JP5426485B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池スタックに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell stack.

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数枚重ね合わせて用いている。一組のセル（単セル）で得られる電気の電圧は、約０．７Ｖ程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。   In recent years, fuel cells have attracted attention as power generation means used in next-generation cogeneration systems because high efficiency can be obtained regardless of the size. A fuel cell is a battery that uses a chemical reaction between an oxidant gas such as oxygen and a fuel gas such as hydrogen, and a single cell in which an electrolyte layer is sandwiched between an anode called an air electrode and a cathode called a fuel electrode. A plurality of sheets are overlapped. The electric voltage obtained by a set of cells (single cells) is about 0.7 V, but a desired voltage can be supplied by using a plurality of single cells in an overlapping manner. Such fuel cells include a solid polymer type using a polymer material for the electrolyte layer, and a solid oxide type using an oxide such as ceramics for the electrolyte layer.

固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃程度であり、自動車や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。これに対し、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であり、発電効率が４５％以上と高いという特徴を備えている。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などを組み合わせることにより高い効率のコジェネレーションシステムが構築できるという利点を有し、発電所としての用途などが期待されている。   The polymer electrolyte fuel cell has an operating temperature of about 90 ° C. at most, and can be applied to automobiles and household cogeneration systems. On the other hand, the solid oxide fuel cell is characterized by an operating temperature as high as 600 ° C. or higher and a high power generation efficiency of 45% or higher. Therefore, a solid oxide fuel cell with a stack structure in which a plurality of single cells are combined has the advantage that a highly efficient cogeneration system can be constructed by combining turbine power generation, etc. Expected.

ところで、固体酸化物形燃料電池において実用的な出力を得るためには、複数の固体酸化物形燃料電池セル（以下、単セルという）を直列、または並列に接続する必要がある。このとき、各単セルの燃料極側に供給される燃料ガスと、空気局側に供給される酸化剤ガスとが混合しない状態で、各単セルが電気的に接続された状態としている。このようにガスの混合を防いだ状態で電気的に接続するために、セパレータやインターコネクタなどと呼ばれ、ガスが透過せず、電気伝導度が高い材料からなる部材が用いられる。   By the way, in order to obtain a practical output in a solid oxide fuel cell, it is necessary to connect a plurality of solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as single cells) in series or in parallel. At this time, each unit cell is electrically connected in a state where the fuel gas supplied to the fuel electrode side of each unit cell and the oxidant gas supplied to the air station side are not mixed. Thus, in order to make an electrical connection in a state in which mixing of gases is prevented, a member made of a material that does not transmit gas and has high electrical conductivity is used, such as a separator or an interconnector.

固体酸化物形燃料電池セルと上記インターコネクタとで構成された発電ユニットを直列に積層（スタック）してセルスタックを形成することにより、実用的な出力が得られる。６００℃以上の動作温度下では熱振動や外部からの振動などにより積層した発電ユニットにずれが生じて発電出力が低下するだけでなく、セルスタックの破損につながる。また、セルスタックの燃料極側には燃料ガスが供給され、空気極側には大量の空気が供給されている。このため、セルスタック内部は外部に比べると陽圧の状態となっており、各ガス供給通路であるマニホールド部からガスが漏洩しやすい状態である。このため、セルスタックの上下方向に荷重をかけるなどの対策が取られている。これまでにセルスタックの周辺の数カ所に固定用のねじを一定トルク下にて締め付けることでセルスタックの固定および荷重をかける方法などが提供されている（例えば、特許文献１参照）。   A practical output can be obtained by forming a cell stack by stacking (stacking) a power generation unit including a solid oxide fuel cell and the interconnector in series. Under an operating temperature of 600 ° C. or higher, the stacked power generation units are displaced due to thermal vibrations or external vibrations, resulting in not only a decrease in power generation output but also damage to the cell stack. Further, a fuel gas is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, and a large amount of air is supplied to the air electrode side. For this reason, the inside of the cell stack is in a positive pressure state as compared with the outside, and gas is likely to leak from the manifold portion which is each gas supply passage. For this reason, measures such as applying a load in the vertical direction of the cell stack are taken. To date, a method of fixing and applying a load to the cell stack by tightening a fixing screw at several locations around the cell stack under a constant torque has been provided (for example, see Patent Document 1).

