JP2006339035A - Flat plate type solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flat plate type solid oxide fuel cell in which transmission loss of power at connection portion is reduced by increasing adhesion between each cells, and manifolds for performing supply and exhaust of the fuel gas and oxidizer gas to the unit cell can be securely sealed. <P>SOLUTION: An interconnector 12 which electrically connects the unit cells 3 and performs supply and exhaust of fuel gas and oxidizer gas to the unit cells 3 is pressed by a first pressure mechanism 4 and connects the cells 3 electrically. Manifolds M1-M4 which supply each gas to the interconnector 12 are respectively pressured by a second pressure mechanism 5. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、平板型の固体酸化物からなる電解質層を備えた平板型固体酸化物形燃料電池に関し、特に単セルの電気的接続とガス給排気管のシールを良好に行うことができるようにした平板型固体酸化物形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a flat plate type solid oxide fuel cell having an electrolyte layer made of a flat plate type solid oxide, in particular, so that electrical connection of a single cell and sealing of a gas supply / exhaust pipe can be performed satisfactorily. The present invention relates to a flat plate type solid oxide fuel cell.

平板型の固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、平板型の固体酸化物からなる電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とで平板型の単セルを形成し、前記燃料極と空気極に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する通路を有するセパレータ(以下、インターコネクタという)と前記単セルとを交互に複数個積層して電気的に直列に接続することにより燃料電池スタック(以下、セルスタックという)を形成し、前記ガス給排気のための通路(以下、マニホールドという)から前記各単セルの各極に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行なうようにした燃料電池である。このような燃料電池は、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い(700°〜1000℃)ため高温の熱を利用することができるという利点を有している。   A flat-type solid oxide fuel cell (SOFC) is composed of an electrolyte layer composed of a flat-plate type solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode formed on the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively. A plurality of separators (hereinafter referred to as interconnectors) having passages for supplying and discharging fuel gas and oxidant gas to and from the fuel electrode and air electrode, respectively, and a plurality of the single cells are alternately stacked. By connecting them in series, a fuel cell stack (hereinafter referred to as a cell stack) is formed, and a fuel gas and an oxidant are supplied from the gas supply / exhaust passage (hereinafter referred to as a manifold) to each electrode of each single cell. The fuel cell is configured to generate power by supplying gas. Such a fuel cell has the advantages that the power generation efficiency is higher than that of other fuel cells and the operating temperature is high (700 ° to 1000 ° C.), so that high-temperature heat can be used.

平板型固体酸化物形燃料電池の出力電圧を高めるためには、各セル間の密着度を高めて接続部分での電力の伝達損失を低減する必要がある。また、各単セルに対して燃料ガスと酸化剤ガスの給排気を行なうためのマニホールドにおいてもガス漏れしないように加圧して管どうしの接続部をシールする必要がある。   In order to increase the output voltage of the flat plate type solid oxide fuel cell, it is necessary to increase the adhesion between the cells and reduce the power transmission loss at the connection portion. Further, it is necessary to pressurize each single cell so as not to leak gas in a manifold for supplying and exhausting fuel gas and oxidant gas, and to seal the connection portion between the tubes.

平面型セルを積層してセルスタックを製作するには、セルの電極部をガスの供給を妨げないように電気的に接続することと、このセルの電極部に外部からガスを供給するためのマニホールドを製作する必要がある。   In order to manufacture a cell stack by stacking planar cells, it is necessary to electrically connect the electrode part of the cell so as not to disturb the gas supply and to supply gas to the electrode part of the cell from the outside. Manifold must be manufactured.

従来は、平面型セルをスタック化するに当たって、各セルにガスを供給するためのマニホールドを、セルとインターコネクタを積層してセルスタックを製作した後、その外側から被せるように配置し、マニホールドとセルスタックとの接続部をシールするようにした構造(外部マニホールド式)のものや、インターコネクタにマニホールドの部分も併設し、セルとインターコネクタの積層とともにマニホールドも形成する構造(内部マニホールド式)のものなどが用いられていた。   Conventionally, when stacking planar cells, a manifold for supplying gas to each cell is formed by stacking cells and interconnectors and manufacturing the cell stack, and then placing the manifold over the manifold. Either a structure that seals the connection with the cell stack (external manifold type), or a structure that also has a manifold part on the interconnector, and also forms a manifold along with the stack of cells and interconnectors (internal manifold type) Things were used.

しかしながら、上記した外部マニホールド式の構造は、積層したセルスタックの高さの管理や、マニホールドとセルスタックのシールが非常に難しく、信頼性の高いセルスタックを設計することは困難であった。
一方、内部マニホールド式の構造は、各積層段間の絶縁の確保と、各積層面内のガスシールなど困難な点が多々あり、特に燃料極支持形の平板型セルを用いた場合には信頼性が高いセルスタックを実現することは困難であった。
However, in the above-described external manifold type structure, it is very difficult to control the height of the stacked cell stack and seal the manifold and the cell stack, and it is difficult to design a highly reliable cell stack.
On the other hand, the internal manifold type structure has many difficulties such as ensuring insulation between each stacking stage and gas sealing within each stacking surface. Especially when using a fuel cell supported flat plate cell, it is reliable. It was difficult to realize a cell stack with high performance.

本発明は、上記した外部マニホールド型と内部マニホールド型に内在する従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、各セル間の密着度を高めて接続部分での電力の伝達損失を低減するとともに、単セルに対して燃料ガスと酸化剤ガスの給排気を行なうためのマニホールドを確実にシールしガス漏れを防止することができるようにした平板型固体酸化物形燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in order to solve the conventional problems inherent in the external manifold type and the internal manifold type described above. The purpose of the present invention is to increase the adhesion between the cells and increase the power at the connection portion. A flat solid oxide fuel that reduces gas transmission loss and reliably seals a manifold for supplying and exhausting fuel gas and oxidant gas to a single cell to prevent gas leakage To provide a battery.

上記目的を達成するために本発明は、平板型固体酸化物からなる電解質層とこの電解質層の表裏面をそれぞれ覆う空気極および燃料極とによって形成された平板型の単セルとインターコネクタとを交互に複数個積層して形成したセルスタックと、このセルスタックの各単セルに燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する複数のマニホールドとを備え、発電を行なう平板型固体酸化物形燃料電池において、前記セルスタックを加圧する第1の加圧機構と、前記複数のマニホールドを加圧する第2の加圧機構を設けたものである。   In order to achieve the above object, the present invention comprises a flat single cell formed of an electrolyte layer made of a flat solid oxide, an air electrode and a fuel electrode covering the front and back surfaces of the electrolyte layer, and an interconnector. A flat-plate solid oxide fuel cell for generating electric power, comprising a cell stack formed by alternately stacking a plurality of cells and a plurality of manifolds for supplying and exhausting fuel gas and oxidant gas to each single cell of the cell stack. The first pressurizing mechanism for pressurizing the cell stack and the second pressurizing mechanism for pressurizing the plurality of manifolds are provided.

