JP2005317292A - Supporting film type solid oxide fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックに関し、より詳しくは、空気等の酸化剤ガス分配部材を備えた支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a support membrane type solid oxide fuel cell stack, and more particularly to a support membrane type solid oxide fuel cell stack provided with an oxidant gas distribution member such as air.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下適宜「SOFC」と略称する)の単電池すなわち単セルは、固体酸化物電解質を挟んでアノード及びカソードが配置され、アノード/電解質/カソードの3層ユニットで構成される。本明細書中、単セルを適宜「セル」とも言い、固体酸化物電解質を適宜「電解質」または「電解質膜」とも言う。
In a single cell of a solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as “SOFC” where appropriate), an anode and a cathode are arranged with a solid oxide electrolyte in between, and anode / electrolyte /
電解質材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のシート状焼結体が用いられ、アノードとしては、例えばニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物(Ni/YSZサーメット)等の多孔質体が用いられ、カソードとしては、例えばSrドープのLaMnO3等の多孔質体が用いられ、通常、電解質材料の両面にアノードとカソードを焼き付けることにより単電池が構成される。 As the electrolyte material, a sheet-like sintered body such as yttria stabilized zirconia (YSZ) is used, and as the anode, a porous body such as a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia (Ni / YSZ cermet) is used. For example, a porous body such as Sr-doped LaMnO 3 is used as the cathode, and a single cell is usually formed by baking the anode and cathode on both surfaces of the electrolyte material.
その作動時に、カソードに導入される酸化剤ガス(空気、酸素富化空気、酸素等、以下、代表して適宜空気と言う)中の酸素はカソードで酸化物イオン(O2-)となり、電解質を通ってアノードに至る。ここで、アノードに導入される燃料と反応して電子を放出し、電気と水、二酸化炭素等の反応生成物を生成する。カソードでの利用済み空気はカソードオフガスとして排出され、アノードでの利用済み燃料はアノードオフガスとして排出される。 During the operation, oxygen in the oxidant gas (air, oxygen-enriched air, oxygen, etc., hereinafter referred to as air as appropriate) introduced into the cathode becomes oxide ions (O 2− ) at the cathode, and the electrolyte Through to the anode. Here, it reacts with the fuel introduced into the anode and emits electrons to generate reaction products such as electricity, water and carbon dioxide. Spent air at the cathode is discharged as cathode offgas, and spent fuel at the anode is discharged as anode offgas.
ところで、従来のSOFCはその作動温度が1000〜800℃程度と高いが、最近ではそれ以下、800〜650℃程度の範囲、例えば750℃程度の温度で作動するSOFCが開発されつつある。図1はそのSOFCのセルの構成態様を説明する図である。図1(a)は単セルの断面図、図1(b)はカソード側から見た斜視図である。図1(a)〜(b)のとおり、セルは、アノードの上に電解質膜が配置され、電解質膜の上にカソードが配置されて構成される。 By the way, a conventional SOFC has a high operating temperature of about 1000 to 800 ° C., but recently, an SOFC operating at a temperature of about 800 to 650 ° C., for example, about 750 ° C. is being developed. FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the SOFC cell. 1A is a cross-sectional view of a single cell, and FIG. 1B is a perspective view seen from the cathode side. As shown in FIGS. 1A to 1B, the cell is configured such that an electrolyte membrane is disposed on an anode and a cathode is disposed on the electrolyte membrane.
固体酸化物電解質として、例えばジルコニア系やLaGaO3系などの電解質材料が用いられ、これら電解質材料を膜厚の厚いアノードで支持するように構成されており、支持膜式と称される。支持膜式SOFCにおいては、電解質膜の膜厚を薄く構成でき、その膜厚が例えば10μm程度となり、800〜650℃という低温で運転できる。このため、その構成材料として耐熱合金、例えばステンレス鋼などの安価な材料の使用を可能とし、また小型化が可能であるなど各種利点を有する。 As the solid oxide electrolyte, for example, an electrolyte material such as zirconia or LaGaO 3 is used, and the electrolyte material is configured to be supported by a thick anode, which is called a support membrane type. In the support membrane type SOFC, the thickness of the electrolyte membrane can be reduced. The thickness of the membrane becomes, for example, about 10 μm, and it can be operated at a low temperature of 800 to 650 ° C. For this reason, it is possible to use a heat-resistant alloy, for example, an inexpensive material such as stainless steel, as a constituent material, and there are various advantages such as miniaturization.