特開２００７−５３０４３号公報JP 2007-53043 A

しかし、一定トルク下でねじを締め付けても座面の状態やねじ穴の摩擦係数などに影響を受けるため、全てのねじを同程度に締め付けることは極めて困難である。この結果、セルスタックを数カ所のねじで締め付けると、セルスタックが発電ユニット毎に横ずれを起こし、セルスタックの破損を招く可能性が高いという問題があった。   However, even if the screws are tightened under a constant torque, it is very difficult to tighten all the screws to the same degree because they are affected by the state of the seat surface and the coefficient of friction of the screw holes. As a result, when the cell stack is tightened with several screws, there is a high possibility that the cell stack is laterally shifted for each power generation unit, and the cell stack is likely to be damaged.

本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、ねじで締め付けるときに、セルスタックが発電ユニット毎に横ずれを起こしたり、セルスタックが破損したりすることのない燃料電池スタックを提供するところにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object of the present invention is that the cell stack may be laterally shifted for each power generation unit or the cell stack may be damaged when tightened with screws. There is no fuel cell stack to offer.

この目的を達成するために、本発明は、燃料極および空気極で電解質を挟持してなる燃料電池セルとインターコネクタとで構成された発電ユニットを積層してセルスタックを形成する燃料電池スタックにおいて、前記セルスタックの上下端を挟む押圧板および下部固定板と、前記押圧板の上方に設けられた上部固定板と、前記上部固定板の中心部に螺合する締め付けボルトと、前記下部固定板の周縁部に立設された複数の支柱ボルトと、前記支柱ボルトに螺合され前記上部固定板の上方への移動を規制するナットとを備え、前記押圧板および前記上部固定板の各周縁部に、前記支柱ボルトを遊挿する複数の遊挿孔を設け、前記押圧板の中心部に、前記締め付けボルトの直径よりも大きく形成され当該締め付けボルトの下端が当接するボルト受け部が設けられているものである。   In order to achieve this object, the present invention provides a fuel cell stack in which a cell stack is formed by laminating a power generation unit composed of a fuel cell and an interconnector sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode. A pressing plate and a lower fixing plate sandwiching the upper and lower ends of the cell stack, an upper fixing plate provided above the pressing plate, a tightening bolt screwed into a central portion of the upper fixing plate, and the lower fixing plate Each of the peripheral portions of the pressing plate and the upper fixing plate, and a plurality of support bolts erected on the peripheral portion of the support plate, and nuts that are screwed to the support bolt and restrict the upward movement of the upper fixing plate. Provided with a plurality of loose insertion holes for loosely inserting the support bolts, and formed at a central portion of the pressing plate that is larger than the diameter of the tightening bolt and a lower end of the tightening bolt abutting on the bolt receiver. In which parts are provided.

本発明は、前記発明において、前記押圧板と前記セルスタックの上端との間および前記下部固定板と前記セルスタックの下端との間のそれぞれに絶縁板を介装したものである。   In the present invention according to the present invention, an insulating plate is interposed between the pressing plate and the upper end of the cell stack and between the lower fixing plate and the lower end of the cell stack.

本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記インターコネクタを耐熱性ステンレス鋼によって形成し、前記支柱ボルトを前記インターコネクタよりも熱膨張係数の小さい材料によって形成したものである。   According to the present invention, in any one of the above inventions, the interconnector is formed of heat-resistant stainless steel, and the support bolt is formed of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the interconnector.

本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記上部固定板および前記押圧板ならびに下部固定板を耐熱性ステンレス鋼によって形成し、前記締め付けボルトを前記上部固定板および前記押圧板ならびに下部固定板よりも熱膨張係数の大きい材料によって形成したものである。   According to the present invention, in any one of the above inventions, the upper fixing plate, the pressing plate, and the lower fixing plate are formed of heat-resistant stainless steel, and the fastening bolt is connected to the upper fixing plate, the pressing plate, and the lower fixing plate. It is formed of a material having a larger thermal expansion coefficient than the plate.

