタック３６を構成する。スタック３６においては、例えば３個の単電池１Ａ、１Ｂ、１Ｃが積み重ねられている。各単電池１Ａ、１Ｂの各セパレータ４の各主面４ｃが、それぞれ下側の各単電池１Ｂ、１Ｃの各燃料極膜７に対して、それぞれ通気性の導電材１７を介して接続されている。通気性の導電材としては、ニッケルフェルト、ニッケルスポンジが好ましい。
【００２９】
本実施形態では、一方の集電板１２Ａと他方の集電板１２Ｂとを組み合わせ、容器３２を作製する。この際には、各集電板１２Ａと１２Ｂとの間にスタック３６を挟んでから、容器３２を組み立てる。
【００３０】
各集電板１２Ａ、１２Ｂは、平板部１２ａ、側板部１２ｂ、１２ｄおよび突出部１２ｃを備えている。集電板１２Ａの突出部１２ｃと集電板１２Ｂの突出部１２ｃとを、図５に示すように位置合わせし、各突出部の間に絶縁部材１３を挟む。そして、例えばボルト３３およびナット３４からなる締結部材によって各集電板１２Ａ、１２Ｂの各突出部１２ｃを締結し、ボルトの締結力を調節することによって、矢印Ａのように圧力を加える。これによって、容器３２の突出部１４を構成する。
【００３１】
この結果、容器３２の内側の発電領域３８に、直列接続された単電池のスタック３６が収容され、固定される。この状態で、各単電池には、単電池が積み重ねられた方向Ａに向かって、所定の圧力が加わっている。このスタックの単電池１Ａは、通気性の導電材１６を通して集電板１２Ａに対して接続されており、単電池１Ｃは導電材１６を通して集電板１２Ｂに対して接続されている。集電板１２Ａ、１２Ｂの外側に断熱材層１１Ａ、１１Ｂが設けられており、各断熱材層の外側に外殻１０Ａ、１０Ｂが設けられている。各ボルト３３は、各外殻および各断熱材層を貫通している。
【００３２】
図４において左側から順に、発電室の燃焼領域３０、発電領域３８、予熱室１９、酸化ガス室２４が設けられている。図５に示すスタックは、図４における発電領域３８の状態を示している。酸化ガス室２４と予熱室１９とは気密質隔壁２０によって区分されており、予熱室１９と発電室との間も気密質隔壁４４によって区分されている。
【００３３】
各単電池に対応して、各酸化ガス供給管４２が設けられている。各供給管４２の右端は酸化ガス室２４内に開口しており、各供給管４２は隔壁２０、予熱室１９、隔壁４４を貫通し、それぞれマニホールド部材４１によって各単電池の一方の端面１ａ側に取りつけられている。４４ａ、２０ａは、それぞれ各隔壁の貫通孔である。
【００３４】
固体電解質型燃料電池について述べる。図２（ａ）はマニホールド部材４１の正面図であり、図２（ｂ）は部材４１に供給管４２を取り付けた状態を示す平面図であり、図２（ｃ）はその縦断面図である。図３は、マニホールド部材と単電池１とを結合した状態を示す平面図である。
【００３５】
マニホールド部材４１は、図４に示すように、各単電池の各端部にそれぞれ取り付けられるものである。部材４１の単電池側に一対の突出壁部４１ａ、４１ｂが設けられており、突出壁部４１ａと４１ｂとの間に単電池固定空間４１ｄが形成されている。固定空間４１ｄの反対側には供給管の固定空間４１ｅが設けられており、単電池固定空間４１ｄと供給管の固定空間４１ｅとが分配空間４１ｃに連通している。
【００３６】
供給管４２の端部４２ａが固定空間４１ｅ内に挿入されており、供給管４２の末端面４２ｂが直方体形状の分配空間４１ｃに面している。一方、単電池１の一方の端部１ａが、固定空間４１ｄ内に挿入されており、各突出壁部４１ａ、４１ｂが単電池の主面１ｅと１ｆ（図４、５参照）に対して密着している。
【００３７】
図３、図４に示すように、酸化ガスは、外殻１０Ａ、１０Ｂの外部から、供給口２６を介して矢印Ｂのように酸化ガス室２４に供給され、各供給管４２中に入り、各供給管のガス流通孔４２ｃを矢印Ｃのように流れる。そして、供給管４２の末端面４２ｂから分配空間４１ｃ内に流れ、次いで、単電池１の各ガス通路５の一方の開口５ａに入り、各ガス通路５内を流れ、単電池１の他方の端面１ｂ側の他方の開口５ｂから矢印Ｄのように、燃焼領域３０に放出され、ここで燃料ガスと反応する。
【００３８】
また、燃料ガスは、外殻の外部から矢印Ｅのように発電室内に供給され、各単電池の間、および単電池と容器との隙間１５を矢印Ｆのように流れ、燃焼領域３０へと流入する。
【００３９】
燃焼領域３０では、減損した燃料ガスが、減損した酸化ガスと反応し、燃焼する。この燃焼排ガスは、排ガス管２５を通って矢印Ｇ、Ｈのように流れ、予熱室１９内に供給され、予熱室１９から排出口２７を通して矢印Ｉのように排出される。この燃焼排ガスの廃熱によって、矢印Ｃのように各供給管４２のガス流通孔４２ｃを流れる酸化ガスを予熱できる。
【００４０】
本実施形態においては、各供給管４２の供給側の末端には、供給管を単電池の方へと付勢するための構造が設けられている。即ち、各供給管４２の右側の供給側末端には、隔壁２０に可動性シール装置４０が設置されており、各供給管４２が気密質隔壁２０に対して垂直な方向に、隔壁２０と各供給管４２との間の気密性を維持しつつ、移動可能なようになっている。可動性シール装置４０は、Ｏリング２２と、各Ｏリング２２を所定の圧力で押圧している押圧部材２１とを備えている。また、各供給管４２の末端面には所定の付勢部材２３が取りつけられており、各供給管４２を、対応する各単電池の方へと向かって一定圧力で付勢するようになっている。
【００４１】
本実施形態におけるように、予熱室１９を設け、供給管４２内のガスを予熱する構造を採用することが好ましい。これによって、スタック構造８の外部に、スタック構造とは別体の予熱室を設ける必要がなくなる。
【００４２】
なお、本発明においては、ガス流通管（例えば４２）のうち、マニホールド部材に取り付けられている一方の端部４２ａと、ガス流通管の他方の端部との間で、７００℃以上の温度勾配を設けることが好ましい。これによって、スタック構造の外殻に分厚い断熱材を設ける必要がなくなる。また、可動性シール部にシリコンゴム製のＯリングを使用できる。
【００４３】
また、マニホールド部材の突出壁部を、単電池の一対の主面に対して密着させると共に、単電池の一対の側面に対しても密着させることが特に好ましい。図６（ａ）は、こうしたマニホールド部材４３を示す正面図であり、図６（ｂ）は、部材４３に供給管４２を取り付けた状態を示す平面図であり、図６（ｃ）は、部材４３に供給管４２を取り付けた状態を示す縦断面図である。
【００４４】
マニホールド部材４３も、図４に示すように、各単電池の各端部にそれぞれ取り付けられるものである。部材４３の単電池側に４列の突出壁部４３ａ、４３ｂ、４３ｆ、４３ｇが設けられており、これらの間に単電池固定空間４３ｄが形成されている。固定空間４３ｄの反対側には供給管の固定空間４３ｅが設けられている。単電池固定空間４３ｄと供給管の固定空間４３ｅとが、分配空間４３ｃに連通している。