図2は、そのようにして構成された単セルを組み込んだ支持膜式SOFCスタックの構成例を示す図である。ここで、カソードとセパレータAとの間に空気が流通し、カソードとセパレータAの間は電気的に接触している必要がある。このため、カソードとセパレータAの間には、空気流通用の溝を有し且つ導電性のインターコネクタが設けられるが、図示は省略している。インターコネクタは、セパレータAとは別個に設けてもよく、それと一体にして設けてもよい。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a support membrane type SOFC stack incorporating a single cell configured as described above. Here, it is necessary that air flows between the cathode and the separator A and that the cathode and the separator A are in electrical contact. For this reason, a conductive interconnector having a groove for air circulation is provided between the cathode and the separator A, but the illustration is omitted. The interconnector may be provided separately from the separator A or may be provided integrally therewith.
図2のとおり、支持膜式SOFCスタックは、上部から下部へ順次セパレータA、セパレータB、セパレータC、セル、セパレータDが配置される。このうちセパレータCはセルサポートフォイルともいわれる。セパレータAの上部には集電板等が配置されるが、図示は省略している。セパレータA〜Dはステンレス鋼等の耐熱合金で構成される。なお、図2中、アノードと集電板とを間隙を置いて示しているが、両者は電気的に接触している必要がある。このため、アノード下面と集電板を直かに接するようにしてもよく、両者間にニッケルフェルト等を介在させてもよい。アノードは多孔質体であるので、燃料はアノード中やその下面を流通しながら発電に寄与する。 As shown in FIG. 2, in the support membrane SOFC stack, the separator A, the separator B, the separator C, the cell, and the separator D are sequentially arranged from the upper part to the lower part. Among these, the separator C is also called a cell support foil. A current collector plate and the like are disposed on the upper part of the separator A, but the illustration is omitted. Separators A to D are made of a heat-resistant alloy such as stainless steel. In FIG. 2, the anode and the current collector plate are shown with a gap between them, but they need to be in electrical contact. For this reason, the anode lower surface and the current collector plate may be in direct contact with each other, or nickel felt or the like may be interposed between them. Since the anode is a porous body, fuel contributes to power generation through the anode and its lower surface.
ところで、上記のような低温作動の支持膜式SOFCにおいても、単セル一個の電圧は低いため、通常、単セルを複数層電気的に直列に積層して構成される。単セルをセルサポートフォイル(すなわち図2中セパレータC)に接合し、それをマニホールド(図2中セパレータB、D)に納まるように配置、接合したものをユニットとし、これを耐熱合金製のインターコネクタを介して次のユニットに接合することによりスタックが形成される。 By the way, also in the support membrane type SOFC operated at a low temperature as described above, since the voltage of one single cell is low, the single cell is usually configured by stacking a plurality of layers electrically in series. A single cell is joined to a cell support foil (ie, separator C in FIG. 2), and is placed and joined so as to fit in a manifold (separators B and D in FIG. 2). A stack is formed by joining to the next unit via a connector.
加えて、支持膜式SOFCスタックを流通する燃料、空気、アノードオフガス、カソードオフガスはすべて気体であることから、各部材間でガス封止をするが、その封止性を高めるために各部材間にシール材を挟み込む必要があるなど、支持膜式SOFCスタックを構成するには数多くの部材に加え、煩鎖で数多くの工程を必要とする。 In addition, since the fuel, air, anode offgas, and cathode offgas flowing through the support membrane SOFC stack are all gases, they are sealed between each member. In order to construct a support membrane type SOFC stack, for example, it is necessary to sandwich a sealing material between them, many processes are required in addition to many members.
本発明者らは、そのような数多くの部材や煩鎖で数多くの工程を経ることなく構成でき、且つ、ガス封止部を格段に減じてなる支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリ、これを用いた支持膜式SOFCスタック及びモジュールを先に開発している(特願2003−112202号:平成15年4月16日出願)。以下、これらサブアセンブリ、スタック及びアセンブリについてその概略を順次説明する。 The inventors of the present invention can construct a sub-assembly for supporting membrane SOFC stack, which can be configured without many processes with such a large number of members and chains, and has a gas-sealed portion greatly reduced. The supporting membrane type SOFC stack and module used have been developed first (Japanese Patent Application No. 2003-112202: filed on April 16, 2003). Hereinafter, the outline of the sub-assembly, the stack, and the assembly will be sequentially described.
