JP2004200021A

JP2004200021A - Connection structure of gas supply pipe for solid oxide fuel cell

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Publication number: JP2004200021A
Application number: JP2002367711A
Authority: JP
Inventors: Masaru Komano; 勝駒野; Yasutoshi Takamori; 康俊高森; Koji Hoshino; 孝二星野; Takashi Hosoi; 敬細井; Kiichi Komada; 紀一駒田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a connection structure of a gas supply pipe for a solid oxide fuel cell that is simple and excellent in gas sealability. <P>SOLUTION: The connection structure of the gas supply pipes 13, 14 is provided for connecting a distributor and a separator 8 in a fuel cell module. The separator 8 has gas passages 9, 10 inside. Heat-resistant insulating pipes 18 are inserted into the gas passages 9, 10 from the perimeter of the separator 8, and the gas supply pipes 9, 10 are fitted and inserted into the insulating pipes 18 to be slidable in the axial direction with such a fitting that the amount of gas leaking from a connecting portion becomes 2% or less of the amount of gas introduced. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池におけるガス供給管の接続構造に係わり、特に、平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、ディストリビュータとセパレータを接続するガス供給管の接続構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を挟みセパレータと交互に積層されて、燃料電池スタックが構成されている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素 (空気) が、燃料極側に燃料ガス(Ｈ₂、ＣＯ、等) が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に起電力として取り出すことができる。
【０００４】
因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｏ^2-
燃料極：Ｈ₂＋Ｏ^2- → Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ^-
全体：Ｈ₂ ＋１／２Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ
【０００５】
図８は燃料電池スタックの構成を示している。
この燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層（酸化剤極層）を配した発電セル５と、発電セル外側の燃料極集電体６と空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ順番に積層した構造を有する。
【０００６】
前記固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、前記燃料極層はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、前記空気極層はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃ 等で構成され、前記燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、前記空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、前記セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【０００７】
セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、その内部に、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス通路と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路を有している。
【０００８】
また燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８の燃料ガス通路に燃料ガス供給管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用ディストリビュータ１５と、各セパレータ８の酸化剤ガス通路に酸化剤ガス供給管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤用ディストリビュータ１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
尚、上記構成の平板積層型の固体酸化物形燃料電池では、燃料電池スタック１およびこれらディストリビュータ１５、１６が断熱材や耐熱金属あるいはセラミックス等から構成される函体に収納されて燃料電池モジュールとしてモジュール化されている。
【０００９】
