JP2007180000A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of surely isolating gases inside and outside a gas manifold each other and having high reliability. <P>SOLUTION: In the fuel cell, a plurality of solid electrolyte type fuel cells 2 have one ends fixed respectively to a gas manifold 50, and gas in the gas manifold 50 passes through inside of the fuel cell 2. The gas manifold 50 includes a box-shaped manifold body 50a having an upper side opening part in which the fuel cells 2 are provided vertically by sealing their one ends with sealing material 55 and having an annular folded part 50c inside, and a lower side opening ; and a board-shaped bottom plate 50b. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固定し、マニホールド内のガスが燃料電池セル内を通過する燃料電池に関するものである。
The present invention relates to a fuel cell in which one end of a plurality of fuel cells is fixed to a manifold, and gas in the manifold passes through the fuel cells.

次世代エネルギーとして、近年、固体電解質形燃料電池セルを収納容器内に複数収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質形燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料(水素)を流し、酸素側電極側に空気(酸素)を流して600〜1000℃程度で発電される。   In recent years, various types of fuel cells in which a plurality of solid electrolyte fuel cells are accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy. A solid electrolyte fuel cell is configured, for example, by sequentially forming a solid electrolyte and a fuel side electrode on the surface of an oxygen side electrode, and fuel (hydrogen) is flowed to the fuel side electrode side, and air is supplied to the oxygen side electrode side. Electricity is generated at about 600 to 1000 ° C. by flowing (oxygen).

従来、固体電解質形燃料電池セルの片端部を固定材によりマニホールドの天板に固定するとともに、天板の表面及び固定材の表面がシール材によりガスタイトにシールされている燃料電池が知られている(例えば、特許文献1)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell is known in which one end of a solid oxide fuel cell is fixed to a top plate of a manifold by a fixing material, and the surface of the top plate and the surface of the fixing material are sealed tightly by a sealing material. (For example, patent document 1).

特開2005−183376号公報JP 2005-183376 A

ところで、燃料電池のマニホールドは量産性の観点から、上面または下面が開口した箱状のマニホールド本体に、板状の材料を接合して構成されることが望ましい。従って、燃料電池のマニホールドには、その内外のガスを確実に遮断するため、接合信頼性が要求される。
また、燃料電池のマニホールドは、高温雰囲気で、酸化、還元雰囲気に曝され、また燃料電池セルを支持するものであるため、その重量等によりマニホールド本体と燃料電池セルとの接合部に応力が発生しやすい。また、温度変化によりセルとシール材、及びマニホールド材料との熱膨張係数の差に起因した応力が発生するため、接合部にはクラックや剥離が発生しやすく、さらなる接合信頼性が要求されていた。
上記問題点に鑑み、本発明は、マニホールドの内外のガスを確実に遮断できる信頼性の高い燃料電池を提供することを目的とする。
By the way, from the viewpoint of mass productivity, the manifold of the fuel cell is preferably configured by joining a plate-like material to a box-shaped manifold body having an upper surface or a lower surface opened. Therefore, the fuel cell manifold is required to have bonding reliability in order to reliably shut off the gas inside and outside the manifold.
In addition, the fuel cell manifold is exposed to an oxidizing and reducing atmosphere in a high-temperature atmosphere and supports the fuel cell, so stress is generated at the joint between the manifold body and the fuel cell due to its weight and the like. It's easy to do. In addition, stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the cell, the sealing material, and the manifold material is generated due to the temperature change, so that the joint is likely to crack and peel off, and further joining reliability is required. .
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a highly reliable fuel cell capable of reliably shutting off gas inside and outside a manifold.

上記課題を解決するために、本発明は、以下の特徴を有する。
請求項1に記載の本発明は、複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記マニホールドが、前記燃料電池セルの一端部がシール材によりシールされた状態で立設され、内側に環状折り返し部を有する上面側開口部と、下面側開口部とを具備する箱状のマニホールド本体と、板状の底板とからなることを特徴とする。
このような燃料電池では、マニホールド本体の上面開口部の内側に環状に折り返し部を有するため、燃料電池セルとシール材、及びこれらとマニホールド材との熱膨張係数の差により発生する応力を折り返し部で緩和できるだけでなく、マニホールドと燃料電池セルとの接合面積を多くすることができるため、接合強度を向上させ、安定した固定が可能になる。
In order to solve the above problems, the present invention has the following features.
The present invention according to claim 1 is a fuel cell in which one end of a plurality of solid oxide fuel cells is fixed to a manifold, and gas in the manifold passes through the fuel cells. The box is a box-like manifold that is erected in a state where one end of the fuel cell is sealed with a sealing material and has an upper surface side opening having an annular folded portion inside and a lower surface side opening. It consists of a main body and a plate-shaped bottom plate, It is characterized by the above-mentioned.
Since such a fuel cell has an annular folded portion inside the upper surface opening of the manifold body, the fuel cell and the sealing material, and stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between these and the manifold material are folded. In addition to relaxation, it is possible to increase the joint area between the manifold and the fuel cell, thereby improving the joint strength and enabling stable fixation.

請求項2に記載の本発明は、前記マニホールドは管状体の両端開口部を閉塞してなるとともに、該閉塞部に燃料ガス導入部材が接続され、底板が前記管状体の側面に位置することを特徴とする。
このような燃料電池では、市販の例えば、四角筒状、円筒状の管状体を用いることにより、マニホールドを容易、安価かつ短時間で作製できるとともに、マニホールドに燃料電池セルを容易に固定できる。
According to a second aspect of the present invention, the manifold is formed by closing the opening portions at both ends of the tubular body, the fuel gas introduction member is connected to the closed portion, and the bottom plate is positioned on the side surface of the tubular body. Features.
In such a fuel cell, for example, by using a commercially available, for example, a rectangular or cylindrical tubular body, the manifold can be easily manufactured at low cost and in a short time, and the fuel cell can be easily fixed to the manifold.

請求項3に記載の本発明は、前記マニホールドの底板は、前記マニホールド本体の下面側開口部に対応する形状の環状側壁部と、該環状側壁部が設けられた板状底部とを具備することを特徴とする。
このような燃料電池では、環状側壁部にマニホールド本体を載置することが可能となり、マニホールドの組立が容易になると共に、環状側壁部に後述する絶縁体及び燃料ガス導入部材を設けることが可能になる。
According to a third aspect of the present invention, the bottom plate of the manifold includes an annular side wall portion having a shape corresponding to the lower surface side opening of the manifold body, and a plate-like bottom portion provided with the annular side wall portion. It is characterized by.
In such a fuel cell, the manifold main body can be placed on the annular side wall, facilitating assembly of the manifold, and an insulator and a fuel gas introduction member to be described later can be provided on the annular side wall. Become.

請求項4に記載の本発明は、前記底板と前記マニホールド本体とは絶縁体を介して接合されていることを特徴とする。
このような燃料電池では、燃料電池の経年変化や組立て時のばらつき等により、燃料電池セルの一端部と、環状折り返し部との間の絶縁性が低下し、燃料電池に発生する電流がマニホールド本体に漏洩したとしても、マニホールド本体と底板とが絶縁体により接合されているので、マニホールド本体と底板との絶縁性を確保することができる。
The present invention according to claim 4 is characterized in that the bottom plate and the manifold body are joined via an insulator.
In such a fuel cell, the insulation between the one end portion of the fuel cell and the annular folded portion is lowered due to aging of the fuel cell, variations during assembly, etc., and the current generated in the fuel cell Even if it leaks to the surface, since the manifold main body and the bottom plate are joined by the insulator, the insulation between the manifold main body and the bottom plate can be ensured.

請求項5に記載の本発明は、前記底板と前記マニホールド本体との間の絶縁体が、絶縁性のセラミック板及びシール材であることを特徴とする。
このような燃料電池では、シール材に加え、セラミック板を介在させるため、より確実に絶縁性を確保することができるとともに、マニホールド本体と底板との接合作業を容易に行うことができる。
The present invention according to claim 5 is characterized in that the insulator between the bottom plate and the manifold body is an insulating ceramic plate and a sealing material.
In such a fuel cell, since the ceramic plate is interposed in addition to the sealing material, it is possible to ensure the insulation more reliably and to easily perform the joining operation of the manifold body and the bottom plate.