〈支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリについて〉
支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリは、支持膜式SOFCの単セル全体を、カソード用開口、燃料ガスの導入用開口及び導出用開口を備えた合金箔板で包み込んでなる支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリである。図3〜4はその構成例を示す図で、図3は形成過程を示し、図4は図3の形成過程で構成されサブアセンブリを示している。図3(a)は第1合金箔板1を示す図、図3(b)は第2合金箔板2を示す図である。これは合金箔板を短冊状の形状に形成した例であるが、合金箔板は矩形状のほか、四角形状その他適宜の形状とすることができる。
<About sub-assembly for supporting membrane type SOFC stack>
The sub-assembly for supporting membrane type SOFC stack comprises a supporting membrane type SOFC stack in which the entire single cell of the supporting membrane type SOFC is wrapped with an alloy foil plate having an opening for cathode, an opening for introducing fuel gas, and an opening for outlet. A construction sub-assembly. 3 to 4 are diagrams showing an example of the configuration, FIG. 3 shows a forming process, and FIG. 4 shows a sub-assembly formed in the forming process of FIG. FIG. 3A is a view showing the first alloy foil plate 1, and FIG. 3B is a view showing the second
図3(a)のとおり、第1の短冊状合金箔板1は、その中央部にカソード用開口(窓)3を備え、長手方向の両端に燃料ガス流通用開口4、4を備える。そして、その長手方向に対する左右両端に図3(b)に示す第2の短冊状合金箔板2との接合部5、5を設けて構成される。第2の短冊状合金箔板2は、その長手方向の両端に燃料ガス流通用開口7、7を備える。そして、その短冊状合金箔板の長手方向に対する左右両端に図3(a)に示す第1の短冊状合金箔板1の接合部5、5との接合部6、6を設けて構成される。
As shown in FIG. 3A, the first strip-shaped alloy foil plate 1 includes a cathode opening (window) 3 at the center thereof and fuel
ここで、第2の短冊状合金箔板2の接合部6、6はその端部を折曲げて構成し、第1の短冊状合金箔板1の接合部5、5はその端部を2回折り曲げ、第2の短冊状合金箔板2の接合部6、6で係止されるように構成しているが、その形状は、第2の短冊状合金箔板2の接合部6、6と第1の短冊状合金箔板1の接合部5、5とが接合し得る適宜の形状に構成することができる。その接合は溶接や、接合材により接合することができ、接合材としては金属ろうやガラス接合材等が用いられる。
Here, the joint portions 6 and 6 of the second strip-shaped
上記のように構成した第1の短冊状合金箔板1及び第2の短冊状合金箔板2を用いて支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリを構成する。図3(c)はその形成過程を示す図で、それら両合金箔板1、2と、前述図1に示すような支持膜式SOFCの単セル10と、スペーサ8、8を用いてサブアセンブリを構成する。ここで、単セル10はカソードを上にして配置される。スペーサ8、8は、第1の短冊状合金箔板1の長手方向の両端に設けられた開口4、4及び第2の短冊状合金箔板2の長手方向の両端に設けられた開口7、7に対応した開口を有し、両短冊状合金箔板と同様の合金部材で構成される。スペーサ8、8には内部に向けて燃料ガスが通るように開口部側面に複数の孔9が設けてある。
A supporting membrane type SOFC stack constituting sub-assembly is configured using the first strip-shaped alloy foil plate 1 and the second strip-shaped
図3(c)のとおり、まず第2の短冊状合金箔板2の中央部に単セル10を載置する。そして、第1の短冊状合金箔板1と第2の短冊状合金箔板2との間で、第1の短冊状合金箔板1の長手方向の両端開口4、4と第2の短冊状合金箔板2の長手方向の両端開口7、7に対応した位置にスペーサ8、8を配置する。図3(c)中、矢印(→←)はスペーサ8、8の介挿方向を示している。その後、第2の短冊状合金箔板2の接合部6、6で第1の短冊状合金箔板1の接合部5、5を係止し、その間を溶接または接合材で接合する。
As shown in FIG. 3C, first, the
図4は、こうして構成された支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリ11を示し、図4(a)はカソード側すなわち表面側から見た斜視図、図4(b)はアノード側すなわち裏面側から見た斜視図である。図4のとおり、本サブアセンブリは、支持膜式SOFCの単セル全体を、カソード用開口、燃料ガスの導入用開口及び導出用開口を備えた合金箔板で包み込んで構成される。図4に示すような支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリは、一枚の合金箔板を折曲げて単セルを包み込むことでも作製することもできる。一枚の合金箔板を折曲げて単セルを包み込む構成によれば、接合する箇所が合金箔板の折曲部と相対する端部だけであるので、その工作上も簡単且つ容易であり、ガスシール性の優れた支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリとすることができる。 FIG. 4 shows the sub-assembly 11 for supporting membrane SOFC stack constructed as described above, FIG. 4 (a) is a perspective view seen from the cathode side, ie, the front side, and FIG. 4 (b) is from the anode side, ie, the back side. FIG. As shown in FIG. 4, the subassembly is configured by wrapping the entire support membrane type SOFC single cell with an alloy foil plate having a cathode opening, a fuel gas introduction opening, and a lead-out opening. The sub-assembly for supporting membrane type SOFC stack construction as shown in FIG. 4 can also be produced by folding a single alloy foil plate and wrapping a single cell. According to the configuration in which a single cell is wrapped by folding a single alloy foil plate, the only part to be joined is the end portion facing the bent portion of the alloy foil plate, and the work is simple and easy. It is possible to provide a sub-assembly for supporting membrane type SOFC stack having excellent gas sealing performance.
