JP2006196315A - Aggregate of ceramics and metal, and fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミックスと金属との結合体、及び燃料電池モジュールに関し、特に、筒型構造を有するセラミックスと金属との結合体、及び燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a combined body of ceramics and metal and a fuel cell module, and more particularly to a combined body of ceramics and metal having a cylindrical structure and a fuel cell module.
燃料電池の効率を向上させる研究が行われている。例えば、燃料電池モジュールの小型化や単位体積当たりの出力密度を増加させるための研究が行われている。燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを含むセラミックス製の燃料電池セル管と金属板との結合体で形成されている。金属とセラミックスの接合的結合は困難である。特に、それらの間のシール性能を保証する結合が困難である。その結合体は、図16に示されるように、燃料電池セル管を保持する金属製の管板である円板101と、その円板101を管軸方向に貫通して装着される多数の燃料電池セル管102とから構成されている。円板101と燃料電池セル管102の間にシール構造が介設される。シール構造103は、シール性能と接合強度との両面で十分に満足的であることが重要である。シール構造103は、円板101と燃料電池セル管102との間に介設されるシールリング104を構成している。シールリング104と燃料電池セル管102との間には、接着性接合材105が用いられている。円板101とシールリング104とは、第1接合面106と第2接合面107とで接合している。
Research is underway to improve the efficiency of fuel cells. For example, research is being conducted to reduce the size of the fuel cell module and increase the power density per unit volume. The fuel cell module is formed of a combination of a ceramic fuel cell tube including a plurality of fuel cells and a metal plate. Bonding metal and ceramics is difficult. In particular, it is difficult to bond to guarantee the sealing performance between them. As shown in FIG. 16, the combined body includes a
円板101とセラミック管102とは数百度以上に高温化する。多数の燃料電池セル管102の伸び方向は整合していないので、不整合力を円板101に与えることが考えられる。その場合、円板101の上下で使用するガスが異なると、円板101の上下間で、使用ガスの漏洩が生じることが考えられる。使用ガスは、第1接合面106と第2接合面107を介して透過して漏洩し、更に、接着性接合材105を透過して漏洩する。高温に起因する熱変形は、第1接合面106と第2接合面107の密着性能の劣化を招くことも考えられる。接着性接合材105として、強度向上のために無機系接着材が使用されている。無機系接着材で形成される無機系接着材層は、ポーラス状に形成される場合がある。そのとき、使用ガスに対して透過性が強くなる。
The
シール性能の向上が求められる。更に、シール構造の強化が求められる。シール構造の耐久性や長寿命化が望まれる。 Improvement in sealing performance is required. Furthermore, the sealing structure is required to be strengthened. The durability and long life of the seal structure are desired.
本発明の目的は、燃料電池セル管と金属との接合箇所における燃料電池の効率の低下要因を低減することが可能なセラミックスと金属との結合体及び燃料電池モジュールを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a ceramic / metal combination and a fuel cell module capable of reducing a factor of lowering the efficiency of the fuel cell at the joint between the fuel cell tube and the metal.
本発明の他の目的は、燃料電池セル管と金属との接合箇所におけるシール性能を向上させることができるセラミックスと金属との結合体及び燃料電池モジュールを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a combined body of a ceramic and a metal and a fuel cell module capable of improving the sealing performance at the joint portion between the fuel battery cell tube and the metal.
本発明の更に他の目的は、燃料電池セル管と金属との接合箇所におけるシール構造を強化することができるセラミックスと金属との結合体及び燃料電池モジュールを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a ceramic / metal combination and a fuel cell module that can reinforce the seal structure at the joint between the fuel cell tube and the metal.
本発明の別の目的は、燃料電池セル管と金属との接合箇所におけるシール構造の耐久性及び寿命を向上することができるセラミックスと金属との結合体及び燃料電池モジュールを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a ceramic / metal combination and a fuel cell module capable of improving the durability and life of the seal structure at the joint between the fuel cell tube and the metal.
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the best mode for carrying out the invention. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of the claims and the best mode for carrying out the invention. However, these numbers and symbols should not be used for interpreting the technical scope of the invention described in the claims.
上記課題を解決するために本発明のセラミックスと金属との結合体は、セラミック管(1)と、金属板(2)と、セラミック管(1)と金属板(2)とを結合するシール構造(3)とを具備している。シール構造(3)は、セラミック管(1)と金属板(2)との間に介設されるシール層(5)と、シール層(5)と金属板(2)との間に介設される第1リング(4)と、金属板(2)の一部分であり第1リング(4)と金属板(2)との間に介設される第2リング(11)とを備えている。シール層(5)はセラミック管(1)及び第1リング(4)に対して接着性がある。第2リング(11)はセラミック管(1)の中心線(L)方向に滑らかに曲がる曲面(7)を有している。曲面(7)は第1リング(4)に対して圧力的に面接触又は線接触している。曲面(7)は、金属板(2)を曲げて形成されている。
第2リング(11) は、圧入的に第1リング(4)に対して接合している。このような接合する第2リング(11)は、弾力的に形成されている。第1リング(4)と第2リング(11)との接合は、その密着性がよい。そして、複数のセラミック管と金属板の複合体は、温度変化により金属板の面に平行な方向に応力を受けやすいが、本発明によるセラミックと金属の結合体のシール構造はそのような横方向の応力に特に対抗力が強く、シール構造と強度構造の両方を満足に保証することができる。
In order to solve the above-mentioned problems, a ceramic / metal bonded body according to the present invention includes a ceramic tube (1), a metal plate (2), and a seal structure for bonding the ceramic tube (1) and the metal plate (2). (3). The seal structure (3) includes a seal layer (5) interposed between the ceramic tube (1) and the metal plate (2), and is interposed between the seal layer (5) and the metal plate (2). And a second ring (11) that is a part of the metal plate (2) and is interposed between the first ring (4) and the metal plate (2). . The sealing layer (5) is adhesive to the ceramic tube (1) and the first ring (4). The second ring (11) has a curved surface (7) that bends smoothly in the direction of the center line (L) of the ceramic tube (1). The curved surface (7) is in pressure surface contact or line contact with the first ring (4). The curved surface (7) is formed by bending the metal plate (2).