【００４５】
供給管４２の一方の端部４２ａが固定空間４３ｅ内に挿入されており、供給管４２の末端面４２ｂが直方体形状の分配空間４３ｃに面している。単電池１の一方の端部１ａを固定空間４３ｄ内に挿入する。相対向する突出壁部４３ａ、４３ｂが、単電池の主面１ｅと１ｆ（図図３、４、５参照）に対して密着しており、相対向する突出壁部４３ｆ、４３ｇが、単電池の側面１ｃと１ｄ（図図３参照）に密着している。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数のガス通路を有する固体電解質型燃料電池において、電池を長時間運転したときにも、マニホールド部材と単電池との境界における気密性の低下を防止し、発電効率、起電力の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態で使用できる単電池１を示す横断面図である。
【図２】（ａ）はマニホールド部材４１の正面図であり、（ｂ）は、部材４１に供給管４２を取り付けた状態を示す平面図であり、（ｃ）はその縦断面図である。
【図３】マニホールド部材と単電池１とを結合した状態を示す平面図である。
【図４】図１の単電池を積み重ねて得られたスタック３６を容器内に収容したスタック構造８を示す縦断面図である。
【図５】図４のスタック構造８を概略的に示す横断面図である。
【図６】（ａ）は、他のマニホールド部材４３の正面図であり、（ｂ）は、部材４３に供給管４２を取り付けた状態を示す平面図であり、（ｃ）はその縦断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ単電池，２単電池の支持体，３空気極板，４セパレータ，５酸化ガス通路，６固体電解質膜，７燃料極膜，８スタック構造，１０Ａ、１０Ｂ外殻，１１Ａ、１１Ｂ断熱材層，１２Ａ一方の集電板，１２Ｂ他方の集電板，１３絶縁部材，１４容器の突出部，１５燃料ガス通路，１９予熱室，２４酸化ガス室，３０燃焼領域，３２容器，３６スタック，３８発電室の発電領域，４０可動性シール装置，４１、４３マニホールド部材，４１ａ、４１ｂ、４３ａ、４３ｂ単電池の主面に密着する突出壁部，４１ｃ、４３ｃ分配空間，４１ｄ、４３ｄ単電池固定空間，４１ｅ、４３ｅガス流通管の固定空間，４２酸化ガス供給管，４２ａ酸化ガス供給管の一方の端部，４２ｃ酸化ガス供給管のガス流通孔，４３ｆ、４３ｇ単電池の一対の側面に密着する突出壁部，Ｂ、Ｃ、Ｄ酸化ガスの流れ，Ｅ、Ｆ燃料ガスの流れ，Ｇ、Ｈ、Ｉ燃焼排ガスの流れ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a unit cell manifold structure and a stack structure of a solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Solid oxide fuel cells (SOFC) are roughly classified into flat plate types and cylindrical types (Energy Integrated Engineering 13-2, 1990). Since the electromotive force of the SOFC unit cell is about 1 V in open circuit and the current density is about several hundred mA / cm ² at the time of actual use, the unit cells having a large power generation area can be easily connected in series or in parallel. It is important to be able to connect. From this point of view, the structure of the cell and its stack (collective cell) must be considered.
[0003]
In particular, in a stack structure of a solid oxide fuel cell, it is required to maintain airtightness between the oxidizing gas and the fuel gas at the operating temperature of the power generator. For example, in a so-called Westinghouse type solid oxide fuel cell, a cylindrical air electrode is used as a base, and a solid electrolyte membrane and a fuel electrode membrane are formed thereon. Further, the applicant of the present invention also relates to a flat unit cell having a structure in which a laminated sintered body composed of an air electrode and an interconnector is used as an air electrode / interconnector base, and a solid electrolyte membrane and a fuel electrode membrane are formed thereon. Disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-166518). In these stack structures, a so-called sealless structure is employed. That is, an oxidizing gas supply pipe is inserted into each oxidizing gas passage formed in each unit cell, and the oxidizing gas is supplied from each oxidizing gas supply pipe to the inside of the unit cell. Then, the exhaust oxidant gas discharged from each oxidant gas passage of the unit cell is guided to flow into the combustion chamber, and is reacted with the exhaust fuel gas in the combustion chamber.