〈支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリを用いたスタックについて〉
支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリを用いてスタックが構成される。構成部材としては、以上のようにして作製した支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリと絶縁体部材とインターコネクタを用いる。絶縁体部材は、スタック構成用サブアセンブリの開口と対応した開口を有し、例えば雲母等の耐熱性材料で構成され、インターコネクタは、例えばステンレス鋼等の耐熱性合金で構成される。
<Stack using sub-assembly for supporting membrane SOFC stack configuration>
A stack is configured using a sub-assembly for supporting membrane SOFC stack configuration. As the constituent members, the support membrane SOFC stack constituent subassembly, the insulator member, and the interconnector manufactured as described above are used. The insulator member has an opening corresponding to the opening of the stack constituting subassembly, and is made of a heat resistant material such as mica, and the interconnector is made of a heat resistant alloy such as stainless steel.
インターコネクタは通常波状に構成され、その波状部により空気流通(つまりガス流通)及び電気的接続が行われる。すなわち、インターコネクタは、空気流通及び電気的接続用の波状部を備えて構成し、これを単セルのカソードに対応する部位に配置する。インターコネクタは、その点を基本とし、空気流通及び電気的接続用の波状部をその両側に延長し、その両端部に絶縁体部材の開口及びサブアセンブリの開口に対応した開口を備えて構成してもよい。この場合にも、空気流通及び電気的接続用の波状部を単セルのカソードに対応する部位に配置する。 The interconnector is normally configured in a wave shape, and air flow (that is, gas flow) and electrical connection are performed by the wave-shaped portion. That is, the interconnector is configured to include a wave-like portion for air circulation and electrical connection, and this is disposed at a portion corresponding to the cathode of the single cell. The interconnector is based on that point, and is constructed by extending the corrugated part for air flow and electrical connection to both sides and having openings corresponding to the opening of the insulator member and the opening of the subassembly at both ends. May be. In this case as well, the corrugated portion for air circulation and electrical connection is arranged at a portion corresponding to the cathode of the single cell.
図5は、図4に示すような支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリ11を用いた支持膜式SOFCスタックの構成過程を示す図である。インターコネクタとして、上記空気流通及び電気的接続用の波状部からその両側に面状に延長し、その両端部に絶縁体部材の開口及びサブアセンブリの開口に対応した開口を備えたインターコネクタを用いる場合を示している。図5のとおり、インターコネクタ13は、その両端に絶縁体部材12、12の開口及びサブアセンブリ11の開口4(7)、4(7)に対応した開口14、14を備え、その中央部の単セル10のカソードに対応する部位に空気流通及び電気的接続用の波状部(溝)15が設けてある。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration process of a support membrane SOFC stack using the support membrane SOFC
支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリ11に、その長手方向両端の開口部4(7)、4(7)に対応した開口を有する絶縁体部材12、12を載置し、その上にインターコネクタ13を載置することにより支持膜式SOFCスタックが形成される。図5中、矢印(↓)はその載置方向を示すものである。こうして作製した支持膜式SOFCスタックは上下両面に集電板を配し、ケーシング内に納めて使用される。図6はこうして構成された支持膜式SOFCスタックの長手方向中央部の断面図である。
以上は単セル一個を配置したスタックであるが、当該スタックの複数個を積層して複数個の単セルを備えた支持膜式SOFCスタックが構成される。なお、前述特願2003−112202号では、そのように複数個を積層したものを支持膜式SOFCモジュールと称している。
The above is a stack in which one single cell is arranged. A support membrane SOFC stack having a plurality of single cells is formed by stacking a plurality of the stacks. In the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2003-112202, such a laminated structure is called a support membrane type SOFC module.