The second ring (11) is press-fitted to the first ring (4). The second ring (11) to be joined is formed elastically. Bonding between the first ring (4) and the second ring (11) has good adhesion. The composite of a plurality of ceramic tubes and metal plates is susceptible to stress in a direction parallel to the surface of the metal plate due to temperature change, but the sealing structure of the ceramic-metal combination according to the present invention is such a lateral direction. In particular, it has a strong resistance force against the stress of and can satisfactorily guarantee both the seal structure and the strength structure.
上記のセラミックスと金属との結合体において、曲面(7)は中心線(L)に対して略線対称に形成されている。 In the combination of ceramics and metal, the curved surface (7) is formed substantially symmetrical with respect to the center line (L).
上記のセラミックスと金属との結合体において、曲面(7)は中心線(L)に向かって凸な曲面である。 In the combination of ceramics and metal, the curved surface (7) is a convex curved surface toward the center line (L).
上記のセラミックスと金属との結合体において、第1リング(4)は金属製の円筒である。 In the combination of ceramics and metal, the first ring (4) is a metal cylinder.
上記のセラミックスと金属との結合体において、セラミック管(1)は内部に燃料電池用の燃料ガス又は酸化剤ガスが通される。 In the ceramic / metal combination, the ceramic tube (1) is filled with fuel gas or oxidant gas for the fuel cell.
上記のセラミックスと金属との結合体において、セラミック管(1)は、表面に燃料電池セルを形成された管としての燃料電池セル管(33)である。 In the composite body of ceramics and metal, the ceramic tube (1) is a fuel cell tube (33) as a tube having a fuel cell formed on the surface.
上記課題を解決するために本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セル管(33)と、複数の燃料電池セル管(33)内へ燃料電池用ガスとしての燃料ガス(31)又は酸化剤ガス(32)を供給するガス供給室(38)と、複数の燃料電池セル管(1)内を通過した燃料電池用ガス(31/32)を受け取るガス受取室(39)とを具備している。複数の燃料電池セル管(33)の各々の一端部がガス供給室(38)の一側面としての第1金属板(44)に結合され、上記に記載のそのセラミックスと金属との結合体を形成している。複数の燃料電池セル管(33)の他端部がガス受取室(39)の一側面としての第2金属板(45)に結合され、上記に記載のそのセラミックスと金属との結合体を形成している。 In order to solve the above problems, a fuel cell module according to the present invention includes a plurality of fuel cell pipes (33) and a fuel gas (31) or an oxidation gas as a fuel cell gas into the plurality of fuel cell pipes (33). A gas supply chamber (38) for supplying the agent gas (32), and a gas receiving chamber (39) for receiving the fuel cell gas (31/32) that has passed through the plurality of fuel cell pipes (1). ing. One end of each of the plurality of fuel cell pipes (33) is coupled to a first metal plate (44) as one side surface of the gas supply chamber (38), and the combined body of ceramics and metal described above is used. Forming. The other ends of the plurality of fuel cell pipes (33) are coupled to the second metal plate (45) as one side surface of the gas receiving chamber (39) to form the ceramic-metal combination described above. is doing.
上記の燃料電池モジュールにおいて、複数の燃料電池セル管(33)と第1金属板(44)及び第2金属板(45)との結合部(38−2/39−2)は、第1金属板(44)及び第2金属板(45)において千鳥格子状、蜂の巣状及び正方格子状のいずれかの場所に設けられる。 In the fuel cell module, the joint (38-2 / 39-2) between the plurality of fuel cell tube (33), the first metal plate (44) and the second metal plate (45) is the first metal. The plate (44) and the second metal plate (45) are provided at any one of a staggered lattice shape, a honeycomb shape, and a square lattice shape.
上記課題を解決するために本発明のセラミックスと金属の結合方法は、(a)金属板(2)に第1直径(d0)を有する第1穴(51)を開けるステップと、(b)第1穴(51)を、第1穴(51)の中心線(L)方向に滑らかに曲がる曲面(7)を有する第2穴(52)に成形するステップと、(c)第2穴(52)にリング(4)を圧入するステップと、(d)リング(4)にセラミック管(1)を挿入してリング(4)に対してセラミック管(1)を固着するステップとを具備する。 In order to solve the above-mentioned problems, a method for bonding a ceramic and a metal according to the present invention includes: (a) a step of opening a first hole (51) having a first diameter (d0) in a metal plate (2); Forming one hole (51) into a second hole (52) having a curved surface (7) that bends smoothly in the direction of the center line (L) of the first hole (51); and (c) the second hole (52 ) And (d) inserting the ceramic tube (1) into the ring (4) and fixing the ceramic tube (1) to the ring (4).
本発明のセラミックスと金属の結合方法は、(a)金属板(2)に第1直径(d0)を有する第1穴(51)を開けるステップと、(b)第1穴(51)を、第1穴(51)の中心線(L)方向に滑らかに曲がる曲面(7)を有する第2穴(52)に成形するステップと、(c)リング(4)にセラミック管(1)を挿入してリング(4)に対してセラミック管(1)を固着するステップと、(d)第2穴(52)にリング(4)を圧入するステップとを具備する。 The method for bonding ceramics and metal according to the present invention includes (a) a step of opening a first hole (51) having a first diameter (d0) in a metal plate (2), and (b) a first hole (51). Forming a second hole (52) having a curved surface (7) that bends smoothly in the direction of the center line (L) of the first hole (51); and (c) inserting the ceramic tube (1) into the ring (4). And fixing the ceramic tube (1) to the ring (4), and (d) pressing the ring (4) into the second hole (52).
上記のセラミックスと金属との結合方法において、セラミック管(1)は、表面に燃料電池セルを形成された管としての燃料電池セル管(1/33)である。 In the above-described method of bonding ceramics and metal, the ceramic tube (1) is a fuel cell tube (1/33) as a tube having fuel cells formed on the surface.