[0004]
However, in this method, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-166518, for example, three or more oxidizing gas passages are provided in a single cell, and a gas supply pipe is provided in each oxidizing gas passage. It is necessary to insert. For this reason, many gas supply pipes are needed, and it is necessary to insert each gas supply pipe into each oxidizing gas passage of each unit cell separately.
[0005]
On the other hand, several methods for stacking a plurality of unit cells having a plurality of oxidizing gas passages to form a so-called stack structure have been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-226220). In this stack structure, a stack of unit cells having a rectangular parallelepiped shape is formed. In this stack, the individual cells are connected in series. Thereafter, current collector plates are brought into contact with the uppermost end portion and the lowermost end portion of the stack, respectively, and the stack and the current collector plate are accommodated in a metal outer shell and fixed. In this case, a heat insulating material layer is provided inside the outer shell. Then, the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas passage provided in the unit cell, and at the same time, the fuel gas is caused to flow inside the heat insulating layer, and the fuel gas is brought into contact with the fuel electrode outside each unit cell. Power generation is performed in a single cell. The electric power of the plurality of single cells connected in series is taken out from the pair of current collector plates.
[0006]
Then, air manifolds are respectively installed on two opposing surfaces of the four rounds of the unit cell stack, and air is allowed to flow from one manifold to the other manifold. In addition, fuel manifolds are provided on the remaining two opposing surfaces of the four rounds of the unit cell stack, and fuel gas flows from one manifold to the other manifold.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the following problems remain in the cell stack structure as described above. For example, in the stack structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-226220, an oxidizing gas manifold member is fixed to two opposing surfaces among the four surfaces of a stack composed of a plurality of unit cells, and the stack and each manifold member are The gap is sealed rigidly with a gasket or sealing material to prevent mixing of oxidizing gas and fuel gas. In such a structure, a large number of single cells are rigidly fixed to the manifold member, and the space between the manifold member and each single cell is hermetically sealed.