以上のようにして構成した支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリは、その一個でスタックを構成してもよいが、その複数個を空気の流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層することにより支持膜式SOFCスタックを構成する。図7はその態様を説明する図で、各部材の配置関係を示すため、各部材を間隔を置いて示している。図7では、サブアセンブリの三個を積層する場合を示しているが、サブアセンブリの二個を積層する場合、またサブアセンブリの四個以上を積層する場合についても同様である。 The sub-assembly for supporting membrane type SOFC stack configuration configured as described above may constitute a stack, but a plurality of the sub-assemblies are stacked via an interconnector for air circulation and electrical connection. Thus, a support membrane type SOFC stack is formed. FIG. 7 is a diagram for explaining the mode, and shows the members at intervals in order to show the positional relationship of the members. Although FIG. 7 shows a case where three subassemblies are stacked, the same applies to a case where two subassemblies are stacked, and a case where four or more subassemblies are stacked.
図7のとおり、下部台20の上に、順次、サブアセンブリ11、絶縁スペーサ21、インターコネクタ22、サブアセンブリ11、絶縁スペーサ21、インターコネクタ22、サブアセンブリ11、絶縁スペーサ21、インターコネクタ22を配置する。そして上部から荷重をかけることでSOFCスタックが構成される。図8は、最下部のサブアセンブリの下面中央部に集電用電流端子を配置する態様を示す図で、他の点は図7の態様と同様である。
As shown in FIG. 7, the
こうして構成した支持膜式SOFCスタックを用いて発電するに際しては、燃料は、図7中点線矢印(-----→)のように流れ、各サブアセンブリ11中のアノードを流通して発電に寄与し、アノードオフガスとして排出される。そして、空気を各インターコネクタ22の波状部で形成される空隙すなわち空気流通路に向けて流通させる。そのため、その流通路に向けて空気を均等に分配するための分配部材が併置される。図9は、SOFCスタックに対するその分配部材の配置関係を示す図である。
When power is generated using the support membrane SOFC stack configured as described above, the fuel flows as indicated by the dotted arrows (------>) in FIG. 7, and flows through the anode in each
図9のとおり、SOFCスタックの側部に空気の分配部材24が配置される。分配部材24はSOFCスタックの形状に対応した形状のケーシング25の一面に多数の孔26を備える。ケーシング25へ導入された空気は、多数の孔26から放出され、インターコネクタの波状部で形成される空気流通路に向けて流通させる。
As shown in FIG. 9, an
しかし、この場合、酸化剤ガス分配部材24は一般に耐熱性金属(合金)で形成され、SOFCスタックを構成する各サブアセンブリ間の短絡を防ぐため、サブアセンブリとの間に間隙を置いて配置される。すると、発電時に、図9中太矢印で示すとおり、この間隙から空気が流出し、サブアセンブリのカソードに到達する空気の量が相対的に減少するため、スタックの性能が低下することになる。これを補うため空気流量を増やそうとすると、そのための動力が増えるのでシステムとして効率が低下する。
However, in this case, the oxidant
そこで、本発明は、支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックと酸化剤ガス分配部材との間の間隙に起因する上記問題点を解決してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とするものである。 Accordingly, the present invention provides a support membrane type solid oxide fuel cell stack which solves the above-mentioned problems caused by the gap between the support membrane type solid oxide fuel cell stack and the oxidant gas distribution member. It is intended to do.
本発明は、支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、カソード用開口、燃料ガスの導入用開口及び導出用開口を備えた合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、電気的に直列に接続するとともに、酸化剤ガスを流通させるための波状部を有するインターコネクタと絶縁スペーサを介して積層してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、そのスタックとスタックへの酸化剤ガス分配部材との間の間隙に電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材を介挿してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。 The present invention provides a plurality of subassemblies in which an entire single cell of a support membrane type solid oxide fuel cell is wrapped with an alloy foil plate having an opening for cathode, an opening for introducing fuel gas, and an opening for discharging gas, A support membrane type solid oxide fuel cell stack that is electrically connected in series and laminated with an interconnector having an undulating portion for circulating an oxidant gas and an insulating spacer, and the stack A support membrane type solid oxide fuel cell stack comprising an insulating cushion member that is electrically insulating and suppresses gas permeation in a gap between the oxidant gas distribution member and the stack. provide.
