JP2013257953A - Solid oxide fuel cell and method for assembling solid oxide fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell and method for assembling solid oxide fuel cell Download PDF

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琴絵 水木
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敏 杉田
Katsuya Hayashi
克也 林
Ryuichi Kobayashi
隆一 小林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell that allows a stack to be evenly pressed in a lamination direction of cells in a low-cost and easy manner, and to provide a method for assembling the solid oxide fuel cell.SOLUTION: A spherical member 5 is provided between an upper member 4 and a pressing member 6. Even when the pressing member 6 is pressed at an angle to a lamination direction of cells 30, for example, the upper member 4 and the pressing member 6 are in contact with a spherical surface of the spherical member 5, and the upper member 4 is thus pressed in the lamination direction of the cells 30. Therefore, the stack 3 is allowed to be evenly pressed in the lamination direction of the cells 30, and that in a low-cost manner without using springs or bellows.

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関するものであり、特に、単セルとこの単セルを収容する収容部材とを積層したスタックを押圧する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 solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell that presses a stack in which a single cell and a housing member that houses the single cell are stacked.

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている(例えば、非特許文献1参照。)。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。一組のセル(単セル)で得られる電気の電圧は、約0.7[V]程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。   In recent years, high efficiency can be obtained regardless of the size of the scale, and therefore, fuel cells have attracted attention as power generation means used in next-generation cogeneration systems (see, for example, Non-Patent Document 1). A fuel cell is a battery that uses a chemical reaction between an oxidant gas such as oxygen and a fuel gas such as hydrogen. A fuel cell is composed of a single cell with an electrolyte layer sandwiched between an anode called an air electrode and a cathode called a fuel electrode. A plurality of these are used in an overlapping manner. The electric voltage obtained in one set of cells (single cell) is about 0.7 [V], but it is possible to supply a desired voltage by using a plurality of single cells in an overlapping manner. . Such fuel cells include a solid polymer type using a polymer material for the electrolyte layer, and a solid oxide type using an oxide such as ceramics for the electrolyte layer.

固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々90[℃]程度であり、自動車用や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。これに対し、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が600[℃]以上と高温であり、発電効率が45%以上と高いという特徴を備えている。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などを組み合わせてより高い効率のコジェネレーションシステムが構築できるという利点を有し、発電所としての用途などが期待されている。   The polymer electrolyte fuel cell has an operating temperature of about 90 [° C.] at most, and can be applied to automobile and household cogeneration systems. On the other hand, the solid oxide fuel cell is characterized in that the operating temperature is as high as 600 [° C.] or higher and the power generation efficiency is as high as 45% or higher. For this reason, a solid oxide fuel cell with a stack structure in which a plurality of single cells are combined has the advantage that a more efficient cogeneration system can be constructed by combining turbine power generation, etc. Expected.

ところで、固体酸化物形燃料電池において実用的な出力を得るためには、複数の単セルを直列、または並列に接続する必要がある。このとき、各単セルの燃料極側に供給される燃料ガスと、空気極側に供給される酸化剤ガスとが混合しない状態で、各単セルが電気的に接続された状態としている。このようにガスの混合を防いだ状態で電気的に接続するために、ガスが透過せず、電気伝導度が高い材料からなる部材が用いられている。この部材は、セパレータやインターコネクタなどと呼ばれる(以下、「インターコネクタ」と言う。)。単セルは、対となる2つのインターコネクタの間に挟み込まれた状態とされるのが一般的である。このような一対のインターコネクタと、単セルとにより1つのセルが構成される。このセルを複数積層することによりスタックが形成される。このとき、一対のインターコネクタと単セルはセルの積層方向に沿って重ねられている。   By the way, in order to obtain a practical output in a solid oxide fuel cell, it is necessary to connect a plurality of single cells in series or in parallel. At this time, each unit cell is electrically connected in a state where the fuel gas supplied to the fuel electrode side of each unit cell and the oxidant gas supplied to the air electrode side are not mixed. Thus, in order to make an electrical connection in a state where mixing of gases is prevented, a member made of a material that does not transmit gas and has high electrical conductivity is used. This member is called a separator or an interconnector (hereinafter referred to as “interconnector”). In general, a single cell is sandwiched between two interconnectors that form a pair. One cell is constituted by such a pair of interconnectors and a single cell. A stack is formed by stacking a plurality of these cells. At this time, the pair of interconnectors and the single cell are overlapped along the cell stacking direction.

近年、発電温度の低温動作化により、金属材料をインターコネクタに使用できるようになっている。金属製のインターコネクタはセラミックス製のインターコネクタに比べると加工性が良く、電気電導度や熱電導度が高いが、高温酸化雰囲気化において表面に電気電導度の低い酸化被膜を形成するという問題がある。そこで、最近ではCrが16〜24%程度含まれたフェライト系の耐熱性ステンレス鋼が用いられる傾向にある。   In recent years, a metal material can be used for an interconnector due to the low temperature operation of the power generation temperature. Metal interconnectors are more workable than ceramic interconnectors and have high electrical and thermal conductivity, but there is a problem of forming an oxide film with low electrical conductivity on the surface in a high-temperature oxidizing atmosphere. is there. Therefore, recently, ferritic heat resistant stainless steel containing about 16 to 24% of Cr tends to be used.