本発明によれば、一つの締め付けボルトによってセルスタックの中心部を加圧するようにしているため、セルスタックに鉛直方向に荷重をかけることができる。このため、セルスタックが発電ユニット毎に横ずれを起こすようなことがないから、セルスタックの破損を防止することができる。また、押圧板の中心部に、締め付けボルトの直径よりも大きな径のねじ受け部が設けられていることにより、正確に押圧板の中心部に荷重をかけることが可能になる。   According to the present invention, since the central portion of the cell stack is pressurized by one tightening bolt, a load can be applied to the cell stack in the vertical direction. For this reason, since the cell stack does not cause a lateral shift for each power generation unit, it is possible to prevent the cell stack from being damaged. In addition, since the screw receiving portion having a diameter larger than the diameter of the fastening bolt is provided at the central portion of the pressing plate, it is possible to accurately apply a load to the central portion of the pressing plate.

前記発明のうちの一つの発明によれば、押圧板とセルスタックの上端との間および下部固定板とセルスタックの下端との間のそれぞれに絶縁板が介装されていることにより、セルスタックの上部と下部とで電気的な短絡を防止できる。   According to one of the inventions, the insulating plate is interposed between the pressing plate and the upper end of the cell stack and between the lower fixing plate and the lower end of the cell stack, so that the cell stack An electrical short circuit can be prevented between the upper part and the lower part.

前記発明のうちの一つの発明によれば、また、下部固定板に立設され、押圧板および上部固定板のそれぞれの遊挿孔に挿通された支柱ボルトがセルスタックのインターコネクタを形成している耐熱ステンレス鋼よりも熱膨張係数が小さい材料によって形成されているため、動作温度下においてもセルスタックに荷重をかけ続けることが可能になる。   According to one of the above inventions, the column bolts standing on the lower fixing plate and inserted in the loose insertion holes of the pressing plate and the upper fixing plate form an interconnector of the cell stack. Since it is made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the heat resistant stainless steel, it is possible to continue to apply a load to the cell stack even at an operating temperature.

前記発明のうちの一つの発明によれば、また、締め付けボルトを上部固定板および押圧板ならびに下部固定板よりも熱膨張係数が大きい材料によって形成したことにより、締め付けボルトの緩みが発生することなくセルスタックに荷重をかけ続けることが可能になる。   According to one of the inventions described above, the fastening bolt is made of a material having a larger thermal expansion coefficient than the upper fixing plate, the pressing plate, and the lower fixing plate, so that the fastening bolt does not loosen. It becomes possible to continue applying a load to the cell stack.

本発明に係る燃料電池スタックの燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel electrode support type solid oxide fuel cell of the fuel cell stack concerning this invention. 本発明に係る燃料電池スタックの概念図である。1 is a conceptual diagram of a fuel cell stack according to the present invention. 同図（Ａ）は本発明に係る燃料電池スタックの発電ユニットの構成を示す断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）におけるIII（Ｂ）部 の拡大図である。FIG. 4A is a cross-sectional view showing the configuration of the power generation unit of the fuel cell stack according to the present invention, and FIG. 4B is an enlarged view of a portion III (B) in FIG. 本発明に係る燃料電池スタックにおいて、セルスタックに荷重をかける構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a structure for applying a load to a cell stack in a fuel cell stack according to the present invention.