請求項6に記載の本発明は、前記底板の環状側壁部に燃料ガス導入部材が接続されていることを特徴とする。
このような燃料電池では、燃料電池セルに発生する電流がマニホールド本体に漏洩したとしても、マニホールド本体と燃料ガス導入部材との絶縁性を確保することができる。
The present invention described in claim 6 is characterized in that a fuel gas introduction member is connected to the annular side wall portion of the bottom plate.
In such a fuel cell, even if the current generated in the fuel cell leaks into the manifold body, the insulation between the manifold body and the fuel gas introduction member can be ensured.

請求項7に記載の本発明は、前記マニホールドが、前記環状折り返し部のうち、長手方向の折り返し部の先端に前記燃料電池セルを支持するための折り返し支持部を有することを特徴とする。
このような燃料電池では、先端の折り返し支持部により燃料電池セルを支持することができるため、燃料電池セルの本数が増加した場合であっても、燃料電池セルの重量により発生する応力の増加を防ぐことができる。
The present invention according to claim 7 is characterized in that the manifold has a folded support portion for supporting the fuel cell at the tip of the folded portion in the longitudinal direction of the annular folded portion.
In such a fuel cell, since the fuel cell can be supported by the folded support portion at the tip, even if the number of fuel cells increases, the stress generated by the weight of the fuel cell increases. Can be prevented.

請求項8に記載の本発明は、前記燃料電池セルと前記マニホールドとの接合部をガスシールし、前記マニホールド本体の上部を覆うシール材を有することを特徴とする。
このような燃料電池では、シール材がマニホールド本体の上部を覆うため、シール材がコーティングの役割を果たすだけでなく、接合界面が表面にでないことで、シール材とマニホールド本体の接合界面の応力集中を低減することができる。
The present invention according to claim 8 is characterized by having a sealing material for gas-sealing a joint portion between the fuel battery cell and the manifold and covering an upper portion of the manifold body.
In such a fuel cell, since the sealing material covers the upper part of the manifold body, the sealing material not only serves as a coating, but also because the joining interface is not on the surface, the stress concentration at the joining interface between the sealing material and the manifold body Can be reduced.

本発明の燃料電池により、複数の燃料電池セルの一端部が、折り返し部を有するマニホールドの上面側開口部に立設された状態で、シール材によりガスシールされているため、温度変化が生じた際に構成材料の熱膨張係数の差により発生する応力を、マニホールドの折り返し部の変形で緩和することにより、接合部にクラックや剥離が発生することなくガスの漏出を防止して信頼性を上げることができる。   With the fuel cell of the present invention, the temperature change occurred because one end of the plurality of fuel cells was gas-sealed by the sealing material in a state where the one end of the plurality of fuel cells was erected in the opening on the upper surface side of the manifold having the folded portion. In this case, the stress generated by the difference in the thermal expansion coefficient of the constituent materials is alleviated by the deformation of the folded portion of the manifold, thereby preventing the leakage of gas and improving the reliability without causing cracks or peeling at the joint. be able to.

図1は、本発明の燃料電池の一形態を示す図である。符号1は断熱構造を有する収納容器を示し、この収納容器1の内部には、複数の燃料電池セル2が縦列配列して集合した複数のセルスタック3と、セルスタック3の上方に存在する燃焼領域4を挿通し、セルスタック3間に配設された酸素含有ガス供給管5と、燃焼領域4の上方に設けられた改質器6と、この改質器6の上方に設けられた熱交換部7とから構成されている。尚、酸素含有ガス供給管5は、理解を容易にするため、破線で記載している。   FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a fuel cell according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a storage container having a heat insulating structure. Inside the storage container 1, a plurality of cell stacks 3 in which a plurality of fuel cells 2 are gathered in a tandem arrangement, and a combustion existing above the cell stack 3 An oxygen-containing gas supply pipe 5 inserted between the cell stacks 3 through the region 4, a reformer 6 provided above the combustion region 4, and heat provided above the reformer 6 It is comprised from the exchange part 7. FIG. The oxygen-containing gas supply pipe 5 is indicated by a broken line for easy understanding.

収納容器1は、耐熱性金属からなる枠体1aと、枠体1a内面に設けられた断熱材1bとから構成されている。   The storage container 1 includes a frame 1a made of a heat-resistant metal and a heat insulating material 1b provided on the inner surface of the frame 1a.

図2は、本発明の燃料電池のセルスタックを示す横断面図である。セルスタック3は、例えば、図2に示すように、複数の燃料電池セル2を整列して構成され、3つのセルスタック3は3列に整列され、隣設した2列のセルスタック3最外部の燃料電池セル2の電極同士が導電部材42で接続され、これにより3列に整列した複数の燃料電池セル2が電気的に直列に接続している。3つのセルスタック3はそれぞれガスマニホールド50を有している。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cell stack of the fuel cell of the present invention. For example, as shown in FIG. 2, the cell stack 3 is configured by arranging a plurality of fuel cells 2, and the three cell stacks 3 are arranged in three rows, and the two outermost cell stacks 3 arranged adjacent to each other. The electrodes of the fuel cells 2 are connected by a conductive member 42, whereby a plurality of fuel cells 2 arranged in three rows are electrically connected in series. Each of the three cell stacks 3 has a gas manifold 50.

具体的に説明すると、燃料電池 セル2は扁平状(細長板状)であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔8が軸長方向に形成されている。この燃料電池セル2は中空平板型であり、楕円柱状(扁平状)の電極支持体2aの外面に、燃料側電極(内側電極)2b、緻密質な固体電解質2c、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極2dを順次積層し、酸素側電極2dと反対側の電極支持体2aの外面にインターコネクタ2eを形成して構成されている。   If it demonstrates concretely, the fuel cell 2 is flat shape (elongated plate shape), The several fuel gas passage hole 8 is formed in the axial length direction in the inside. This fuel cell 2 is a hollow flat plate type, and comprises an outer surface of an elliptical columnar (flat) electrode support 2a, a fuel side electrode (inner electrode) 2b, a dense solid electrolyte 2c, and porous conductive ceramics. The oxygen side electrodes 2d are sequentially laminated, and the interconnector 2e is formed on the outer surface of the electrode support 2a opposite to the oxygen side electrode 2d.

一方の燃料電池 セル2と他方の燃料電池セル2との間には集電部材9を介在させ、一方の燃料電池 セル2の電極支持体2aを、該電極支持体2aに設けられたインターコネクタ2e、集電部材9を介して他方の燃料電池セル2の酸素側電極2dに電気的に接続して、セルスタック3が構成されている。集電部材9は、金属及び/又は導電性の無機材質からなる板状及び/又はフェルト状とされている。   A current collecting member 9 is interposed between one fuel battery cell 2 and the other fuel battery cell 2, and an electrode support 2a of one fuel battery cell 2 is connected to the interconnector provided on the electrode support 2a. The cell stack 3 is configured by being electrically connected to the oxygen side electrode 2d of the other fuel cell 2 through the current collecting member 9e. The current collecting member 9 has a plate shape and / or a felt shape made of a metal and / or a conductive inorganic material.

燃料電池 セル2をさらに詳細に説明すると、電極支持体2aは上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持体2aにはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図2では6個、図3の場合は4個で記載)の燃料ガス通過孔8が形成されている。   The fuel cell 2 will be described in more detail. The electrode support 2a is a plate-like piece that is elongated in the vertical direction, and has both flat and semicircular sides. The electrode support 2a is formed with a plurality of fuel gas passage holes 8 (6 in FIG. 2 and 4 in FIG. 3) penetrating in the vertical direction.

インターコネクタ2eは電極支持体2aの片面(図2の左側のセルスタック3において上面)上に配設されている。燃料側電極2bは電極支持体2aの他面(図2の左側のセルスタック3において下面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ2eの両端に接合せしめられている。固体電解質2cは燃料側電極2bの全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ2eの両端に接合せしめられている。酸素側電極2dは、固体電解質2cの主部上、即ち電極支持体2aの他面を覆う部分上に配置され、電極支持体2aを挟んでインターコネクタ2eに対向して位置せしめられている。   The interconnector 2e is disposed on one surface of the electrode support 2a (upper surface in the cell stack 3 on the left side in FIG. 2). The fuel-side electrode 2b is disposed on the other surface of the electrode support 2a (the lower surface in the left cell stack 3 in FIG. 2) and on both side surfaces, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 2e. The solid electrolyte 2c is disposed so as to cover the entire fuel side electrode 2b, and both ends thereof are joined to both ends of the interconnector 2e. The oxygen-side electrode 2d is disposed on the main part of the solid electrolyte 2c, that is, on the portion covering the other surface of the electrode support 2a, and is positioned to face the interconnector 2e with the electrode support 2a interposed therebetween.