ところで、前記ディストリビュータ１５、１６は、構造上金属で作製されているため、各セル間の電気的絶縁を確保するには、各セパレータとディストリビュータとが電気的に絶縁された状態で流路接続される必要があった。このため、従来では、図８のように、各セパレータ８とディストリビュータ１５、１６を繋ぐ各金属製のガス供給１３、１４は、途中にセラミックス製の継ぎ手１７を介在して接続される構造となっており、さらに、継ぎ手１７からのガスリークを防止するため、接続部分をガラスにて封止していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のようにセラミックス継ぎ手１７によるガス供給管の接続構造は、全ての継ぎ手部分を個々にガラス封止する等、組立作業が煩雑であるという構造上の問題や、下記（１）、（２）のような性能に係わる問題を有していた。すなわち、（１）燃料電池モジュール内の各部の温度は燃料電池本体部分の作動温度と同じで、運転中は少なくとも６００℃以上の高温となることから、起動・停止の昇温、降温動作を繰り返すとガス供給管の熱膨張によりガラス封止が破損し、ガスリークが発生する問題や、（２）急激に降温するとセラミックス継ぎ手自体が破損し、ガスリークが発生するといった問題である。
ガスリークが発生すると発電出力の低下につながる。
【００１１】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みて成されたもので、構造が簡単で、且つ、優れたガスシール性を維持できるガス供給管の接続構造を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、燃料電池モジュール内のディストリビュータと内部にガス通路を有するセパレータを接続するガス供給管の接続構造であって、前記セパレータの外周部よりガス通路に耐熱性の絶縁管を嵌入すると共に、当該絶縁管の内部に前記ガス供給管を、その軸線方向にスライド可能に、且つ、接続部分からのガス漏洩量がガス導入量の２％以下となる嵌め合いを持って差し込み嵌合する構造とした。
【００１３】
また、請求項２に記載の本発明は、燃料電池モジュール内のディストリビュータと内部にガス通路を有するセパレータを接続するガス供給管の接続構造であって、前記セパレータの外周部に前記ガス通路と連通する連結部を外方向に延設すると共に、当該連結部にその通孔と連通する連結管を立設し、当該連結管に耐熱性の絶縁管を嵌入すると共に、絶縁管の内部に前記ガス供給管を、その軸線方向にスライド可能に、且つ、接続部分からのガス漏洩量がガス導入量の２％以下となる嵌め合いを持って差し込み嵌合する構造とした。
【００１４】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池のガス供給管の接続構造において、前記ガス供給管を前記セパレータの外部で輪状に曲成した。
【００１５】
請求項１または請求項２に記載の構成では、接続は単に絶縁管の内部にガス供給管の先端を差し込むだけで良く、従来のような継ぎ手機構やガラス封止は不要であるから、構造は極めて単純であり、且つ、ガス供給管からセパレータ内に導入されたガスは背圧の小さい集電体側に優先的に流れるため、性能低下に繋がるガスリークは発生しない。ガス漏洩量を２％以下としたのは、ガスが２％以上漏洩すると良好な電池出力が得られる燃料利用率の目標値８５％を確保できなくなり、電池性能の低下を招くからである。
また、請求項３に記載の構成では、高温下におけるガス供給管の熱膨張変化が吸収され、ガス供給管やその接続部に無理な力が掛からないため、部材の変形や破損が防止でき、安定した出力特性が得られるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部分については同一の符号を用いた。
ここで、図１、図２は本発明に係るガス供給管の接続構造の第１実施形態を示し、図３、図４はこのガス供給管の接続構造による燃料電池モジュールの組み立て方法を示し、図５はガス供給管の接続構造の第２実施形態を示し、図６はこのガス供給管の接続構造による燃料電池モジュールの組み立て方法を示している。
【００１７】
図示のように、本発明が適用された燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セル５と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セルを構成し、これを多数積層してスタック化したもので、構成は図８に示す平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックと同様であるが、本発明の場合セパレータ８とガス供給管１３、１４の接続構造が相違している。
【００１８】
セパレータ８は、厚さ約３．５ｍｍ、直径１３０Φ程のステンレス材より成る円板であって、図１、図３に示すように、内部に、燃料用ディストリビュータ１５からの燃料ガスを燃料ガス供給管１３によりセパレータ８の外周面から導入して中央のガス吐出孔１１から吐出する燃料ガス通路９と、酸化剤用ディストリビュータ１６からの酸化剤ガスを酸化剤ガス供給管１４によりセパレータ８の外周面から導入して中央のガス吐出孔１２から吐出する酸化剤ガス通路１０とを有している。
【００１９】
また、これらガス供給管１３、１４として直径２Φ程度のステンレス製チューブが用いられており、セパレータ８と各々ディストリビュータ１５、１６を電気的に絶縁された状態で流路接続する際、その片端は各々ディストリビュータ１５、１６の側壁に直接溶着する接続構造を採っているが、第１実施形態では、セパレータ側の端部は以下のような接続構造にて接続されている。
【００２０】
例えば、燃料ガス供給管１３の接続構造について説明すれば、セパレータ８の外周部より燃料ガス通路９にセラミックスのような優れた耐熱性を有する素材で成る絶縁管１８を嵌入し、この絶縁管１８の内部に燃料ガス供給管１３を差し込む構造としている。この際、高温下において燃料ガス供給管１３の熱膨張変化を吸収できるよう、ガス供給管の軸線方向にスライド可能となり、且つ、電池性能に影響を与えないガスシール性、即ち、熱膨張する前の状態で燃料ガス供給管１３と絶縁管１８の隙間からセパレータ外に漏洩するガス量が、燃料用ディストリビュータ１５からのガス導入量の２％以下となるように燃料ガス供給管１３と絶縁管１８の嵌め合いを設定している。
【００２１】
即ち、本実施形態では、燃料ガス供給管１３が熱膨張により最大に拡径した状態で絶縁管１８の内壁との隙間がほぼ無くなるように設定されている。これにより、絶縁管１８と燃料ガス供給管１３に径方向の無理な力が掛からないようにでき、且つ、熱膨張による燃料ガス供給管１３の軸線方向の延びに対しても、ガス供給管が自由にスライドすることにより熱膨張変化を無理なく吸収できるので、接続部分の変形や破損が防止できる。因みに、この場合、絶縁管１８の内径と燃料ガス供給管１３の外径との差は０．１４〜０．１６ｍｍ程度に設定されている。
【００２２】
尚、酸化剤ガス供給管１４の接続構造も上記と同様、絶縁管１８と酸化剤ガスガス供給管１４の２重管構造による差し込み式である。酸化剤ガス供給管１４と絶縁管１８の嵌め合いにおいても、熱膨張変化に対してスライド可能な状態と、良好なガスシール性を確保している。
【００２３】