上記のセラミックスと金属との結合方法において、曲面(7)は中心線(L)に対して略線対称に形成されている。 In the above-described method of bonding ceramics and metal, the curved surface (7) is formed substantially symmetrical with respect to the center line (L).
上記のセラミックスと金属との結合方法において、曲面(7)は中心線(L)に向かって凸な曲面に形成される。 In the above-described method of bonding ceramics and metal, the curved surface (7) is formed into a curved surface that is convex toward the center line (L).
本発明により、燃料電池セル管と金属との接合部におけるシール性能を向上し、シール強度を強化することができる。そして、燃料電池の効率の低下要因を低減することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the sealing performance at the joint portion between the fuel battery cell tube and the metal and to enhance the sealing strength. And it becomes possible to reduce the factor of efficiency reduction of the fuel cell.
以下、本発明のセラミック管と金属との結合体の実施の形態を説明する。図1は、本発明のセラミック管と金属との結合体の実施の形態の構成を示す断面図である。その結合体は、セラミック管としての燃料電池セル管1と金属板としての管板2とシール構造3とを具備する。燃料電池セル管1は、複数の燃料電池セルを含み、セラミックス製の管である。管板2は、燃料電池セル管1を保持する金属製の板である。シール構造3は、燃料電池セル管1と管板2とを結合している。
Hereinafter, embodiments of a combined body of a ceramic tube and a metal according to the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a combined body of a ceramic tube and a metal according to the present invention. The combined body includes a fuel cell tube 1 as a ceramic tube, a
燃料電池セル管1は、図1に示されるように、管板2に軸方向に貫通している。図示される燃料電池セル管1は、内部に燃料電池セル用のガス(例示:水素のような燃料ガス、酸素のような酸化剤ガス)を通す。複数の燃料電池セル管1は、短ピッチで集合し、それぞれに管板2を貫通している。管板2は、その強度が十分である強度範囲で、薄く形成されている。例えば、所定の厚みの金属(例示:耐熱合金鋼、ステンレス鋼)で形成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell tube 1 penetrates the
そのシール構造3は、シール層5と第1リング4と第2リング11とから形成されている。シール層5は、燃料電池セル管1の外周面6と第1リング4の内周面との間に介設されている。第1リング4は、シール層5の外周面9と管板2の曲面7との間に介設されている。第2リング11は、管板2の一部であり、管板2において燃料電池セル管1の中心線心線(中心線)Lに直交する平面を形成する平板面部位8と第1リング4との間に介設されている。燃料電池セル管1とシール層5と第1リング4と第2リング11とは、中心線Lに対して同心的に配置されて、互いに密着的に接合している。第1リング4は、円筒形状を有し、金属(例示:耐熱合金鋼、ステンレス鋼)で形成されている。シール層5は、接着剤で形成されている。
The seal structure 3 is formed of a
シール層5は、無機系接着剤やガラス系接着剤、樹脂系接着剤を用いることが出来る。これら単独の場合だけでなく、シール層5の接着強度やシール性能、電気的な絶縁性を考慮して、適切な組み合わせで用いることも可能である。例えば、無機系接着剤は接着強度を保証し、樹脂系接着剤とガラス系接着剤はシール性を保証するように、中心線Lに対して積層でシール層5を形成することも出来る。
The
ガスに対するシール性能を向上させるためには、正確な寸法精度が要求される。一方、燃料電池セル管1のようなセラミック管は、金属管と比較して、正確な寸法制御を行うことが容易で無い。
本発明によるセラミックスと金属との結合体を用いることで、燃料電池セル管1の形が多少歪んでいても、また、燃料電池セル管1の中心線と第1リング4や第2リング11の中心線とが多少ずれていても、シール層5によりそれら歪みやずれを吸収することができる。これにより、これは、燃料電池セル管1を製造する際に、その形状に関する製造歩留まりを向上させることができる。加えて、燃料電池モジュールを製造する際に、燃料電池セル管1の中心線と第1リング4等の中心線とを厳密に合わせる必要が無くなり、作業を効率化することができ、燃料電池モジュールの製造歩留まりを向上することができる。
In order to improve the sealing performance against gas, accurate dimensional accuracy is required. On the other hand, a ceramic tube such as the fuel cell tube 1 is not easy to perform accurate dimensional control compared to a metal tube.
