JP2009283378A - Solid oxide fuel cell tube body, molding method thereof, and manufacturing device therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体酸化物形燃料電池管体、その成形方法およびその製造装置に関し、固体酸化物形燃料電池管体を組み込んだ燃料電池モジュールおよび燃料電池発電システムに関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell tube, a forming method thereof, and a manufacturing apparatus thereof, and relates to a fuel cell module and a fuel cell power generation system incorporating the solid oxide fuel cell tube.
燃料電池は、固体電解質の両側にアノード(燃料極)およびカソード(空気極)を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、固体電解質を介して燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。 A fuel cell includes an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) on both sides of a solid electrolyte, fuel gas is supplied to the anode side, and oxidant gas is supplied to the cathode side. The fuel cell oxidizes with the fuel via the solid electrolyte. It is the electric power generating apparatus which generates electric power by making an agent react electrochemically.
燃料電池の一種である固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高いだけでなく、600〜1000℃の高温で運転されるため、電池内で燃料の改質反応ができ、燃料の多様化を図ることができる。また、電池システムの構造がシンプルになるため、他の燃料電池に比べてコスト低減のポテンシャルを持つ。さらに、排熱も高温となるため利用しやすく、熱・電気併用システムばかりでなく、ガスタービンなど他のシステムとのハイブリッドシステムを形成しやすい特徴を持つ。 A solid oxide fuel cell, which is a type of fuel cell, not only has high power generation efficiency, but also operates at a high temperature of 600 to 1000 ° C., so that a fuel reforming reaction can be performed in the cell, thereby diversifying the fuel. Can be planned. Further, since the structure of the battery system becomes simple, it has a potential for cost reduction as compared with other fuel cells. Furthermore, it is easy to use because the exhaust heat becomes high temperature, and it is easy to form not only a combined heat / electric system but also a hybrid system with other systems such as a gas turbine.
燃料電池は、固体電解質の形状により、平板型、円筒型および扁平円筒型などに大別される。 Fuel cells are roughly classified into flat plate types, cylindrical types, flat cylindrical types, and the like depending on the shape of the solid electrolyte.
扁平円筒型燃料電池は円筒型に比べて出力密度が高く、平板型にも匹敵する出力密度を示す。さらに、扁平円筒型燃料電池は、平板型燃料電池に比べてガスシールが簡便である。特に、扁平円筒型燃料電池管体の一端を封止した管体形状(以下、封止型燃料電池管体と呼ぶ)では、ガスシール構造が最もシンプルになり、多数の管体を重ね合わせることが容易となる。熱応力の観点からも扁平円筒型管体は平板型管体に比べて有利である。 A flat cylindrical fuel cell has a higher power density than a cylindrical fuel cell and exhibits a power density comparable to that of a flat plate fuel cell. Further, the flat cylindrical fuel cell has a simpler gas seal than the flat plate fuel cell. In particular, in a tubular shape in which one end of a flat cylindrical fuel cell tube is sealed (hereinafter referred to as a sealed fuel cell tube), the gas seal structure is the simplest, and a large number of tubes are stacked. Becomes easy. From the viewpoint of thermal stress, the flat cylindrical tube is more advantageous than the flat tube.
上記のような特徴を持つ封止型燃料電池管体も、管体の製造の観点では多くの困難を伴う。これまでは、特許文献1に開示されているように、管体の一端の封止部分(以下、底部と呼ぶ)と管体の主体をなす管体胴部とを別々に製作し、これらを接合する方法が提案されている。
The sealed fuel cell tubular body having the above-described characteristics also involves many difficulties from the viewpoint of manufacturing the tubular body. Up to now, as disclosed in
特許文献1に記載された燃料電池管体は、図5に従来の製法例を示すように、管体の主体をなす管体胴部6と管体の一端の底部13とを別々に製作し、所定の部位に接着部材を塗布し、接合面14を密着させて接合するものである。この方式では、胴部6と底部13との間の接合が不完全な場合が発生し、その場合にはガスリークが発生するおそれがあった。
As shown in FIG. 5, the fuel cell tube described in
本発明は、固体酸化物形燃料電池管体の胴部と底部とを継目なく一体成形し、胴部と底部とを含めて信頼性の高い封止型の燃料電池管体を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a highly reliable sealed fuel cell body including a body part and a bottom part by integrally molding a body part and a bottom part of a solid oxide fuel cell body body seamlessly. Objective.