次に、図２に示す実施形態は、セパレータ８のガスの導入機構を３孔式としたものであって、このセパレータ８は、内部に、１本の燃料ガス通路９と２本の酸化剤ガス通路１０、１０を設けて燃料ガスの供給量に十分見合う多量の空気を低い背圧で空気極集電体側へ供給できるように構成した例である。燃料ガス通路９と酸化剤ガス通路１０、１０には、各ディストリビュータ１５、１６からのガス供給管１３、１４が上記した本実施形態の接続機構によって接続されている。
【００２４】
上記構成のガス供給管の接続構造を用いると、燃料電池モジュールの組み立ては極めて容易に行える。例えば、図３に示すように、燃料ガスの流路接続では、金属製の燃料用ディストリビュータ１５の壁面に縦一列に設けた多数の通孔１５ａに燃料ガス供給管１３の一端を嵌合して予め溶接により固着させておき、他端をセパレータ８の外側部より少々突出する絶縁管１８に差し込むだけで良い。これにより、燃料用ディストリビュータ１５から分岐される多数の燃料ガス供給管１３が一度に各々対応するセパレータ８のガス通路にスライド可能に接続される。尚、酸化剤ガスの流路接続も同様の要領で行えば良い。
【００２５】
また、図４には、各ディストリビュータ１５、１６とセパレータ８を流路接続するガス供給管１３、１４の途中を輪状に曲成した例が示されており、この場合も、組み立ては図３の場合と同様に行うことができる。しかも、本構成では、高温下での熱膨張で生じるガス供給管１３、１４の軸線方向の延びにより接続部に加わる無理な力をこの輪状部１３ａ、１４ａの弾性で吸収することができ、且つ、組み立ての際のガス供給管端部とセパレータ側部のガス通路口との位置的なズレもこの弾性で吸収できるため、組み立て性もより一層向上する。
【００２６】
上記構成の燃料電池モジュールでは、外部から供給された酸化剤ガス（空気）は酸化剤用ディストリビュータ１６を介し、複数の酸化剤ガス供給管１４から各セパレータ８の酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端部のガス吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給され、これを通過して発電セル５の空気極層に達する。
一方、外部から供給された燃料ガスは、燃料用ディストリビュータ１５を介し、複数の燃料ガス供給管１３から各セパレータ８の燃料ガス通路９に導入され、通路末端のガス吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給される。
【００２７】
ここで、各ガス供給管１３、１４から導入される燃料ガスや酸化剤ガスは多孔質金属で成る背圧の小さい各集電体側に優先的に流れ、管路抵抗の大きいガス供給管と絶縁管との間の僅かな隙間には流れ込まないので、ガスリークを２％以下に抑制するのは容易であり、よって、電池性能は十分確保可能である。
【００２８】
次に、本発明のガス供給管の接続構造の第２実施形態を説明する。
【００２９】
第２実施形態では、図５に示すように、セパレータ８の外周部に、燃料ガス通路９と連通する矩形状の燃料ガス用連結部１９と、酸化剤ガス通路１０と連通する矩形状の酸化剤ガス用連結部２０を各々外方向に対向状態に延設すると共に、それぞれの通孔１９ａ、２０ａに連通するように、これら連結部上にステンレス製の燃料ガス用連結管２１と酸化剤ガス用連結管２２が、それぞれ、溶接により垂直状態（縦方向）に固着してある。
そして、これら連結管２１、２２の内部に耐熱性に優れるセラミックス製の絶縁管１８を嵌入し、各絶縁管１８の内部に燃料ガス供給管１３および酸化剤ガス供給管１４を差し込む構造としている。尚、差し込みの際の各ガス供給管１３、１４と絶縁管１８の嵌め合いは第１実施形態と同様で、高温下において各ガス供給管１３、１４の熱膨張を吸収できるようガス供給管の軸線方向にスライド可能であり、且つ、熱膨張する前の状態で燃料ガス供給管１３と絶縁管１８の隙間からセパレータ外に漏洩するガス量が、ディストリビュータ１５、１６からのガス導入量の２％以下となるような優れたガスシール性を有するものである。
【００３０】
酸化剤ガス用連結管２２は、酸化剤ガス用連結部２０の通孔２０ａを介して酸化剤ガス通路１０に連通されているため、図５（ｂ）に示すように、酸化剤ガス供給管１４の端部を上方より酸化剤ガス用連結部２０の絶縁管１８に差し込むことにより、酸化剤ガス供給管１４が垂直方向に接続された状態で酸化剤ガス通路１０に連通される。
外部から供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管１４から酸化剤ガス用連結部２０の通孔２０ａを介して酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端部の酸化剤ガスの吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給されるようになっている。
【００３１】
一方、燃料ガス用連結管２１は、燃料ガス用連結部１９の通孔１９ａを介して燃料ガス通路９に連通されており、燃料ガス供給管１３の端部を上方より燃料ガス用連結部１９の絶縁管１８に差し込むことにより、燃料ガス供給管１３が垂直方向に連結された状態で燃料ガス通路９に連通される。
外部からの燃料ガスは、燃料ガス供給管１３から燃料ガス用連結部１９の通孔１９ａを介して燃料ガス通路９に導入され、通路末端の燃料ガスの吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給されるようになっている。
【００３２】
次に、上記構成のガス供給管の接続構造を用いた燃料電池モジュールの組み立てを図６に示す。
【００３３】
本実施形態では、積層方向に隣接する各連結部１９、２０の位置が周方向に連続的にずれるように個々のセパレータ８を配置して円筒状にスタック化されている。そして、燃料電池スタック１の周上に突設した各々連結部１９、２０の連結管２１、２２に各々燃料ガス供給管１３および酸化剤ガス供給管１４の一端が縦方向より差し込み接続される。
尚、これらガス供給管１３、１４の他端は、それぞれ燃料電池スタック１の上部に配設された図示しない燃料用ディストリビュータ１５および酸化剤用ディストリビュータ１６の側壁に溶接等により一列円弧状に固着されている。この場合も、図４に示すような輪状に曲成されたガス供給管を使用することは勿論可能である。
【００３４】
このように、各ガス供給管１３、１４を縦接続構造とすることにより、セパレータ８の厚みを薄くすることができ、セパレータ８の薄型化による燃料電池スタック１の小型化、軽量化が可能となる。
【００３５】
【実施例】
上記した本発明の効果を確認するため、図３に示す構造のセパレータを用いて本発明（実施例）、比較例、従来例の各単セルを作製し、各々について下記の条件にて発電試験を行い、その結果を図７に示した。尚、発電試験は、起動（７５０℃まで温度昇温した後１０時間発電）と停止（室温まで降温）を３回繰り返し、４回目の昇温時に実施した。