このような固体酸化物形燃料電池には、単セルの形状により、円筒型や平板型が存在する。このうち平板型の固体酸化物形燃料電池では、高い出力を得るための一つの方法として、スタックをセルの積層方向に押圧することにより、インターコネクタと単セルの接触を良好にして接触による抵抗を低減することが行われている。このように接触による抵抗を低減するには、インターコネクタと単セルとの間に集電体を設けることも提案されているが、この集電体を設ける場合であっても上述したようにスタックを押圧してインターコネクタ、集電体および単セル等の間の接触を良好にすることにより、より高い出力を得ることができる。   Such a solid oxide fuel cell includes a cylindrical type and a flat plate type depending on the shape of a single cell. Among these, in the flat solid oxide fuel cell, as one method for obtaining a high output, by pressing the stack in the cell stacking direction, the contact between the interconnector and the single cell is improved and the resistance due to the contact is increased. Has been done to reduce. In order to reduce the resistance due to contact in this way, it has also been proposed to provide a current collector between the interconnector and the single cell. However, even when this current collector is provided, the stacking is performed as described above. A higher output can be obtained by pressing to improve the contact between the interconnector, current collector and single cell.

このようにスタックを押圧する方法としては、バネやベローズを用いたり、スタック上下を挟み込む一対の板のうち一方の板を他方の板に向かってネジで締め付けたりする方法が提案されている。   As a method for pressing the stack in this way, a method is proposed in which a spring or a bellows is used, or one of the pair of plates sandwiching the top and bottom of the stack is tightened with a screw toward the other plate.

田川博明著、固体酸化物燃料電池と地球環境、株式会社 アグネ承風社、P.25−P.30、1998年6月20日発行By Tagawa Hiroaki, Solid Oxide Fuel Cell and Global Environment, Agne Jofu Co., Ltd. 25-P. 30, issued on June 20, 1998

しかしながら、上述した方法では次のような問題があった。   However, the above method has the following problems.

まず、バネやベローズを用いる方法では、600℃以上の高温環境で利用可能なバネやベローズが高価であるため、低コスト化が困難であった。   First, in the method using a spring or bellows, it is difficult to reduce the cost because the spring and bellows that can be used in a high temperature environment of 600 ° C. or higher are expensive.

また、ネジで締め付ける方法では、ネジの座面における摩擦係数が各ネジで同じではない場合が多いので、同じトルクで各ネジを締め付けても各ネジの締め込み量が異なるので、これらのネジで締め付けられる板がスタックのセルの積層方向に対して斜めに押圧されてしまう。すると、単セルやインターコネクタ等の間の接触面を均一に押圧できなくなるので、単セルやインターコネクタ等の間の良好な接触を実現できず、結果として、高出力化が困難であった。   Also, with the method of tightening with screws, the friction coefficient on the screw seating surface is often not the same for each screw, so even if each screw is tightened with the same torque, the tightening amount of each screw will be different. The plate to be tightened is pressed obliquely with respect to the stacking direction of the cells of the stack. Then, the contact surfaces between the single cells and the interconnectors cannot be pressed uniformly, so that good contact between the single cells and the interconnectors cannot be realized, and as a result, high output is difficult.

そこで、本発明は、低コストで容易にスタックをセルの積層方向に一様に押圧できる固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の組み立て方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell and a method for assembling the solid oxide fuel cell that can easily press the stack uniformly in the cell stacking direction at low cost.

上述したような課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、板状の第1の部材と、燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容した収容部材とを含むセルを第1の部材上に複数積層したスタックと、スタック上に配設された板状の第2の部材と、スタック上方の第2の部材上に配設された第3の部材と、第2の部材と離間して第3の部材上に配設された板状の第4の部材と、この第4の部材を第1の部材に向かって押し付ける第5の部材とを備え、第3の部材は、第2の部材および第4の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなることを特徴とするものである。   In order to solve the above-described problems, a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a plate-shaped first member, a fuel electrode, an electrolyte composed of a solid oxide disposed on the fuel electrode, and A stack in which a plurality of cells including a single cell made of an air electrode disposed on the electrolyte and a housing member housing the single cell are stacked on the first member, and a plate shape disposed on the stack A second member, a third member disposed on the second member above the stack, and a plate-shaped fourth member disposed on the third member apart from the second member. And a fifth member that presses the fourth member toward the first member. The third member has a spherical contact surface with at least one of the second member and the fourth member. It is characterized by comprising.

上記固体酸化物形燃料電池において、第5の部材は、スタックと離間して第1の部材に垂設され、開放端が第2の部材および第3の部材を貫通する複数の軸部材と、各軸部材の他端側に設けられ、第3の部材を軸部材に沿って当該軸部材の一端側に向かって押圧する押圧部材とから構成されるようにしてもよい。
ここで、収容部材および軸部材は、第2の部材、第3の部材および第4の部材よりも熱膨張係数が小さい材料から構成されるようにしてもよい。
また、収容部材および軸部材は、第1の値の熱膨張係数を有する材料から構成され、第2の部材および第4の部材は、第1の値よりも大きい第2の値の熱膨張係数を有する材料から構成され、第3の部材は、第2の値よりも大きい第3の値の熱膨張係数を有する材料から構成されるようにしてもよい。
In the solid oxide fuel cell, the fifth member is spaced from the stack and is suspended from the first member, and a plurality of shaft members whose open ends penetrate the second member and the third member; You may make it comprise from the pressing member which is provided in the other end side of each shaft member, and presses a 3rd member toward the one end side of the said shaft member along a shaft member.
Here, the housing member and the shaft member may be made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the second member, the third member, and the fourth member.
The housing member and the shaft member are made of a material having a first value thermal expansion coefficient, and the second member and the fourth member have a second value thermal expansion coefficient larger than the first value. The third member may be made of a material having a thermal expansion coefficient with a third value larger than the second value.