本発明によれば、支持膜式SOFCスタックと酸化剤ガス分配部材との間の間隙に電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材を介挿することにより、その間隙からの空気流出を抑えることができる。そして、これにより同一空気量でのスタックの発電性能を向上させることができる。 According to the present invention, by inserting a heat insulating cushion member that is electrically insulating and suppresses gas permeation into the gap between the support membrane type SOFC stack and the oxidant gas distribution member, air from the gap is inserted. The outflow can be suppressed. As a result, the power generation performance of the stack with the same amount of air can be improved.
本発明は、支持膜式SOFCの単セル全体を、カソード用開口、燃料ガスの導入用開口及び導出用開口を備えた合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、電気的に直列に接続するとともに、酸化剤ガスを流通させるための波状部を有するインターコネクタと絶縁スペーサを介して積層してなる支持膜式SOFCスタックである。そして、その支持膜式SOFCスタックとスタックへの酸化剤ガス分配部材との間の間隙に電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材を介挿してなることを特徴とする。 In the present invention, a plurality of sub-assemblies, in which a single cell of a support membrane type SOFC is wrapped with an alloy foil plate having a cathode opening, a fuel gas introduction opening and a discharge opening, are electrically connected in series. It is a support membrane type SOFC stack formed by stacking via an insulating connector and an interconnector having a wave-like portion for connecting and flowing an oxidant gas. A heat insulating cushion member that is electrically insulating and suppresses gas permeation is interposed in the gap between the support membrane type SOFC stack and the oxidant gas distribution member to the stack.
図10〜11は、本発明において、支持膜式SOFCスタックと酸化剤ガス分配部材との間の間隙に電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材を介挿して支持膜式SOFCスタックを構成する態様を説明する図である。図10〜11では、サブアセンブリの四個を積層したSOFCスタックを示しているが、サブアセンブリの三個、またサブアセンブリの五個以上を積層する場合についても同様である。 FIGS. 10 to 11 show a support membrane SOFC in the present invention by inserting a heat insulating cushion member that is electrically insulating and suppresses gas permeation into the gap between the support membrane SOFC stack and the oxidant gas distribution member. It is a figure explaining the aspect which comprises a stack. 10 to 11 show an SOFC stack in which four subassemblies are stacked, but the same applies to the case where three subassemblies or five or more subassemblies are stacked.
図10のとおり、支持膜式SOFCスタックと酸化剤ガス分配部材24との間の隙間に電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材27を介挿する。介挿するクッション部材27の構成材料は、電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション性を有する材料であればよいが、その例としてはセラミックファイバーやガラスファイバーなどが挙げられる。これらはウール(羊毛に似た繊維の塊状)やマット(フェルト状にしたもの)などの形にして使用される。
As shown in FIG. 10, a heat insulating
電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材27は、支持膜式SOFCスタックの空気供給側の面の周縁面と、この周縁面に対応する酸化剤ガス分配部材24の周縁面との間に配置することから、その周縁面の形状に合わせた形状で配置される。その構成材料としてセラミックファイバーやガラスファイバーを用いる場合には、それらファイバーをウールやマットとして予めそのような形に成形して介挿するのが好ましい。
The heat insulating
図11は、こうして支持膜式SOFCスタックとスタックへの酸化剤ガス分配部材との間の間隙に電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材を介挿した状態を示している。本発明によれば、そのように電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材を介挿することにより、支持膜式SOFCスタックと酸化剤ガス分配部材24との間の隙間からの酸化剤ガス流出を抑えることができる。このため、同一酸化剤ガス量でのSOFCスタックの発電性能を向上させることができる。
FIG. 11 shows a state in which an insulating cushion member that is electrically insulating and suppresses gas permeation is inserted in the gap between the support membrane type SOFC stack and the oxidant gas distribution member to the stack. According to the present invention, by interposing an insulating cushion member that is electrically insulating and suppresses gas permeation from the gap between the support membrane SOFC stack and the oxidant
〈本発明に関連する構成部材:インターコネクタの構成態様〉
本発明においては、電気的に直列に接続するとともに酸化剤ガスを流通させるための波状部を有するインターコネクタとして、支持膜式SOFCの単セルあるいはサブアセンブリの形状に対応した構成を備えたインターコネクタを用いることが有用である。以下、そのインターコネクタの構成について順次説明する。
<Constituent Member Related to the Present Invention: Configuration Mode of Interconnector>
In the present invention, an interconnector having a configuration corresponding to the shape of a single cell or subassembly of a support membrane type SOFC as an interconnector having an undulating portion for making an oxidant gas flow while being electrically connected in series It is useful to use Hereinafter, the configuration of the interconnector will be sequentially described.