以下、本発明の実施の形態を図１ないし図４に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

図１に全体を符号１で示す燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セル（以下、単セルという）は、平板型の燃料極２と平板型の空気極３とによって平板型の酸化物からなる電解質４を挟持し、空気極３上に集電層５が配置された構造となっている。燃料極２の材料としては、例えば、ニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎi-ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎi-ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎi-ＳcＳＺ）などの金属Ｎi と前記固体電解質を構成する材料との混合物などがある。   A fuel electrode-supported solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as a single cell) generally indicated by reference numeral 1 in FIG. 1 is formed from a plate-type oxide by a plate-type fuel electrode 2 and a plate-type air electrode 3. The current collector 4 is sandwiched and the current collecting layer 5 is disposed on the air electrode 3. Examples of the material of the fuel electrode 2 include metals Ni, such as nickel-added yttria-stabilized zirconia (Ni-YSZ), nickel-added samaria-stabilized zirconia (Ni-SSZ), and nickel-added scandia-stabilized zirconia (Ni-ScSZ). There is a mixture with the material constituting the solid electrolyte.

また、空気極３の材料としては、例えばランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンマンガネート（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルトタイト（ＳＳＣ）などがある。   Examples of the material for the air electrode 3 include lanthanum nickel ferrite (LNF), lanthanum manganate (LSM), lanthanum strontium cobaltite (LSC), lanthanum strontium cobaltite ferrite (LSCF), lanthanum strontium ferrite (LSF), and samarium. There is strontium cobaltite (SSC).

また、電解質４の材料としては、例えばスカンジア安定化ジルコニア（ＳcＳＺ）、 イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭＣ）等がある。   Examples of the material of the electrolyte 4 include scandia-stabilized zirconia (ScSZ), yttria-stabilized zirconia (YSZ), samaria-stabilized zirconia (SSZ), and cobalt-added lanthanum gallate-based oxide (LSGMC).

単セル１から高い発電出力を得るためには、図３（Ａ）に示すようにガス流路７およびガス供給配管８が配設されているインターコネクタとしてのセパレータ９，１０等によって発電ユニット６を形成し、これらセパレータ９，１０を介して、図２に示すように発電ユニット６を積層してセルスタック１２を形成する。このとき、燃料側セパレータ９のガス流路７の配置された面に、図３（Ｂ）に示すように燃料極２と燃料極側セパレータ９との電気的接続を良好とするための集電体１４を配置し、その上に単セル１が配置される。また、燃料極側セパレータ９と単セル１の周辺部の隙間にシール材１５としてホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料などがある。セパレータ９，１０は耐熱性ステンレス鋼によって形成されている。   In order to obtain a high power generation output from the single cell 1, as shown in FIG. 3A, the power generation unit 6 is provided by separators 9 and 10 as interconnectors in which the gas flow path 7 and the gas supply pipe 8 are provided. And the cell stack 12 is formed by stacking the power generation units 6 as shown in FIG. At this time, on the surface where the gas flow path 7 of the fuel side separator 9 is disposed, a current collector for improving the electrical connection between the fuel electrode 2 and the fuel electrode side separator 9 as shown in FIG. The body 14 is disposed, and the single cell 1 is disposed thereon. Further, a glass material having a softening point near the operating temperature, such as borosilicate glass, is used as a sealing material 15 in a gap between the fuel electrode side separator 9 and the peripheral portion of the single cell 1. The separators 9 and 10 are made of heat resistant stainless steel.

次に、空気極３側については、ペースト材からなる空気極側接続材料１６を集電層５と空気極側セパレータ１０との間に配置することで、集電層５と空気極側セパレータ１０との電気的接続を向上させることができる。このペースト材は、初回動作前に予め集電層５上に塗布し、その上に空気極側セパレータ１０を配置することで、初回動作時の昇温過程でより良好な電気的接続が得られる。また、セパレータ９，１０と電極２，３間の接触面に圧力をかけることによってさらに良好な電気的接続が得られる。   Next, with respect to the air electrode 3 side, the air electrode side connecting material 16 made of a paste material is disposed between the current collecting layer 5 and the air electrode side separator 10 so that the current collecting layer 5 and the air electrode side separator 10 are disposed. The electrical connection with can be improved. This paste material is applied on the current collecting layer 5 in advance before the first operation, and the air electrode side separator 10 is disposed thereon, so that a better electrical connection can be obtained in the temperature rising process during the first operation. . Further, a better electrical connection can be obtained by applying pressure to the contact surface between the separators 9 and 10 and the electrodes 2 and 3.