また、本発明は、前記セルスタックの単セルの電気的な接続と各単セルへの燃料ガス、酸化剤ガスの給排気を行なうインターコネクタと前記マニホールドとを各単セルごとにパイプによって接続したものである。   Further, according to the present invention, the electrical connection of the single cells of the cell stack and the interconnector for supplying and exhausting fuel gas and oxidant gas to each single cell and the manifold are connected to each single cell by a pipe. Is.

また、本発明は、前記マニホールドが金属製のマニホールド部材と絶縁材料からなるマニホールドコネクタを交互に複数個積層することによって形成されているものである。   In the present invention, the manifold is formed by alternately stacking a plurality of manifold connectors made of a metal manifold member and an insulating material.

また、本発明は、前記マニホールド部材と前記マニホールドコネクタとの間に軟化点がセルスタックの耐熱温度以下であるガラスを介在させたものである。   In the present invention, glass having a softening point not higher than the heat resistance temperature of the cell stack is interposed between the manifold member and the manifold connector.

また、本発明は、前記マニホールド部材と前記マニホールドコネクタを融点がセルスタックの耐熱温度以下であるロウ材によって接合したものである。   In the present invention, the manifold member and the manifold connector are joined by a brazing material having a melting point equal to or lower than a heat resistant temperature of the cell stack.

また、本発明は、前記マニホールドコネクタがセラミックスからなるものである。   In the present invention, the manifold connector is made of ceramics.

また、本発明は、前記マニホールドコネクタをマイカを主成分とする絶縁板で構成したものである。   In the present invention, the manifold connector is formed of an insulating plate whose main component is mica.

さらに、本発明は、前記第1、第2の加圧機構が、窒化珪素を主成分とするセラミックス製のばねをそれぞれ備えているものである。   Further, in the present invention, the first and second pressure mechanisms are each provided with a ceramic spring mainly composed of silicon nitride.

本発明においては、第1の加圧機構によってセルスタックを加圧しているので、各セル間の密着度を高めて接続部分での電力の伝達損失を低減することができる。また、第2の加圧機構によってマニホールドを加圧しているので、マニホールドのシール性能が向上し、ガス漏れを防止することができる。   In the present invention, since the cell stack is pressurized by the first pressurizing mechanism, the degree of adhesion between the cells can be increased and the transmission loss of power at the connection portion can be reduced. Further, since the manifold is pressurized by the second pressurizing mechanism, the sealing performance of the manifold is improved and gas leakage can be prevented.

また、本発明においては、マニホールド部材とマニホールドコネクタとの間に軟化点がスタックの耐熱温度以下であるガラス(ガラスペースト)を介在させているので、熱処理時にガラスが軟化するとマニホールド部材とマニホールドコネクタとの隙間を塞ぎ、ガス漏れを防止する。   In the present invention, since glass (glass paste) having a softening point equal to or lower than the heat resistance temperature of the stack is interposed between the manifold member and the manifold connector, if the glass softens during heat treatment, the manifold member and the manifold connector To prevent gas leakage.

また、本発明においては、マニホールド部材とマニホールドコネクタを融点がスタックの耐熱温度以下であるロウ材によって接合しているので、熱処理時にロウ材が溶けるとこれら両部材間の隙間を塞ぎガス漏れを防止する。   In the present invention, since the manifold member and the manifold connector are joined by a brazing material having a melting point lower than the heat resistance temperature of the stack, if the brazing material is melted during heat treatment, the gap between the two members is closed to prevent gas leakage. To do.

さらに、本発明においては、第1、第2の加圧機構が窒化珪素を主成分とするセラミックス製のばねを備えているので耐熱性に優れており、加圧機構を燃料電池と同じ高温度な環境下に設置することができる。   Furthermore, in the present invention, since the first and second pressurizing mechanisms are provided with ceramic springs mainly composed of silicon nitride, the heat resistance is excellent, and the pressurizing mechanism is at the same high temperature as the fuel cell. It can be installed in a rough environment.

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池の一実施の形態を示す断面図、図2は燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セルの側面図、図3はセルスタックとマニホールドの概略構成を示す図、図4は燃料ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図、図5は酸化剤ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図、図6はセルスタックとマニホールドの分解斜視図、図7はシール構造の他の例を示す分解斜視図、図8は同シール構造の断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a flat plate type solid oxide fuel cell according to the present invention, FIG. 2 is a side view of a fuel electrode-supported solid oxide fuel cell, and FIG. 3 is a cell stack and a manifold. 4 is a cross-sectional view of the cell stack and the manifold showing the flow of the fuel gas, FIG. 5 is a cross-sectional view of the cell stack and the manifold showing the flow of the oxidizing gas, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the cell stack and the manifold. FIG. 7 is an exploded perspective view showing another example of the seal structure, and FIG. 8 is a sectional view of the seal structure.

図1〜図6において、本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池1は、セルスタック2と、このセルスタック2の周囲に配設され各単セル3(以下、セルともいう)に対して燃料ガス、酸化剤ガスの給排気を行う4つのマニホールドM1〜M4とを備え、セルスタック2を第1の加圧機構4によって加圧し、各マニホールドM1〜M4を第2の加圧機構5によって加圧するように構成したものである。   1 to 6, a flat solid oxide fuel cell 1 according to the present invention includes a cell stack 2 and a single cell 3 (hereinafter also referred to as a cell) disposed around the cell stack 2. Four manifolds M1 to M4 for supplying and exhausting fuel gas and oxidant gas, the cell stack 2 is pressurized by the first pressurizing mechanism 4, and each manifold M1 to M4 is pressurized by the second pressurizing mechanism 5. It is comprised so that it may pressurize by.

図1において、セルスタック2は、単セル3とインターコネクタ12を交互に必要な段数積層することにより形成されており、断熱プレート13上に押え板14を介して設置されている。   In FIG. 1, the cell stack 2 is formed by alternately stacking the required number of single cells 3 and interconnectors 12, and is installed on a heat insulating plate 13 via a pressing plate 14.

同じく、前記各マニホールドM1〜M4は、断熱プレート13上に押え板15を介して設置されている。マニホールドM1(図1、図3、図4、図6)は、セルスタック2に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドM2はセルスタック2から燃料ガスの排気ガスを排気する排気マニホールドを構成し、マニホールドM3(図5、図6)はセルスタック2に対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドM4はセルスタック2から酸化剤ガスの排気ガスを排気する排気マニホールドを構成している。   Similarly, each of the manifolds M <b> 1 to M <b> 4 is installed on the heat insulating plate 13 via a pressing plate 15. The manifold M1 (FIGS. 1, 3, 4, and 6) constitutes a fuel gas supply manifold that supplies fuel gas to the cell stack 2, and the manifold M2 exhausts the exhaust gas of the fuel gas from the cell stack 2. The manifold M3 (FIGS. 5 and 6) constitutes an oxidant gas supply manifold that supplies oxidant gas to the cell stack 2, and the manifold M4 exhausts oxidant gas from the cell stack 2. An exhaust manifold for exhausting gas is configured.

前記セルスタック2を加圧する第1の加圧機構4は、セルスタック2上に押え板16を介して設置された加圧手段としての圧縮ばね7と、この圧縮ばね7上に設置されたプレート17と、このプレート17と前記断熱プレート13および押え板14を貫通する4本の連結ロッド18と、このロッド18に螺着されたナット19等で構成されている。   The first pressurizing mechanism 4 that pressurizes the cell stack 2 includes a compression spring 7 serving as a pressurizing unit installed on the cell stack 2 via a presser plate 16, and a plate installed on the compression spring 7. 17, four connecting rods 18 penetrating the plate 17, the heat insulating plate 13 and the pressing plate 14, and a nut 19 screwed to the rod 18.