【００３６】
［実施例］
セパレータと各ガス供給管の接続構造を図３の構造とした。
【００３７】
［比較例］
セパレータと各ガス供給管の接続を溶接とした。
【００３８】
［従来例］
図８の構成のセラミックス継ぎ手を用い、ガス供給管と継ぎ手の隙間をガラス封止によりガスシールした。
【００３９】
図７に示すように、従来例の場合は、出力電流が３５Ａ以上になるとその最大値が急激に低下している。これは、起動・停止の昇降温を繰り返すことにより継ぎ手部分のガラス封止が破損し、ガスリークが発生したためである。
これに対し、実施例と比較例は、出力電流が３５Ａ以上においても良好な電池性能が得られており、これより、本発明のガス供給管の接続構造が溶接による接続と略同程度の優れたガスシール性を確保できることが確認された。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、絶縁管の内部にガス供給管の先端部を差し込むだけの極めて単純な構造であるから、燃料電池モジュールの組み立ては容易である。また、高温下におけるガス供給管の熱膨張変化を効率的に吸収できる接続構造であるから、部材の変形や破損を防止し長期に亘って優れたガスシール性を維持することができる。これにより、ガスリークを防止し、安定した電池性能が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス供給管の接続構造の第１実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図。
【図２】図１とは別のガス供給管の接続構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図。
【図３】本発明に係るガス供給管の接続構造による燃料電池モジュールの組み立て方法を示す斜視図。
【図４】図３とは別のガス供給管の接続構造による燃料電池モジュール組み立て方法を示す斜視図。
【図５】本発明に係るガス供給管の接続構造の第２実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図。
【図６】図５のガス供給管の接続構造による燃料電池モジュールの組み立て方法を示す斜視図。
【図７】燃料電池の出力特性を示す図。
【図８】従来の燃料電池モジュールの構成を示す分解斜視図。
【符号の説明】
８セパレータ
９燃料ガス通路
１０酸化剤ガス通路
１５燃料用ディストリビュータ
１６酸化剤用ディストリビュータ
１８絶縁管
１９燃料ガス用連結部
１９ａ通孔
２０酸化剤ガス用連結部
２０ａ通孔
２１燃料ガス用連結管
２２酸化剤ガス用連結管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a connection structure of a gas supply pipe in a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a connection structure of a gas supply pipe connecting a distributor and a separator in a plate-stacked solid oxide fuel cell. .
[0002]
[Prior art]
The solid oxide fuel cell (SOFC) is being developed as a third-generation fuel cell for power generation. At present, three types of solid oxide fuel cells, a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, have been proposed. In each case, a solid electrolyte made of an oxide ion conductor is connected to an air electrode (cathode) from both sides. It has a laminated structure sandwiched between fuel electrodes (anodes). The power generation cells composed of the stacked body are alternately stacked with the separator with the fuel electrode current collector and the air electrode current collector interposed therebetween to form a fuel cell stack.
[0003]
In a solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode side, and fuel gas (H ₂ , CO, etc.) is supplied to the fuel electrode side. Both the air electrode and the fuel electrode are porous layers so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte.
Oxygen supplied to the air electrode side passes through pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer, where electrons are received from the air electrode and ionized into oxide ions (O ²⁻ ). Is done. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H ₂ O, CO _2, etc.), and emit electrons to the fuel electrode. The electrons can be extracted to the outside as an electromotive force.
[0004]
Incidentally, the electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
The air _{^{electrode: 1/2 O 2 + 2e - →}} O 2-
The fuel _{^{electrode: H 2 + O 2- → H}} 2 O + 2e -
Whole: H ₂ +1/2 O ₂ → H ₂ O
[0005]
FIG. 8 shows the configuration of the fuel cell stack.
The fuel cell stack 1 includes a power generation cell 5 in which a fuel electrode layer and an air electrode layer (oxidant electrode layer) are arranged on both surfaces of a solid electrolyte layer, a fuel electrode current collector 6 outside the power generation cell, and an air electrode current collector. 7 and a separator 8 outside the current collectors 6 and 7 are sequentially laminated.
[0006]
The solid electrolyte layer is made of stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added, and the fuel electrode layer is made of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni-YSZ or Co-YSZ. Is composed of LaMnO ₃ , LaCoO _3, etc., the fuel electrode current collector 6 is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 7 is composed of an Ag-based alloy, etc. The separator 8 is made of a sponge-like porous sintered metal plate, and the separator 8 is made of stainless steel or the like.
[0007]
The separator 8 has a function of electrically connecting the power generation cells 5 and supplying a gas to the power generation cells 5. Fuel gas is introduced into the inside of the separator 8 from the outer peripheral surface of the separator 8, and the fuel of the separator 8 is discharged. A fuel gas passage for discharging from a substantially central portion of the surface facing the pole current collector 6; and an oxidizing gas introduced from the outer peripheral surface of the separator 8 and discharging from the surface of the separator 8 facing the cathode current collector 7. An oxidant gas passage is provided.
[0008]
Further, on the side of the fuel cell stack 1, a fuel distributor 15 for supplying a fuel gas through a fuel gas supply pipe 13 to a fuel gas passage of each separator 8, and an oxidant gas supply pipe An oxidant distributor 16 for supplying an oxidant gas (air) through 14 is provided extending in the stacking direction of the power generation cells 5.
In the flat-stacked solid oxide fuel cell having the above-described configuration, the fuel cell stack 1 and the