さらに、同図（Ａ）に示すようにシール材１５上に絶縁体１７を配置することで空気極側セパレータ１０と燃料極側セパレータ９との短絡を防止することができる。この絶縁体１７の材料としては、例えばアルミナなどの高温でも絶縁性のあるセラミックスや、マイカなどの絶縁材料がある。１６は空気極側接続材料、１８はセルホルダーである。   Furthermore, as shown in FIG. 5A, the insulator 17 is disposed on the seal material 15 to prevent a short circuit between the air electrode side separator 10 and the fuel electrode side separator 9. Examples of the material of the insulator 17 include ceramics that are insulating even at high temperatures such as alumina, and insulating materials such as mica. 16 is an air electrode side connecting material, and 18 is a cell holder.

次に、図４を用いて、本発明の特徴であるセルスタック１２に荷重をかけ、セルスタック１２を固定する構造について説明する。   Next, a structure for applying a load to the cell stack 12 and fixing the cell stack 12 will be described with reference to FIG.

同図において、２０，２１はセルスタック１２の上下端を挟む押圧板および下部固定板であって、これら押圧板２０とセルスタック１２の上端との間および下部固定板２１とセルスタック１２の下端とのそれぞれの間には絶縁板２２が介装されている。押圧板２０の周縁部の二箇所には、後述する支柱ボルト２３の径よりも大きい径の遊挿孔２０ａが設けられており、上面の中心部には、後述する締め付けボルト２６の下端が当接し締め付けボルト２６の直径よりも大きな径の平面視円形のボルト受け部２０ｂが凹設されている。   In the figure, reference numerals 20 and 21 denote a pressing plate and a lower fixing plate that sandwich the upper and lower ends of the cell stack 12, and between the pressing plate 20 and the upper end of the cell stack 12 and between the lower fixing plate 21 and the lower end of the cell stack 12. Insulating plate 22 is interposed between the two. A loose insertion hole 20a having a diameter larger than the diameter of a support bolt 23 described later is provided at two locations on the peripheral edge of the pressing plate 20, and a lower end of a tightening bolt 26 described later is applied to the center of the upper surface. A circular bolt receiving portion 20b having a diameter larger than the diameter of the contact tightening bolt 26 in a plan view is recessed.

支柱ボルト２３は上下方向全体にねじ部が形成されており、下端部が下部固定板２１の雌ねじ部（図示せず）に螺合され、下部固定板２１の周縁部の二箇所に立設している。この支柱ボルト２３は上記したセパレータ９，１０よりも熱膨張係数の小さい材料によって形成されている。２４は押圧板２０に対向するように当該押圧板２０の上方に設けられた上部固定板であって、周縁部の二箇所に支柱ボルト２３の径よりも大きい径の遊挿孔２４ａが設けられており、中心部に締め付けボルト２６が螺合する雌ねじ部２４ｂが形成されている。押圧板２０および下部固定板２１ならびに上部固定板２４は耐熱性ステンレス鋼によって形成されており、後述するようにセルスタック１２に荷重をかける際に破断しないように十分な剛性を有する厚さに形成されている。   The column bolt 23 has a thread portion formed in the entire vertical direction, and a lower end portion is screwed into a female screw portion (not shown) of the lower fixing plate 21, and is erected at two positions on the peripheral edge portion of the lower fixing plate 21. ing. The support bolt 23 is formed of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the separators 9 and 10 described above. Reference numeral 24 denotes an upper fixing plate provided above the pressing plate 20 so as to face the pressing plate 20, and loose insertion holes 24 a having a diameter larger than the diameter of the column bolt 23 are provided at two positions on the peripheral edge. An internal thread portion 24b into which the fastening bolt 26 is screwed is formed at the center. The pressing plate 20, the lower fixing plate 21, and the upper fixing plate 24 are made of heat resistant stainless steel, and are formed to have a thickness having sufficient rigidity so as not to break when a load is applied to the cell stack 12, as will be described later. Has been.