同じく、前記各マニホールドM1〜M4を加圧する第2の加圧機構5は、各マニホールドM1〜M4上に設置された圧縮ばね8と、この圧縮ばね8上に設置されたプレート20と、このプレート20と前記断熱プレート13を貫通する4本の連結ロッド21と、このロッド21に螺着されたナット22等で構成されている。   Similarly, the second pressurizing mechanism 5 for pressurizing each of the manifolds M1 to M4 includes a compression spring 8 installed on each of the manifolds M1 to M4, a plate 20 installed on the compression spring 8, and the plate. 20 and four connecting rods 21 penetrating the heat insulating plate 13, and a nut 22 screwed to the rod 21.

第1、第2の加圧機構4,5によりセルスタック2と各マニホールドM1〜M4に加えられる加圧は、各ロッド18,21に螺合しているナット19,22を締め付けるかまたは弛めて圧縮ばね7,8の弾発力をそれぞれ変えることによって自由に調整することができる。圧縮ばね7,8としては、耐熱、耐食性に優れた窒化珪素を主成分とするセラミックス製のばねが用いられる。これにより、圧縮ばね7,8を燃料電池1の動作温度と同じ高温度環境下におくことができる。以下、平板型固体酸化物形燃料電池1の各部の構成等を図2〜図8に基づいて詳述する。   The pressurization applied to the cell stack 2 and the manifolds M1 to M4 by the first and second pressurization mechanisms 4 and 5 tightens or loosens the nuts 19 and 22 screwed to the rods 18 and 21, respectively. Thus, it can be freely adjusted by changing the elastic force of the compression springs 7 and 8 respectively. As the compression springs 7 and 8, ceramic springs mainly composed of silicon nitride having excellent heat resistance and corrosion resistance are used. Thereby, the compression springs 7 and 8 can be placed in the same high temperature environment as the operating temperature of the fuel cell 1. Hereinafter, the structure of each part of the flat type solid oxide fuel cell 1 will be described in detail with reference to FIGS.

図2および図3において、固体酸化物形燃料電池1の単セル3は、平板形の燃料極25と、この燃料極25の上に積層形成された平板型固体酸化物からなる電解質層26および空気極27とで構成され、これによって燃料極支持型のセルを構成している。   2 and 3, a single cell 3 of the solid oxide fuel cell 1 includes a flat fuel electrode 25, an electrolyte layer 26 made of a flat solid oxide layered on the fuel electrode 25, and It is comprised with the air electrode 27, and the fuel electrode support type cell is comprised by this.

単セル3の構成材料としては、一般に開発が行われているすべての材料系に対して適用することができる。例えば、電解質層26の材料としては、Sc23およびAl23を添加した安定化ZrO2 (SASZ)やイットリア安定化ジルコニア(YSZ)などのジルコニア系材料を、燃料極25の材料としては、これらジルコニア系材料と酸化ニッケルとの混合サーメットを、それぞれ用いることができる。 The constituent material of the single cell 3 can be applied to all material systems that are generally developed. For example, as the material of the electrolyte layer 26, a zirconia-based material such as stabilized ZrO 2 (SASZ) or yttria stabilized zirconia (YSZ) added with Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 is used as the material of the fuel electrode 25. Can use mixed cermets of these zirconia-based materials and nickel oxide, respectively.

空気極27の材料としてはランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)などの一般的な空気極材料を用いることができるが、本発明では合金製のインターコネクタ12を用いる観点から、燃料電池1の動作温度は800℃以下とすることが好ましい。したがって、低温での特性がより優れているランタンニッケルフェライト(LNF)やランタンストロンチウムコバルタイト(LSCo)などの材料を用いることが好ましい。   As a material of the air electrode 27, a general air electrode material such as lanthanum strontium manganite (LSM) can be used. In the present invention, from the viewpoint of using the interconnector 12 made of an alloy, the operating temperature of the fuel cell 1 is It is preferable that the temperature is 800 ° C. or lower. Therefore, it is preferable to use materials such as lanthanum nickel ferrite (LNF) and lanthanum strontium cobaltite (LSCo), which have better properties at low temperatures.

単セル3の厚みはおよそ1mm程度である。セル3の面積は必要とされる出力に応じて決められるが、およそ10〜1000cm2 程度である。この場合セル3の800℃から1000℃までの平均熱膨張係数は10〜11×10-6/K程度である。 The thickness of the single cell 3 is about 1 mm. The area of the cell 3 is determined according to the required output, but is about 10 to 1000 cm 2 . In this case, the average thermal expansion coefficient of the cell 3 from 800 ° C. to 1000 ° C. is about 10 to 11 × 10 −6 / K.

セル3の各電極26,27とインターコネクタ12との電気的な接続は、インターコネクタ12のそれぞれの表面の平坦性を確保することが困難なことから、変形可能な集電材28,29(図3の円内参照:図6には28のみ図示)を介して行うことが好ましい。   The electrical connection between the electrodes 26 and 27 of the cell 3 and the interconnector 12 is difficult to ensure the flatness of the respective surfaces of the interconnector 12, so that the deformable current collectors 28 and 29 (see FIG. 3 reference: circle 28: only 28 is shown in FIG. 6).

燃料極25側の集電材28としては、金、銀、白金などの貴金属やニッケルさらには各種ステンレス鋼およびインコネルなどの耐熱合金からなる多孔体や発泡体、メッシュ、不織布などを用いることができる。   As the current collector 28 on the fuel electrode 25 side, a porous body, a foam, a mesh, a nonwoven fabric, or the like made of a noble metal such as gold, silver, platinum, nickel, and various heat-resistant alloys such as stainless steel and inconel can be used.

空気極27側の集電材29としては、金、銀、白金などの貴金属や各種ステンレス鋼およびインコネルなどの耐熱合金からなる多孔体や発泡体、メッシュ、不織布などを用いることができる。しかし、耐酸化性と経済性のバランスから、銀もしくはステンレス鋼などの耐熱合金を多孔体や発泡体、メッシュ、不織布などの変形できる形状で用いることが好ましい。   As the current collector 29 on the air electrode 27 side, a porous body, a foam, a mesh, a nonwoven fabric, or the like made of a noble metal such as gold, silver, or platinum, a heat-resistant alloy such as various stainless steels, and Inconel can be used. However, from the balance between oxidation resistance and economy, it is preferable to use a heat-resistant alloy such as silver or stainless steel in a deformable shape such as a porous body, foam, mesh, or nonwoven fabric.