distributors

15 and 16 are housed in a box made of a heat insulating material, a heat-resistant metal, ceramics, or the like to form a fuel cell module. It is modularized.
[0009]
By the way, since the

distributors

15 and 16 are made of metal structurally, in order to ensure electrical insulation between the cells, each separator and the distributor are connected in a flow path in an electrically insulated state. Needed to be For this reason, conventionally, as shown in FIG. 8, each

metal gas supply

13, 14 connecting each separator 8 and the

distributors

15, 16 is connected via a ceramic joint 17 in the middle. Further, in order to prevent gas leak from the joint 17, the connection portion is sealed with glass.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the connection structure of the gas supply pipe by the ceramic joint 17 as described above has a structural problem that the assembling work is complicated, such as individually sealing all joints with glass, and the following (1), ( There was a problem related to performance as in 2). That is, (1) the temperature of each part in the fuel cell module is the same as the operating temperature of the fuel cell main body part, and is at least as high as 600 ° C. during operation. The problem is that the glass seal breaks due to the thermal expansion of the gas supply pipe and gas leaks occur, and (2) the ceramic joint itself breaks when the temperature drops rapidly, causing gas leaks.
When a gas leak occurs, the power generation output is reduced.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and has as its object to provide a gas supply pipe connection structure that has a simple structure and can maintain excellent gas sealing properties.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention according to claim 1 is a connection structure of a gas supply pipe for connecting a distributor in a fuel cell module and a separator having a gas passage therein, wherein the gas supply pipe has heat resistance from an outer peripheral portion of the separator. The gas supply pipe is slidable in the axial direction inside the insulation pipe, and the amount of gas leakage from the connection portion is 2% or less of the gas introduction amount. It is structured to be held and inserted and fitted.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a connecting structure of a gas supply pipe for connecting a distributor in a fuel cell module and a separator having a gas passage therein, wherein an outer peripheral portion of the separator communicates with the gas passage. The connecting portion extending outwardly, a connecting tube communicating with the through hole is erected at the connecting portion, a heat-resistant insulating tube is fitted into the connecting tube, and the gas is inserted into the insulating tube. The supply pipe is configured to be slidable in the axial direction and to be inserted and fitted with a fitting in which the amount of gas leakage from the connection portion is 2% or less of the gas introduction amount.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the connection structure of the gas supply pipe of the solid oxide fuel cell according to the first or second aspect, the gas supply pipe is provided outside the separator. It was bent in a ring.
[0015]
In the configuration according to claim 1 or claim 2, the connection can be made simply by inserting the tip of the gas supply pipe into the inside of the insulating pipe, and the conventional joint mechanism and glass sealing are not required. It is extremely simple, and the gas introduced into the separator from the gas supply pipe flows preferentially to the current collector side with a small back pressure, so that there is no gas leak that leads to performance degradation. The reason why the gas leakage amount is set to 2% or less is that if the gas leaks at 2% or more, it becomes impossible to secure a target value of 85% of the fuel utilization rate at which a good battery output can be obtained, which leads to a decrease in battery performance.
Further, in the configuration according to the third aspect, a change in thermal expansion of the gas supply pipe at a high temperature is absorbed, and no excessive force is applied to the gas supply pipe or its connection portion, so that deformation and breakage of the member can be prevented, Stable output characteristics can be obtained.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In order to simplify the description, in the following description, the same reference numerals are used for the same parts as those in the related art.
Here, FIGS. 1 and 2 show a first embodiment of a gas supply pipe connection structure according to the present invention, and FIGS. 3 and 4 show a method of assembling a fuel cell module using this gas supply pipe connection structure. FIG. 5 shows a second embodiment of the gas supply pipe connection structure, and FIG. 6 shows a method of assembling a fuel cell module using the gas supply pipe connection structure.
[0017]
As shown in the figure, a fuel cell stack 1 to which the present invention is applied includes a power generation cell 5 in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer, and a fuel electrode current collector which is disposed outside the fuel electrode layer. A single cell is composed of the body 6, an air electrode current collector 7 disposed outside the air electrode layer, and a separator 8 disposed outside each of the current collectors 6 and 7. The structure is the same as that of the solid oxide fuel cell stack of the flat plate type shown in FIG. 8, but in the case of the present invention, the connection structure between the separator 8 and the