２５，２５は支柱ボルト２３に螺合されるナットであって、上部固定板２４の上面に係合し、締め付けボルト２６による締め付け動作をするとき、上部固定板２４の上方への移動を規制するストッパとしての機能を有する。締め付けボルト２６の頭部にはハンドル２７が設けられており、ハンドル２７を把持し、締め付けボルト２６を下方に向かって移動させるように回動操作し、締め付け動作を行うことにより、締め付けボルト２６の下端が当接しているボルト受け部２０ｂを介して押圧板２０が下方に押圧される。この締め付けボルト２６は、押圧板２０および下部固定板２１ならびに上部固定板２４よりも熱膨張係数の大きい材料によって形成されている。 Reference numerals 25 and 25 denote nuts that are screwed to the support bolts 23, engage with the upper surface of the upper fixing plate 24, and restrict the upward movement of the upper fixing plate 24 when the tightening operation is performed by the tightening bolts 26. It functions as a stopper. A handle 27 is provided at the head of the tightening bolt 26, and the handle 27 is gripped, rotated so as to move the tightening bolt 26 downward, and performing a tightening operation. The pressing plate 20 is pressed downward through the bolt receiving portion 20b with which the lower end is in contact. The fastening bolt 26 is made of a material having a larger thermal expansion coefficient than the pressing plate 20, the lower fixing plate 21, and the upper fixing plate 24 .

このように構成された平板型固体酸化物形燃料電池スタック３０において、セルスタック１２に荷重をかけるときは、ハンドル２７を把持し、締め付けボルト２６を下方に向かって移動させるように回動操作し、締め付け動作を行う。この締め付け動作によって、締め付けボルト２６の下端が押圧板２０のボルト受け部２０ｂに当接し、このボルト受け部２０ｂを介して押圧板２０が下方に押圧される。このとき、反力によって上部固定板２４が上方に移動するように荷重がかかるが、ナット２５によって上方への移動が規制されているため、上部固定板２４は固定状態が保持される。   In the plate type solid oxide fuel cell stack 30 configured as described above, when a load is applied to the cell stack 12, the handle 27 is gripped and the tightening bolt 26 is rotated so as to move downward. , Tightening operation. By this tightening operation, the lower end of the tightening bolt 26 comes into contact with the bolt receiving portion 20b of the pressing plate 20, and the pressing plate 20 is pressed downward through the bolt receiving portion 20b. At this time, a load is applied so that the upper fixing plate 24 moves upward due to the reaction force, but since the upward movement is restricted by the nut 25, the upper fixing plate 24 is held in a fixed state.

本発明においては、一つの締め付けボルト２６によってセルスタック１２の中心部を加圧するようにしているため、セルスタック１２に鉛直方向に荷重をかけることができる。このため、セルスタック１２が発電ユニット６毎に横ずれを起こすようなことがないから、セルスタック１２の破損を防止することができる。また、押圧板２０の中心部に、締め付けボルト２６の直径よりも大きな径のねじ受け部２０ｂが設けられていることにより、正確に押圧板２０の中心部に荷重をかけることが可能になる。   In the present invention, since the central portion of the cell stack 12 is pressurized by one fastening bolt 26, a load can be applied to the cell stack 12 in the vertical direction. For this reason, since the cell stack 12 does not cause a lateral shift for each power generation unit 6, it is possible to prevent the cell stack 12 from being damaged. Further, since the screw receiving portion 20b having a diameter larger than the diameter of the tightening bolt 26 is provided at the center portion of the pressing plate 20, it is possible to accurately apply a load to the center portion of the pressing plate 20.

また、押圧板２０とセルスタック１２の上端との間および下部固定板２１とセルスタック１２の下端とのそれぞれの間に絶縁板８が介装されていることにより、セルスタック１２の上部と下部とで電気的な短絡を防止できる。   Further, since the insulating plate 8 is interposed between the pressing plate 20 and the upper end of the cell stack 12 and between the lower fixing plate 21 and the lower end of the cell stack 12, the upper and lower portions of the cell stack 12 are disposed. And can prevent electrical short circuit.