インターコネクタの波状部における波状の形状は各種形状を採ることができる。図12はその形状の態様例を示す図である。図12(a)は断面波状の形状、図12(b)は断面ジグザグ状の形状、図12(c)は断面マシュマロ状の形状、図12(d)は断面台形状の形状、図12(e)は断面コ字状の形状であり、さらにはこれらの変形形状を採ることができる。ここで、本明細書及び特許請求の範囲における、インターコネクタの波状部あるいはその波状とは、図12(a)に示すような断面波状の形状そのものを意味するほか、当該断面波状の形状を含む上記各種形状のものを包括した意味でも用いている。 The wavy shape of the waved portion of the interconnector can take various shapes. FIG. 12 is a diagram showing an example of the shape. 12 (a) is a corrugated cross section, FIG. 12 (b) is a zigzag cross section, FIG. 12 (c) is a marshmallow cross section, FIG. 12 (d) is a trapezoidal cross section, FIG. e) is a U-shaped cross-section, and these deformation shapes can be adopted. Here, the wavy portion of the interconnector or the wavy shape in the present specification and claims means not only the cross-sectional wavy shape as shown in FIG. 12A but also includes the cross-sectional wavy shape. Also used in a comprehensive sense of the above-mentioned various shapes.
支持膜式SOFCの単セルの表面すなわちカソード面は、中央部が膨らみ、周縁部に向けて漸次湾曲して反りないし歪みが生じる。すると、スタック作製に際して、そのカソード面に図5〜6に示すようにインターコネクタの波状部15を当接させる場合、その反りないし歪みにより、図13(b)中、非接触部分として示すように、カソード面とインターコネクタの波状部間の接触が阻害され、電気的接触にむらが生じて接触抵抗を増大させ、発電性能を低下させてしまう。そこで、インターコネクタの波状部に、その波方向と平行にスリットを入れて構成する。図14はその態様を示す図である。
The surface of the single cell of the supporting membrane type SOFC, that is, the cathode surface, bulges at the center and gradually curves toward the peripheral edge, causing warping or distortion. Then, when making the stack, as shown in FIGS. 5 to 6, when the interconnector corrugated
図14のとおり、その波状部に、その波方向と平行にスリットを入れる。これにより、支持膜式SOFCの単セルのカソード面とインターコネクタの波状部をむらなく接触させ、両者間で均等な電気的接触を達成することができる。本スリットは、図14に示す断面波状の形状とは限らず、図12(b)〜(e)に示すような、断面ジグザグ状、断面マシュマロ状、断面台形状、断面コ字状の形状の波状部のほか、これらの変形形状の波状部にも適用することができる。 As shown in FIG. 14, a slit is made in the wavy portion in parallel with the wave direction. Thereby, the cathode surface of the single cell of the support membrane type SOFC and the corrugated portion of the interconnector can be brought into contact evenly, and an even electrical contact can be achieved between them. This slit is not limited to the corrugated shape shown in FIG. 14, but has a zigzag sectional shape, a marshmallow sectional shape, a trapezoidal sectional shape, and a U-shaped sectional shape as shown in FIGS. In addition to the wavy portion, the present invention can also be applied to the wavy portions having these deformed shapes.