また、上記固体酸化物形燃料電池において、第2の部材および第4の部材のうち少なくとも一方は、中央部に形成された凹部を有し、第3の部材は、球面が凹部上に配設されるようにしてもよい。
ここで、第3の部材は、第3の部材は、球体から構成されるようにしてもよい。
In the above solid oxide fuel cell, at least one of the second member and the fourth member has a recess formed in the central portion, and the third member has a spherical surface disposed on the recess. You may be made to do.
Here, the third member may be formed of a sphere.

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の組み立て方法は、燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容した収容部材と含むセルを複数積層したスタックを、板状の第1の部材上に配設する第1のステップと、板状の第2の部材をスタック上に配設する第2のステップと、第3の部材をスタック上方の第2の部材上に配設する第3のステップと、板状の第4の部材を、第2の部材と離間した状態で第3の部材上に配設する第4のステップと、第4の部材を、第1の部材に向かって押し付ける第5のステップとを有し、第3の部材は、第2の部材および第4の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなることを特徴とするものである。   In addition, a method for assembling a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode, an electrolyte made of a solid oxide disposed on the fuel electrode, and a single cell made of an air electrode disposed on the electrolyte. A first step of disposing a stack in which a plurality of cells including an accommodating member accommodating the single cell and a cell are stacked on the plate-like first member, and a plate-like second member being arranged on the stack A third step in which the third member is disposed on the second member above the stack, and the plate-like fourth member is separated from the second member. A fourth step disposed on the first member, and a fifth step for pressing the fourth member toward the first member, wherein the third member comprises the second member and the fourth member. The contact surface with at least one of the members is a spherical surface.

本発明によれば、板状の第1の部材と、単セルと収容部材とを第1の部材上に複数積層したスタックと、このスタック上に配設された板状の第2の部材と、この第2の部材と離間して配設された板状の第4の部材と、第2の部材と第4の部材との間に配設された、第2の部材および第4の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなる第3の部材と、第4の部材を第1の部材に向かって押圧する第5の部材とを設けるという構成により、例えば、第4の部材がセルの積層方向に対して斜めの方向から押圧されても、第2の部材および第4の部材の少なくとも一方が第3の部材の球面に接触しているので、第2の部材がセルの積層方向に押圧される。これにより、スタックを積層方向に一様に押圧することができる。また、バネやベローズなどを用いなくてもスタックを積層方向に一様に押圧できるので、低コストを実現することができる。   According to the present invention, a plate-shaped first member, a stack in which a single cell and a housing member are stacked on the first member, and a plate-shaped second member disposed on the stack, , A plate-like fourth member disposed away from the second member, and a second member and a fourth member disposed between the second member and the fourth member. With the configuration in which a third member having a spherical contact surface with at least one of the first member and a fifth member that presses the fourth member toward the first member is provided, for example, the fourth member is Even when pressed from a direction oblique to the cell stacking direction, at least one of the second member and the fourth member is in contact with the spherical surface of the third member. Pressed in the direction. Thereby, the stack can be pressed uniformly in the stacking direction. In addition, since the stack can be uniformly pressed in the stacking direction without using a spring or a bellows, low cost can be realized.

図1は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の構成を模式的に示す平面図である。FIG. 1 is a plan view schematically showing a configuration of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 図2は、図1のI-I線断面図である。2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 図3は、単セルの構成を模式的に示す要部断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of an essential part schematically showing the configuration of a single cell. 図4は、セルの構成を模式的に示す要部断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of an essential part schematically showing the configuration of the cell. 図5は、実験結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing experimental results.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[固体酸化物形燃料電池の構成]
図1,図2に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池1は、下部部材2と、この下部部材2上に配設されたスタック3と、このスタック3上に配設された上部部材4と、この上部部材4上に配設された球状部材5と、上部部材4と離間した状態で球状部材5上に配設された押さえ部材6と、一端が下部部材2に固定され、他端が上部部材4および押さえ部材6を貫通し、下部部材2の平面に対して垂設された4本の軸部材7と、この軸部材7の他端側に螺着されたナット8とを備えている。また、下部部材2とスタック3との間には、絶縁部材9が配設されている。同様に、スタック3と上部部材4との間には、絶縁部材10が配設されている。
[Configuration of solid oxide fuel cell]
As shown in FIGS. 1 and 2, the solid oxide fuel cell 1 according to the present embodiment includes a lower member 2, a stack 3 disposed on the lower member 2, and a stack 3 disposed on the stack 3. The upper member 4 provided, the spherical member 5 disposed on the upper member 4, the pressing member 6 disposed on the spherical member 5 in a state of being separated from the upper member 4, and one end of the lower member 2 The other end of the shaft member 7 passes through the upper member 4 and the pressing member 6 and is suspended from the plane of the lower member 2. And a nut 8. An insulating member 9 is disposed between the lower member 2 and the stack 3. Similarly, an insulating member 10 is disposed between the stack 3 and the upper member 4.

<下部部材の構成>
下部部材2は、平面視略矩形の板状に形成されており、その外形はスタック3の平面形状よりも大きくされている。下部基板2上面の四隅近傍には、穴21が形成されている。この穴21の内周面には、軸部材7を固定するためのネジが形成されている。下部部材2は、例えば、SUS430などのフェライト系ステンレス鋼から構成されている。このような下部部材2は第1の部材に相当する。
<Configuration of lower member>
The lower member 2 is formed in a substantially rectangular plate shape in plan view, and its outer shape is larger than the planar shape of the stack 3. Holes 21 are formed near the four corners of the upper surface of the lower substrate 2. A screw for fixing the shaft member 7 is formed on the inner peripheral surface of the hole 21. The lower member 2 is made of, for example, ferritic stainless steel such as SUS430. Such a lower member 2 corresponds to a first member.