By using the combination of ceramics and metal according to the present invention, even if the shape of the fuel cell tube 1 is somewhat distorted, the center line of the fuel cell tube 1 and the
図2は、シール構造における第2リング11と第1リング4との関係を示す断面図である。第2リング11の曲面7は、管板2が部分的に絞られる絞り抜き成形により形成されている。曲面7を構造化する弾性的絞り構造は、中心線Lに対して線対称であり、有効曲率半径を有して曲がる曲がり構造を有している。その曲がり構造は、中心線Lを中心線とする近似円錐の側面としての曲面9、又は、中心線Lに向かって凸になるように中心線Lに垂直な方向から中心線Lの方向に滑らかに曲がる曲面9を有している。その曲面9のうち中心線Lに最も近い面は、第1リング4の外周面12に接する円筒面となるように形成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the relationship between the
曲面7が形成された状態で、曲面7の最小内径はdに形成されている。第1リング4の最大外径(外径は一定)はDに形成されている。曲面7の最小内径dは、第1リング4の最大外径Dより僅かに小さい:
Δd=D−d>0
第1リング4は、同軸的に管板2の曲面9に圧力により押し込まれる。第1リング4が曲面9に圧力で押し込まれる際に、曲面9の最小内径は第1リング4の最大外径Dまで線対称に拡大する。
In a state where the
Δd = D−d> 0
The
線対称である曲面9は、同軸的に線対称である外周面12に面接合し、高温化する管形成板2と外周面12の膨張収縮に対応して常態的にそれらの線対称性を失わずに、その密着的接合関係を維持する。
The line-symmetric
次に、本発明のセラミックスと金属の結合方法について図3及び図4を用いて説明する。
図3は、本発明の第2リング11の加工法の一例を示す図である。
(1)図3(a)において、管板2(金属板)の第2リング11を加工しようとする個所に、直径d0の円形の穴52を設ける。このとき、想定される第2リング11の中心と穴52の中心とを一致させておく。
Next, a method for bonding ceramics and metal according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a processing method for the
(1) In FIG. 3A, a
(2)図3(a)の管板2を作業部材20上に載せる。続いて、管板2の上に作業部材21を載せる。管板2は、両作業部材により固定される。
ことのき、作業部材20には、直径r0の作業用穴が貫通している。作業用穴の中心と穴51の中心とは一致させておく。作業用穴の管板2側は、さらに直径D0(>r0)に広がっている。直径D0は、想定される第2リング11の直径と概ね等しくする。作業部材21には、直径D0よりも大きい直径の穴が貫通している。上記の作業部材20の穴、作業部材21の穴、及び、穴51は、その中心が中心線Lで重なる。
そして、穴51に直径d0よりも大きい直径dの球(真球)22を所定の圧力Pで押し付ける。球22は、例えば、鋼球である。この状態が図3(b)である。
(2) The
At this time, the working
Then, a sphere (true sphere) 22 having a diameter d larger than the
(3)図3(b)の状態において、穴51に直径dの球22をさらに押し付ける。そして、球22の穴51に押し込み、その穴51を通過するようにする。これにより、管板22の穴51近傍において、管板2の穴51近傍の一部が、作業用穴へ向かって曲がる。そして、中心線L方向に滑らかに曲がる曲面7を有する2リング11が形成される。穴51は、穴51の直径よりも少し大きい直径(概ね球22の直径)を有する穴52となる。この状態が図3(c)である。
(3) In the state of FIG. 3 (b), the
穴52を設ける際、穴51に押し込む部材として、球22ではなく円筒状や円錐状の押し込み部材を用いることが考えられる。その場合、それら押し込み部材の中心線と、穴51の中心を通り管板2に垂直な軸(中心線L)とを一致させる必要がある。そして、それら押し込み部材を、押し込み部材の中心線を中心線Lに重なるようにして移動させる必要がある。そうしないと、第2リング11は図2において既述したような中心線Lに対して線対称の形状にはならない。そのため、第1リング4と第2リング11との接触が充分でなく、リーク性能が落ちることになる。すなわち、良好な第2リング11を作製するためには、非常に高精度の部材を用い、それらの部材を非常に厳密な移動させる必要がある。
When the
一方、本願発明では、真球状の球22を用いているので、軸を一致させる必要が無い。ただし、球22を、球22の中心を中心線Lに沿うようにして移動させる必要はある。それには、球22を穴51に置き、そのまま、管板2に平行な面で、中心線Lに沿った力で押すことで、容易に実施することができる。すなわち、円筒状や円錐状の部材に比較して、中心線Lに対して線対称で、中心線Lの方向に向かって滑らかに曲がる曲面を極めて容易に形成することができる。
On the other hand, in the present invention, since the
(4)図3(c)の状態において、管板2の下側を作業部材23にする。ここで、作業部材23は、作業部材20と同じ直径の作業用穴が開口しているが、貫通していない。図における上側から穴52へ第1リング4を圧入する。そのとき、穴52が若干広がり、第4リングを締め付ける。それにより、第1リング4と第2リング11とが線接触又は面接触で密接する。作業用穴の深さは、穴52へ第1リング4を圧入したとき、第1リング4が穴52における適切な位置に停止するように設定されている。この状態が図4(a)である。
(4) In the state shown in FIG. Here, the working
図4は、本発明の第2リング11と第1リング4と燃料電池セル管1との結合方法の一例を示す図である。
(5)図4(a)の状態において、第1リング4の中に燃料電池セル管1を挿入する。この状態が図4(b)である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a method of coupling the
(5) Insert the fuel cell tube 1 into the
(6)図4(b)の状態において、第1リング4と燃料電池セル管1との間に所定の接着剤を入れ、固めてシール層5を形成する。これにより、第1リング4と燃料電池セル管1とが固着される。のこの状態が図4(c)である。
(6) In the state of FIG. 4 (b), a predetermined adhesive is put between the
以上のようにして、セラミックスと金属とが結合される。 As described above, ceramics and metal are bonded.
また、図4(a)と図4(b)及び図4(c)との作業順序が逆になっても成立する。すなわち、まず第1リング4の中に燃料電池セル管1を挿入してシール層5を形成した後、第2リング11内に第1リング4(燃料電池セル管1を含む)を圧入する。このとき、作業部材23の作業用穴の深さは、燃料電池セル管1の長さを考慮して図4(a)の場合より深くする。
Moreover, even if the work order of Fig.4 (a), FIG.4 (b), and FIG.4 (c) becomes reverse, it is materialized. That is, first, the fuel cell tube 1 is inserted into the
図5は、シール構造における第2リング11を加工する前後の管板2の詳細を示す断面図である。図3(b)〜図3(c)の状態に対応する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing details of the
第2リング11形成前(図3(b)における球22を押し付けられる前に対応)では、板厚tの管板2は、作業部材20上に固定されている(作業部材21は省略)。管板2は、管板2のうちの第2リング11に加工しようとする加工部11a(破線で表示)を含んでいる。管板2には、直径d0の穴が開口している。中心線Lは、その穴の中心を通る。
作業部材20は、直径X1の穴を有する。作業部材20は、管板2の近傍では、テーパを形成するように、その直径が直径X2まで大きくなっている。直径X2は、形成される第2リング11の管板2側の直径D0と概ね等しい。
Before the
The working
第2リング11形成後(図3(c)における直径dの球22が通過した後に対応)では、管板2の加工部11aは、加工により曲げられて曲面部11bと円筒部11cとになっている。曲面部11bは、管板2の方向から中心線Lの方向へ曲率半径Rで緩やかに曲がる曲面(7)を形成している。管板2側の直径はD0であり、管板2にそのまま結合している。円筒部11c側の直径はd(=球22の直径)であり、円筒部11cへそのまま結合している。円筒部11cは、曲面部11bの先から中心線Lに同軸に伸びる円筒(円環)である。その先端は、中心線Lと垂直に交わる管板2の平面から、中心線Lに平行な方向における深さhの位置にある。その中心線Lに平行な方向の長さ(円筒の高さ)は、(h−R)である。円筒部11cの直径は、球22の直径と同じdとなる。中心線Lは、第2リング11(曲面部11bと円筒部11c)の中心を通る。
After the formation of the second ring 11 (corresponding to the passage after the
このとき、図5における各数値の関係は、図形的な関係から以下の式のようになる。
R=(D0−d)/2 (1)
h=(a−b)+R (2)
但し、
a=(D0−d0)/2 (3)
b=π(R−t/2)/2 (4)
At this time, the relationship between the numerical values in FIG. 5 is expressed by the following equation from a graphical relationship.