gas supply pipes

13 and 14 is different.
[0018]
The separator 8 is a disk made of stainless steel having a thickness of about 3.5 mm and a diameter of about 130Φ. As shown in FIGS. 1 and 3, the fuel gas from the fuel distributor 15 is supplied to the inside of the separator 8. The fuel gas passage 9 introduced from the outer peripheral surface of the separator 8 by the pipe 13 and discharged from the central gas discharge hole 11, and the oxidant gas from the oxidant distributor 16 are supplied to the outer peripheral surface of the separator 8 by the oxidant gas supply pipe 14. And an oxidizing gas passage 10 which is introduced from the gas discharge port 12 and discharged from a central gas discharge hole 12.
[0019]
In addition, stainless steel tubes having a diameter of about 2Φ are used as the

gas supply pipes

13 and 14. When the separators 8 and the

distributors

15 and 16 are connected in a flow path in an electrically insulated state, one ends thereof are respectively Although a connection structure that is directly welded to the side walls of the

distributors

15 and 16 is employed, in the first embodiment, the ends on the separator side are connected by the following connection structure.
[0020]
For example, the connection structure of the fuel gas supply pipe 13 will be described. An insulation pipe 18 made of a material having excellent heat resistance such as ceramics is fitted into the fuel gas passage 9 from the outer periphery of the separator 8. Has a structure in which the fuel gas supply pipe 13 is inserted. At this time, the gas supply pipe 13 can be slid in the axial direction so as to absorb a change in thermal expansion of the fuel gas supply pipe 13 at a high temperature, and has a gas sealing property that does not affect the battery performance, that is, before the thermal expansion. In this state, the amount of gas leaking out of the separator from the gap between the fuel gas supply pipe 13 and the insulating pipe 18 is 2% or less of the amount of gas introduced from the fuel distributor 15. Is set.
[0021]
That is, in the present embodiment, the gap between the fuel gas supply pipe 13 and the inner wall of the insulating pipe 18 is set to be substantially eliminated in a state where the diameter of the fuel gas supply pipe 13 is maximized by thermal expansion. Accordingly, it is possible to prevent an excessive force in the radial direction from being applied to the insulating pipe 18 and the fuel gas supply pipe 13, and to prevent the gas supply pipe 13 from extending in the axial direction of the fuel gas supply pipe 13 due to thermal expansion. By freely sliding, a change in thermal expansion can be absorbed without difficulty, so that deformation and breakage of the connection portion can be prevented. Incidentally, in this case, the difference between the inner diameter of the insulating pipe 18 and the outer diameter of the fuel gas supply pipe 13 is set to about 0.14 to 0.16 mm.
[0022]
The connection structure of the oxidizing gas supply pipe 14 is also a plug-in type with a double pipe structure of the insulating pipe 18 and the oxidizing gas gas supply pipe 14, as described above. Even when the oxidizing gas supply pipe 14 and the insulating pipe 18 are fitted together, a slidable state against a change in thermal expansion and a good gas sealing property are secured.
[0023]
Next, in the embodiment shown in FIG. 2, the gas introducing mechanism of the separator 8 is a three-hole type. The separator 8 has one fuel gas passage 9 and two oxidizing agents inside. This is an example in which

gas passages

10 and 10 are provided so that a large amount of air sufficient for the supply amount of fuel gas can be supplied to the air electrode current collector side at a low back pressure. The

gas supply pipes

13 and 14 from the

distributors

15 and 16 are connected to the fuel gas passage 9 and the oxidizing

gas passages

10 and 10 by the connection mechanism of the present embodiment described above.
[0024]
When the gas supply pipe connection structure having the above configuration is used, the fuel cell module can be assembled extremely easily. For example, as shown in FIG. 3, in the fuel gas flow path connection, one end of the fuel gas supply pipe 13 is fitted into a large number of through holes 15a provided in a vertical line on the wall surface of the metal fuel distributor 15. What is necessary is just to fix it in advance by welding and insert the other end into the insulating tube 18 slightly projecting from the outside of the separator 8. Thereby, a large number of fuel gas supply pipes 13 branched from the fuel distributor 15 are slidably connected to the corresponding gas passages of the separator 8 at a time. The connection of the flow path of the oxidizing gas may be performed in a similar manner.
[0025]
FIG. 4 shows an example in which the