[0008]
However, when power is actually generated, the airtightness at the boundary between the manifold member and the stack tends to decrease, and this tendency becomes more prominent as the operation time becomes longer. When this airtightness is lowered, it causes a reduction in power generation efficiency and electromotive force.
[0009]
An object of the present invention is to prevent a decrease in hermeticity at the boundary between a manifold member and a single cell even when the battery is operated for a long time, particularly in a solid oxide fuel cell having a plurality of gas passages, It is to be able to prevent a drop in electromotive force.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Solid oxide fuel cell according to the present invention, between the air electrode, the fuel electrode and comprises a solid electrolyte, and gas passage for the flow of one of the power generation gas is one end surface and other end surface even without least a unit cell which is provided a plurality of rows so as to extend in, for the introduction or evacuation of the one of the power generation gas to each gas passage of the, attached to said one end face of the unit cell a manifold member comprises a ceramic gas flow pipe which is attached to this manifold member, said manifold member, said projecting wall protruding toward towards said one end face of the unit cell A cell fixing space for inserting and fixing the end of the unit cell is formed inside the protruding wall, and the unit cell fixing space communicates with the gas distribution space. And wherein the Rukoto.
[0011]
In addition, the present invention provides a stack structure including the solid oxide fuel cell , a plurality of unit cells, a plurality of manifold members separately attached to the plurality of unit cells, and a plurality of unit cells. And a container for housing the unit cell.
[0012]
As a result of examining the cause of the decrease in airtightness at the boundary between the manifold member and the stack, the present inventor has obtained the following knowledge. That is, the temperature inside the container that accommodates the stack reaches 1000 ° C. or higher during power generation, but at this time, the temperature of each single cell constituting the stack is not necessarily uniform. The cells at the top and bottom of the stack have a relatively low gas temperature, and the power generation efficiency tends to be low. However, in the single cell at the center of the stack, especially in the oxidizing gas passage near the center of the single cell, exhaust heat is concentrated, the temperature of the single cell rises, and this cell rise further increases the activity of the single cell. Therefore, the temperature of the central part of the stack tends to increase. This tendency becomes stronger as power generation time becomes longer.
[0013]
On the other hand, the thermal expansion coefficients of the unit cell, the metal manifold member, and the sealant interposed therebetween are different. At the time of operation, each cell constituting the stack and the manifold member have different degrees of thermal expansion, so stress concentrates near the boundary between the manifold member and the cell, particularly around the seal material. At this time, particularly in the unit cell located near the center of the stack, the difference in thermal expansion between the unit cell and the manifold member is large, whereas in the unit cell in the peripheral portion of the stack, the thermal expansion between the unit cell and the manifold member is large. The difference is small. Due to this difference in thermal expansion, it is considered that a thermal stress that causes a positional shift acts on the seal material between the manifold member and the single cell.
[0014]
In contrast, the present inventor separately prepares a manifold member for each unit cell, attaches the manifold member to one end surface side of the unit cell, and attaches a ceramic gas flow pipe to the manifold member. It has been conceived that the manifold member is provided with a gas distribution space communicating with the gas flow holes of the gas flow pipe and the plurality of rows of gas passages.
[0015]
Thereby, gas can be supplied from one manifold member to the plurality of gas passages of the unit cell. In addition, since the area of the seal portion between each unit cell and each corresponding manifold member is small, the sum of thermal stress due to the temperature difference in each part of the stack is concentrated on some unit cells. There is no. That is, the distortion concentrated on the boundary portion between each unit cell and each manifold member is small.
[0016]
Moreover, even when the degree of expansion and contraction of the individual cells constituting the stack is different, the individual cells can move relative to each other. At the same time, there is room for each gas supply pipe to change its direction and rotate in accordance with the minute position movement of each unit cell and absorb the relative position movement of each unit cell.
[0017]
In the present invention, the manifold member, member for supplying the power generation gas to each gas passage of the cell or from the gas passage of the cell, meaning the member for discharging the depleted power generation gas To do. Accordingly, the gas flow pipe becomes a gas supply pipe or a gas discharge pipe.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
When oxidizing gas is used as one power generating gas, fuel gas is used as the other power generating gas, and when oxidizing gas is used as the other power generating gas, fuel gas is used as one power generating gas. Is used.