本発明による固体酸化物形燃料電池管体の成形方法は、管体の内側から順に、燃料流路を有するアノード、固体電解質およびカソード、または管体の内側から順に、空気流路を有するカソード、固体電解質およびアノードによって形成された固体酸化物形燃料電池管体の成形方法であって、該管体の内側に形成される該アノードまたは該カソードの胴部を構成するセラミックスラリーを押し出し成形法で成形する工程と、押し出された該胴部の先端部に、該先端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置する工程と、該先端部と該底面封止用金型との間に該セラミックスラリーを流入させることにより該管体の底部を成形する工程とを含み、該胴部と該底部とを一体成形することを特徴とする。 A method for forming a solid oxide fuel cell tube according to the present invention includes an anode having a fuel flow path, a solid electrolyte and a cathode, or a cathode having an air flow path in order from the inside of the tube, A method of forming a solid oxide fuel cell tube formed by a solid electrolyte and an anode, wherein a ceramic slurry constituting the body of the anode or the cathode formed on the inside of the tube is extruded. A step of molding, a step of disposing a bottom surface sealing mold at a predetermined distance from the front end portion at the front end portion of the extruded body portion, and the front end portion and the bottom surface sealing mold. A step of forming the bottom portion of the tubular body by allowing the ceramic slurry to flow in between, and forming the body portion and the bottom portion integrally.
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池管体の胴部と封止部とを一体成形できるので、それぞれを独立に成形してから接合する従来法に比べ、接合部に相当する部位でのクラック発生や強度低下などの不良が発生せず、かつ製作の工程や時間を短縮できる。 According to the present invention, since the body portion and the sealing portion of the solid oxide fuel cell tube can be integrally formed, compared with the conventional method in which each is molded independently and then joined, the portion corresponding to the joined portion is formed. No defects such as cracking or strength reduction occur, and the manufacturing process and time can be shortened.
本発明にかかる実施形態としては、押し出し成形法で固体酸化物形燃料電池管体の胴部を成形し、押し出された該胴部の先端部に、該先端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置し、該先端部と該底面封止用金型との間にセラミックスラリーを流入させることにより管体の底部を成形して封止型燃料電池管体を一体成形する。 As an embodiment according to the present invention, a body portion of a solid oxide fuel cell body is formed by an extrusion molding method, and the bottom surface of the extruded body portion is separated from the tip portion by a predetermined distance. A sealing mold is arranged, and a ceramic slurry is allowed to flow between the tip portion and the bottom surface sealing mold, thereby forming the bottom portion of the tube body and integrally forming the sealed fuel cell tube body. .
図4は本発明による成形方法で成形した燃料電池管体の概略図である。 FIG. 4 is a schematic view of a fuel cell tube formed by the forming method according to the present invention.
本図は、底部12を封止された燃料電池管体の全体を示したものであり、燃料電池管体の胴部6にはガス流路10を三か所設けてある。胴部6の下方にある燃料電池管体の底部12には、ガス流路ポケット8を形成してある。管体に供給するガスは、中央のガス流路10から管体内に供給され、ガス入口流れ11の矢印方向に流れ、ガス流路ポケット8に達して流れの方向を変え、管体内の左右のガス流路10を通ってガス出口流れ19に向かうようになっている。
This figure shows the entire fuel cell tube with the
図8は本発明により製造した固体酸化物形燃料電池管体の断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell tube manufactured according to the present invention.
本図において、空気流路105を有するカソード103の外側に固体電解質101、その外側にアノード102が層を成して形成してある。アノード102の外側が燃料流路106となっている。カソード103にはインターコネクタ104が設置してあり、複数の管体を電気的に接続することができるようになっている。本図においては、インターコネクタ104を二本設置してあるが、一本でも三本以上でもよい。
In this figure, a
本実施例においては、固体電解質101は、イットリア安定化ジルコニア(以下、YSZと呼ぶ)でできている。アノード102は、ニッケルおよびYSZを含むサーメットでできている。カソード103は、ランタン、ストロンチウム、マンガンおよび酸素から含む物質(LaSrMnO2)でできている。もちろん、それぞれの材質は上記の物質に限定されるものではない。
In this embodiment, the
本実施例の場合、まず、カソード103を成形し、その外壁面に固体電解質101をコーティングする。そして、固体電解質101の外側にアノード102をコーティングする。コーティングの方法は、ディッピング法でも、溶射法でも、化学気相成長法(CVD)でもよい。
In this embodiment, first, the
また、管体の構成は、内側から、アノード102、固体電解質101およびカソード103の順とすることもできる。
In addition, the configuration of the tubular body may be the order of the
図9は本発明により製造した燃料電池モジュールの断面図である。図8に示した固体酸化物形燃料電池管体三本を、インターコネクタ104を介して直列に接続し、筐体107に封入してある。アノード102と筐体107との間が燃料流路106となっている。筐体107には、燃料流入配管108、空気流入配管109、燃料流出配管110および空気流出配管111が接続してあり、燃料電池モジュールの外部から燃料および空気を供給・排出することができるようになっている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a fuel cell module manufactured according to the present invention. Three solid oxide fuel cell tubes shown in FIG. 8 are connected in series via an
図示していないが、空気流入配管109および空気流出配管111は、分岐して複数の空気流路105に接続してあり、空気を分配することができるようなっている。また、図中右側に示すアノード102および図中左側に示すインターコネクタ104は、電気的に外部に接続してあり、発生した電気エネルギーを外部に取り出して利用することができるようになっている。
Although not shown, the
本図に示すような燃料電池モジュールを一基または複数基組み込んだ燃料電池発電システムを構築することもできる。この場合、発電を行うとともに余剰の熱エネルギーを利用することもできる。 A fuel cell power generation system incorporating one or more fuel cell modules as shown in this figure can also be constructed. In this case, it is possible to generate power and use surplus thermal energy.