<スタックの構成>
スタック3は、図2に示すように、実用的な出力を得るために、セル30を複数積層した構成を有する。各セル30は、図3,図4に示すように、円盤状の単セル31と、この単セル31の後述する燃料極311に対向配置され、その燃料極311に燃料ガスを供給するとともに燃料極311と電気的に接続された板状の燃料極インターコネクタ32と、単セル31の後述する空気極313に対向配置され、その空気極に酸化剤ガスを供給するとともに空気極313と電気的に接続された板状の空気極インターコネクタ33とを備えている。セル30の外形は、下部部材2の平面形状よりも小さく、下部部材2上面の四隅に形成された穴21に囲まれた領域よりも小さく形成されている。ここで、燃料極インターコネクタ32および空気極インターコネクタ33は、収容部材に相当する。このようなセル30は、そのセル30を複数組重ねたスタック3の一部として機能する。
<Stack configuration>
As shown in FIG. 2, the stack 3 has a configuration in which a plurality of cells 30 are stacked in order to obtain a practical output. As shown in FIGS. 3 and 4, each cell 30 is disposed so as to face a disk-shaped single cell 31 and a fuel electrode 311 (to be described later) of the single cell 31, and supplies fuel gas to the fuel electrode 311 and fuel. A plate-shaped fuel electrode interconnector 32 electrically connected to the electrode 311 and an air electrode 313 (to be described later) of the single cell 31 are disposed opposite to each other, and an oxidant gas is supplied to the air electrode and the air electrode 313 is electrically connected to the air electrode 313. And a plate-shaped air electrode interconnector 33 connected to the. The outer shape of the cell 30 is smaller than the planar shape of the lower member 2 and is smaller than the region surrounded by the holes 21 formed at the four corners of the upper surface of the lower member 2. Here, the fuel electrode interconnector 32 and the air electrode interconnector 33 correspond to housing members. Such a cell 30 functions as a part of the stack 3 in which a plurality of the cells 30 are stacked.

また、セル30には、この燃料極インターコネクタ32の上面の中央部に配設され、上面に単セル11が配設される円盤状の燃料極側集電体34と、燃料極インターコネクタ32の上面に配設され、中央部に形成された開口に単セル31および燃料極側集電体34を収容することにより単セル31および燃料極側集電体34を所定の位置に配設するリング状のセルホルダ35と、単セル31の後述する電解質312およびセルホルダ35の上面に配設されたリング状のシール部材36と、このシール部材36の上面に配設されたリング状の絶縁部材37と、単セル31の上面に配設され、上面に空気極インターコネクタ33が配設される円盤状の空気極側集電体38とを備えている。これらの構成要素は、燃料極インターコネクタ32と空気極インターコネクタ33とを互いに近づく方向に押圧することにより、隣り合う構成要素と密着することとなる。   Further, the cell 30 has a disk-shaped fuel electrode side current collector 34 disposed at the center of the upper surface of the fuel electrode interconnector 32 and the single cell 11 disposed on the upper surface, and the fuel electrode interconnector 32. The single cell 31 and the fuel electrode side current collector 34 are disposed at predetermined positions by accommodating the single cell 31 and the fuel electrode side current collector 34 in the opening formed in the central portion. A ring-shaped cell holder 35, an electrolyte 312 (to be described later) of the single cell 31, a ring-shaped seal member 36 disposed on the upper surface of the cell holder 35, and a ring-shaped insulating member 37 disposed on the upper surface of the seal member 36. And a disk-shaped air electrode side current collector 38 provided on the upper surface of the single cell 31 and provided with the air electrode interconnector 33 on the upper surface. These components are brought into close contact with adjacent components by pressing the fuel electrode interconnector 32 and the air electrode interconnector 33 toward each other.

このようなセル30には、燃料極インターコネクタ32や空気極インターコネクタ33の平面方向における単セル31の周囲に、燃料極インターコネクタ32、空気極インターコネクタ33、セルホルダ35、シール部材36および絶縁部材37の積層方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。これらの貫通孔は、外部から燃料ガスが供給される燃料ガスマニホールド39、外部から酸化剤ガスが供給される酸化剤ガスマニホールド40、単セル31で酸化されなかった未反応の燃料ガスを外部に排出する排気ガスマニホールド(図示せず)、および、単セル31で未反応の酸化剤ガスを外部に排出する未反応酸化剤ガスマニホールドを構成する。   In such a cell 30, the fuel electrode interconnector 32, the air electrode interconnector 33, the cell holder 35, the seal member 36, and the insulation are provided around the single cell 31 in the planar direction of the fuel electrode interconnector 32 and the air electrode interconnector 33. A plurality of through holes penetrating in the stacking direction of the member 37 are formed. These through-holes provide a fuel gas manifold 39 to which fuel gas is supplied from the outside, an oxidant gas manifold 40 to which oxidant gas is supplied from the outside, and unreacted fuel gas that has not been oxidized by the single cell 31 to the outside. An exhaust gas manifold (not shown) for discharging and an unreacted oxidant gas manifold for discharging unreacted oxidant gas to the outside in the single cell 31 are configured.