図3〜図6において、インターコネクタ12は、円板状に形成されて単セル3、燃料極集電材28および空気極集電材29を収納し、これらを電気的に直列に接続するとともに、単セル3への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を可能にしている。このため、インターコネクタ12の上面側には単セル3と燃料極集電材28および空気極集電材29を収納する凹部31が形成されている。単セル3は、燃料極25を下にして凹部31に収納されている。   3 to 6, the interconnector 12 is formed in a disc shape and houses the single cell 3, the fuel electrode current collector 28, and the air electrode current collector 29, which are electrically connected in series, and The fuel gas and the oxidant gas can be supplied to the cell 3. For this reason, a recess 31 is formed on the upper surface side of the interconnector 12 to accommodate the single cell 3, the fuel electrode current collector 28, and the air electrode current collector 29. The single cell 3 is accommodated in the recess 31 with the fuel electrode 25 facing downward.

また、インターコネクタ12の下面側には、凸部32が一体に突設されており、この凸部32には各マニホールドM1〜M4にそれぞれ連通するガス給気通路34a,35aと、ガス排気通路34b,35bがそれぞれ形成されている。各ガス給気通路34a,35aの一端は、インターコネクタ12の凹部31にそれぞれ連通し、他端は前記マニホールドM1,M3に給気パイプ37a,38aを介してそれぞれ接続されている。各ガス排気通路34b,35bの一端は、インターコネクタ12の凹部31にそれぞれ連通し、他端は前記凸部32の外縁で各マニホールドM1,M3に排気パイプ37b,38bを介してそれぞれ接続されている。このようなインターコネクタ12は、単セル3と交互に複数段積層されて第1の加圧機構4により加圧されることにより、凸部32が空気極集電材29を下段側の単セル3の空気極27に押し付けている。なお、給気パイプ37a,38a、排気パイプ37b,38bを総称して呼ぶときは単にパイプ37、パイプ38という。   Further, a convex portion 32 is integrally formed on the lower surface side of the interconnector 12, and the convex portion 32 includes gas supply passages 34a and 35a communicating with the manifolds M1 to M4, and a gas exhaust passage. 34b and 35b are formed, respectively. One end of each gas supply passage 34a, 35a communicates with the recess 31 of the interconnector 12, and the other end is connected to the manifolds M1, M3 via supply pipes 37a, 38a, respectively. One end of each gas exhaust passage 34b, 35b communicates with the concave portion 31 of the interconnector 12, and the other end is connected to each manifold M1, M3 at the outer edge of the convex portion 32 via exhaust pipes 37b, 38b. Yes. Such an interconnector 12 is stacked in a plurality of stages alternately with the single cells 3 and is pressurized by the first pressurizing mechanism 4, so that the convex portion 32 causes the air electrode current collector 29 to be connected to the lower single cell 3. Is pressed against the air electrode 27. The air supply pipes 37a and 38a and the exhaust pipes 37b and 38b are simply referred to as the pipe 37 and the pipe 38 when collectively referred to.

前記第1の加圧機構4の押え板16は、最上段の単セル3に対して酸化剤ガスを供給する必要があることからインターコネクタとして用いられる。このため、押え板16にも酸化剤ガス用のガス給気通路とガス排気通路(いずれも図示せず)が形成され、これらの通路には給気パイプ38a(図1)と排気パイプ(図示せず)がそれぞれ接続されている。   The pressing plate 16 of the first pressurizing mechanism 4 is used as an interconnector because it is necessary to supply an oxidant gas to the uppermost unit cell 3. For this reason, a gas supply passage for oxidant gas and a gas exhaust passage (both not shown) are also formed in the holding plate 16, and an air supply pipe 38a (FIG. 1) and an exhaust pipe (see FIG. 1) are formed in these passages. Are not connected).

セル3のスタック化は、インターコネクタ12の凹部31内に単セル3と集電材28,29を収納してシールしたものをスタックに必要な段数積層することにより行う。そして、前記第1の加圧機構4によってセルスタック2に所定の荷重をかけることにより、セル3間の良好な電気的接続を得ることができる。すなわち、セル3とインターコネクタ12を積層してセルスタック2を製作する際には、インターコネクタセル12−燃料極集電材28−単セル3−空気極集電材29−インターコネクタセル12の順に順次積層することによりセルスタック2を製作する。そして、このようなセルスタック2を第1の加圧機構4によって加圧し、各インターコネクタ12に所定の圧力を加える。第1の加圧機構4によってセルスタック2を加圧すると、インターコネクタ12の凸部32は空気極集電材29を下段側の単セル3の空気極27に押し付け、燃料極25が燃料極集電材28を凹部31の底部に押し付けるため、各単セル3の燃料極25と燃料極集電材28、および空気極27と空気極集電材29がそれぞれ密着して電気的に直列に接続される。また、これにより積層されている全ての単セル3も直列に接続されるため、発電時に高い電圧が得られる。   The cells 3 are stacked by stacking a single cell 3 and current collectors 28 and 29 that are sealed in the recess 31 of the interconnector 12 and stacking the required number of stages in the stack. A good electrical connection between the cells 3 can be obtained by applying a predetermined load to the cell stack 2 by the first pressure mechanism 4. That is, when the cell stack 2 is manufactured by stacking the cell 3 and the interconnector 12, the interconnector cell 12, the fuel electrode current collector 28, the single cell 3, the air electrode current collector 29, and the interconnector cell 12 are sequentially provided. The cell stack 2 is manufactured by stacking. Then, such a cell stack 2 is pressurized by the first pressure mechanism 4 and a predetermined pressure is applied to each interconnector 12. When the cell stack 2 is pressurized by the first pressurizing mechanism 4, the convex portion 32 of the interconnector 12 presses the air electrode current collector 29 against the air electrode 27 of the single cell 3 on the lower stage side, and the fuel electrode 25 collects the fuel electrode. In order to press the electric material 28 against the bottom of the recess 31, the fuel electrode 25 and the fuel electrode current collector 28, and the air electrode 27 and the air electrode current collector 29 of each single cell 3 are in close contact with each other and electrically connected in series. Moreover, since all the unit cells 3 laminated | stacked by this are also connected in series, a high voltage is obtained at the time of electric power generation.

インターコネクタ12の材料としては、SUS430等のフェライト系ステンレス材料をはじめとする各種耐熱金属材料を用いることができる。特に、フェライト系ステンレス鋼でAlを1%以上含むものが熱的性質の適合性の観点からもっとも好ましい。その中でも、Alを1%以上〜10%未満含むようなフェライト系ステンレス鋼が機械的性質も良好で好ましい。この場合もAlが3%以上含まれるほうがより好ましい。このような金属には、例えば日新製鋼製NCA−1(Fe:18%、Cr:3%、Al)などの鋼種がある。ただし、電気的な接続を行うため耐熱金属の表面にできる酸化被膜の電気抵抗がなるべく小さいことが好ましい。代表的な耐熱金属材料の線熱膨張係数は11〜16×10-6/K程度であり、セル3の熱膨張係数と比べて一般に大きい。したがって、セル3とインターコネクタ12とをガスシールする際にはこの熱膨張係数の違いを吸収できるような方法でシールすることが望ましい。このため、例えば単セル3をインターコネクタ12の凹部31内に配置し、セル3の外縁部とインターコネクタ12とをシール材41(図3の最上図参照:図6には図示せず)によってガスシールする。このようなシール材41によるガスシールは、ほう珪酸ガラスなどの燃料電池1の動作温度よりも軟化点の低いガラス材料を用いることにより実現できる。 As the material of the interconnector 12, various heat-resistant metal materials including a ferritic stainless material such as SUS430 can be used. In particular, ferritic stainless steel containing 1% or more of Al is most preferable from the viewpoint of suitability of thermal properties. Among them, ferritic stainless steel containing Al in an amount of 1% or more and less than 10% is preferable because it has good mechanical properties. Also in this case, it is more preferable that Al is contained by 3% or more. Such metals include, for example, Nisshin Steel NCA-1 (Fe: 18%, Cr: 3%, Al). However, it is preferable that the electrical resistance of the oxide film formed on the surface of the refractory metal is as small as possible for electrical connection. A typical refractory metal material has a linear thermal expansion coefficient of about 11 to 16 × 10 −6 / K, which is generally larger than the thermal expansion coefficient of the cell 3. Therefore, when gas-sealing the cell 3 and the interconnector 12, it is desirable to seal by a method that can absorb this difference in thermal expansion coefficient. For this reason, for example, the single cell 3 is disposed in the recess 31 of the interconnector 12, and the outer edge portion of the cell 3 and the interconnector 12 are connected by a sealing material 41 (see the top view of FIG. 3: not shown in FIG. 6). Gas seal. Such gas sealing by the sealing material 41 can be realized by using a glass material having a softening point lower than the operating temperature of the fuel cell 1 such as borosilicate glass.