gas supply pipes

13 and 14 for connecting the

distributors

15 and 16 and the separator 8 in a flow path are bent in a ring shape. It can be performed in the same way as in the case. Moreover, in the present configuration, an unreasonable force applied to the connecting portion due to the axial extension of the

gas supply pipes

13 and 14 generated by thermal expansion at a high temperature can be absorbed by the elasticity of the annular portions 13a and 14a, and Since the positional deviation between the end of the gas supply pipe and the gas passage opening on the side of the separator during assembly can be absorbed by this elasticity, the assemblability is further improved.
[0026]
In the fuel cell module having the above configuration, the oxidizing gas (air) supplied from the outside is introduced into the oxidizing gas passage 10 of each separator 8 from the plurality of oxidizing gas supply pipes 14 via the oxidizing agent distributor 16. The gas is discharged from the gas discharge hole 12 at the end of the passage and supplied to the facing air electrode current collector 7, passes through the air current collector 7 and reaches the air electrode layer of the power generation cell 5.
On the other hand, the fuel gas supplied from the outside is introduced into the fuel gas passage 9 of each separator 8 from the plurality of fuel gas supply pipes 13 via the fuel distributor 15, and is discharged from the gas discharge holes 11 at the end of the passage to face each other. To the current collector 6.
[0027]
Here, the fuel gas and the oxidizing gas introduced from the

gas supply pipes

13 and 14 flow preferentially to the respective collectors made of porous metal and having a small back pressure, and are insulated from the gas supply pipes having a large pipe resistance. Since the gas does not flow into a slight gap between the tube and the tube, it is easy to suppress the gas leak to 2% or less, and thus the battery performance can be sufficiently secured.
[0028]
Next, a second embodiment of the gas supply pipe connection structure of the present invention will be described.
[0029]
In the second embodiment, as shown in FIG. 5, a rectangular fuel gas connecting portion 19 communicating with the fuel gas passage 9 and a rectangular oxidizing gas communicating with the oxidizing gas passage 10 are provided on the outer peripheral portion of the separator 8. The chemical gas connecting portions 20 extend outwardly in opposition to each other, and a stainless steel fuel gas connecting pipe 21 and an oxidizing gas are formed on these connecting portions so as to communicate with the respective through holes 19a and 20a. Connecting pipes 22 are fixed in a vertical state (vertical direction) by welding.
A ceramic insulating tube 18 having excellent heat resistance is fitted into the connecting

tubes

21 and 22, and the fuel gas supply tube 13 and the oxidizing gas supply tube 14 are inserted into each of the insulating tubes 18. The fitting of the

gas supply pipes

13 and 14 and the insulating pipe 18 at the time of insertion is the same as in the first embodiment, and the

gas supply pipes

13 and 14 are so fitted as to absorb the thermal expansion of the

gas supply pipes

13 and 14 at a high temperature. The amount of gas slidable in the axial direction and leaking out of the separator from the gap between the fuel gas supply pipe 13 and the insulating pipe 18 before thermal expansion is 2% of the amount of gas introduced from the

distributors

15 and 16. It has excellent gas sealing properties as described below.
[0030]
Since the oxidizing gas connecting pipe 22 is communicated with the oxidizing gas passage 10 through the through hole 20a of the oxidizing gas connecting portion 20, as shown in FIG. By inserting the end of 14 into the insulating tube 18 of the connecting portion 20 for oxidizing gas from above, the oxidizing gas supply tube 14 is connected to the oxidizing gas passage 10 in a vertically connected state.
The oxidizing gas supplied from the outside is introduced into the oxidizing gas passage 10 from the oxidizing gas supply pipe 14 through the through-hole 20a of the oxidizing gas connecting portion 20, and the oxidizing gas discharge port at the end of the passage. 12 and is supplied to the facing air electrode current collector 7.
[0031]
On the other hand, the fuel gas connecting pipe 21 is communicated with the fuel gas passage 9 through the through hole 19a of the fuel gas connecting section 19, and the end of the fuel gas supply pipe 13 is connected to the fuel gas connecting section 19 from above. The fuel gas supply pipe 13 is connected to the fuel gas passage 9 in a vertically connected state by inserting the fuel gas supply pipe 13 into the insulating pipe 18.
Fuel gas from the outside is introduced into the fuel gas passage 9 from the fuel gas supply pipe 13 through the through hole 19a of the fuel gas connecting portion 19, and is discharged from the fuel gas discharge hole 11 at the end of the passage to face the fuel gas. The power is supplied to the pole current collector 6.
[0032]
Next, assembling of a fuel cell module using the gas supply pipe connection structure having the above configuration is shown in FIG.
[0033]
In the present embodiment, the individual separators 8 are arranged and stacked in a cylindrical shape so that the positions of the connecting