≪単セルの構成≫
ここで、単セル31は、図3に示すように、円盤状に形成された燃料極311と、この燃料極311と同等の形状を有し、燃料極311の上面に形成された電解質312と、この電解質312よりも外形が小さな円盤状に形成され、電解質312の上面に形成された空気極313とから構成される。ここで、空気極313の上面には、空気極313と同等の形状を有する集電層314が設けられている。
<Single cell configuration>
Here, as shown in FIG. 3, the unit cell 31 has a fuel electrode 311 formed in a disk shape, and an electrolyte 312 having a shape equivalent to the fuel electrode 311 and formed on the upper surface of the fuel electrode 311. The air electrode 313 is formed in a disk shape whose outer shape is smaller than that of the electrolyte 312 and is formed on the upper surface of the electrolyte 312. Here, a current collecting layer 314 having a shape equivalent to that of the air electrode 313 is provided on the upper surface of the air electrode 313.

燃料極311は、例えば、ニッケル添加イットリア安定化ジルコニア(Ni−YSZ)、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア(Ni−SSZ)、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア(Ni−ScSZ)などの金属Niと電解質312を構成する材料との混合物などから構成される。
電解質312は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、サマリア安定化ジルコニア(SSZ)、コバルト添加ランタンガレート系酸化物(LSGMC)などから構成される。
空気極313は、例えば、ランタンニッケルフェライト(LNF)、ランタンマンガネート(LSM)、ランタンストロンチウムコバルタイト(LSC)、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト(LSCF)、ランタンストロンチウムフェライト(LSF)、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SSC)などから構成される。
集電層314は、例えば、ランタンニッケルフェライト(LNF)とLaCoO3(LC)の混合物などから構成される。
The fuel electrode 311 includes a metal Ni and an electrolyte 312 such as nickel-added yttria stabilized zirconia (Ni-YSZ), nickel-added samaria stabilized zirconia (Ni-SSZ), nickel-added scandia stabilized zirconia (Ni-ScSZ), and the like. It is composed of a mixture with constituent materials.
The electrolyte 312 includes, for example, scandia-stabilized zirconia (ScSZ), yttria-stabilized zirconia (YSZ), samaria-stabilized zirconia (SSZ), cobalt-added lanthanum gallate oxide (LSGMC), and the like.
The air electrode 313 includes, for example, lanthanum nickel ferrite (LNF), lanthanum manganate (LSM), lanthanum strontium cobaltite (LSC), lanthanum strontium cobaltite ferrite (LSCF), lanthanum strontium ferrite (LSF), samarium strontium cobaltite ( SSC).
The current collecting layer 314 is composed of, for example, a mixture of lanthanum nickel ferrite (LNF) and LaCoO 3 (LC).

≪インターコネクタの構成≫
燃料極インターコネクタ32は、平面視略矩形の板状に形成されている。この燃料極インターコネクタ32には、平面方向に延在する空間からなり、一端が燃料ガスマニホールド39に接続された燃料ガス流路32aと、平面方向に延在する空間からなり、一端が排気ガスマニホールド(図示せず)に接続された排気ガス流路(図示せず)とが形成されている。また、燃料極インターコネクタ32の上面の中央部には、複数の溝を備え、燃料ガス流路32aの他端が接続された燃料ガス供給部32bが形成されている。このような燃料極インターコネクタ32は、所定の形状にプレス加工された平面視略矩形の薄板が複数毎積層されることにより構成される。
≪Interconnector configuration≫
The fuel electrode interconnector 32 is formed in a substantially rectangular plate shape in plan view. The fuel electrode interconnector 32 includes a space extending in the plane direction, one end including a fuel gas flow path 32a connected to the fuel gas manifold 39, and a space extending in the plane direction, and one end of the exhaust gas. An exhaust gas passage (not shown) connected to a manifold (not shown) is formed. In addition, a fuel gas supply part 32b having a plurality of grooves and connected to the other end of the fuel gas flow path 32a is formed at the center of the upper surface of the fuel electrode interconnector 32. Such a fuel electrode interconnector 32 is configured by laminating a plurality of thin plates each having a substantially rectangular shape in a plan view pressed into a predetermined shape.

空気極インターコネクタ33は、平面視略矩形の板状に形成されている。この空気極インターコネクタ33には、平面方向に延在する空間からなり、一端が酸化剤ガスマニホールド40に接続された酸化剤ガス流路33aと、その平面方向に延在する空間からなり、一端が未反応ガスマニホールドに接続された未反応空気流路(図示せず)とが形成されている。また、下面の中央部には、複数の溝からなり、酸化剤ガス流路33aの他端が接続された酸化剤ガス供給部33bが形成されている。このような空気極インターコネクタ33は、所定の形状にプレス加工された平面視略矩形の薄板が複数毎積層されることにより構成される。   The air electrode interconnector 33 is formed in a substantially rectangular plate shape in plan view. The air electrode interconnector 33 is composed of a space extending in the plane direction, one end of which is composed of an oxidant gas flow path 33a connected to the oxidant gas manifold 40, and a space extending in the plane direction. And an unreacted air flow path (not shown) connected to the unreacted gas manifold. In addition, an oxidant gas supply unit 33b is formed at the center of the lower surface. The oxidant gas supply unit 33b includes a plurality of grooves and is connected to the other end of the oxidant gas flow path 33a. Such an air electrode interconnector 33 is configured by laminating a plurality of thin plates each having a substantially rectangular shape in a plan view pressed into a predetermined shape.