シール材41としては、上述のようなほう珪酸ガラスなど燃料電池の動作温度よりも軟化点の低いガラス材料を用いることが好ましいが、単にシール材41をセル3の外周に配置するだけではシールの信頼性が十分に確保できない場合がある。このような場合は、図7および図8に示すように、ガラス材料を主成分とするリング状のシール材41a,41bをセル3の外周と電解質層26の上面にそれぞれ配置し、かつこの電解質層26上のシール材41bとインターコネクタ12をセルカバー50によって覆うことが好ましい。   As the sealing material 41, it is preferable to use a glass material having a softening point lower than the operating temperature of the fuel cell, such as borosilicate glass as described above, but simply placing the sealing material 41 on the outer periphery of the cell 3 In some cases, sufficient reliability cannot be ensured. In such a case, as shown in FIGS. 7 and 8, ring-shaped sealing materials 41a and 41b mainly composed of a glass material are disposed on the outer periphery of the cell 3 and the upper surface of the electrolyte layer 26, respectively, and this electrolyte It is preferable to cover the sealing material 41 b and the interconnector 12 on the layer 26 with the cell cover 50.

セルカバー50は、インターコネクタ12の外周に嵌合する円筒状の嵌合部50aと、この嵌合部50aから半径方向中央に伸長するリング状のカバー部50bとを備えており、このカバー部50bの中央には開口51が形成されている。前記開口51はインターコネクタ12の凸部32が入り得る大きさを有している。一方、前記カバー部50bは前記シール材41bの押さえとして機能する。   The cell cover 50 includes a cylindrical fitting portion 50a fitted to the outer periphery of the interconnector 12, and a ring-shaped cover portion 50b extending from the fitting portion 50a to the center in the radial direction. An opening 51 is formed in the center of 50b. The opening 51 has a size that allows the convex portion 32 of the interconnector 12 to enter. On the other hand, the cover portion 50b functions as a presser for the sealing material 41b.

セルカバー50の材質としては、高温でシール材41a,41bと反応しない材料が好ましい。また、インターコネクタ12の上部全体を覆うため単セル3の両電極間の短絡を防ぐ意味で電気的絶縁性を有することが好ましい。具体的にはアルミナやマセライト、ジルコニアなどのセラミックス材料を用いることができる。   The material of the cell cover 50 is preferably a material that does not react with the sealing materials 41a and 41b at a high temperature. Moreover, since it covers the whole upper part of the interconnector 12, it is preferable to have electrical insulation in the meaning which prevents the short circuit between both electrodes of the single cell 3. FIG. Specifically, ceramic materials such as alumina, macerite, and zirconia can be used.

また、Alを1%以上、25%以下、好ましくは3%以上、25%以下含有するような耐熱性ステンレス鋼や耐熱合金の中には、高温で酸化することにより、その表面にAl23を主成分とする電気的に絶縁性の被膜を形成するものがある。このような材料をセルカバー50として用いることができる。Alの含有量が25%を越えると、合金の融点が低下し、耐熱合金としての機能が失われるため好ましくない。例えば、MA47P(Ni:2%、Cr:4%、Al+α)などを用いることができる。金属材料を用いることによりセルカバー50のコストを低減できる。 In addition, some heat resistant stainless steels and heat-resistant alloys containing Al of 1% or more and 25% or less, preferably 3% or more and 25% or less, are oxidized at a high temperature to have Al 2 O on the surface. Some of them form an electrically insulating film composed mainly of 3 . Such a material can be used as the cell cover 50. If the Al content exceeds 25%, the melting point of the alloy decreases and the function as a heat-resistant alloy is lost, which is not preferable. For example, MA47P (Ni: 2%, Cr: 4%, Al + α) can be used. By using a metal material, the cost of the cell cover 50 can be reduced.

このようにシール材41a,41bとセルカバー50を用いることにより、単セル3とインターコネクタ12間をより一層確実にシールすることができ、セルスタック2の信頼性、耐久性、ひいては燃料電池1の発電効率を向上させることができる。なお、セルカバー50とインターコネクタ12との間(嵌合部分)にもシール材を配置するとより効果的である。   By using the sealing materials 41a and 41b and the cell cover 50 as described above, the unit cell 3 and the interconnector 12 can be more reliably sealed, and the reliability and durability of the cell stack 2 can be improved. It is possible to improve the power generation efficiency. Note that it is more effective to dispose a sealing material between the cell cover 50 and the interconnector 12 (fitting portion).

前記各マニホールドM1〜M4は略同一構造であり、金属製のマニホールド部材44と、絶縁性の材料で作られたマニホールドコネクタ45を交互に複数個積み重ねることにより形成されており、ガスが漏れないように前記第2の加圧機構5によってそれぞれ加圧されている。各マニホールドM1〜M4を金属製のマニホールド部材44と、絶縁材料からなるマニホールドコネクタ45を交互に積層して構築する理由は、セル3を一段毎に絶縁する必要があるためである。なお、本実施の形態においては、マニホールドM1〜M4の本数を各1本としているが、必要とする燃料ガスおよび酸化剤ガスの量が多いときには2本以上適当な本数を設けることができる。   The manifolds M1 to M4 have substantially the same structure, and are formed by alternately stacking a plurality of metal manifold members 44 and manifold connectors 45 made of an insulating material so that gas does not leak. The pressure is applied by the second pressure mechanism 5. The reason why each of the manifolds M1 to M4 is constructed by alternately stacking the metal manifold members 44 and the manifold connectors 45 made of an insulating material is that the cells 3 need to be insulated step by step. In the present embodiment, the number of manifolds M1 to M4 is one each. However, when the amount of fuel gas and oxidant gas required is large, two or more appropriate numbers can be provided.