セルスタック3における隣接するセル2間には集電部材9が配設されており、一方のセル2のインターコネクタ2eと他方のセル2の酸素側電極2dとを接続している。セルスタック3の両端、即ち図2において上端及び下端に位置するセル2の片面及び他面にも導電部材42が配設されている。セルスタック3の両端に位置する導電部材42には電力取出手段(図示していない)が接続されている。   A current collecting member 9 is disposed between adjacent cells 2 in the cell stack 3 to connect the interconnector 2e of one cell 2 and the oxygen side electrode 2d of the other cell 2. Conductive members 42 are disposed on both ends of the cell stack 3, that is, on one side and the other side of the cell 2 positioned at the upper end and the lower end in FIG. Electric power extraction means (not shown) is connected to the conductive members 42 located at both ends of the cell stack 3.

セル2について更に詳述すると、電極支持体2aは燃料ガスを燃料側電極2bまで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ2eを介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。 More specifically about the cell 2, the electrode support 2a is gas permeable to allow the fuel gas to permeate to the fuel side electrode 2b, and is also conductive to collect current via the interconnector 2e. Can be formed from a porous conductive ceramic (or cermet) that satisfies such requirements.

燃料側電極2b及び/又は固体電解質2cとの同時焼成により電極支持体2aを製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持体2aを形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。   In order to produce the electrode support 2a by co-firing with the fuel side electrode 2b and / or the solid electrolyte 2c, it is preferable to form the electrode support 2a from an iron group metal component and a specific rare earth oxide. In order to provide the required gas permeability, it is preferred that the open porosity is in the range of 30% or more, in particular 35 to 50%, and the conductivity is also 300 S / cm or more, in particular 440 S / cm or more. Is preferred.

特に電極支持体2aは、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm及びPrから選ばれた1種以上からなる希土類元素酸化物と、Ni及び/又はNiOとを主成分とすることが望ましい。このような組成とすることにより、固体電解質の熱膨張係数に近づけることができる。
燃料側電極2bは多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニアを称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。
In particular, the electrode support 2a is composed mainly of a rare earth element oxide composed of one or more selected from Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm and Pr, and Ni and / or NiO. Is desirable. By setting it as such a composition, it can approximate the thermal expansion coefficient of a solid electrolyte.
The fuel side electrode 2b can be formed of a porous conductive ceramic, for example, ZrO 2 (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni and / or NiO.

固体電解質2cは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrOから形成されている。
酸素側電極2dは所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素側電極2dはガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
The solid electrolyte 2c has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time needs to have a gas barrier property in order to prevent leakage between the fuel gas and the oxygen-containing gas. Usually, it is formed from ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved.
The oxygen side electrode 2d can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. The oxygen side electrode 2d is required to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

インターコネクタ2eは導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が好適に使用される。インターコネクト2eは電極支持体2aに形成された燃料ガス通過孔8を通る燃料ガス及び電極支持体2aの外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。 Although the interconnector 2e can be formed from a conductive ceramic, it needs to have reduction resistance and oxidation resistance because it comes in contact with a fuel gas that may be hydrogen gas and an oxygen-containing gas that may be air. In addition, a lanthanum chromite perovskite oxide (LaCrO 3 oxide) is preferably used. The interconnect 2e must be dense in order to prevent leakage of fuel gas passing through the fuel gas passage hole 8 formed in the electrode support 2a and oxygen-containing gas flowing outside the electrode support 2a. As described above, it is particularly desirable to have a relative density of 95% or more.

集電部材9は、弾性を有する金属又は合金若しくは導電性セラミックから形成された適宜の形状の部材、或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに、所要表面処理を加えた部材から構成することができる。   The current collecting member 9 can be composed of a member having an appropriate shape formed from an elastic metal, alloy, or conductive ceramic, or a member obtained by adding a required surface treatment to a felt composed of metal fiber or alloy fiber. .

そして、複数の燃料電池 セル2の下端部は、図1、3、4に示すようにガスマニホールド50に支持固定されている。即ち、ガスマニホールド50のマニホールド本体50aが、燃料電池セル2の下端部を保持固定するセル支持体とされ、マニホールド本体50aがマニホールド底板50bに接合され、このマニホールド本体50aに燃料電池セル2の下端部が支持固定されている。   The lower ends of the plurality of fuel cells 2 are supported and fixed to the gas manifold 50 as shown in FIGS. That is, the manifold main body 50a of the gas manifold 50 is used as a cell support that holds and fixes the lower end portion of the fuel battery cell 2. The manifold main body 50a is joined to the manifold bottom plate 50b, and the lower end of the fuel battery cell 2 is connected to the manifold main body 50a. The part is supported and fixed.

図3は、本発明に係るガスマニホールドに燃料電池セルを立設した状態を示す図である。図4は、図3を幅方向から見た断面図である。
ガスマニホールド50は、上面側開口部と、下面側開口部とを有する矩形箱状のマニホールド本体50aと、板状の底板50bとから構成され、幅方向側面には、燃焼ガスを供給する燃料ガス導入部材17(ガス供給管)が接続されている。上面側開口部には、開口部を囲み込むように環状の折り返し部50cが具備されている。折り返し部50cは、例えば、開口部の4隅に切り込みを入れ、切り込みの開口部から最遠部の4箇所を結んだ線を折り返し線として、上側開口部から見て山折りに折り込むことにより製作することができる。このガスマニホールド50に、燃料電池セル2がシール材55によりガスシールされ、固定された状態で立設されている。
FIG. 3 is a view showing a state in which fuel cells are erected on the gas manifold according to the present invention. 4 is a cross-sectional view of FIG. 3 viewed from the width direction.
The gas manifold 50 includes a rectangular box-shaped manifold main body 50a having an upper surface side opening and a lower surface side opening, and a plate-shaped bottom plate 50b, and a fuel gas for supplying combustion gas to the side surface in the width direction. An introduction member 17 (gas supply pipe) is connected. The upper surface side opening is provided with an annular folded portion 50c so as to surround the opening. The folded portion 50c is manufactured, for example, by making cuts at the four corners of the opening, and folding it into a mountain fold as viewed from the upper opening, with the line connecting the four farthest portions from the cut opening as the folding line can do. In this gas manifold 50, the fuel battery cell 2 is gas-sealed by a sealing material 55 and is erected in a fixed state.

ガスマニホールド50に燃料電池セル2を立設するときは、まず、上側開口部内に、上側開口部内側の環状折り返し部50cの先端部と高さがほぼ同程度の台を下面側開口部から挿入し、用意する。この台は、ガスシールするときに、複数の燃料電池セル2の下端部を支持しておくためのものである。次に、この台の上に燃料電池セル2を所定間隔をおいて配列させた状態で、燃料電池セル2とマニホールド本体50aとを、例えば、ガラス材料により接合するようにガスシールする。
ガスシールは、例えば、ガラス材料を含有するペーストをマニホールド本体50aの上部を覆うように塗布し、熱処理することにより行われる。次に、燃料電池セル2がマニホールド本体50aに固定された後に台を下面開口部から除去して、この下面側開口部に底板50bを接合する。
When the fuel cell 2 is erected on the gas manifold 50, first, a base that is approximately the same height as the tip of the annular folded portion 50c inside the upper opening is inserted into the upper opening from the lower opening. And prepare. This base is for supporting the lower ends of the plurality of fuel cells 2 when gas sealing. Next, the fuel cells 2 and the manifold body 50a are gas-sealed so as to be joined by, for example, a glass material in a state where the fuel cells 2 are arranged on the table at a predetermined interval.
The gas sealing is performed, for example, by applying a paste containing a glass material so as to cover the upper portion of the manifold main body 50a and performing a heat treatment. Next, after the fuel cell 2 is fixed to the manifold body 50a, the base is removed from the lower surface opening, and the bottom plate 50b is joined to the lower surface side opening.