ここで、燃料極インターコネクタ32および空気極インターコネクタ33は、軸部材7と同等の熱膨張係数を有する材料から構成されることが望ましい。本実施の形態においては、燃料極インターコネクタ32および空気極インターコネクタ33の材料として、耐熱性ステンレス鋼が用いられている。   Here, the fuel electrode interconnector 32 and the air electrode interconnector 33 are preferably made of a material having a thermal expansion coefficient equivalent to that of the shaft member 7. In the present embodiment, heat resistant stainless steel is used as the material for the fuel electrode interconnector 32 and the air electrode interconnector 33.

≪スタックにおけるその他の部材の構成≫
燃料極側集電体34は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、発泡金属など、電子伝導性が高く、600〜1000℃で化学的に安定な材料から構成される。
≪Configuration of other members in the stack≫
The fuel electrode side current collector 34 has a high electronic conductivity such as a metal such as platinum, silver, gold, palladium, iridium and rhodium, a mesh or non-woven fabric made of a fine wire of a ferritic heat-resistant alloy, an expanded metal, a foamed metal, etc. 600 Consists of materials that are chemically stable at ~ 1000 ° C.

セルホルダ35は、例えば、クロムが16〜25%程度含まれているフェライト系の耐熱合金から構成されている。セルホルダ15の内部には、燃料極側集電体14ならびに単セル11の燃料極111および電解質112が収容され、これらの周面とセルホルダ15の内面との隙間には、シール部材16と同等の材料からなる隙間部材15aが設けられている。   The cell holder 35 is made of, for example, a ferrite heat resistant alloy containing about 16 to 25% of chromium. Inside the cell holder 15, the fuel electrode side current collector 14, the fuel electrode 111 and the electrolyte 112 of the single cell 11 are accommodated, and a gap between these peripheral surfaces and the inner surface of the cell holder 15 is equivalent to the seal member 16. A gap member 15a made of a material is provided.

シール部材36は、例えば、ホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料から構成されている。   The sealing member 36 is made of, for example, a glass material having a softening point near the operating temperature, such as borosilicate glass.

絶縁部材37は、例えばアルミナなどの高温でも絶縁性のあるセラミックスや、マイカなどの絶縁材料から構成される。   The insulating member 37 is made of an insulating material such as ceramic that is insulative even at a high temperature such as alumina, or mica.

空気極側集電体38は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線などの材料を含むペースト材料から構成される。このペースト材料は、固体酸化物形燃料電池1の初回動作前に予め集電層の上に塗布し、その上に空気極インターコネクタ33を配置することで、初回動作時の昇温過程でより良好な電気的接続が形成される。また、空気極インターコネクタ33と単セル31間の接触面に圧力をかけることによってさらに良好な電気的接続を得ることができる。   The air electrode side current collector 38 is made of a paste material containing a material such as a metal such as platinum, silver, gold, palladium, iridium, or rhodium, or a fine wire of a ferrite heat-resistant alloy. This paste material is applied on the current collecting layer in advance before the initial operation of the solid oxide fuel cell 1, and the air electrode interconnector 33 is disposed thereon, so that the temperature of the paste material can be increased during the initial operation. A good electrical connection is formed. Further, by applying pressure to the contact surface between the air electrode interconnector 33 and the single cell 31, an even better electrical connection can be obtained.

<上部部材の構成>
上部部材4は、下部部材2と同等の平面視略矩形の板状に形成されており、四隅近傍に厚さ方向に貫通した孔41が形成されている。この孔41は、下部部材2の穴21と1対1に対応して形成されており、下部部材2と上部部材4とを平行に対向配置したときに、対応する穴21と同一直線上に位置することとなる。また、上部部材4上面には、球状部材5の形状に対応する球面状の凹部42が形成されている。この凹部42は、上部部材4上面に形成されるが、上部部材4をスタック3上に配設したときにスタック3上方の領域に形成されることが望ましく、特に、上部部材4の中央部に形成することがより望ましい。本実施の形態において、凹部42は、上部部材4の中央部に形成されている。
<Configuration of upper member>
The upper member 4 is formed in a substantially rectangular plate shape in plan view equivalent to the lower member 2, and holes 41 penetrating in the thickness direction are formed in the vicinity of the four corners. The holes 41 are formed in a one-to-one correspondence with the holes 21 of the lower member 2, and are aligned with the corresponding holes 21 when the lower member 2 and the upper member 4 are arranged to face each other in parallel. Will be located. A spherical recess 42 corresponding to the shape of the spherical member 5 is formed on the upper surface of the upper member 4. The recess 42 is formed on the upper surface of the upper member 4, but is preferably formed in a region above the stack 3 when the upper member 4 is disposed on the stack 3. It is more desirable to form. In the present embodiment, the recess 42 is formed at the center of the upper member 4.

このような上部部材4は、燃料極インターコネクタ32および空気極インターコネクタ33や軸部材7と同等、または、これらよりも熱膨張係数が大きい材料から構成されることが望ましい。本実施の形態においては、SUS430等のフェライト系ステンレス鋼が用いられる。また、上部部材4は、後述するように組み立てた状態においても、変形が無視できる程度の剛性を有している。さらに、上部部材4の厚さは、少なくとも10[mm]以上あることが望ましい。このような上部部材4は第2の部材に相当する。   Such an upper member 4 is preferably made of a material that is equivalent to or larger in thermal expansion coefficient than the fuel electrode interconnector 32, the air electrode interconnector 33, and the shaft member 7. In the present embodiment, ferritic stainless steel such as SUS430 is used. Further, the upper member 4 has such a rigidity that deformation can be ignored even in an assembled state as will be described later. Furthermore, the thickness of the upper member 4 is desirably at least 10 [mm] or more. Such an upper member 4 corresponds to a second member.