R = (D0−d) / 2 (1)
h = (ab) + R (2)
However,
a = (D0−d0) / 2 (3)
b = π (R−t / 2) / 2 (4)
上記関係式は管板2の金属板の伸びを考慮せず、単純に加工部11aがその長さのまま曲面部11b及び円筒部11cになったものとしている。それにもかかわらず、実際に第2リング11を製造したときの各寸法から、上記関係が±5%で成立していることが確認された。すなわち、図で示す断面(中心線Lを含む平面)において、加工部11aの長さと、実際の加工後の曲面部11bと円筒部11cとを加えた長さとは概ね等しくなった。ここで、概ね等しいとは、その長さの変化が−5%から+5%の間にあることをいう。
The above relational expression does not take into account the elongation of the metal plate of the
従来の締り嵌め構造では、面内方向変形のみにより締り力を確保していた為、締付け変形量が小さく、熱応力変形に対する裕度が小さかった。 In the conventional interference fit structure, since the tightening force is ensured only by the in-plane direction deformation, the amount of the tightening deformation is small and the tolerance to the thermal stress deformation is small.
本発明は、管板2は、曲げ加工を行った後も、図における無加工の管板2−曲面部11b−円筒部11cに沿う方向において、ほとんど伸びていない。したがって、曲面部11b及び円筒部11cは、その方向に対して金属板が有する弾性を十分に維持していることが分かる。すなわち、その方向の応力(荷重)に対して、その弾性力により柔軟に対応することができる。
In the present invention, the
図6は、シール構造における第2リング11に第1リング4を挿入する前後の管板2の詳細を示す断面図である。図3(c)〜図4(a)の状態に対応する。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing details of the
第1リング4挿入前(図3(c)に対応)では、管板2及び第2リング11は図中(A)の位置であり、その深さは、図5のようにhである。このとき、前述のように、加工部11aの長さと、実際の加工後の曲面部11bと円筒部11cとを加えた長さとの差は、−5%から+5%の間にある。
Before insertion of the first ring 4 (corresponding to FIG. 3C), the
第1リング4挿入後(図4(a)に対応)では、管板2及び第2リング11は図中(B)の点線の位置となり、その深さはh+αとなり、直径もd+2β(=2Δd:図2)となる。この深さ方向の伸びαと直径方向の伸び2βとにより、第1リング4が弾性的に保持される。そして、シール性能及び支持強度を持たせることが出来る。この場合でも、加工部11aの長さと、実際の加工後の曲面部11bと円筒部11cとを加えた長さとの差は、−5%から+5%の間にある。
After insertion of the first ring 4 (corresponding to FIG. 4A), the
図7は、このような第2リング11を設けた場合の管板2を示す図である。ただし、第1リング4や燃料電池セル管1を省略している。既述のように第2リング11の曲面部11b及び円筒部11cは、伸びの量が大きくないので、弾性力を充分に維持している。それにより、管板2に対して、管板2の表面に平行な方向の応力P0(荷重)がかかった場合でも、矢印Pに示すように曲面部11b付近に応力Pが流れ、その部分の弾性力で対応できるので、円筒部11cまでその力が及ばない。したがって、第1リング4と第2リング11との接触部分への影響が少なくて済む。このことから、本発明のセラミックスと金属との結合体は、応力(荷重)がかかった場合でも、管板2及び第2リング11における金属の弾性力により、その力に対応することができる。それにより、シール構造を強化することができる。そして、シール構造の耐久性を向上することができ、その寿命を延ばすことが可能となる。
FIG. 7 is a view showing the
図8はメタル面接触の比較対象試験装置を示し、図9は本発明による弾力的金属接触の実証試験装置を示している。両方の接触には、接着剤は用いられていない。比較対象試験装置では、管板と燃料電池セル管(セラミックス)との間に金属メタルのみが介設されている。実証試験装置では、管板と燃料電池セル管(セラミックス)との間には、管板2の一部である第2リングが、図1における曲面7のような形状となるように介設されている。
FIG. 8 shows a comparative test apparatus for metal surface contact, and FIG. 9 shows a demonstration test apparatus for elastic metal contact according to the present invention. No adhesive is used for both contacts. In the test apparatus for comparison, only metal metal is interposed between the tube plate and the fuel cell tube (ceramics). In the demonstration test apparatus, a second ring, which is a part of the
両試験装置には、それらの上方空間(E1、F1)に水素ガスの入口と出口とがそれぞれに設けられ、それらの下方空間(E2、F2)に窒素ガスの入口と出口とがそれぞれに設けられている。図10は、両試験装置に施す処理を示すグラフである。両試験装置のシール構造部位には、図10に示されるように、1回又は2回のH/C処理(600゜Cの高温と室温との繰り返し)が実施される。漏れ量の測定(三角形で示されている)は、低温期間に実施される。 Both test apparatuses are provided with hydrogen gas inlets and outlets in their upper spaces (E1, F1), respectively, and nitrogen gas inlets and outlets are provided in their lower spaces (E2, F2), respectively. It has been. FIG. 10 is a graph showing the processing applied to both test apparatuses. As shown in FIG. 10, one or two H / C treatments (repetition of a high temperature of 600 ° C. and a room temperature) are performed on the seal structure portions of both test apparatuses. Leakage measurements (indicated by triangles) are performed during low temperature periods.