[0019]
The material of the gas flow pipe and the manifold member must have heat resistance, durability against oxidizing gas and fuel gas. As such a material, alumina, alumina-magnesia spinel, and zirconia are preferable.
[0020]
In the present invention, the manifold member further includes a protruding wall portion protruding toward one end face of the unit cell, and the end portion of the unit cell is inserted and fixed inside the protruding wall portion. It is preferable to form a unit cell fixing space for communication and communicate the unit cell fixing space with the gas distribution space. At this time, if the protruding wall portions are in close contact with at least a pair of main surfaces of the unit cell , the airtightness of the solid oxide fuel cell is broken even with respect to stress acting in the main surface direction of the unit cell. more preferred because the Ku rather than made. In this case, by further bringing the projecting wall portion into close contact with the pair of side surfaces of the unit cell, the airtightness of the seal portion at the boundary between the manifold member and the unit cell is further maintained.
[0021]
These embodiments will be described in more detail with reference to FIGS.
[0022]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a unit cell 1 used in an embodiment of the present invention. 4 is a longitudinal sectional view showing a stack structure 8 using a stack 36 in which, for example, three unit cells of FIG. 1 are connected in series, and FIG. 5 is a transverse sectional view of the stack structure 8 of FIG. . 2A to 2C show the manifold member 41, and FIG. 3 is a plan view for explaining a connection state between each unit cell 1 and each manifold member 41.
[0023]
First, the entire stack structure 8 will be described, and then the details of the solid oxide fuel cell will be described.
[0024]
A support 2 of the unit cell 1 (1A, 1B, 1C) is composed of an air electrode plate 3 and a separator 4. The planar shape of the separator 4 is a rectangle. A pair of elongated side walls 4 a is formed at the edge of the flat plate-like main body of the separator 4 in the cross-sectional direction. Each side wall 4a has a quadrangular prism shape and extends from one end of the separator 4 in the longitudinal direction to the other end.
[0025]
For example, three rows of quadrangular prism-shaped partition walls 4b are provided between the pair of side walls 4a. Each partition wall 4b extends in parallel with each other from one end of the separator 4 in the longitudinal direction to the other end. For example, a total of four rows of grooves parallel to each other are formed between the side wall 4a and the partition wall 4b.
[0026]
The planar shape of the air electrode plate 3 is the same as the planar shape of the separator 4. A pair of elongate side walls 3a are formed at the edge of the flat plate body of the air electrode plate 3 in the cross-sectional direction, and three columns of square columnar partition walls 3b are provided between the pair of side walls 3a, for example. Yes. For example, a total of four rows of grooves parallel to each other are formed between the side wall 3a and the partition wall 3b. Each side wall 4 a of the separator 4 is joined to each side wall 3 a of the air electrode 3, and each partition 4 b of the separator 4 is joined to each partition 3 b of the air electrode plate 3. As a result, for example, four rows of oxidizing gas passages 5 are formed between the air electrode plate 3 and the separator 4.
[0027]
The solid electrolyte membrane 6 covers the main surface 3 c and the side surface 3 d of the air electrode 3, and further covers the upper part of the width side surface 4 d of the separator 4. Both the oxidizing gas passage 5 and the side surface 3d of the air electrode 3 are surrounded by a separator 4 and a solid electrolyte membrane 6 which are airtight. A fuel electrode membrane 7 is formed on the solid electrolyte membrane 6.
[0028]
Stacks such as shown in FIGS. 4 and 5 are configured by stacking and connecting the single cells as shown in FIG. 1 in series. In the stack 36, for example, three unit cells 1A, 1B, and 1C are stacked. Each main surface 4c of each separator 4 of each unit cell 1A, 1B is connected to each fuel electrode membrane 7 of each lower unit cell 1B, 1C via a breathable conductive material 17, respectively. Yes. As the breathable conductive material, nickel felt and nickel sponge are preferable.
[0029]
In the present embodiment, one current collector 12A and the other current collector 12B are combined to produce the container 32. At this time, the container 32 is assembled after the stack 36 is sandwiched between the current collector plates 12A and 12B.