portions

19 and 20 adjacent in the laminating direction are continuously shifted in the circumferential direction. One end of each of the fuel gas supply pipe 13 and the oxidant gas supply pipe 14 is inserted and connected to the

connection pipes

21 and 22 of the

connection parts

19 and 20 projecting from the periphery of the fuel cell stack 1 from the vertical direction.
The other ends of the

gas supply pipes

13 and 14 are fixed to the side walls of a fuel distributor 15 and an oxidant distributor 16 (not shown) arranged in an upper row of the fuel cell stack 1 by welding or the like in a single-row arc shape. ing. Also in this case, it is of course possible to use a gas supply pipe bent in a ring shape as shown in FIG.
[0034]
As described above, by forming the

gas supply pipes

13 and 14 in a vertical connection structure, the thickness of the separator 8 can be reduced, and the fuel cell stack 1 can be reduced in size and weight by making the separator 8 thinner. Become.
[0035]
【Example】
In order to confirm the above-mentioned effects of the present invention, each single cell of the present invention (Example), a comparative example, and a conventional example were produced using a separator having the structure shown in FIG. And the results are shown in FIG. In addition, the power generation test was repeated three times of starting (power generation for 10 hours after raising the temperature to 750 ° C.) and stopping (lowering the temperature to room temperature) at the fourth heating.

[0036]
[Example]
The connection structure between the separator and each gas supply pipe was the structure shown in FIG.
[0037]
[Comparative example]
The connection between the separator and each gas supply pipe was welded.
[0038]
[Conventional example]
Using the ceramic joint having the configuration shown in FIG. 8, the gap between the gas supply pipe and the joint was gas-sealed by glass sealing.
[0039]
As shown in FIG. 7, in the case of the conventional example, when the output current exceeds 35 A, the maximum value sharply decreases. This is because the glass seal of the joint portion was broken by repeated temperature rise and fall of start and stop, and gas leak occurred.
On the other hand, in the example and the comparative example, good battery performance was obtained even when the output current was 35 A or more. From this, the connection structure of the gas supply pipe of the present invention was almost as good as the connection by welding. It was confirmed that the improved gas sealability could be secured.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the fuel cell module is easily assembled because it has a very simple structure in which the tip of the gas supply pipe is inserted into the inside of the insulating pipe. In addition, since the connection structure can efficiently absorb a change in thermal expansion of the gas supply pipe at a high temperature, deformation and breakage of members can be prevented, and excellent gas sealing properties can be maintained over a long period of time. As a result, gas leakage is prevented, and stable battery performance can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a first embodiment of a gas supply pipe connection structure according to the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view, and FIG.
2A and 2B show a connection structure of a gas supply pipe different from that of FIG. 1, wherein FIG. 2A is a plan view and FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a method of assembling a fuel cell module using a gas supply pipe connection structure according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a method of assembling a fuel cell module using a gas supply pipe connection structure different from that of FIG. 3;
5A and 5B show a second embodiment of a gas supply pipe connection structure according to the present invention, wherein FIG. 5A is a plan view, and FIG.
FIG. 6 is a perspective view showing a method of assembling a fuel cell module using the gas supply pipe connection structure of FIG. 5;
FIG. 7 is a diagram showing output characteristics of a fuel cell.
FIG. 8 is an exploded perspective view showing a configuration of a conventional fuel cell module.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 8 separator 9 fuel gas passage 10 oxidant gas passage 15 fuel distributor 16 oxidant distributor 18 insulating tube 19 fuel gas connecting portion 19a through hole 20 oxidizing gas connecting portion 20a through hole 21 fuel gas connecting tube 22 oxidation Connecting pipe for chemical gas

Claims

A connection structure of a gas supply pipe connecting a distributor in the fuel cell module and a separator having a gas passage therein,
A heat-resistant insulating tube is fitted into the gas passage from the outer periphery of the separator, and the gas supply tube is slidable in the axial direction inside the insulating tube, and the amount of gas leakage from the connection portion is gas. A connection structure for connecting a gas supply pipe of a solid oxide fuel cell, wherein the gas supply pipe is inserted and fitted with a fitting of not more than 2% of the introduced amount.

A connection structure of a gas supply pipe connecting a distributor in the fuel cell module and a separator having a gas passage therein,
A connecting portion communicating with the gas passage extends outward in the outer peripheral portion of the separator, and a connecting pipe communicating with the through hole is erected on the connecting portion.
A heat-resistant insulating pipe is fitted into the connecting pipe, the gas supply pipe is slidable in the axial direction inside the insulating pipe, and the amount of gas leakage from the connection portion is 2% or less of the gas introduction amount. A connection structure of a gas supply pipe of a solid oxide fuel cell, wherein the gas supply pipe is connected and fitted with the following fit.

3. The connection structure for a gas supply pipe of a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the gas supply pipe is formed in a ring shape outside the separator.