各マニホールドM1〜M4の構築に際しては、単にマニホールド部材44とマニホールドコネクタ45を交互に積層するだけでなく、マニホールド部材44とマニホールドコネクタ45との間に軟化点がセルスタック2の耐熱温度以下(例えば、1000℃)であるガラス(ガラスペースト)を介在させたり、あるいはこれらをロウ付けによって接合してもよい。ガラスペーストを介在させるかまたはロウ付けした場合は、熱処理時にガラスまたはロウ材が軟化するかまたは溶けるため、シール機能を発揮し、シール性能をより一層向上させることができる。ろう材としては融点がセルスタック2の耐熱温度以下(例えば、1000℃)の材料を用いることが好ましい。   When constructing the manifolds M1 to M4, not only the manifold members 44 and the manifold connectors 45 are alternately stacked, but the softening point between the manifold members 44 and the manifold connectors 45 is lower than the heat resistant temperature of the cell stack 2 (for example, , 1000 ° C.) or glass (glass paste) may be interposed, or these may be joined by brazing. When the glass paste is interposed or brazed, the glass or brazing material is softened or melted during the heat treatment, so that the sealing function can be exhibited and the sealing performance can be further improved. As the brazing material, it is preferable to use a material having a melting point equal to or lower than the heat resistant temperature of the cell stack 2 (for example, 1000 ° C.).

前記マニホールド部材44は、燃料ガスの供給、排出、または酸化剤ガスの供給、排出を行うもので、図4〜図6に示すように中空の円筒状に形成されており、前記給気パイプ37または排気パイプ38の一端が接続されている。マニホールド部材44の材料としては、インターコネクタ12と同様に各種耐熱合金が用いられる。   The manifold member 44 supplies and discharges fuel gas, and supplies and discharges oxidant gas. The manifold member 44 is formed in a hollow cylindrical shape as shown in FIGS. Alternatively, one end of the exhaust pipe 38 is connected. As the material of the manifold member 44, various heat resistant alloys are used similarly to the interconnector 12.

また、セルスタック2の各インターコネクタ12とガスマニホールド部材44を接続するパイプ37,38もSUS310Sなどの耐熱ステンレスやインコネル、ハステロイなどの耐熱金属製パイプが用いられる。また、パイプ37,38には電気伝導性である必要がないため、表面にAl23の被膜をつくるFe−Cr−Al耐熱合金などを使用することができる。燃料に炭化水素系の燃料を用いてセル3まで直接に導入する場合には、特に、表面にAl23の被膜をつくる耐熱合金を用いると炭化水素燃料をセル3に安定した状態で供給できるため好ましい。 The pipes 37 and 38 that connect each interconnector 12 of the cell stack 2 and the gas manifold member 44 are also made of heat resistant stainless steel such as SUS310S, or heat resistant metal such as Inconel or Hastelloy. Further, since the pipes 37 and 38 do not need to be electrically conductive, an Fe—Cr—Al heat-resistant alloy that forms an Al 2 O 3 coating on the surface can be used. When a hydrocarbon-based fuel is used for direct introduction to the cell 3, the hydrocarbon fuel is supplied to the cell 3 in a stable state, particularly when a heat-resistant alloy that forms an Al 2 O 3 coating on the surface is used. This is preferable because it is possible.

パイプ37,38は、それぞれ直径が1〜5mm、できれば2〜3mm程度の細いものであり、互いの位置を変えることができるように変形することができるようになっている。パイプ37,38としては、変形の容易さの観点からは細ければ細いほうが好ましいが、単セル3に供給しなければならない燃料ガスおよび酸化剤ガスは単セル3の電極面積が10cm2 以上ある場合には100ml/min以上の流量が必要となるため、最低でも1mm以上の直径は必要である。現実的なセル3の大きさとしてはおおよそ100cm2 〜400cm2 程度となるため、必要とされる流量は1000ml/min程度となる。この場合には外径1.587mm(1/16インチ)のパイプか3.175mm(1/8インチ)のパイプを用いることができる。これ以上大きな面積の単セル3を用いる場合には、パイプ37,38の直径を大きくするよりもパイプ37,38の本数を増やすほうが好ましい。 Each of the pipes 37 and 38 is a thin one having a diameter of 1 to 5 mm, preferably about 2 to 3 mm, and can be deformed so that the mutual position can be changed. The pipes 37 and 38 are preferably thin if they are thin from the viewpoint of ease of deformation, but the fuel gas and oxidant gas that must be supplied to the single cell 3 have an electrode area of 10 cm 2 or more. In some cases, since a flow rate of 100 ml / min or more is required, a diameter of 1 mm or more is required at least. Since the approximate 100cm 2 ~400cm 2 about as the size of the realistic cell 3, the flow rate required is about 1000 ml / min. In this case, a pipe having an outer diameter of 1.587 mm (1/16 inch) or a pipe having a diameter of 3.175 mm (1/8 inch) can be used. When the unit cell 3 having a larger area is used, it is preferable to increase the number of pipes 37 and 38 than to increase the diameter of the pipes 37 and 38.

マニホールドコネクタ45の材質としては、セラミックスやマイカ(雲母)が用いられる。現実的には、アルミナ(Al23),ジルコニア(ZrO2)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)、シリカ(SiO2 、石英)を主成分とするセラミックスや複合セラミックスなどが用いられる。ただし、ジルコニアなどの酸素イオン導電体は、電解質としての機能により燃料を消費する可能性があるので、燃料極側のマニホールドコネクタとして用いるのは好適ではない。また、混合物の代表物としてはマセライトと呼ばれるマシーナブルセラミックスがある。特に、マニホールド部材44が耐熱ステンレス場合は、マグネシアが好適であり、またマグネシアとアルミナ等他のセラミックスをマトリックスとした複合材料も好適である。一方、マニホールド部材44がチタンまたはコバールの場合は、アルミナが好適である。 As a material of the manifold connector 45, ceramics or mica (mica) is used. Actually, ceramics or composite ceramics mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), calcia (CaO), magnesia (MgO), and silica (SiO 2 , quartz) are used. However, oxygen ion conductors such as zirconia are not suitable for use as a manifold connector on the fuel electrode side because they may consume fuel due to their function as electrolytes. A typical example of the mixture is a machinable ceramic called macerite. In particular, when the manifold member 44 is a heat resistant stainless steel, magnesia is preferable, and a composite material using a matrix of other ceramics such as magnesia and alumina is also preferable. On the other hand, when the manifold member 44 is titanium or kovar, alumina is suitable.