[0030]
Each of the current collecting plates 12A and 12B includes a flat plate portion 12a, side plate portions 12b and 12d, and a protruding portion 12c. The protruding portion 12c of the current collector plate 12A and the protruding portion 12c of the current collector plate 12B are aligned as shown in FIG. 5, and the insulating member 13 is sandwiched between the protruding portions. Then, for example, each projecting portion 12c of each current collector plate 12A, 12B is fastened by a fastening member including a bolt 33 and a nut 34, and pressure is applied as indicated by an arrow A by adjusting the fastening force of the bolt. Thus, the protruding portion 14 of the container 32 is configured.
[0031]
As a result, the stack 36 of unit cells connected in series is housed and fixed in the power generation region 38 inside the container 32. In this state, a predetermined pressure is applied to each unit cell in the direction A in which the unit cells are stacked. The unit cell 1A of the stack is connected to the current collector plate 12A through the air-permeable conductive material 16, and the cell 1C is connected to the current collector plate 12B through the conductive material 16. The heat insulating layers 11A and 11B are provided outside the current collector plates 12A and 12B, and the outer shells 10A and 10B are provided outside the respective heat insulating layers. Each bolt 33 penetrates each outer shell and each heat insulating material layer.
[0032]
In FIG. 4, a combustion region 30, a power generation region 38, a preheating chamber 19, and an oxidizing gas chamber 24 are provided in order from the left side. The stack shown in FIG. 5 shows the state of the power generation region 38 in FIG. The oxidizing gas chamber 24 and the preheating chamber 19 are separated by an airtight partition wall 20, and the preheating chamber 19 and the power generation chamber are also separated by an airtight partition wall 44.
[0033]
Corresponding to each unit cell, each oxidizing gas supply pipe 42 is provided. The right end of each supply pipe 42 opens into the oxidizing gas chamber 24, and each supply pipe 42 passes through the partition wall 20, the preheating chamber 19, and the partition wall 44, and is connected to one end face 1 a side of each unit cell by the manifold member 41. It is attached to. 44a and 20a are through-holes of the respective partition walls.
[0034]
A solid oxide fuel cell will be described. 2 (a) is a front view of the manifold member 41, FIG. 2 (b) is a plan view showing a state where the supply pipe 42 is attached to the member 41, and FIG. 2 (c) is a longitudinal sectional view thereof. . FIG. 3 is a plan view showing a state in which the manifold member and the unit cell 1 are combined.
[0035]
As shown in FIG. 4, the manifold member 41 is attached to each end of each unit cell. A pair of projecting wall portions 41a and 41b are provided on the unit cell side of the member 41, and a unit cell fixing space 41d is formed between the projecting wall portions 41a and 41b. A fixed space 41e for the supply pipe is provided on the opposite side of the fixed space 41d, and the single cell fixed space 41d and the fixed space 41e for the supply pipe communicate with the distribution space 41c.
[0036]
The end 42a of the supply pipe 42 is inserted into the fixed space 41e, and the end face 42b of the supply pipe 42 faces the rectangular parallelepiped distribution space 41c. On the other hand, one end 1a of the unit cell 1 is inserted into the fixed space 41d, and the protruding wall portions 41a and 41b are in close contact with the main surfaces 1e and 1f (see FIGS. 4 and 5) of the unit cell. is doing.
[0037]
As shown in FIGS. 3 and 4, the oxidizing gas is supplied from the outside of the outer shells 10 </ b> A and 10 </ b> B to the oxidizing gas chamber 24 as indicated by an arrow B through the supply port 26 and enters each supply pipe 42. The gas flows through the gas flow holes 42c of the supply pipes as indicated by arrows C. Then, it flows into the distribution space 41 c from the end face 42 b of the supply pipe 42, then enters one opening 5 a of each gas passage 5 of the unit cell 1, flows through each gas passage 5, and the other end surface of the unit cell 1. As indicated by the arrow D, the other opening 5b on the 1b side is discharged into the combustion region 30, where it reacts with the fuel gas.
[0038]
Further, the fuel gas is supplied from the outside of the outer shell into the power generation chamber as indicated by the arrow E, flows between the single cells, and through the gap 15 between the single cells and the container as indicated by the arrow F, and enters the combustion region 30. Inflow.
[0039]
In the combustion region 30, the depleted fuel gas reacts with the depleted oxidizing gas and burns. The combustion exhaust gas flows through the exhaust gas pipe 25 as indicated by arrows G and H, is supplied into the preheating chamber 19, and is discharged from the preheating chamber 19 through the discharge port 27 as indicated by arrow I. With the waste heat of the combustion exhaust gas, as shown by an arrow C, the oxidizing gas flowing through the gas flow holes 42c of the supply pipes 42 can be preheated.