また、下部固定板２１に立設され、押圧板２０および上部固定板２４のそれぞれの遊挿孔２０ａ，２４ａに挿通された支柱ボルト２３がセルスタック１２のセパレータ９，１０を形成している耐熱ステンレス鋼よりも熱膨張係数が小さい材料によって形成されているため、動作温度下においてもセルスタックに荷重をかけ続けることが可能になる。   Further, the support bolts 23 that are erected on the lower fixing plate 21 and are inserted into the loose insertion holes 20 a and 24 a of the pressing plate 20 and the upper fixing plate 24 form the separators 9 and 10 of the cell stack 12. Since it is made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than stainless steel, it is possible to continue to apply a load to the cell stack even at an operating temperature.

また、締め付けボルト２６を押圧板２０および下部固定板２１ならびに上部固定板２４よりも熱膨張係数が大きい材料によって形成したことにより、締め付けボルト２６の緩みが発生することなくセルスタックに荷重をかけ続けることが可能になる。 Further, since the fastening bolt 26 is formed of a material having a thermal expansion coefficient larger than that of the pressing plate 20, the lower fixing plate 21, and the upper fixing plate 24, a load is continuously applied to the cell stack without the tightening bolt 26 being loosened. It becomes possible.

ここで、本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの効果を評価するために、空気極３がＬＮＦ、燃料極２がＮi とＳＡＳＺのサーメット、電解質４がＳＡＳＺで構成された平板型の燃料極支持型固体酸化物形燃料電池と、フェライト系耐熱性ステンレス鋼で構成されたセパレータ９，１０からなる発電ユニット６を４０段積層したセルスタック１２を作成し、輸送前後の発電特性と長期的な発電特性を評価した。   Here, in order to evaluate the effect of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention, a flat plate fuel in which the air electrode 3 is composed of LNF, the fuel electrode 2 is composed of Ni and SASZ, and the electrolyte 4 is composed of SASZ. A cell stack 12 is produced by laminating 40 stages of power generation units 6 composed of pole-supported solid oxide fuel cells and separators 9 and 10 made of ferritic heat-resistant stainless steel. The power generation characteristics were evaluated.

一方は、本発明の固定方法を用いてセルスタックを固定し、他方は従来技術で説明したようにセルスタックの周辺部分に配置されたボルトのみによって固定した。   One fixed the cell stack using the fixing method of the present invention, and the other was fixed only by bolts arranged in the peripheral portion of the cell stack as described in the prior art.

輸送前後の８００℃における発電特性を表１に示す。同じ発電電流と燃料利用率および酸素利用率条件下において、本発明の固定方法を用いた場合は、輸送前後で発電特性の低下は見られなかったが、セルスタックの周辺部分に配置されたボルトのみによって固定した従来技術で説明した方法では、発電特性の著しい低下が確認された。   Table 1 shows the power generation characteristics at 800 ° C. before and after transportation. When the fixing method of the present invention was used under the same power generation current, fuel utilization rate and oxygen utilization rate conditions, the power generation characteristics were not deteriorated before and after transportation, but the bolts arranged in the peripheral part of the cell stack In the method described in the related art fixed only by the above, a significant decrease in power generation characteristics was confirmed.

Figure 0005426485
Figure 0005426485

また、発電電流、燃料利用率および酸素利用率を一定の条件下とした上で、１０００時間の発電出力の維持性を評価した結果を表２に示す。この表２からわかるように、本発明の固定方法を用いた場合は、発電出力の低下は見られなかった。これらの結果から、上述した本発明の作用効果が実証された。   Table 2 shows the results of evaluating the sustainability of the power generation output for 1000 hours with the power generation current, the fuel utilization rate, and the oxygen utilization rate set under certain conditions. As can be seen from Table 2, when the fixing method of the present invention was used, no decrease in the power generation output was observed. From these results, the above-described effects of the present invention were demonstrated.