図11は、図8の比較対象試験の結果を示している。その横軸は、上方空間と下方空間の差圧を示している。縦軸は、水素ガスのリーク量を示している。H/C処理の前にはリーク量は零に近いが1回のH/C処理の後に、リーク量は急増している。 FIG. 11 shows the results of the comparison target test of FIG. The horizontal axis indicates the differential pressure between the upper space and the lower space. The vertical axis represents the amount of hydrogen gas leak. Before the H / C process, the leak amount is close to zero, but after one H / C process, the leak amount increases rapidly.
比較対象試験装置では、H/C処理による温度上昇に基づいて、金属筒と燃料電池セル管との膨張率の違いにより中心線のまわりのねじれが発生し、金属メタル接触のシール性が失われたのであろうと強く推定される。 In the test apparatus for comparison, twisting around the center line occurs due to the difference in expansion coefficient between the metal tube and the fuel cell tube based on the temperature rise due to the H / C treatment, and the sealing property of the metal metal contact is lost. It is strongly presumed that
図12は、図9の本発明の実証試験の結果を示している。その横軸は上方空間と下方空間の差圧を示している。縦軸は、水素ガスのリーク量を示している。縦軸のスケールは図11と異なる。H/C処理前で、本発明のリーク量は、比較試験のH/C処理後のリーク量より激減している。1回目のH/C処理の後のリーク量は、4分の1以下に減少し、2回目のH/C処理の後のリーク量は更に減少している。図12は、本発明のセラミックスと金属の結合体では、高温に対してそのシール性能が格段に優れていることを示している。 FIG. 12 shows the results of the verification test of the present invention shown in FIG. The horizontal axis indicates the differential pressure between the upper space and the lower space. The vertical axis represents the amount of hydrogen gas leak. The scale of the vertical axis is different from FIG. Before the H / C treatment, the leak amount of the present invention is drastically reduced from the leak amount after the H / C treatment of the comparative test. The leak amount after the first H / C process is reduced to a quarter or less, and the leak amount after the second H / C process is further reduced. FIG. 12 shows that the sealing performance of the ceramic / metal combination of the present invention is remarkably excellent at high temperatures.
次に、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
図13は、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態の構成を示す図(断面図)である。燃料電池モジュール30は、複数の燃料電池セル管33、酸化剤ガス供給室37、供給室38、排出室39、断熱体A40−1、第1穴40−3を有する断熱体B40−2を備える。供給室38は、側板42、側板43、管板A44、燃料ガス供給口38−1及び(複数の)第1嵌合部38−2を有する。排出室39は、側板47、側板46、管板B45、燃料ガス排出口39−1及び(複数の)第2嵌合部39−2を有する。酸化剤ガス供給室7は、側板49と、管板A44、管板B45、酸化剤ガス供給口37−1及び酸化剤ガス排出口37−2、酸化剤ガス分配部37−3を有する。なお、図13の構成は、集電に関する構成について、省略している。
Next, an embodiment of a fuel cell module according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 13 is a diagram (sectional view) showing a configuration of an embodiment of a fuel cell module according to the present invention. The
以下に各構成を詳細に説明する。
燃料電池セル管33は、その外面上に、発電を行う複数の燃料電池セルを含む多孔質セラミックスの円筒型の基体管である。燃料電池セル管33は、一端部を供給室38の管板A44に、開放されて嵌合されている。同様に、他端部は排出室39の管板B45に、開放されて嵌合されている。材質は、安定化ジルコニアに例示される。
Each configuration will be described in detail below.
The
供給室38は、複数の各燃料電池セル管33の各々内へ、燃料ガス31を供給する。ステンレスや耐熱合金などの金属製である。燃料ガス31の供給を受けるための燃料ガス供給口38−1を有する。管板A44は、供給室38と酸化剤ガス供給室37とを隔てている。複数の燃料電池セル管33の各々の一端部とは、第1嵌合部38−2で嵌合(接合)している。
The
排出室39は、複数の燃料電池セル管33の各々から使用済みの燃料ガス31を収容し、外部へ排出する。ステンレスや耐熱合金などの金属製である。使用済みの燃料ガス31の排出を行うための燃料ガス排出口39−1を有する。管板B45は、排出室39と酸化剤ガス供給室37とを隔てている。複数の燃料電池セル管33の各々の他端部とは、第2嵌合部39−2で嵌合(接合)している。
The
酸化剤ガス供給室37は、燃料電池セル管33に酸化剤ガス32を供給する。供給室38(の管板A44)と排出室39(の管板B45)との間にあり、それらと隔離され、燃料電池セル管33を含んでいる。ステンレスや耐熱合金などの金属製である。管板A44及び管板B45の近傍の内部に、それらと概ね平行に板状の断熱体40(断熱体A40−1及び断熱体B40−2)を固定している。
そして、酸化剤ガス32の供給を受けるための酸化剤ガス供給口37−1、供給された酸化剤ガス32が流通し各燃料電池セル管33へ酸化剤ガス32を分配する酸化剤ガス分配部37−3(管板B45と断熱体B40−2とに挟まれた領域)、及び、使用済みの酸化剤ガス32の排出を行なうための酸化剤ガス排出口37−2を有する。
The oxidant
Then, an oxidant gas supply port 37-1 for receiving supply of the
供給室38(燃料供給室)の一側面としての第1管板である管板A44は、燃料電池セル管33を接続するための穴が(燃料電池セル管33の数だけ)開口している。そして、燃料電池セル管33は、その一端部がガスの出入りが出来るように管板A44に開放されて接合されている。その接合部分は、本発明のセラミックスと金属との結合体である。
Tube plate A44, which is the first tube plate as one side surface of supply chamber 38 (fuel supply chamber), has holes (as many as the number of fuel cell tube 33) for connecting
排出室39(燃料排出室)の一側面としての第2管板である管板B45は、燃料電池セル管33を接続するための穴が(燃料電池セル管33の数だけ)開口している。そして、燃料電池セル管33は、その他端部がガスの出入りが出来るように管板B45に開放されて接合されている。その接合部分は、本発明のセラミックスと金属との結合体である。
The tube plate B45, which is the second tube plate as one side surface of the discharge chamber 39 (fuel discharge chamber), has holes (as many as the number of the fuel cell tube 33) for connecting the
燃料電池セル管33の第1嵌合部38−2及び第2嵌合部39−2は、本発明のセラミックスと金属の結合体であるのでその説明を省略する。
Since the 1st fitting part 38-2 and the 2nd fitting part 39-2 of the
断熱体40は、管板A44及び管板B45の近傍であって、供給室38及び排出室39の外側の酸化剤ガス供給室37内に固定されている。管板A44側が、断熱体A40−1であり、管板B45側が、断熱体B40−2である。
断熱体B40−2は、管板B15と断熱体B40−2とに挟まれた領域(酸化剤ガス分配部37−3)において、供給された酸化剤ガス32の流路を形成し、その流通を制限している。
一方、断熱体A40−1は、管板A44と断熱体A40−1とは、概ね重なっている。
また、断熱体40は、燃料電池セル管33の燃料電池セル側からの熱を遮断し、管板A44及び管板B45、あるいは、第1嵌合部及び第2嵌合部を、熱的に保護する。材料としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする断熱材に例示される。
The heat insulator 40 is fixed in the oxidant
The heat insulator B40-2 forms a flow path for the supplied
On the other hand, in the heat insulator A40-1, the tube sheet A44 and the heat insulator A40-1 substantially overlap each other.