<球状部材の構成>
球状部材5は、直径が上部部材4の幅よりも小さな球状に形成されている。このような球状部材5は、上部部材4よりも熱膨張係数が大きい材料から構成されることが望ましい。具体的には、オーステナイト系のステンレス鋼が望ましく、中でもSUS304やSUS310がより望ましい。特にSUS310は、耐熱性が高いので望ましい。また、球状部材5は、後述するように組み立てた状態においても、変形が無視できる程度の剛性を有している。このような球状部材5は第3の部材に相当する。
<Configuration of spherical member>
The spherical member 5 is formed in a spherical shape whose diameter is smaller than the width of the upper member 4. Such a spherical member 5 is preferably made of a material having a larger coefficient of thermal expansion than the upper member 4. Specifically, austenitic stainless steel is desirable, and among them, SUS304 and SUS310 are more desirable. In particular, SUS310 is desirable because of its high heat resistance. Further, the spherical member 5 has such a rigidity that deformation can be ignored even in an assembled state as will be described later. Such a spherical member 5 corresponds to a third member.

<押さえ部材の構成>
押さえ部材6は、下部部材2および上部部材4と同等の平面視略矩形の板状に形成されており、四隅近傍に厚さ方向に貫通した孔61が形成されている。この貫通孔61は、上部部材4の貫通孔61に対応して形成されている。したがって、上部部材4と押さえ部材6とを平行に対向配置すると、対応する孔41と孔61とは同一直線上に位置することとなる。このとき、上述したように下部部材2と上部部材4も平行に対向配置すると、対応する穴21,孔41および孔61が同一直線上に位置することとなる。また、押さえ部材6下面には、球状部材5の形状に対応する球面状の凹部62が形成されている。この凹部62は、押さえ部材6下面に形成されるが、押さえ部材6を上部部材4と対向配置したときに、スタック3上方の領域に形成されることが望ましく、特に、押さえ部材6の中央部に形成することがより望ましい。なお、本実施の形態において、凹部62は、押さえ部材62下面の中央部に形成されている。したがって、凹部62は、上部部材4と押さえ部材6とを対向配置したとき、上部部材4の凹部42と対向配置されることとなる。このような押さえ部材6は第4の部材に相当する。
<Configuration of holding member>
The pressing member 6 is formed in a substantially rectangular plate shape in plan view equivalent to the lower member 2 and the upper member 4, and holes 61 penetrating in the thickness direction are formed in the vicinity of the four corners. The through hole 61 is formed corresponding to the through hole 61 of the upper member 4. Therefore, when the upper member 4 and the pressing member 6 are arranged to face each other in parallel, the corresponding holes 41 and 61 are located on the same straight line. At this time, as described above, when the lower member 2 and the upper member 4 are also arranged to face each other in parallel, the corresponding holes 21, 41 and 61 are located on the same straight line. A spherical recess 62 corresponding to the shape of the spherical member 5 is formed on the lower surface of the pressing member 6. The concave portion 62 is formed on the lower surface of the pressing member 6, but is desirably formed in a region above the stack 3 when the pressing member 6 is disposed opposite to the upper member 4. It is more desirable to form. In the present embodiment, the recess 62 is formed at the center of the lower surface of the pressing member 62. Therefore, when the upper member 4 and the pressing member 6 are disposed to face each other, the recess 62 is disposed to face the recess 42 of the upper member 4. Such a pressing member 6 corresponds to a fourth member.

このような押さえ部材6は、上部部材4と同様、軸部材7よりも熱膨張係数が大きい材料から構成されることが望ましい。本実施の形態においては、SUS430等のフェライト系ステンレス鋼が用いられる。また、押さえ部材6は、後述するように組み立てた状態においても、変形が無視できる程度の剛性を有している。   As with the upper member 4, such a pressing member 6 is preferably made of a material having a larger coefficient of thermal expansion than the shaft member 7. In the present embodiment, ferritic stainless steel such as SUS430 is used. In addition, the pressing member 6 has such a rigidity that deformation can be ignored even in an assembled state as will be described later.

<軸部材の構成>
軸部材7は、棒状に形成されており、一端には下部部材2の穴21に螺着されるネジが形成され、他端にはナット8が螺着されるネジが形成されている。このような軸部材7は、燃料極インターコネクタ32および空気極インターコネクタ33と同等、上部部材4と同等、または、熱膨張係数が11×10-6[/℃]程度のSUS410やSUS430が望ましい。本実施の形態においては、軸部材7の材料として、上部部材4よりも熱膨張係数が小さい材料が用いられる。
<Configuration of shaft member>
The shaft member 7 is formed in a rod shape, a screw that is screwed into the hole 21 of the lower member 2 is formed at one end, and a screw that is screwed into the nut 8 is formed at the other end. Such a shaft member 7 is preferably SUS410 or SUS430, which is equivalent to the fuel electrode interconnector 32 and the air electrode interconnector 33, equivalent to the upper member 4, or has a thermal expansion coefficient of about 11 × 10 −6 [/ ° C.]. . In the present embodiment, a material having a smaller thermal expansion coefficient than that of the upper member 4 is used as the material of the shaft member 7.

<ナットの構成>
ナット8は、公知の六角ナットから構成され、各軸部材7の他端に螺着される。このようなナット8は押圧部材に相当する。
<Nut configuration>
The nut 8 is composed of a known hex nut, and is screwed to the other end of each shaft member 7. Such a nut 8 corresponds to a pressing member.