[0040]
In the present embodiment, a structure for urging the supply pipe toward the unit cell is provided at the supply-side end of each supply pipe 42. That is, at the supply side end on the right side of each supply pipe 42, a movable seal device 40 is installed on the partition wall 20, and each supply pipe 42 and each partition wall 20 are arranged in a direction perpendicular to the airtight partition wall 20. It can move while maintaining airtightness with the supply pipe 42. The movable sealing device 40 includes an O-ring 22 and a pressing member 21 that presses each O-ring 22 with a predetermined pressure. Further, a predetermined urging member 23 is attached to the end face of each supply pipe 42, and each supply pipe 42 is urged at a constant pressure toward the corresponding unit cell. Yes.
[0041]
As in the present embodiment, it is preferable to employ a structure in which the preheating chamber 19 is provided and the gas in the supply pipe 42 is preheated. This eliminates the need to provide a preheating chamber separate from the stack structure outside the stack structure 8.
[0042]
In the present invention, a temperature gradient of 700 ° C. or more between one end portion 42a attached to the manifold member and the other end portion of the gas flow tube among the gas flow tubes (for example, 42). Is preferably provided. This eliminates the need for thick insulation on the outer shell of the stack structure. Further, an O-ring made of silicon rubber can be used for the movable seal portion.
[0043]
In addition, it is particularly preferable that the protruding wall portion of the manifold member is in close contact with the pair of main surfaces of the unit cell, and is also in close contact with the pair of side surfaces of the unit cell. FIG. 6A is a front view showing such a manifold member 43, FIG. 6B is a plan view showing a state in which the supply pipe 42 is attached to the member 43, and FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a state in which a supply pipe 42 is attached to 43. FIG.
[0044]
As shown in FIG. 4, the manifold member 43 is also attached to each end of each unit cell. Four rows of protruding wall portions 43a, 43b, 43f, 43g are provided on the unit cell side of the member 43, and a unit cell fixing space 43d is formed therebetween. On the opposite side of the fixed space 43d, a fixed space 43e for the supply pipe is provided. The unit cell fixed space 43d and the supply pipe fixed space 43e communicate with the distribution space 43c.
[0045]
One end 42a of the supply pipe 42 is inserted into the fixed space 43e, and the end face 42b of the supply pipe 42 faces the rectangular parallelepiped distribution space 43c. One end 1a of the unit cell 1 is inserted into the fixed space 43d. The opposing protruding wall portions 43a and 43b are in close contact with the main surfaces 1e and 1f (see FIGS. 3, 4 and 5) of the single cell, and the opposing protruding wall portions 43f and 43g are the single cell. Are closely attached to side surfaces 1c and 1d (see FIG. 3).
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a solid oxide fuel cell having a plurality of gas passages, even when the cell is operated for a long time, deterioration in airtightness at the boundary between the manifold member and the unit cell is prevented. In addition, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency and electromotive force.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cell 1 that can be used in an embodiment of the present invention.
2A is a front view of a manifold member 41, FIG. 2B is a plan view showing a state where a supply pipe 42 is attached to the member 41, and FIG. 2C is a longitudinal sectional view thereof.
FIG. 3 is a plan view showing a state in which the manifold member and the unit cell 1 are combined.
4 is a longitudinal sectional view showing a stack structure 8 in which a stack 36 obtained by stacking unit cells of FIG. 1 is accommodated in a container. FIG.
5 is a cross-sectional view schematically showing the stack structure 8 of FIG.
6A is a front view of another manifold member 43, FIG. 6B is a plan view showing a state where a supply pipe 42 is attached to the member 43, and FIG. 6C is a longitudinal sectional view thereof; It is.