図5は、マニホールド本体の長手方向の環状折り返し部の先端に折り返し支持部を具備したガスマニホールドの長手方向の断面図である。図5に示すマニホールド本体60aは、図4に示すマニホールド本体50aと同様に上側開口部の内側の環状折り返し部を具備し、さらに、図5に示すマニホールド本体60aでは、長手方向の環状折り返し部の先端に燃料電池セル2を支持するための折り返し部支持部を有する2段の折り返し支持部60cを具備している。この折り返し支持部60cに複数の燃料電池セル2の下端部がそれぞれ収容され、折り返し支持部60cに支持された状態で、シール材55によりガスシールされている。これにより、ガスシールするときに用いた台が、本実施形態では不要になる。また、立設する燃料電池セルの数が増加した場合にも、より安定的に燃料電池セル2を支持することができるようになる。また、マニホールド本体50aの材質にSUS等の金属を利用する場合であって、燃料電池セル2との絶縁性を確保する必要がある場合には、燃料電池セル2と折り返し支持部60cが接触する部位、例えば、2段目の折り返し支持部60cと燃料電池セル2との間にマイカ板やフォルステライトなどのセラミック製の薄い絶縁板などを挟み込むことができる。   FIG. 5 is a cross-sectional view in the longitudinal direction of a gas manifold having a folded back support portion at the tip of the annular folded portion in the longitudinal direction of the manifold body. A manifold main body 60a shown in FIG. 5 includes an annular folded portion inside the upper opening similarly to the manifold main body 50a shown in FIG. 4. Further, in the manifold main body 60a shown in FIG. A two-stage folding support part 60c having a folding part support part for supporting the fuel cell 2 at the tip is provided. The lower end portions of the plurality of fuel cells 2 are accommodated in the folded back support portion 60c, respectively, and are gas-sealed by the sealing material 55 while being supported by the folded back support portion 60c. Thereby, the base used when gas-sealing is unnecessary in this embodiment. Further, even when the number of fuel cells to be erected increases, the fuel cells 2 can be supported more stably. Further, when a metal such as SUS is used as the material of the manifold main body 50a and it is necessary to ensure insulation from the fuel battery cell 2, the fuel battery cell 2 and the folded back support portion 60c come into contact with each other. A thin insulating plate made of ceramic such as mica plate or forsterite can be sandwiched between the parts, for example, the second-stage folded support portion 60 c and the fuel cell 2.

燃料電池セル2と支持体であるマニホールド本体50a、60aとの固定に用いられるシール材55は、セラミックスからなるもの、ガラス、セメントなどが利用され、ペースト状、スラリー状のものを燃料電池セルとの隙間に流し込む方法や、粘土状もしくは隙間の形状に合わせた成型物などを燃料電池セルとの隙間に固定する方法が用いられ、焼成することで燃料電池セル2とマニホールド本体50a、60aとが固定される。
シール材55としては、燃料電池セル2をマニホールド本体50a、60aに固定する必要があるため、燃料電池の運転温度、例えば600℃から900℃において固相状態にあることが望ましい。固相状態にあることにより燃料電池の運転時においても燃料電池セル2を保持固定すると同時に、シール材55の表面に被覆形成される無機薄膜にクラックや剥離等の欠陥を生じることなく安定に維持することができる。
The sealing material 55 used for fixing the fuel cell 2 and the manifold bodies 50a and 60a, which are supports, is made of ceramic, glass, cement or the like, and paste or slurry is used as the fuel cell. And a method of fixing a clay or a molded product matching the shape of the gap to the gap between the fuel cells, and firing the fuel cell 2 and the manifold bodies 50a and 60a. Fixed.
As the sealing material 55, since it is necessary to fix the fuel cell 2 to the manifold bodies 50a and 60a, it is desirable that the sealing material 55 be in a solid phase at the operating temperature of the fuel cell, for example, 600 ° C to 900 ° C. Due to being in the solid phase, the fuel cell 2 is held and fixed even during operation of the fuel cell, and at the same time, the inorganic thin film formed on the surface of the sealing material 55 is stably maintained without causing defects such as cracks and peeling. can do.

また、シール材55からの燃料ガスの漏れを防止することが必要であり、シール材55が緻密化していることが好ましく、ガスタイトなシール性、安定性の観点から非晶質なガラス材料、結晶質の材料を含むガラス材料であることが望ましい。
更に、シール材55としては、マニホールド本体50a、60a及び燃料電池セル2両方の熱膨張に近いことが望ましいが、マニホールド本体50a、60aと燃料電池セル2との熱膨張係数には差異があることより、好ましくはマニホールド本体50a、60aと燃料電池セル2と間の熱膨張係数を有する材料を利用することが好ましい。
Further, it is necessary to prevent leakage of the fuel gas from the sealing material 55, and it is preferable that the sealing material 55 is dense. From the viewpoints of gastight sealing properties and stability, amorphous glass materials, crystals A glass material including a quality material is desirable.
Furthermore, it is desirable that the sealing material 55 be close to the thermal expansion of both the manifold main bodies 50a and 60a and the fuel battery cell 2, but there is a difference in the thermal expansion coefficient between the manifold main bodies 50a and 60a and the fuel battery cell 2. More preferably, it is preferable to use a material having a coefficient of thermal expansion between the manifold bodies 50a and 60a and the fuel battery cell 2.

本発明の効果を確認するために実施したシミュレーション結果について以下に説明する。
図6は、ガスマニホールドのシミュレーション結果を示す図である。図7は、本シミュレーションに用いた従来構造及び本発明の新規構造ガスマニホールドモデルの断面斜視図である。図8は、図7に示すモデルにおける最大主応力分布図である。
A simulation result carried out to confirm the effect of the present invention will be described below.
FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of the gas manifold. FIG. 7 is a cross-sectional perspective view of the conventional structure used in this simulation and the new structure gas manifold model of the present invention. FIG. 8 is a maximum principal stress distribution diagram in the model shown in FIG.

本シミュレーションは、燃料電池セルを立設した状態におけるガスマニホールドの構成材料による熱膨張率の差異により生じる最大主応力をシミュレーションしたものである。ここで、図7に示すように、従来技術のガスマニホールドは、燃料電池セルを支持して接合部をガラスによりシールされた金属からなる支持板と金属からなるマニホールド本体とを接合したガスマニホールドをシミュレーションしている。
本発明の新規構造のガスマニホールドは、前記接合部のない一体型の金属からなるガスマニホールドであり、上側開口部に折り返し部を有しており、燃料電池セルとガスマニホールドとの接合部にガラスによるシールが施されている構造のものをシミュレーションしている。これらの金属は共にSUSからなる。また、従来構造は、マニホールド本体を構成する金属板の厚さは1.5mm、支持板の厚さは3.0mmに対し、本発明の新規構造では、マニホールド本体の金属板の厚さ1.5mmのみでシミュレーションしている。これは、新規構造では、上側開口部に折り返し部を有することから、折り返すことにより、折り返し部に支持板の厚み3mmと同じ長さを確保できるからである。
This simulation simulates the maximum principal stress caused by the difference in coefficient of thermal expansion due to the constituent material of the gas manifold in the state where the fuel cell is erected. Here, as shown in FIG. 7, the gas manifold of the prior art includes a gas manifold in which a metal support plate that supports fuel cells and whose joints are sealed with glass and a metal manifold body are joined. Simulation is in progress.
A gas manifold having a novel structure according to the present invention is a gas manifold made of an integral metal without the joint, having a folded portion at the upper opening, and glass at the joint between the fuel cell and the gas manifold. Simulates the structure with the seal. Both of these metals are made of SUS. In the conventional structure, the metal plate constituting the manifold body has a thickness of 1.5 mm and the support plate has a thickness of 3.0 mm. In the new structure of the present invention, the thickness of the metal plate of the manifold body is 1. Simulation is performed with only 5 mm. This is because the new structure has a folded portion in the upper opening, so that the folded portion can secure the same length as the thickness of the support plate of 3 mm.