Further, the heat insulator 40 blocks heat from the fuel cell side of the
断熱体10について更に説明する。
図14は、断熱体B40−2の構成を示す斜視図である。断熱体B40−2は、千鳥格子状に開口した燃料電池セル管33用の穴40−3を有する。穴40−3の直径は、燃料電池セル管33の直径よりもやや大きい。燃料電池セル管33と断熱体40の穴との隙間を酸化剤ガス32が通過するためである。
The
FIG. 14 is a perspective view showing a configuration of the heat insulator B40-2. The heat insulator B40-2 has holes 40-3 for the
図13を参照して、断熱体A40−1は、酸化剤ガス32が管板A44へ達しないように、酸化剤ガス32の移動を制限する。断熱体A40−1は、断熱体B40−2と同様に千鳥格子状に開口した燃料電池セル管33用の穴40−3’を有する。ただし、穴40−3’の直径は、燃料電池セル管33の直径と同等又はやや小さい。燃料電池セル管33と穴40−3’との隙間を、酸化剤ガス32が通過しないように、その隙間を塞ぐためである。
Referring to FIG. 13, heat insulator A <b> 40-1 restricts the movement of
ここで、管板A44及びB45について更に説明する。
図15に、管板A44B45の正面図(図13は、図15のCC’断面に対応する)を示す。図15にあるように、管板A44及びB45は、本発明のセラミックスと金属の結合体用の穴53が千鳥格子状に開口している。
ただし、本発明の燃料電池モジュールにおけるセラミックスと金属の結合体(燃料電池セル管33)の配置及びその数が、図15に限定されるものではない。その他の配置の例としては、蜂の巣状、正方格子状などがある。
Here, the tube sheets A44 and B45 will be further described.
FIG. 15 is a front view of the tube sheet A44B45 (FIG. 13 corresponds to the CC ′ cross section of FIG. 15). As shown in FIG. 15, the tube plates A44 and B45 have
However, the arrangement and the number of the ceramic / metal combination (fuel cell pipe 33) in the fuel cell module of the present invention are not limited to those shown in FIG. Examples of other arrangements include a honeycomb shape and a square lattice shape.
本発明の燃料電池モジュールは、本発明のセラミックスと金属の結合体を用いているので、燃料電池セル管と金属との接合箇所におけるシール性能の向上と、シール構造の強化とを実現することが出来る。それにより、燃料電池セル管と金属との接合箇所で発生する燃料電池の効率の低下要因を低減することが可能となる。そして、燃料電池モジュールにおけるシール構造の耐久性及び寿命を向上することが可能となる。 Since the fuel cell module of the present invention uses the ceramic / metal combination of the present invention, it is possible to improve the sealing performance at the joint between the fuel cell tube and the metal and to strengthen the seal structure. I can do it. As a result, it is possible to reduce the factor of lowering the efficiency of the fuel cell that occurs at the joint between the fuel cell tube and the metal. And it becomes possible to improve the durability and lifetime of the seal structure in the fuel cell module.
1 燃料電池セル管
2 管板
3 シール構造
4 第1リング
5 シール層
7、9、 曲面
8 平板面部位
11 第2リング
11a 加工部
11b 曲面部
11c 円筒部
12 外周部
20、22、23 作業部材
21 球
31 燃料ガス
32 酸化剤ガス
33 燃料電池セル管
37 酸化剤ガス供給室
37−1 酸化剤ガス供給口
37−2 酸化剤ガス排出口
37−3 酸化材ガス分配部
37−4 酸化材ガス収集部
38 供給室
38−1 燃料ガス供給口
38−2 第1嵌合部
39 排出室
39−1 燃料ガス排出口
39−2 第2嵌合部
40 断熱体
40−1 断熱体A
40−2 断熱体B
40−3 第1穴
40−3’ 第2穴
42 側板
43 側板
44 管板A
45 管板B
46 側板
47 側板
51、52、53 穴
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
40-2 Thermal insulation B
40-3 1st hole 40-3 '
45 Tube sheet B
46
Claims (13)
金属板と、
前記セラミック管と前記金属板とを結合するシール構造と
を具備し、
前記シール構造は、
前記セラミック管と前記金属板との間に介設されるシール層と、
前記シール層と前記金属板との間に介設される第1リングと、
前記金属板の一部分であり、前記第1リングと前記金属板との間に介設される第2リン
グとを備え、
前記シール層は前記セラミック管及び前記第1リングに対して接着性があり、
前記第2リングは前記セラミック管の中心線方向に滑らかに曲がる曲面を有し、
前記曲面は前記第1リングに対して圧力的に面接触又は線接触し、
前記曲面は、前記金属板を曲げて形成されたものである
セラミックスと金属との結合体。 Ceramic tubes,
A metal plate,
A seal structure for coupling the ceramic tube and the metal plate;
The seal structure is
A sealing layer interposed between the ceramic tube and the metal plate;
A first ring interposed between the seal layer and the metal plate;
A second ring that is a part of the metal plate and is interposed between the first ring and the metal plate;
The sealing layer is adhesive to the ceramic tube and the first ring;
The second ring has a curved surface that bends smoothly in the direction of the center line of the ceramic tube;
The curved surface is in pressure surface contact or line contact with the first ring;
The curved surface is formed by bending the metal plate. A combined body of ceramic and metal.