[Explanation of symbols]
1, 1A, 1B, 1C unit cell, 2 unit cell support, 3 air electrode plate, 4 separator, 5 oxidizing gas passage, 6 solid electrolyte membrane, 7 fuel electrode membrane, 8 stack structure, 10A, 10B outer shell, 11A, 11B insulation layer, 12A current collector plate, 12B other current collector plate, 13 insulating member, 14 container protrusion, 15 fuel gas passage, 19 preheating chamber, 24 oxidizing gas chamber, 30 combustion region, 32 Container, 36 Stack, 38 Power generation area of power generation chamber, 40 Movable seal device, 41, 43 Manifold member, 41a, 41b, 43a, 43b Protruding wall portion in close contact with main surface of unit cell, 41c, 43c Distribution space, 41d 43d single cell fixed space, 41e, 43e fixed space for gas flow pipe, 42 oxidizing gas supply pipe, 42a one end of oxidizing gas supply pipe, 42c gas flow hole for oxidizing gas supply pipe, 4 f, 43 g protruding wall portion in close contact with the pair of side surfaces of the cells, B, C, the flow of D oxidizing gas, E, flow F fuel gas, G, H, the flow of I flue gas

Claims

少なくとも空気極、燃料極および固体電解質を備えており、かつ一方の発電用ガスを流すためのガス通路が一方の端面と他方の端面との間に延びるように複数列設けられている単電池と、前記の各ガス通路に対して前記一方の発電用ガスの導入または排気を行うため、前記単電池の前記一方の端面側に取り付けられているマニホールド部材と、このマニホールド部材に対して取り付けられているセラミックス製のガス流通管とを備えており、
前記マニホールド部材に、前記ガス流通管のガス流通孔および前記複数列のガス通路に対して連通しているガス分配空間が設けられており、前記マニホールド部材が、前記単電池の前記一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、この突出壁部の内側に前記単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間が形成されており、この単電池固定空間が前記ガス分配空間に連通していることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。 Even without least an air electrode, provided with a fuel electrode and a solid electrolyte, and a single gas passage for flowing one of the power generation gas is provided a plurality of rows so as to extend between one end face and the other end face a battery, for the introduction or evacuation of the one of the power generation gas to each gas passage of the, and the manifold member is mounted on said one end face of the unit cell, attached to the manifold member It is provided with a ceramic gas flow pipe and,
The manifold member is provided with a gas distribution space communicating with the gas flow holes of the gas flow pipe and the plurality of rows of gas passages, and the manifold member is formed on the one end surface of the unit cell. A projecting wall portion projecting toward the direction, and an end portion of the unit cell is inserted and fixed inside the projecting wall portion, and the unit cell fixing space is formed. A solid oxide fuel cell, wherein a space communicates with the gas distribution space .

前記マニホールド部材が、前記各ガス通路に対して前記一方の発電用ガスを供給するためのマニホールド部材であ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。 It said manifold member, characterized in that said a manifold member for supplying the power generation gas of said one for each gas passage, the solid electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein.

前記単電池において前記一方の端面と前記他方の端面との間に、相対向する一対の主面と相対向する一対の側面とが形成されており、前記単電池固定空間に前記単電池の端部が挿入および固定されており、前記突出壁部が前記単電池の少なくとも前記一対の主面に対して密着していることを特徴とする、請求項１又は２記載の固体電解質型燃料電池。 In the unit cell, a pair of opposing main surfaces and a pair of side surfaces opposing each other are formed between the one end surface and the other end surface, and the end of the unit cell is disposed in the unit cell fixing space. The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein a portion is inserted and fixed, and the protruding wall portion is in close contact with at least the pair of main surfaces of the unit cell .

前記突出壁部が前記単電池の前記一対の側面に対して密着していることを特徴とする、請求項３記載の固体電解質型燃料電池。 4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the protruding wall portions are in close contact with the pair of side surfaces of the unit cell .

前記マニホールド部材に、前記ガス流通管の端部を挿入し、固定するためのガス流通管固定空間が形成されており、このガス流通管固定空間が前記ガス分配空間に連通していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の固体電解質型燃料電池。 A gas flow pipe fixing space for inserting and fixing an end of the gas flow pipe into the manifold member is formed, and the gas flow pipe fixing space communicates with the gas distribution space. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4 .

請求項１記載の固体電解質型燃料電池を備えているスタック構造であって、
このスタック構造が、複数の前記単電池と、これら複数の単電池にそれぞれ別個に取り付けられているマニホールド部材と、複数の前記単電池を収容するための容器とを備えていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池のスタック構造。A stack structure comprising the solid oxide fuel cell according to claim 1,
The stack structure includes a plurality of the unit cells, a manifold member separately attached to each of the plurality of unit cells, and a container for housing the plurality of unit cells. , Stack structure of solid oxide fuel cell.

前記ガス流通管のうち前記マニホールド部材に取り付けられている一方の端部と前記ガス流通管の他方の端部との間で、発電時に７００℃以上の温度差が設けられていることを特徴とする、請求項６記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造。A temperature difference of 700 ° C. or more is provided during power generation between one end of the gas flow pipe attached to the manifold member and the other end of the gas flow pipe. The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 6.