図6に示すように、本発明では、燃料電池セルに生じる最大主応力を、従来構造の15.9MPaから8.0MPaへと半減することができることが本シミュレーションで確認できた。これは、新規構造における折り返し部で燃料電池セルとの間に発生する応力を緩和しているからである。さらに、従来構造の支持板とマニホールド本体との接合部で発生している23.3MPaの最大主応力が、本発明の新規構造では発生していない。図8に示す最大主応力分布図(グレースケール)からも確認できる。   As shown in FIG. 6, in the present invention, it was confirmed by this simulation that the maximum principal stress generated in the fuel cell can be halved from 15.9 MPa of the conventional structure to 8.0 MPa. This is because stress generated between the folded portion and the fuel cell in the new structure is relaxed. Further, the maximum principal stress of 23.3 MPa, which is generated at the joint between the support plate having the conventional structure and the manifold body, is not generated in the novel structure of the present invention. It can also be confirmed from the maximum principal stress distribution diagram (gray scale) shown in FIG.

以上により、マニホールド本体50a、60aの上面開口部の内側に折り返し部50c、折り返し支持部60cを有するため、燃料電池セルとシール材、及びこれらとマニホールド材との熱膨張係数の差により発生する応力を折り返し部50c、折り返し支持部60cで緩和できるだけでなく、折り返し部50c、折り返し支持部60cを具備することにより、マニホールド本体50a、60aと燃料電池セル2との接合面積を従来構造より増やすことができるため、接合強度を向上させ、安定した固定ができる。
また、図5に示すように、先端の折り返し支持部60cにより燃料電池セル2を支持することができるため、燃料電池セルの本数が増加した場合であっても、燃料電池セルの重量により発生する応力の増加を防ぐことができる。
また、マニホールド本体50a、60aと底板50b、60bとの接合部がガスマニホールド50、60の下方に位置するため、シール箇所の変形をうけにくく、応力が発生しても、接合部にクラックや剥離が発生することがなく、ガスマニホールド50、60内のガスシールの接合部からのガス漏出を防止できる。
As described above, since the folded portion 50c and the folded support portion 60c are provided inside the upper surface openings of the manifold main bodies 50a and 60a, the stress generated by the difference in the thermal expansion coefficient between the fuel cell and the sealing material and the manifold material. Can be relaxed by the folded-back portion 50c and the folded-back support portion 60c, and by providing the folded-back portion 50c and the folded-back support portion 60c, the joint area between the manifold bodies 50a, 60a and the fuel cell 2 can be increased compared to the conventional structure. Therefore, the bonding strength can be improved and stable fixing can be performed.
Further, as shown in FIG. 5, since the fuel cell 2 can be supported by the folding support portion 60c at the tip, even if the number of fuel cells increases, the fuel cell is generated due to the weight of the fuel cell. An increase in stress can be prevented.
In addition, since the joint portion between the manifold main bodies 50a, 60a and the bottom plates 50b, 60b is located below the gas manifolds 50, 60, the seal portion is not easily deformed, and even if stress is generated, the joint portion is cracked or peeled off. Can be prevented, and gas leakage from the gas seal joints in the gas manifolds 50 and 60 can be prevented.

さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セル2の一端部は、外側電極の非形成領域とされており、露出した固体電解質がシール材55にてマニホールド本体50a、60aに固定されている。燃料電池セル2では、外側電極は固体電解質へガスを供給する必要があるため多孔質とされ、固体電解質は燃料ガスと酸素含有ガスを遮断する必要があるため緻密質とされており、緻密質の固体電解質部分をマニホールド本体50a、60aにシール材55にて接合するため、燃料電池セル2からのガスの漏出を防止できる。   Furthermore, in the fuel cell of the present invention, one end of the fuel cell 2 is a non-exposed region of the outer electrode, and the exposed solid electrolyte is fixed to the manifold main bodies 50a and 60a with a sealing material 55. In the fuel cell 2, the outer electrode is made porous because it is necessary to supply gas to the solid electrolyte, and the solid electrolyte is made dense because it is necessary to shut off the fuel gas and the oxygen-containing gas. Since the solid electrolyte portion is joined to the manifold main bodies 50a and 60a by the sealing material 55, leakage of gas from the fuel cell 2 can be prevented.

ガスマニホールド50、60には、燃料電池セル2内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入部材17が接続され、この燃料ガス導入部材17は改質器6に接続され、この改質器6には、被改質ガスを供給するための被改質ガス供給管19が接続されており、外部から被改質ガス供給管19を介して被改質ガスが改質器6に供給され、この改質器6で改質され、燃料ガスが燃料ガス導入部材17を介してガスマニホールド50、60に供給される。   A fuel gas introduction member 17 for supplying fuel gas to the inside of the fuel cell 2 is connected to the gas manifolds 50 and 60, and the fuel gas introduction member 17 is connected to the reformer 6. The to-be-reformed gas supply pipe 19 for supplying the to-be-reformed gas is connected to the to-be-reformed gas from the outside via the to-be-reformed gas supply pipe 19. The gas is reformed by the reformer 6 and the fuel gas is supplied to the gas manifolds 50 and 60 via the fuel gas introduction member 17.

また、図1に示したように、燃焼領域4を挿通する酸素含有ガス供給管5は、その先端部が発電領域の下部であってセルスタック3間に位置している。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃焼領域4内に自然流動するように構成されている。   Further, as shown in FIG. 1, the oxygen-containing gas supply pipe 5 inserted through the combustion region 4 has a tip portion located below the power generation region and located between the cell stacks 3. Excess oxygen-containing gas that has not been used for power generation is configured to naturally flow into the combustion region 4.

熱交換部7は、燃料電池セル2上方で燃焼された排ガスが排出する排ガス通路7aと、燃焼領域4を介してセルスタック3に対向して設けられた酸素含有ガス収容室7bとから構成されている。   The heat exchanging unit 7 includes an exhaust gas passage 7a through which exhaust gas combusted above the fuel battery cell 2 is discharged, and an oxygen-containing gas storage chamber 7b provided to face the cell stack 3 through the combustion region 4. ing.

排ガス通路7aは、燃料電池セル2上方から外部に向けて排出するように構成されており、酸素含有ガス収容室7bには外部から空気が導入されるようになっており、また酸素含有ガス供給管5が連通している。排ガス通路7aは酸素含有ガス収容室7bに沿って形成されており、この部分で熱交換される。   The exhaust gas passage 7a is configured to discharge from above the fuel cell 2 to the outside, and air is introduced into the oxygen-containing gas storage chamber 7b from the outside, and oxygen-containing gas supply The tube 5 is in communication. The exhaust gas passage 7a is formed along the oxygen-containing gas storage chamber 7b, and heat is exchanged in this portion.

以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス(例えば空気)を熱交換部7の酸素含有ガス収容室7bに導入し、酸素含有ガス供給管5を介して発電室のセルスタック3間に噴出させ、燃料電池セル2間に供給するとともに、被改質ガスを被改質ガス供給管19を介して改質器6内に供給し、この改質器6にて改質して、燃料ガス(例えば水素)を燃料ガス導入部材17、ガスマニホールド50を介して燃料電池セル2の燃料ガス通過孔8内に供給し、発電領域における燃料電池セル2において発電させる。   In the fuel cell configured as described above, an oxygen-containing gas (for example, air) from the outside is introduced into the oxygen-containing gas storage chamber 7 b of the heat exchange unit 7, and the cell of the power generation chamber is connected via the oxygen-containing gas supply pipe 5. The gas is blown between the stacks 3 and supplied between the fuel cells 2, and the gas to be reformed is supplied into the reformer 6 through the gas to be reformed gas supply pipe 19. Then, fuel gas (for example, hydrogen) is supplied into the fuel gas passage hole 8 of the fuel cell 2 through the fuel gas introduction member 17 and the gas manifold 50, and power is generated in the fuel cell 2 in the power generation region.