支持膜式SOFCの単セルをインターコネクタを介してスタック化した場合、そのカソード面とインターコネクタの波状部の位置関係は図15(a)〜(b)に示すようになる。そして、インターコネクタの波状部15の空隙が空気の流通路となる。図15(a)に示すように、波状部のうちセルのカソード面に面する側の流路を流れる空気は発電に寄与するが、図15(b)に示すように、波状部のうちセルのカソード面に面しない側の流路を流れる空気はカソード面を流通しないことになり、発電に寄与しないことになる。
When stacking single cells of a support membrane type SOFC through an interconnector, the positional relationship between the cathode surface and the corrugated portion of the interconnector is as shown in FIGS. And the space | gap of the
そこで、インターコネクタの波状部に複数個の孔を設ける。図16はその態様を示す図である。図16(a)〜(b)のとおり、インターコネクタの波状部に複数個の孔を設ける。図16(a)は、前述図13(a)に示すような、スリットを設けない波状部に複数個の孔を設ける態様、図16(b)は、前述図14に示すようにスリットを設けた波状部に複数個の孔を設ける態様である。これら複数の孔により、波状部のうちセルのカソード面に面しない側の流路を流れる空気をカソード側に流通させ、カソードに接触させて発電に寄与させることができる。複数個の孔は、図16に示す断面波状の形状とは限らず、図12(b)〜(e)に示すような、断面ジグザグ状、断面マシュマロ状、断面台形状、断面コ字状の形状の波状部のほか、これらの変形形状の波状部にも適用することができる。 Therefore, a plurality of holes are provided in the corrugated portion of the interconnector. FIG. 16 is a diagram showing this aspect. As shown in FIGS. 16A to 16B, a plurality of holes are provided in the corrugated portion of the interconnector. FIG. 16A shows an embodiment in which a plurality of holes are provided in a wave-like portion where no slit is provided as shown in FIG. 13A, and FIG. 16B shows that a slit is provided as shown in FIG. In this embodiment, a plurality of holes are provided in the corrugated portion. With the plurality of holes, the air flowing through the flow path on the side of the undulating portion that does not face the cathode surface of the cell can be circulated to the cathode side and brought into contact with the cathode to contribute to power generation. The plurality of holes are not limited to the corrugated cross section shown in FIG. 16, but have a zigzag cross section, a marshmallow cross section, a trapezoidal cross section, and a U-shaped cross section as shown in FIGS. In addition to the corrugated portion of the shape, the present invention can be applied to the corrugated portion of these deformed shapes.
本発明におけるスタックを構成する合金箔板及びインターコネクタの構成材料としてはステンレス鋼等の耐熱性合金が用いられる。また、スタックに供給する燃料としては、炭化水素、都市ガス、LPガス、天然ガス、ガソリン、軽油、灯油、ディーゼル油、アルコール類(メチルアルコール、エチルアルコール等)、ジメチルエーテル(DME)などが用いられる。 A heat resistant alloy such as stainless steel is used as a constituent material of the alloy foil plate and interconnector constituting the stack in the present invention. Moreover, hydrocarbons, city gas, LP gas, natural gas, gasoline, light oil, kerosene, diesel oil, alcohols (methyl alcohol, ethyl alcohol, etc.), dimethyl ether (DME), etc. are used as fuel to be supplied to the stack. .
1 第1合金箔板
2 第2合金箔板
3 カソード用開口(窓)
4、4 燃料ガス流通用開口
5、5 接合部
6、6 接合部
7、7 燃料ガス流通用開口
8、8 スペーサ
9 複数の孔
10 単セル
11 支持膜式SOFCスタック構成用サブアセンブリ
12、12 絶縁体部材
13、22 インターコネクタ
14、14 開口
15 波状部(溝)
20 下部台
21 絶縁スペーサ
23 集電用電流端子
24 酸化剤ガス分配部材
25 ケーシング
26 ケーシングの一面に備える多数の孔
27 電気絶縁性で且つガスの透過を抑制する断熱性クッション部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st
4, 4 Openings for fuel gas flow 5, 5 Joints 6, 6
DESCRIPTION OF
Claims (8)
The support membrane type solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 5 to 7, wherein the wavy portion of the interconnector has a zigzag cross section, a marshmallow cross section, a trapezoidal cross section, or a U-shaped cross section. A supported membrane solid oxide fuel cell stack, characterized in that
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JP2004132147A JP2005317292A (en) | 2004-04-27 | 2004-04-27 | Supporting film type solid oxide fuel cell stack |
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CN103633343A (en) * | 2012-08-24 | 2014-03-12 | 福特全球技术公司 | Proton exchange membrane fuel cell with stepped channel bipolar plate |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100119906A1 (en) * | 2007-07-27 | 2010-05-13 | Kyocera Corporation | Fuel Cell Module |
US8609291B2 (en) * | 2007-07-27 | 2013-12-17 | Kyocera Corporation | Fuel cell module including heating insulator with opening |
CN103633343A (en) * | 2012-08-24 | 2014-03-12 | 福特全球技术公司 | Proton exchange membrane fuel cell with stepped channel bipolar plate |
US9786928B2 (en) | 2012-08-24 | 2017-10-10 | Ford Global Technologies, Llc | Proton exchange membrane fuel cell with stepped channel bipolar plate |
US10122025B2 (en) | 2012-08-24 | 2018-11-06 | Ford Global Technologies, Llc | Proton exchange membrane fuel cell with stepped channel bipolar plate |
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