図1は本発明による実施例を示す燃料電池管体の胴部および底部の一体成形法の概略図である。 FIG. 1 is a schematic view of a method for integrally forming a body part and a bottom part of a fuel cell tube according to an embodiment of the present invention.
燃料電池管体の胴部金型本体は図示していないが、胴部金型内壁1を示してある。胴部金型内壁1の内部に三本の心金2(A、B、C)が設置してあり、胴部金型内壁1と心金2とで挟まれた領域は、当初、空間となっている。この空間の上方からセラミックスラリーを押し出して供給する。なお、セラミックスラリーとしては、アノード材、カソード材、基体材などが考えられる。セラミックスラリーの流れ9は、図1に示す通りである。
Although the body die body of the fuel cell tube body is not shown, the body die
したがって、本図においては、押し出されたセラミックスラリーは、ガス流路10を三本持った燃料電池管体の胴部形状を成形することになる。
Therefore, in this figure, the extruded ceramic slurry forms the body shape of the fuel cell tube body having three
管体先端部にはガス流路ポケット8を設ける必要がある。このため、心金2の先端部に押し出し成形の際、心金2Aと心金2Bとの隙間、および心金2Bと心金2Cとの隙間を流れてくるセラミックスラリーの流れ9をせき止める形状のカッター3が設けてある。カッター3は、金型の一部を構成するものである。これにより、管体の胴部の外周部分だけにセラミックスラリーが流れるようになっている。
It is necessary to provide a gas
これにより、管体の底が抜けた状態ではあるが、ガス流路ポケット8の外周部を形成することができる。この状態のセラミックスラリーの下端部に底面封止用金型4を接近させ、セラミックスラリーの下端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置し、該下端部と底面封止用金型4との間にセラミックスラリーを流入させることにより管体の底部を成形して燃料電池管体を一体成形する。その後、成形したセラミックスラリーを乾燥・焼結して強度を高める。
Thereby, although the bottom of the tubular body has been removed, the outer peripheral portion of the gas
一体成形であるから、管体の胴部および底部は継目がなく、クラック発生や強度低下などの不良が発生しにくく、かつ製作の工程や時間を短縮できる。 Since it is integrally molded, the body and bottom of the tube body are seamless, and defects such as cracking and strength reduction are unlikely to occur, and the manufacturing process and time can be shortened.
本図において、胴部金型、心金2、カッター3および底面封止用金型4は、燃料電池管体の製造装置の一部を構成している。
In this figure, the body part mold, the
図2は本発明による実施例を示す燃料電池管体の一体成形法の製作フロー図である。 FIG. 2 is a production flow diagram of a method for integrally forming a fuel cell tube showing an embodiment according to the present invention.
本図では、心金2先端部のカッター3に形状記憶合金を用いて心金2先端部の形状を必要に応じて変化させる構成とした。(a)ではカッター3が開いた状態で、心金2Aと心金2Bとの隙間、および心金2Bと心金2Cとの隙間を流れてくるセラミックスラリーの流れ9をせき止める。この結果、押し出されたセラミックスラリーは、管体の底が抜けた状態のガス流路ポケット8の外周部を形成する。
In this figure, it was set as the structure which changes the shape of a
つぎに、セラミックスラリーの下端部に底面封止用金型4を接近させる。このとき、(b)に示すように、ガス流路ポケット8の鉛直方向の深さ分だけ心金2およびカッター3を下方に押し込み、セラミックスラリーによってカッター3と底面封止用金型4との間に管体底面を形成する隙間を設ける。
Next, the bottom sealing die 4 is brought close to the lower end of the ceramic slurry. At this time, as shown in (b), the
そして、セラミックスラリーを供給しながら押し出し成形を進めると、燃料電池管体の胴部金型内壁1、心金2の先端に装着したカッター3および底面封止用金型4に囲まれて管体底面を形成する。このとき、余ったセラミックスラリーは、余剰セラミックスラリー排出孔5から余剰セラミックスラリー15として排出される。
Then, when extrusion molding proceeds while supplying the ceramic slurry, the tubular body is surrounded by the
(c)は管体底部を形成した後の金型の操作手順を示したものである。底面封止用金型4を下方に引き下げて管体底部から分離する。そして、心金2をガス流路ポケット8の上端近くまでもどした後、開いたカッター3の温度を上げて形状記憶しているカッター3を元の形にする。これにより、カッター3は小さくなって心金2の下端部の面に収まる寸法(幅)となる。
(C) shows the operation procedure of the mold after the tube bottom is formed. The bottom
ここで、カッター3の温度のみを上げてもよいし、管体全体の温度を上げてもよい。加熱する手段は、カッター3とは別のヒータでもよいし、カッター3へ直接通電してもよい。無論、温度を下げることにより形状記憶合金の変形を行うことも可能である。 Here, only the temperature of the cutter 3 may be raised, or the temperature of the entire tubular body may be raised. As a means for heating, a heater different from the cutter 3 may be used, or the cutter 3 may be directly energized. Of course, the shape memory alloy can be deformed by lowering the temperature.