Figure 0005426485
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なお、本実施の形態では、支柱ボルト２３を二本としたが、必要に応じて三本以上としてもよい。   In the present embodiment, two support bolts 23 are used, but three or more support bolts may be used if necessary.

１…燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セル（単セル）、２…燃料極、３…空気極、４…電解質、６…発電ユニット、９，１０…セパレータ（インターコネクタ）、１２…セルスタック、２０…押圧板、２０ａ，２４ａ…遊挿孔、２０ｂ…ボルト受け部、２１…下部固定板、２２…絶縁板、２３…支柱ボルト、２４…上部固定板、２５…ナット、２６…締め付けボルト、３０…平板型固体酸化物形燃料電池スタック。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel electrode support type solid oxide fuel cell (single cell), 2 ... Fuel electrode, 3 ... Air electrode, 4 ... Electrolyte, 6 ... Power generation unit, 9, 10 ... Separator (interconnector), 12 ... Cell Stack, 20 ... Pressing plate, 20a, 24a ... Free insertion hole, 20b ... Bolt receiving portion, 21 ... Lower fixing plate, 22 ... Insulating plate, 23 ... Post bolt, 24 ... Upper fixing plate, 25 ... Nut, 26 ... Tightening Bolts, 30 ... A flat solid oxide fuel cell stack.

Claims (4)

燃料極および空気極で電解質を挟持してなる燃料電池セルとインターコネクタとで構成された発電ユニットを積層してセルスタックを形成する燃料電池スタックにおいて、
前記セルスタックの上下端を挟む押圧板および下部固定板と、
前記押圧板の上方に設けられた上部固定板と、
前記上部固定板の中心部に螺合する締め付けボルトと、
前記下部固定板の周縁部に立設された複数の支柱ボルトと、
前記支柱ボルトに螺合され前記上部固定板の上方への移動を規制するナットと、
を備え、
前記押圧板および前記上部固定板の各周縁部に、前記支柱ボルトを遊挿する複数の遊挿孔を設け、
前記押圧板の中心部に、前記締め付けボルトの直径よりも大きく形成され当該締め付けボルトの下端が当接するボルト受け部が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。 In a fuel cell stack in which a cell stack is formed by laminating a power generation unit composed of a fuel cell and an interconnector sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode,
A pressing plate and a lower fixing plate sandwiching the upper and lower ends of the cell stack;
An upper fixing plate provided above the pressing plate;
A tightening bolt screwed into the central portion of the upper fixing plate;
A plurality of support bolts erected on the peripheral edge of the lower fixing plate;
A nut that is screwed to the support bolt and restricts the upward movement of the upper fixing plate;
With
A plurality of loose insertion holes for loosely inserting the support bolts are provided in the peripheral portions of the pressing plate and the upper fixing plate,
A fuel cell stack, wherein a bolt receiving portion that is formed to be larger than the diameter of the fastening bolt and is in contact with the lower end of the fastening bolt is provided at the center of the pressing plate. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
前記押圧板と前記セルスタックの上端との間および前記下部固定板と前記セルスタックの下端との間のそれぞれに絶縁板を介装したことを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1, wherein
An insulating plate is interposed between the pressing plate and the upper end of the cell stack and between the lower fixing plate and the lower end of the cell stack, respectively. 請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、
前記インターコネクタを耐熱性ステンレス鋼によって形成し、
前記支柱ボルトを前記インターコネクタよりも熱膨張係数の小さい材料によって形成したことを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
The interconnector is formed of heat resistant stainless steel,
The fuel cell stack, wherein the support bolt is made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the interconnector. 請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、
前記上部固定板および前記押圧板ならびに下部固定板を耐熱性ステンレス鋼によって形成し、
前記締め付けボルトを前記上部固定板および前記押圧板ならびに下部固定板よりも熱膨張係数の大きい材料によって形成したことを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
The upper fixing plate and the pressing plate and the lower fixing plate are formed of heat resistant stainless steel,
The fuel cell stack, wherein the fastening bolt is made of a material having a larger coefficient of thermal expansion than the upper fixing plate, the pressing plate, and the lower fixing plate.
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