発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔8の上端から燃焼領域4内に導出し、発電に用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃焼領域4内に導出し、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口を介して熱交換部7の排ガス通路7aに導出され、7の上端から排出される。   Excess fuel gas that has not been used for power generation is led out into the combustion region 4 from the upper end of the fuel gas passage hole 8, and surplus oxygen-containing gas that has not been used for power generation is led into the combustion region 4, The fuel gas and the surplus oxygen-containing gas are caused to react and burn to generate combustion gas. This combustion gas is led to the exhaust gas passage 7a of the heat exchanging section 7 through the combustion gas inlet and discharged from the upper end of 7. The

そして、本発明の燃料電池では、燃料電池セル2の一端部をガスマニホールド50、60に設けたため、燃料電池セル2は収納容器1に固定されるのではなく、収納容器1内に収容されたガスマニホールド50、60に保持固定されるため、例えば、1本の燃料電池セル2が破損した場合、その燃料電池セル2が保持固定されたガスマニホールド50、60を収納容器1から取り出し、他の良品と取り替えることができ、メンテナンスが容易となる。   In the fuel cell of the present invention, since one end of the fuel cell 2 is provided in the gas manifolds 50 and 60, the fuel cell 2 is not fixed to the storage container 1 but is stored in the storage container 1. Since it is held and fixed to the gas manifolds 50 and 60, for example, when one fuel battery cell 2 is damaged, the gas manifolds 50 and 60 to which the fuel battery cell 2 is held and fixed are taken out of the storage container 1, It can be replaced with a non-defective product, making maintenance easier.

また、ガスマニホールド50、60内のガスが、電極支持体2aを燃料電池セル2の一端部から他端部に通過するため、従来のように配管等を用いることなく、ガスマニホールド50、60から燃料電池セル2にガスを供給することができる。
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼領域4内に導入され、この燃焼領域4中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換部7に導入し、この熱交換部7で燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換、及び燃焼による酸素含有ガス収容室7b内の酸素含有ガスの加熱により、酸素含有ガスを予熱することができるため、燃料電池セル2を加熱して実質的に発電するまでの起動時間を大幅に短縮できる。
さらに、燃料電池セル2の上方に改質器6を設けたことにより、燃焼ガスにより改質器6を直接加熱でき、改質に必要な熱を十分に供給でき、改質性能を向上できる。
Further, since the gas in the gas manifolds 50 and 60 passes through the electrode support 2a from one end of the fuel cell 2 to the other end, the gas manifolds 50 and 60 can be used without using pipes or the like as in the prior art. Gas can be supplied to the fuel battery cell 2.
In addition, surplus fuel gas and oxygen-containing gas that did not contribute to power generation are introduced into the combustion region 4 and reacted and burned in the combustion region 4, and the combustion gas and the external oxygen-containing gas are transferred to the heat exchange section. The oxygen-containing gas is preheated by heat exchange between the combustion gas and the oxygen-containing gas in the heat exchange unit 7 and heating of the oxygen-containing gas in the oxygen-containing gas storage chamber 7b by combustion. Therefore, the starting time until the fuel cell 2 is heated to substantially generate power can be greatly shortened.
Furthermore, by providing the reformer 6 above the fuel battery cell 2, the reformer 6 can be directly heated by the combustion gas, heat necessary for reforming can be sufficiently supplied, and reforming performance can be improved.

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図2に示したような楕円柱状で複数の燃料ガス通過孔8を有する燃料電池セル2を用いてセルスタック3を構成した例について説明したが、燃料電池セルは円筒状で、燃料ガス通過孔が一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限定されるものではない。   In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, in the above-described embodiment, the example in which the cell stack 3 is configured using the fuel cell 2 having the elliptic cylinder shape and the plurality of fuel gas passage holes 8 as illustrated in FIG. 2 is described. However, the fuel cell is cylindrical. Thus, there may be one fuel gas passage hole, and the shape of the fuel cell is not particularly limited.

また、ガスマニホールドは、市販の既製の角型もしくは円筒状のパイプをそのまま利用することができ、安価に製造できる。図9は、管状体の側面に上側開口部及び下側開口部を形成した状態を示す図である。例えば、図9に示すように、ガスマニホールド70は、角パイプ状の管状体70aの両端開口部を側板70b、70cにて閉塞してなるとともに、軸長方向端面の閉塞した側板70cに燃料ガス導入部材75が接続され、管状体70aの側面に上側開口部及び下側開口部が形成され、この上側開口部の折り返し部71に燃料電池セル2の一端部がガスシールされ固定される。下側開口部は底板70dにて接合されている。このような燃料電池では、市販の例えば、四角筒状、円筒状の管状体を用いることにより、ガスマニホールドを容易、安価かつ短時間で作製できるとともに、ガスマニホールドに燃料電池セルを容易に固定できる。   The gas manifold can be made of a commercially available square or cylindrical pipe as it is, and can be manufactured at low cost. FIG. 9 is a view showing a state in which an upper opening and a lower opening are formed on the side surface of the tubular body. For example, as shown in FIG. 9, the gas manifold 70 is formed by closing both end openings of a rectangular pipe-like tubular body 70a with side plates 70b and 70c, and fuel gas on the side plate 70c closed on the axial end surface. The introduction member 75 is connected, an upper opening and a lower opening are formed on the side surface of the tubular body 70a, and one end of the fuel cell 2 is gas-sealed and fixed to the folded portion 71 of the upper opening. The lower opening is joined by a bottom plate 70d. In such a fuel cell, by using a commercially available, for example, rectangular tube or cylindrical tubular body, a gas manifold can be manufactured easily, inexpensively and in a short time, and the fuel cell can be easily fixed to the gas manifold. .

図10は、底板の拡口した上端開口部とマニホールド本体とが絶縁体により接合されているガスマニホールドの幅方向から見た断面図である。図11は、図10を長手方向から見た断面図である。
図10及び図11に示すガスマニホールド80は、上面側開口部と、下面側開口部とを有する矩形箱状の導電性のマニホールド本体80aと、板状の導電性の底板80bとから構成されている。上面側開口部には、開口部を囲み込むように環状の折り返し部80cが具備されている。折り返し部80cは、例えば、前記折り返し部(図4において50c)と同様に製作することができる。このガスマニホールド80に、燃料電池セル2が絶縁性のシール材55によりガスシールされ、固定された状態で立設されている。
FIG. 10 is a cross-sectional view seen from the width direction of the gas manifold in which the upper end opening of the bottom plate and the manifold body are joined by an insulator. FIG. 11 is a cross-sectional view of FIG. 10 viewed from the longitudinal direction.
The gas manifold 80 shown in FIGS. 10 and 11 includes a rectangular box-shaped conductive manifold body 80a having an upper surface side opening and a lower surface side opening, and a plate-shaped conductive bottom plate 80b. Yes. The upper surface side opening is provided with an annular folded portion 80c so as to surround the opening. The folded portion 80c can be manufactured in the same manner as the folded portion (50c in FIG. 4), for example. In this gas manifold 80, the fuel cell 2 is gas-sealed with an insulating sealing material 55 and is erected in a fixed state.

ガスマニホールド80に燃料電池セル2を立設する方法も前記ガスマニホールド(図4において50)と同様に行なわれる。
前記ガスマニホールド80の底板80bは、マニホールド本体80aの下面側開口部に対応する形状の環状側壁部81と、環状側壁部81が設けられた板状底部82とを具備している。
The method of erecting the fuel cells 2 in the gas manifold 80 is also performed in the same manner as the gas manifold (50 in FIG. 4).
The bottom plate 80b of the gas manifold 80 includes an annular side wall portion 81 having a shape corresponding to the lower surface side opening of the manifold body 80a, and a plate-like bottom portion 82 provided with the annular side wall portion 81.

そして、環状側壁部81は、上端開口部がステップ部81aを介して拡口しており、ステップ部81a上にマニホールド本体80aの下端が絶縁体83により接合されて載置されている。
即ち、前記底板80bとマニホールド本体80aとの接合部に、前記絶縁体83として絶縁性のシール材が装填される。或いは、マイカ板やフォルステライトなどの絶縁性を有するセラミック板84を介在させるとともにシール材が装填される。例えば、セラミック板84は、ステップ部81a上の全周に亘って配置してもよいし、必要に応じて部分的に配置してもよい。このセラミック板84は、マニホールド本体80aと底板80bの接合部におけるスペーサの役割を果たし、これらの間を確実に絶縁している。
更に又、前記底板80bの環状側壁部81に燃料ガス導入部材17が接続されている
The upper end opening of the annular side wall 81 is widened through the step portion 81a, and the lower end of the manifold main body 80a is joined to the step portion 81a by an insulator 83.
That is, an insulating sealing material is loaded as the insulator 83 at the joint between the bottom plate 80b and the manifold body 80a. Alternatively, an insulating ceramic plate 84 such as a mica plate or forsterite is interposed and a sealing material is loaded. For example, the ceramic plate 84 may be disposed over the entire circumference on the step portion 81a, or may be partially disposed as necessary. The ceramic plate 84 serves as a spacer at the joint between the manifold body 80a and the bottom plate 80b, and reliably insulates them.
Furthermore, the fuel gas introduction member 17 is connected to the annular side wall portion 81 of the bottom plate 80b.