この後、(d)に示すように、小さくなったカッター3が心金2の下端にある状態で、更に押し出し成形を続けて三本のガス流路10が所定の長さとなるようにすることもできる。
Thereafter, as shown in (d), in a state where the reduced cutter 3 is at the lower end of the
その後、心金2を引き抜き、成形したセラミックスラリーを乾燥・焼結して強度を高める。焼結後、インターコネクタを接着し、固体電解質および対極をディッピング法などによりコーティングする。
Thereafter, the
以上の製作フローにより製作した管体は、胴部と底部とを継目なく一体成形することができる。 The tubular body manufactured by the above manufacturing flow can be integrally formed with the body portion and the bottom portion seamlessly.
図3は本発明による他の実施例を示す管体の一体成形法の製作フロー図である。本実施例は、心金2の先端形状の変形方向を変えたもので、心金2の中にカッター3が完全に収納される構造とした。カッター3の材質は、図2に示す実施例と同様に形状記憶合金とした。
FIG. 3 is a production flow diagram of a method for integrally forming a tube according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the deformation direction of the tip shape of the
図6は本発明による変形例を示す管体の一体成形法の概略図である。心金2の下端部にガス圧で膨らむ風船16を装着したものである。ガス流路ポケット8を形成する場合は、風船16にガスを注入するか、風船16の温度を上げて風船16内のガスを膨張させるか、して風船16を膨らませる。心金2を引き上げる際には、風船16内のガスを除去または収縮して心金2の下端部に収まるようにする。
FIG. 6 is a schematic view of a method of integrally forming a tubular body showing a modification according to the present invention. A
図7は本発明による他の変形例を示す管体の一体成形法の概略図である。心金2の下端部に取り付けたカッター3の形状を変化させるための駆動機構17を設け、カッター3と駆動機構17との間に、駆動動力を伝達するための伝達部18を接続してある。これにより、心金2の下端部に設けたカッター3の位置や寸法を変化させて管体の底部12およびガス流路ポケット8を所望の形状とすることが可能である。
FIG. 7 is a schematic view of a method for integrally forming a tubular body according to another modification of the present invention. A
以上、本発明の実施の形態について扁平円筒型管体を例に説明したが、楕円形状やハニカム構造等でも底部を有するものであれば、同一の成形方法を採用することができ、その効果を損なうものでない。 As described above, the embodiment of the present invention has been described by taking a flat cylindrical tube as an example. However, the same forming method can be adopted as long as it has a bottom even in an elliptical shape or a honeycomb structure, etc. There is no loss.
本発明による成形方法で製作した燃料電池は、管体胴部と底部とが一体構造にできるため、管体の製作工程に起因する不良や破損が防止でき、管体の信頼性を飛躍的に高めることができる。 In the fuel cell manufactured by the molding method according to the present invention, the tube body and the bottom can be integrated, so that defects and breakage due to the tube manufacturing process can be prevented, and the reliability of the tube can be dramatically improved. Can be increased.
また、上記の成形方法において、カッター3や風船16などは、ガス流路ポケット8を形成するための型であり、熱、ガスまたは駆動機構などを利用して変形可能とした型である。これらの型をガス流路ポケット形成手段と総称することができる。
In the above molding method, the cutter 3, the
1…燃料電池管体の胴部金型、2…心金、3…カッター、4…底面封止用金型、5…余剰セラミックスラリー排出孔、6…燃料電池管体の胴部、7…リブ、8…ガス流路ポケット、9…セラミックスラリーの流れ、10…ガス流路、11…ガス流れ、12…燃料電池管体の底部、15…余剰セラミックスラリー、16…風船、17…駆動機構。
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