JP5033324B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池 - Google Patents
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Description
ところで、金属配管と非金属マニホールドとの接合においては、金属と非金属との熱膨張差に起因する接合部のシール性の低下、非金属マニホールドの破壊、金属配管の振動に起因する接合部のシール不良、又は、金属配管の引き抜け等の問題点がある。
しかしながら、上記従来技術を金属配管と非金属マニホールドとの接合に用いた場合には、解決すべき問題点がある。第一に、ロウ材層等の接合層を形成する場合、ロウ材層と、金属及び非金属との組み合わせにおいて、使用しうるロウ材が制限される。
第二に、軟化シール材では、振動等により、簡単に非金属マニホールドから金属配管が引き抜けてしまう。
第三に、摩擦係数の規定では、長時間の使用により、金属と非金属との界面反応で摩擦係数が変化してくる可能性があり、耐久性の観点で問題がある。
このような燃料電池スタックでは、金属配管に金属フランジを設けるとともに、以下の特徴を有することにより、ガラスと金属部分との接合面積が大きくなるため、接合強度を上げ、マニホールドからのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止することが可能になる。
このような燃料電池スタックでは、金属配管に突起部を設けることにより、さらに、非金属部分と金属部分との接合面積が増えると共に、金属配管の引き抜け方向や回転方向に対して、これらを阻止する力を大きくすることができる。
このような燃料電池スタックでは、金属フランジに突起部を設けることにより、さらに、非金属部分と金属部分との接合面積が増えると共に、金属配管の引き抜け方向や回転方向に対して、これらを阻止する力を大きくすることができる。
このような燃料電池スタックでは、金属フランジをマニホールドに埋設することにより、非金属部分と金属部分との接合面積がさらに大きくなるため、接合強度を上げ、マニホールドからのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止することができる。
このような燃料電池では、マニホールドと金属配管との接続強度が高く、マニホールドからのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止できる燃料電池スタックを具備することにより、信頼性を上げるとともに、発電効率を高める燃料電池を提供することができる。
また、本発明により、上記燃料電池スタックを用いることにより、信頼性及び発電効率の高い燃料電池を提供することができる。
図1は、本発明に係る燃料電池の実施形態の一例を示す断面図である。図2は、図1の燃料電池を一部省略して示す斜視図である。図3は、図1の燃料電池に使用されている燃料電池スタックを示す斜視図である。図4は、図3の燃料電池スタックにおけるセルスタックを示す断面図。図5は、図3の発電ユニットを示す斜視図である。
前断熱壁及び/又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び/又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室12内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。
連通ガス室18の各々の上面には前後方向に間隔をおいて3個の連通筒20が付設されており、かかる連通筒20を介して連通ガス室18の各々が上部ガス室16の下面両側部に連通されている。連通ガス室18の各々の下端部内側は下部ガス室14の両側面に直接的に連結されている。
かかるケース26内にはその横方向中間に位置する仕切板28が配設されており、ケース26内は内側に位置する排出路30と外側に位置する流入路32とに区画されている。排出路30内には上下方向に間隔をおいて5枚の仕切壁34及び36が配置されている。更に詳述すると、排出路30内には、その前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁34と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁36とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路30はジグザグ形態にせしめられている。なお、燃焼ガス排出路30は、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
燃料ガスマニホールド58aの上壁には図1において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット(図示していない)が形成されており、電極支持基板64の各々に形成されている燃料ガス通路74がスリットの各々に、従って燃料ガス室59aに連通せしめられる。
燃料極層66及び/又は固体電解質層68との同時焼成により電極支持基板64を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板64を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。
固体電解質層68は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成されている。
酸素極層70は所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層70はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
集電部材76は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
燃料ガス送給管80aは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管80aの他端は上記燃料ガスマニホールド58aの前面に接続されている。改質ケース78aの後面には改質される被改質ガス供給管82aの一端が接続されている。被改質ガス供給管82aは改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出されている。燃料ガス送給管80a、被改質ガス供給管82aの内部がガス供給路とされている。