図10及び図11に示す本発明のガスマニホールド80は、底板80bが、マニホールド本体80aの下面側開口部に対応する形状の環状側壁部81と、環状側壁部81が設けられた板状底部82とを具備するので、環状側壁部81にマニホールド本体80aを載置することが可能となり、ガスマニホールド80の組立が容易になると共に、環状側壁部81に絶縁体83及び燃料ガス導入部材17を設けることが可能になる。   The gas manifold 80 of the present invention shown in FIGS. 10 and 11 has a bottom plate 80b having a shape corresponding to the opening on the lower surface side of the manifold body 80a, and a plate-shaped bottom portion 82 provided with the annular side wall portion 81. Therefore, the manifold main body 80a can be placed on the annular side wall portion 81, the gas manifold 80 can be easily assembled, and the insulator 83 and the fuel gas introduction member 17 are provided on the annular side wall portion 81. It becomes possible.

また、燃料電池の経年変化や組立て時のばらつき等により、燃料電池セル2の一端部と、環状折り返し部80cとの間の絶縁性が低下し、燃料電池に発生する電流がマニホールド本体80aに漏洩したとしても、マニホールド本体80aと底板80bとがシール材または絶縁性を有するセラミック板を介在させたシール材からなる絶縁体83により接合され絶縁されているので、マニホールド本体80aと底板80bとの絶縁性を確保することができる。   In addition, due to aging of the fuel cell, variation during assembly, etc., the insulation between the one end of the fuel cell 2 and the annular folded portion 80c is reduced, and the current generated in the fuel cell leaks to the manifold body 80a. Even so, the manifold body 80a and the bottom plate 80b are joined and insulated by the insulator 83 made of a sealing material with a sealing material or an insulating ceramic plate interposed therebetween, so that the insulation between the manifold body 80a and the bottom plate 80b is achieved. Sex can be secured.

さらに、本発明のガスマニホールド80は、前記底板80bの環状側壁部81に燃料ガス導入部材17が接続されているので、燃料電池セル2に発生する電流がマニホールド本体80aに漏洩したとしても、マニホールド本体80aと燃料ガス導入部材17との絶縁性を確保することができ、燃料ガス導入部材17を介しての外部への漏電を防止できる。   Further, since the fuel gas introduction member 17 is connected to the annular side wall portion 81 of the bottom plate 80b, the gas manifold 80 of the present invention can be connected to the manifold body 80a even if the current generated in the fuel cell 2 leaks. The insulation between the main body 80a and the fuel gas introduction member 17 can be ensured, and leakage to the outside via the fuel gas introduction member 17 can be prevented.

図12は、底板の縮口した上端開口部とマニホールド本体とが絶縁体により接合されているガスマニホールドの幅方向から見た断面図である。図13は、図12を長手方向から見た断面図である。
図12及び図13に示すガスマニホールド90は、前記ガスマニホールド(図10において80)の底板(図10において81b)に代えて他の底板90aを設けたものであり、底板90aは、マニホールド本体80aの下面側開口部に対応する形状の環状側壁部91と、環状側壁部91が設けられた板状底部92とを具備し、環状側壁部91は、上端開口部がステップ部91aを介して縮口しており、ステップ部91a上にマニホールド本体80aの下端が絶縁体83により接合されて載置されている。
即ち、前記底板90aとマニホールド本体80aとの接合部に、前記絶縁体83として絶縁性のシール材が装填されている。或いは、マイカ板やフォルステライトなどの絶縁性を有するセラミック板を介在させてシール材が装填されている。
FIG. 12 is a cross-sectional view seen from the width direction of the gas manifold in which the bottom end opening of the bottom plate and the manifold body are joined by an insulator. FIG. 13 is a cross-sectional view of FIG. 12 viewed from the longitudinal direction.
The gas manifold 90 shown in FIGS. 12 and 13 is provided with another bottom plate 90a in place of the bottom plate (81b in FIG. 10) of the gas manifold (80 in FIG. 10). The bottom plate 90a is a manifold main body 80a. An annular side wall portion 91 having a shape corresponding to the lower surface side opening portion, and a plate-like bottom portion 92 provided with the annular side wall portion 91. The upper end opening portion of the annular side wall portion 91 is contracted via a step portion 91a. The lower end of the manifold body 80a is joined and placed on the step portion 91a by an insulator 83.
That is, an insulating sealing material is loaded as the insulator 83 at the joint between the bottom plate 90a and the manifold body 80a. Alternatively, the sealing material is loaded through an insulating ceramic plate such as a mica plate or forsterite.

図12及び図13に示す本発明のガスマニホールド90は、底板90aが、マニホールド本体80aの下面側開口部に対応する形状の環状側壁部91と、板状底部92とを具備するので、環状側壁部91のステップ部91a上にマニホールド本体80aを載置することが可能となり、ガスマニホールド90の組立が容易になると共に、環状側壁部91に絶縁体83及び燃料ガス導入部材17を設けることが可能になる。   In the gas manifold 90 of the present invention shown in FIGS. 12 and 13, the bottom plate 90a includes an annular side wall portion 91 having a shape corresponding to the lower surface side opening of the manifold body 80a, and a plate-like bottom portion 92. The manifold body 80a can be placed on the step portion 91a of the portion 91, the gas manifold 90 can be easily assembled, and the insulator 83 and the fuel gas introduction member 17 can be provided on the annular side wall portion 91. become.

また、燃料電池の経年変化や組立て時のばらつき等により、燃料電池セル2の一端部と、環状折り返し部80cとの間の絶縁性が低下し、燃料電池に発生する電流がマニホールド本体80aに漏洩したとしても、マニホールド本体80aと底板90aとがシール材または絶縁性を有するセラミック板を介在させたシール材からなる絶縁体83により接合され絶縁されているので、マニホールド本体80aと底板90aとの絶縁性を確保することができる。   In addition, due to aging of the fuel cell, variation during assembly, etc., the insulation between the one end of the fuel cell 2 and the annular folded portion 80c is reduced, and the current generated in the fuel cell leaks to the manifold body 80a. Even so, the manifold body 80a and the bottom plate 90a are joined and insulated by the insulator 83 made of a sealing material with a sealing material or an insulating ceramic plate interposed therebetween, so that the insulation between the manifold body 80a and the bottom plate 90a is achieved. Sex can be secured.

さらに、本発明のガスマニホールド90は、前記底板90aの環状側壁部91に燃料ガス導入部材17が接続されているので、燃料電池セル2に発生する電流がマニホールド本体80aに漏洩したとしても、マニホールド本体80aと燃料ガス導入部材17との絶縁性を確保することができる。   Further, since the fuel gas introduction member 17 is connected to the annular side wall portion 91 of the bottom plate 90a in the gas manifold 90 of the present invention, even if the current generated in the fuel cell 2 leaks to the manifold body 80a, the manifold The insulation between the main body 80a and the fuel gas introduction member 17 can be ensured.

尚、絶縁体83を前記マニホールド50のマニホールド本体50aと底板50bとの間、或いは、前記マニホールド60のマニホールド本体60aと底板60bとの間に装填することも可能であり、然る時も、マニホールド本体50aと底板50aとの絶縁性、或いは、マニホールド本体60aと底板60aとの絶縁性をそれぞれ確保することができる。   It is also possible to load the insulator 83 between the manifold body 50a and the bottom plate 50b of the manifold 50 or between the manifold body 60a and the bottom plate 60b of the manifold 60. The insulation between the main body 50a and the bottom plate 50a or the insulation between the manifold main body 60a and the bottom plate 60a can be ensured.