前記曲面は前記中心線に対して略線対称に形成されている
セラミックスと金属との結合体。 In the combination of ceramics and metal according to claim 1,
The curved surface is formed substantially symmetrical with respect to the center line. A combined body of ceramic and metal.
前記曲面は前記中心線に向かって凸な曲面である
セラミックスと金属との結合体。 In the combination of ceramics and metal according to any one of claims 1 to 2,
The curved surface is a curved surface convex toward the center line. A combined body of ceramic and metal.
前記第1リングは金属製の円筒である
セラミックスと金属との結合体。 In the combination of ceramics and metal according to any one of claims 1 to 3,
The first ring is a metal cylinder, which is a combination of ceramics and metal.
前記セラミック管は内部に燃料電池用の燃料ガス又は酸化剤ガスが通される
セラミックスと金属との結合体。 In the combination of ceramics and metal according to any one of claims 1 to 4,
The ceramic tube is a combination of ceramic and metal through which fuel gas or oxidant gas for a fuel cell is passed.
前記セラミック管は、表面に燃料電池セルを形成された管としての燃料電池セル管である
セラミックスと金属との結合体。 In the combination of ceramics and metal according to any one of claims 1 to 5,
The ceramic tube is a fuel cell tube as a tube having a fuel cell formed on its surface. A combination of ceramic and metal.
前記複数の燃料電池セル管内へ燃料電池用ガスとしての燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給室と、
前記複数の燃料電池セル管内を通過した前記燃料電池用ガスを受け取るガス受取室と
を具備し、
前記複数の燃料電池セル管の各々の一端部が前記ガス供給室の一側面としての第1金属板に結合され、請求項6に記載の前記セラミックスと金属との結合体を形成し、
前記複数の燃料電池セル管の他端部が前記ガス受取室の一側面としての第2金属板に結合され、請求項6に記載の前記セラミックスと金属との結合体を形成する
燃料電池モジュール。 A plurality of fuel cell tubes;
A gas supply chamber for supplying fuel gas or oxidant gas as fuel cell gas into the plurality of fuel cell pipes;
A gas receiving chamber for receiving the fuel cell gas that has passed through the plurality of fuel cell tubes;
One end portion of each of the plurality of fuel battery cell tubes is bonded to a first metal plate as one side surface of the gas supply chamber, and forms a combined body of the ceramic and metal according to claim 6,
7. The fuel cell module according to claim 6, wherein the other end portions of the plurality of fuel battery cell tubes are coupled to a second metal plate as one side surface of the gas receiving chamber to form a composite body of the ceramic and metal according to claim 6.
前記複数の燃料電池セル管と前記第1金属板及び前記第2金属板との結合部は、前記第1金属板及び前記第2金属板において千鳥格子状、蜂の巣状及び正方格子状のいずれかの場所に設けられる
燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 7, wherein
The connecting portion between the plurality of fuel battery cell tubes and the first metal plate and the second metal plate may be any one of a staggered lattice shape, a honeycomb shape, and a square lattice shape in the first metal plate and the second metal plate. A fuel cell module installed in a place.
(b)前記第1穴を、前記第1穴の中心線方向に滑らかに曲がる曲面を有する第2穴に成形するステップと、
(c)前記第2穴にリングを圧入するステップと、
(d)前記リングにセラミック管を挿入して前記リングに対して前記セラミック管を固着するステップと
を具備する
セラミックスと金属の結合方法。 (A) opening a first hole having a first diameter in the metal plate;
(B) forming the first hole into a second hole having a curved surface that bends smoothly in the direction of the center line of the first hole;
(C) press-fitting a ring into the second hole;
(D) inserting a ceramic tube into the ring and fixing the ceramic tube to the ring.
(b)前記第1穴を、前記第1穴の中心線方向に滑らかに曲がる曲面を有する第2穴に成形するステップと、
(c)リングにセラミック管を挿入して前記リングに対して前記セラミック管を固着するステップと、
(d)前記第2穴に前記リングを圧入するステップと
を具備する
セラミックスと金属の結合方法。 (A) opening a first hole having a first diameter in the metal plate;
(B) forming the first hole into a second hole having a curved surface that bends smoothly in the direction of the center line of the first hole;
(C) inserting a ceramic tube into the ring and securing the ceramic tube to the ring;
(D) A step of press-fitting the ring into the second hole.
前記セラミック管は、表面に燃料電池セルを形成された管としての燃料電池セル管である
セラミックスと金属の結合方法。 In the bonding method of ceramics and metal according to claim 9 or 10,
The ceramic tube is a fuel cell tube as a tube having a fuel cell formed on a surface thereof.
前記曲面は前記中心線に対して略線対称に形成される
セラミックスと金属との結合方法。 In the bonding method of ceramics and metal according to any one of claims 9 to 11,
The curved surface is formed in substantially line symmetry with respect to the center line.
前記曲面は前記中心線に向かって凸な曲面に形成される
セラミックスと金属との結合方法。 The method for bonding ceramics and metal according to any one of claims 9 to 12,
The curved surface is formed into a curved surface convex toward the center line. A method of bonding ceramics and metal.
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