図示の実施形態においては、改質ケース78aは燃料ガス送給管80aを介して燃料ガスマニホールド58aに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図5に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管82aの下面と燃料ガスマニホールド58aの後端部上面或いは後面との間に適宜の支持部材84aを付設することもできる。
発電ユニット56a、56b、56c及び56dの各々は、図1及び図2を参照することによって明確に理解されるとおり、ガス噴射板22間にて下部ガス室14を規定するケース15の上面上に載置され、ボルトの如き適宜の固定手段(図示していない)によって所定位置に固定される。
セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々においては、酸素極において、
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生成されて発電される。
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器24の排出路30をジグザグ状に流動せしめられる際には、酸素含有ガスが熱交換器24の流入路32をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換されて酸素含有ガスが余熱される。酸素含有ガスは上部ガス室16、連通ガス室18及び下部ガス室14を通る際にも発電・燃焼室12内の高温によって加熱される。
長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック60a、60b、60c及び60dの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング2の前壁(図示していない)或いは後壁(図示していない)を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出す。
改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース78a、78b、78c及び78dの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。
さらに、図7(b)や図7(c)に示す接続構造では、非金属部分と金属部分との接合面積がさらに大きくなるため、接合強度が上がり、マニホールド58からのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止することができる。
次に、上記接続構造の製作について説明する。図9は、図7、8で示した本発明に係るマニホールド本体90bと金属配管80との接続構造の製作過程を示す図である。まず、図9に示すように、金属フランジ101を備えた金属配管80を準備する。金属フランジ101は、丸形、角形等いずれの形状でもよく、その中央部に金属配管80を挿通する穴を開け、マニホールドの壁を挟み込むように一対の金属フランジ101が間隔を開けて金属配管80に溶接等で取り付けられている。ここで、図8に示す突起部102、103、104、105を金属フランジ101又は金属配管80に取り付ける場合は、金属フランジ101を金属配管80に挿通する前に取り付けることになる。
このように予め、突起部102、103、104、105を金属フランジ101や金属配管80に取り付けて、鋳型に配置したあとにガラスラリーを流し込むことにより、図8に示すように、突起部をマニホールド本体90bの壁の中に埋設させることができるようになる。
上記形態では、金属製のセル支持板90aを非金属からなるマニホールド本体90bにシール材で接合したが、セルの立設固定を、例えば、結晶化ガラスでマニホールド本体の形成と同時に行ってもよい。
58a、58b、58c、58d 燃料ガスマニホールド
60a、60b、60c、60d セルスタック
62 燃料電池セル
80a、80b、80c、80d ガス送給管(金属配管)
90a セル支持板
90b マニホールド本体
101 金属フランジ
102、103、104、105 突起部
Claims (4)
- 複数の燃料電池セルの一端部が固定されたガラスからなるマニホールドの壁に、該マニホールド内にガスを供給する金属部材からなる金属配管を挿通せしめて接合してなる燃料電池スタックであって、
前記金属配管が、前記マニホールドの壁を挟み込み、該マニホールドの壁の外面に接合する一対の金属フランジを具備するとともに、前記金属配管が、前記マニホールドに埋設する突起部を具備し、前記金属配管および前記金属フランジが前記マニホールドに直に接合されていることを特徴とする燃料電池スタック。 - 複数の燃料電池セルの一端部が固定されたガラスからなるマニホールドの壁に、該マニホールド内にガスを供給する金属部材からなる金属配管を挿通せしめて接合してなる燃料電池スタックであって、
前記金属配管が、前記マニホールドの壁を挟み込み、該マニホールドの壁の外面に接合する一対の金属フランジを具備するとともに、前記金属フランジが、前記マニホールドに埋設する突起部を具備し、前記金属配管および前記金属フランジが前記マニホールドに直に接合されていることを特徴とする燃料電池スタック。 - 複数の燃料電池セルの一端部が固定されたガラスからなるマニホールドの壁に、該マニホールド内にガスを供給する金属部材からなる金属配管を挿通せしめて接合してなる燃料電池スタックであって、
前記金属配管が、前記マニホールドの壁を挟み込み、該マニホールドの壁の外面に接合する一対の金属フランジを具備するとともに、前記金属フランジは、前記マニホールドの壁に埋設されて、前記金属配管および前記金属フランジが前記マニホールドに直に接合されていることを特徴とする燃料電池スタック。 - 複数の固体電解質型燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記燃料電池が、請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池スタックを具備することを特徴とする燃料電池。
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