図14は、前述の図10に示したガスマニホールド80に接合固定された燃料電池セルスタック装置100の実施例を示している。図14(a)は、並列に配列されて、本発明によるマニホールドに接合固定された2つの燃料電池セルスタック本体を備えた燃料電池セルスタックの平面図である。図14(b)は(a)の燃料電池セルスタックの一部切欠正面図である。図14(c)は(b)の燃料電池セルスタックの側面図である。図14(d)は(b)のA部拡大断面図である。図14(e)は(b)のB部拡大断面図である。図14(f)は(c)のC部拡大断面図である。図に示す燃料電池セルスタック装置100は、並列に配置された2つの燃料電池セルスタック101、101を備えており、2つの燃料電池セルスタック101、101がガスマニホールド80にそれぞれ接合固定されている。従って、ガスマニホールド80は、1つの底板80bと、2つのマニホールド本体80a−1、80a−2とを具備する。(f)に示すように、底板80bの上端開口部は2つ設けられており、それぞれの上端開口部のステップ部81a上に、各マニホールド本体80a−1、80a−2が絶縁体83及びセラミック板84を介して載置されている。これにより、底板80bとマニホールド本体80aとを確実に絶縁する。ガスマニホールド80の内部空間は一室となっており、この内部空間にガスが収容される。そして、この内部空間から燃料電池セル2の燃料ガス通過孔へガスが供給される。
尚、ガスマニホールド80に代えて、前述のガスマニホールド50、60、70、80又は90にも同様に燃料電池セルスタックを接合固定することができる。
FIG. 14 shows an embodiment of the fuel cell stack apparatus 100 joined and fixed to the gas manifold 80 shown in FIG. FIG. 14A is a plan view of a fuel cell stack including two fuel cell stack bodies arranged in parallel and joined and fixed to a manifold according to the present invention. FIG. 14B is a partially cutaway front view of the fuel cell stack of FIG. FIG. 14C is a side view of the fuel cell stack of FIG. FIG.14 (d) is an A section expanded sectional view of (b). FIG. 14E is an enlarged cross-sectional view of the B part in FIG. FIG. 14F is an enlarged cross-sectional view of a C part in FIG. The fuel cell stack device 100 shown in the figure includes two fuel cell stacks 101 and 101 arranged in parallel, and the two fuel cell stacks 101 and 101 are joined and fixed to the gas manifold 80, respectively. . Therefore, the gas manifold 80 includes one bottom plate 80b and two manifold bodies 80a-1 and 80a-2. As shown in (f), two upper end openings of the bottom plate 80b are provided, and the manifold bodies 80a-1 and 80a-2 are provided with the insulator 83 and the ceramic on the step part 81a of each upper end opening. It is placed via a plate 84. Thereby, the bottom plate 80b and the manifold main body 80a are reliably insulated. The internal space of the gas manifold 80 is a single chamber, and gas is accommodated in this internal space. Gas is supplied from the internal space to the fuel gas passage hole of the fuel cell 2.
Note that the fuel cell stack can be similarly bonded and fixed to the gas manifolds 50, 60, 70, 80, or 90 instead of the gas manifold 80.

本発明の燃料電池システムを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池のセルスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the cell stack of the fuel cell of the present invention. 本発明に係るガスマニホールドに燃料電池セルを立設した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which stood the fuel cell in the gas manifold which concerns on this invention. 図3を幅方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at FIG. 3 from the width direction. 長手方向に形成された折り返し部の先端に折り返し支持部を具備したガスマニホールドの長手方向の断面図である。It is sectional drawing of the longitudinal direction of the gas manifold which comprised the folding | turning support part in the front-end | tip of the folding | turning part formed in the longitudinal direction. ガスマニホールドのシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of a gas manifold. 本シミュレーションに用いた従来構造及び本発明の新規構造ガスマニホールドモデルの断面斜視図である。It is a section perspective view of the conventional structure used for this simulation, and the new structure gas manifold model of the present invention. 図7に示すモデルにおける最大主応力分布図である。FIG. 8 is a maximum principal stress distribution diagram in the model shown in FIG. 7. 管状体の側面に上側開口部及び下側開口部を形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which formed the upper side opening part and the lower side opening part in the side surface of the tubular body. 底板の拡口した上端開口部とマニホールド本体とが絶縁体により接合されているガスマニホールドの幅方向から見た断面図である。It is sectional drawing seen from the width direction of the gas manifold in which the upper end opening part and the manifold main body which were expanded in the baseplate are joined by the insulator. 図10を長手方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at FIG. 10 from the longitudinal direction. 底板の縮口した上端開口部とマニホールド本体とが絶縁体により接合されているガスマニホールドの幅方向から見た断面図である。It is sectional drawing seen from the width direction of the gas manifold in which the upper end opening part and the manifold main body which the mouthpiece of the baseplate shrunk were joined by the insulator. 図12を長手方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at FIG. 12 from the longitudinal direction. (a)は、並列に配列されて、本発明によるマニホールドに接合固定された2つの燃料電池セルスタック本体を備えた燃料電池セルスタックの平面図である。(b)は(a)の燃料電池セルスタックの一部切欠正面図である。(c)は(b)の燃料電池セルスタックの側面図である。(d)は(b)のA部拡大断面図である。(e)は(b)のB部拡大断面図である。(f)は(c)のC部拡大断面図である。FIG. 2A is a plan view of a fuel cell stack including two fuel cell stack bodies that are arranged in parallel and bonded and fixed to a manifold according to the present invention. (B) is a partially cutaway front view of the fuel cell stack of (a). (C) is a side view of the fuel cell stack of (b). (D) is an A section expanded sectional view of (b). (E) is the B section expanded sectional view of (b). (F) is the C section expanded sectional view of (c).

符号の説明Explanation of symbols

2 燃料電池セル
17、75 燃料ガス導入部材
50、60、70、80、90 ガスマニホールド
50a、60a、70a、80a、90a マニホールド本体
50b、60b、80b、90a 底板
50c、60c、70c、80c 折り返し部
55、65 シール材
81、91 環状側壁部
82、92 板状底部
83 絶縁体
2 Fuel cell 17, 75 Fuel gas introduction member 50, 60, 70, 80, 90 Gas manifold 50a, 60a, 70a, 80a, 90a Manifold body 50b, 60b, 80b, 90a Bottom plate 50c, 60c, 70c, 80c Folding part 55, 65 Sealing material 81, 91 Annular side wall 82, 92 Plate-like bottom 83 Insulator

Claims (8)

複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、
前記マニホールドが、
前記燃料電池セルの一端部がシール材によりシールされた状態で立設され、内側に環状折り返し部を有する上面側開口部と、下面側開口部とを具備する箱状のマニホールド本体と、
板状の底板とからなることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell in which one end of a plurality of solid oxide fuel cells is fixed to a manifold, and gas in the manifold passes through the fuel cells,
The manifold is
A box-shaped manifold body that is provided with an upper surface side opening portion having an annular folded portion on the inside, and a lower surface side opening portion that is erected in a state where one end portion of the fuel cell is sealed with a sealing material;
A fuel cell comprising a plate-like bottom plate.
前記マニホールドは管状体の両端開口部を閉塞してなるとともに、該閉塞部に燃料ガス導入部材が接続され、底板が前記管状体の側面に位置することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel according to claim 1, wherein the manifold closes both ends of the tubular body, a fuel gas introduction member is connected to the closed portion, and a bottom plate is located on a side surface of the tubular body. battery. 前記底板は、前記マニホールド本体の下面側開口部に対応する形状の環状側壁部と、該環状側壁部が設けられた板状底部とを具備することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the bottom plate includes an annular side wall having a shape corresponding to an opening on the lower surface side of the manifold body, and a plate-like bottom provided with the annular side wall. . 前記底板と前記マニホールド本体とが絶縁体を介して接合されていることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the bottom plate and the manifold body are joined via an insulator. 前記絶縁体が、絶縁性を有するセラミック板及びシール材であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, wherein the insulator is an insulating ceramic plate and a sealing material. 前記底板の環状側壁部に燃料ガス導入部材が接続されていることを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の燃料電池。   6. The fuel cell according to claim 3, wherein a fuel gas introduction member is connected to the annular side wall portion of the bottom plate. 前記マニホールドが、前記環状折り返し部のうち、長手方向の折り返し部の先端に前記燃料電池セルを支持するための折り返し支持部を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel according to any one of claims 1 to 6, wherein the manifold has a folded support portion for supporting the fuel cell at a tip of a folded portion in a longitudinal direction of the annular folded portion. battery. 前記燃料電池セルと前記マニホールドとの接合部をガスシールし、前記マニホールド本体の上部を覆うシール材を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, further comprising a sealing material that gas seals a joint portion between the fuel cell and the manifold and covers an upper portion of the manifold body.
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