このような構造からなる燃料電池1において、空気極27と燃料極25は、電解質層26」を介して隔離されており、空気極27には酸化剤ガスが供給され、燃料極25には燃料である水素と一酸化炭素がそれぞれ供給されている。すなわち、酸化剤ガスは、図5に示すように給気用のマニホールドM3のマニホールド部材44−給気パイプ38a−ガス給気通路35aを通って、セルスタック2のインターコネクタ12を構成する各インターコネクタ12の凹部31内に上方から供給されると、単セル3の空気極27に接触する。電解質層26と空気極27の界面では、電極反応に寄与する三層界面が形成されており、下記(1)式に示す空気極反応により酸化剤ガス中の酸素と電子が反応して酸素イオンに変わる。そして、この酸素イオンは、電解質層26の内部を移動して燃料極25に到達する。なお、生成物のガスおよび未反応の燃料ガスはガス排気パイプ35b−排気パイプ38b−排気用マニホールドM4を通って外部に排出される。   In the fuel cell 1 having such a structure, the air electrode 27 and the fuel electrode 25 are isolated via the electrolyte layer 26 ”, the oxidant gas is supplied to the air electrode 27, and the fuel electrode 25 is fueled. These are hydrogen and carbon monoxide. That is, the oxidant gas passes through the manifold member 44 of the supply manifold M3, the supply pipe 38a, and the gas supply passage 35a as shown in FIG. When supplied from above into the recess 31 of the connector 12, it contacts the air electrode 27 of the single cell 3. At the interface between the electrolyte layer 26 and the air electrode 27, a three-layer interface that contributes to the electrode reaction is formed. Oxygen ions react with oxygen in the oxidant gas by the air electrode reaction shown in the following formula (1). Changes to. The oxygen ions move inside the electrolyte layer 26 and reach the fuel electrode 25. The product gas and the unreacted fuel gas are discharged to the outside through the gas exhaust pipe 35b, the exhaust pipe 38b, and the exhaust manifold M4.

(空気極反応)
1/2O2 +2e- →O2- ・・・(1)
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e → O 2− (1)

一方、給気用のマニホールドM1に供給された燃料ガスは、図3、図4および図6に示すようにマニホールド部材44−給気パイプ37a−ガス給気通路34aを通って、セルスタック2のインターコネクタセル接続部6を構成する各インターコネクタ12の凹部31内に供給されると、単セル3の燃料極25に接触する。燃料極25では、Ni−YSZサーメット、Pt等から形成された燃料極25の働きで、空気極27から電解質層26の内部を通って移動してきた酸素イオンが下記(2)式および(3)式に示す反応により燃料極25に供給された水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成される。そして、未反応の酸化剤ガスは、ガス排気通路34b−排気パイプ37b−排気用マニホールドM2を通って外部に排気される。   On the other hand, the fuel gas supplied to the supply manifold M1 passes through the manifold member 44-supply pipe 37a-gas supply passage 34a as shown in FIGS. When supplied into the recess 31 of each interconnector 12 constituting the interconnector cell connecting portion 6, it contacts the fuel electrode 25 of the single cell 3. In the fuel electrode 25, oxygen ions that have moved from the air electrode 27 through the inside of the electrolyte layer 26 by the action of the fuel electrode 25 formed of Ni-YSZ cermet, Pt, and the like are expressed by the following equations (2) and (3). It reacts with hydrogen and carbon monoxide supplied to the fuel electrode 25 by the reaction shown in the formula, and water vapor or carbon dioxide and electrons are generated. The unreacted oxidant gas is exhausted to the outside through the gas exhaust passage 34b, the exhaust pipe 37b, and the exhaust manifold M2.

(燃料極反応)
2 +O2- →H2O+2e- ・・・(2)
CO+O2- →CO2+2e- ・・・(3)
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (2)
CO + O 2− → CO 2 + 2e (3)

燃料極25で生成した電子は、外部回路を移動し空気極27に到達する。空気極27に到達した電子は、前記(1)式で示した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で電気エネルギーを出力として取り出すことができる。   Electrons generated at the fuel electrode 25 travel through an external circuit and reach the air electrode 27. The electrons that have reached the air electrode 27 react with oxygen by the air electrode reaction shown in the formula (1). Electric energy can be taken out as an output in the process in which the electrons move through the external circuit.

以上のように本発明においては単セル3とインターコネクタ12を交互に積層し、各セル3の燃料極25に燃料ガスを供給し、空気極27に酸化剤ガスを供給することにより、図4および図5に示したようなガス供給系と電気的接続が実現され、これにより接続損失の少ない高出力な固体酸化物形燃料電池1を実現できる。   As described above, in the present invention, the single cells 3 and the interconnectors 12 are alternately stacked, the fuel gas is supplied to the fuel electrode 25 of each cell 3, and the oxidant gas is supplied to the air electrode 27. And electrical connection with a gas supply system as shown in FIG. 5 is realized, whereby a high output solid oxide fuel cell 1 with low connection loss can be realized.

また、本発明においては独立した第1、第2の加圧機構4,5によってセルスタック2の各インターコネクタ12と各マニホールドM1〜M4にそれぞれ所定の荷重を加えるように構成したので、各セル3間の密着度を高めて接続部分での電力の伝達損失を低減することができ、また各マニホールドM1〜M4を確実にシールすることができ、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を防止することができる。   In the present invention, each cell is configured so that a predetermined load is applied to each interconnector 12 and each of the manifolds M1 to M4 of the cell stack 2 by the independent first and second pressurizing mechanisms 4 and 5. It is possible to reduce the power transmission loss at the connecting portion by increasing the adhesion between the three, and to reliably seal the manifolds M1 to M4, and to prevent leakage of fuel gas and oxidant gas Can do.

特に、本発明においては独立した2つの加圧機構4,5を備えているので、セルスタック2、マニホールドM1〜M4に対する加重をそれぞれ最適な荷重に調整することができる利点を有している。   In particular, in the present invention, since two independent pressurizing mechanisms 4 and 5 are provided, there is an advantage that the weights for the cell stack 2 and the manifolds M1 to M4 can be adjusted to optimum loads, respectively.

また、第1、第2の加圧機構4,5は窒化珪素を主成分とするセラミックス製の圧縮ばね7,8を備えているので、セルスタック2,言い換えれば燃料電池1とマニホールドM1〜M4の直上に圧縮ばね7,8をそれぞれ配置し、これらを燃料電池1と同じ温度環境下におくことができ、装置の小型化を可能にする。   Since the first and second pressurizing mechanisms 4 and 5 are provided with compression springs 7 and 8 made of ceramics mainly composed of silicon nitride, the cell stack 2, in other words, the fuel cell 1 and the manifolds M1 to M4. The compression springs 7 and 8 are respectively disposed immediately above and can be placed in the same temperature environment as that of the fuel cell 1, thereby enabling downsizing of the apparatus.

本発明は、第1、第2の加圧機構4,5の加圧手段として、高温に耐える材料である窒化珪素を主成分とするセラミックス製の圧縮ばね7,8を用いたが、これに限らず燃料電池の動作温度に耐えない材料からなるばねを用いる場合は、そのばねを断熱材13の外側に配置すればよい。   In the present invention, as the pressurizing means of the first and second pressurizing mechanisms 4 and 5, ceramic compression springs 7 and 8 mainly composed of silicon nitride, which is a material that can withstand high temperatures, are used. When using a spring made of a material that does not endure the operating temperature of the fuel cell, the spring may be disposed outside the heat insulating material 13.

また、加圧手段として圧縮ばね7,8の代わりにロッド18,21より熱膨張係数の大きい材料でできた伸展棒をロッドに配置することも可能である。   In addition, instead of the compression springs 7 and 8, an extension rod made of a material having a larger thermal expansion coefficient than that of the rods 18 and 21 can be disposed on the rod as the pressurizing means.

また、上記した実施の形態においては、いずれも燃料の供給(M1)、燃料の排気(M2)、酸化剤ガスの供給(M39および酸化剤ガスの排気(M4)の4系統のマニホールドがある場合に適用したが、スタック2の形態によって酸化剤ガスをマニホールドを介さず、インターコネクタの外縁部から直接排気することができる。この場合は、M4のマニホールドは不要である。   In the above-described embodiment, there are four systems of manifolds, ie, fuel supply (M1), fuel exhaust (M2), and oxidant gas supply (M39 and oxidant gas exhaust (M4)). However, the oxidizing gas can be exhausted directly from the outer edge of the interconnector without passing through the manifold depending on the form of the stack 2. In this case, the M4 manifold is unnecessary.

また、本発明は燃料極支持型の単セル3を用いたが、十分な強度を有する平板型固体電解質板の表裏面に燃料極、空気極をそれぞれ配置した電解質支持型の単セルに対しても適用することができる。この場合、システム側の要求として燃料ガスを回収する必要がなければ、特に単セル3とインターコネクタ12をシールする必要はない。また、この場合はマニホールドを燃料ガス供給用と酸化剤ガス供給用の2つとすることができる。   In addition, the present invention uses the fuel cell-supported single cell 3 but the electrolyte-supported single cell in which the fuel electrode and the air electrode are respectively disposed on the front and back surfaces of a flat solid electrolyte plate having sufficient strength. Can also be applied. In this case, it is not particularly necessary to seal the single cell 3 and the interconnector 12 unless the fuel gas needs to be recovered as a request on the system side. In this case, two manifolds can be used for supplying fuel gas and for supplying oxidant gas.

本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池の一実施の形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the flat type solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セルの側面図である。It is a side view of a fuel electrode support type solid oxide fuel cell. セルスタックとマニホールドの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a cell stack and a manifold. 燃料ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図である。It is sectional drawing of the cell stack and manifold which show the flow of fuel gas. 酸化剤ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図である。It is sectional drawing of the cell stack and manifold which show the flow of oxidant gas. セルスタックとマニホールドの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a cell stack and a manifold. シール構造の他の例を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the other example of a seal structure. 同シール構造の断面図である。It is sectional drawing of the seal structure.

符号の説明Explanation of symbols

1…固体酸化物形燃料電池、2…セルスタック、3…単セル、4…第1の加圧機構、5…第2の加圧機構、7,8…圧縮ばね、12…インターコネクタ、25…燃料極、26…電解質層、27…空気極、28,29…集電材、34a、35a…ガス給気通路、34b,35b…ガス排気通路、37a,38a…給気パイプ、37b,38b…排気パイプ、44…マニホールド部材、45…マニホールドコネクタ、41…シール材、50…セルカバー、M1〜M4…マニホールド。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid oxide fuel cell, 2 ... Cell stack, 3 ... Single cell, 4 ... 1st pressurization mechanism, 5 ... 2nd pressurization mechanism, 7, 8 ... Compression spring, 12 ... Interconnector, 25 ... fuel electrode, 26 ... electrolyte layer, 27 ... air electrode, 28, 29 ... current collector, 34a, 35a ... gas supply passage, 34b, 35b ... gas exhaust passage, 37a, 38a ... supply pipe, 37b, 38b ... Exhaust pipe, 44 ... manifold member, 45 ... manifold connector, 41 ... sealing material, 50 ... cell cover, M1-M4 ... manifold.

Claims (8)

平板型固体酸化物からなる電解質層とこの電解質層の表裏面をそれぞれ覆う空気極および燃料極とによって形成された平板型の単セルとインターコネクタとを交互に複数個積層して形成したセルスタックと、このセルスタックの各単セルに燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する複数のマニホールドとを備え、前記燃料ガスと酸化剤ガスの供給によって発電を行う平板型固体酸化物形燃料電池において、
前記セルスタックを加圧する第1の加圧機構と、前記複数のマニホールドを加圧する第2の加圧機構を設けたことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
A cell stack formed by alternately laminating a plurality of flat single cells and interconnectors formed by an electrolyte layer made of a flat solid oxide and an air electrode and a fuel electrode covering the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively. And a flat solid oxide fuel cell that includes a plurality of manifolds for supplying and exhausting fuel gas and oxidant gas to each single cell of the cell stack, and generating power by supplying the fuel gas and oxidant gas. ,
A flat plate solid oxide fuel cell comprising a first pressurizing mechanism for pressurizing the cell stack and a second pressurizing mechanism for pressurizing the plurality of manifolds.
請求項1記載の平板型固体酸化物形燃料電池において、
前記セルスタックの単セルの電気的な接続と各単セルへの燃料ガス、酸化剤ガスの給排気を行なうインターコネクタと前記マニホールドとを各単セルごとにパイプによって接続したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
The flat plate type solid oxide fuel cell according to claim 1,
A flat plate characterized in that an interconnector for electrically connecting single cells of the cell stack and supplying and exhausting fuel gas and oxidant gas to each single cell and the manifold are connected to each single cell by a pipe. Type solid oxide fuel cell.
請求項1または2記載の平板型固体酸化物形燃料電池において、
前記マニホールドが、金属製のマニホールド部材と絶縁材料からなるマニホールドコネクタを交互に複数個積層することにより形成されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
The flat plate type solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2,
A flat solid oxide fuel cell, wherein the manifold is formed by alternately stacking a plurality of manifold connectors made of metal manifold members and insulating materials.
請求項3記載の平板型固体酸化物形燃料電池において、
前記マニホールド部材と前記マニホールドコネクタとの間に軟化点がセルスタックの耐熱温度以下であるガラスを介在させたことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
The flat plate type solid oxide fuel cell according to claim 3,
A flat solid oxide fuel cell, wherein glass having a softening point not higher than a heat resistance temperature of the cell stack is interposed between the manifold member and the manifold connector.
請求項3記載の平板型固体酸化物形燃料電池において、
前記マニホールド部材と前記マニホールドコネクタを融点がセルスタックの耐熱温度以下であるロウ材によって接合したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
The flat plate type solid oxide fuel cell according to claim 3,
A flat plate solid oxide fuel cell, wherein the manifold member and the manifold connector are joined together by a brazing material having a melting point equal to or lower than a heat resistant temperature of the cell stack.
請求項3〜5のうちのいずれか1つに記載の平板型固体酸化物形燃料電池において、
前記マニホールドコネクタがセラミックスからなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
The flat plate type solid oxide fuel cell according to any one of claims 3 to 5,
A flat plate solid oxide fuel cell, wherein the manifold connector is made of ceramics.
請求項3〜5のうちのいずれか1つに記載の平板型固体酸化物形燃料電池において、
前記マニホールドコネクタがマイカを主成分とする絶縁板であることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
The flat plate type solid oxide fuel cell according to any one of claims 3 to 5,
A flat plate solid oxide fuel cell, wherein the manifold connector is an insulating plate mainly composed of mica.
請求項1〜7のうちのいずれか1つに記載の平板型固体酸化物形燃料電池において、
前記第1、第2の加圧機構が、窒化珪素を主成分とするセラミックス製のばねをそれぞれ備えていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
The flat plate type solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
The flat solid oxide fuel cell, wherein each of the first and second pressurizing mechanisms includes a ceramic spring mainly composed of silicon nitride.
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