<絶縁部材の構成>
絶縁部材9,10は、スタック3と同等の平面形状に形成されている。このような絶縁部材9,10は、マイカ、マグネシアまたはアルミナなどから構成される。中でも、マイカは低コストであるために望ましい。また、絶縁部材9,10の厚さは、下部部材2または上部部材4とより確実に絶縁するために、少なくとも1[mm]以上に形成されている。
<Configuration of insulating member>
The insulating members 9 and 10 are formed in a planar shape equivalent to the stack 3. Such insulating members 9 and 10 are made of mica, magnesia, alumina, or the like. Among these, mica is desirable because of its low cost. Further, the insulating members 9 and 10 are formed to have a thickness of at least 1 [mm] in order to more reliably insulate the lower member 2 or the upper member 4.

[固体酸化物形燃料電池の組み立て方法]
次に、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池の組み立て方法について説明する。
[Assembly method of solid oxide fuel cell]
Next, a method for assembling the solid oxide fuel cell according to the present embodiment will be described.

まず、下部部材2を地面や基台などの上に配置した後、下部部材2の各穴21に軸部材7を螺着させる。これにより、軸部材7は、下部部材2に対して垂設されることとなる。   First, after placing the lower member 2 on the ground, base, or the like, the shaft member 7 is screwed into each hole 21 of the lower member 2. As a result, the shaft member 7 is suspended from the lower member 2.

軸部材7を固定すると、下部部材2上面の軸部材7に囲まれた領域に絶縁部材9を載置した後、この絶縁部材9上にスタック3を配設する。ここで、スタック3は、図4に示すように組み立てられた状態で絶縁部材9上に配設される。また、スタック3は、セル30の積層方向と下部部材2の上面に対して垂直な方向、すなわち、鉛直方向とが一致するように絶縁部材9上に配設される。このとき、軸部材7とスタック3とは離間している。また、下部部材2とスタック3との間に絶縁部材9が設けられている。したがって、下部部材2とスタック3とは電気的に絶縁された状態となっている。   When the shaft member 7 is fixed, the insulating member 9 is placed in a region surrounded by the shaft member 7 on the upper surface of the lower member 2, and then the stack 3 is disposed on the insulating member 9. Here, the stack 3 is disposed on the insulating member 9 in an assembled state as shown in FIG. The stack 3 is disposed on the insulating member 9 so that the stacking direction of the cells 30 and the direction perpendicular to the upper surface of the lower member 2, that is, the vertical direction coincide. At this time, the shaft member 7 and the stack 3 are separated from each other. An insulating member 9 is provided between the lower member 2 and the stack 3. Therefore, the lower member 2 and the stack 3 are electrically insulated.

スタック3を配設すると、このスタック3上に絶縁部材10を載置した後、上部部材4の各孔41を対応する軸部材7の他端(開放端)に挿入して、上部部材4を絶縁部材10上に配設する。このとき、上部部材4の移動方向は、上部部材4の孔41に軸部材7が挿通されているので、軸部材7の延在方向、すなわち、下部部材2に対して垂直な方向(鉛直方向)に規制される。また、上部部材4と下部部材2とは、略平行になるとともに、スタック3のセル30の積層方向に対して垂直になっている。さらに、スタック3と上部部材4との間に絶縁部材10が設けられているので、スタック3と上部部材4とは電気的に絶縁された状態となっている。   When the stack 3 is disposed, the insulating member 10 is placed on the stack 3, and then each hole 41 of the upper member 4 is inserted into the other end (open end) of the corresponding shaft member 7. It is disposed on the insulating member 10. At this time, since the shaft member 7 is inserted into the hole 41 of the upper member 4, the moving direction of the upper member 4 is the direction in which the shaft member 7 extends, that is, the direction perpendicular to the lower member 2 (vertical direction). ). Further, the upper member 4 and the lower member 2 are substantially parallel and perpendicular to the stacking direction of the cells 30 of the stack 3. Further, since the insulating member 10 is provided between the stack 3 and the upper member 4, the stack 3 and the upper member 4 are electrically insulated.

上部部材4を配設すると、この上部部材4上面の凹部42上に球状部材5を配設する。ここで、凹部42を設けることにより、球状部材5が上部部材4上を移動するのを防ぎ、球状部材5を上部部材4上の所定の位置に配設することができる。   When the upper member 4 is disposed, the spherical member 5 is disposed on the concave portion 42 on the upper surface of the upper member 4. Here, by providing the recess 42, the spherical member 5 can be prevented from moving on the upper member 4, and the spherical member 5 can be disposed at a predetermined position on the upper member 4.

球状部材5を配設すると、押さえ部材6の各孔61を対応する軸部材7の他端に挿入した上で、押さえ部材6を球状部材5上に配設する。このとき、球状部材5と押さえ部材6とは、押さえ部材6の下面に形成した凹部62に接触する。また、押さえ部材6の移動方向は、押さえ部材6の孔61に軸部材7が挿通されているので、鉛直方向に規制される。   When the spherical member 5 is disposed, the pressing member 6 is disposed on the spherical member 5 after each hole 61 of the pressing member 6 is inserted into the other end of the corresponding shaft member 7. At this time, the spherical member 5 and the pressing member 6 are in contact with a recess 62 formed on the lower surface of the pressing member 6. Further, the movement direction of the pressing member 6 is regulated in the vertical direction because the shaft member 7 is inserted into the hole 61 of the pressing member 6.

押さえ部材6を配設すると、ナット8を各軸部材7の他端に螺合させ、所定のトルクでナット8を締め付けて固定する。これにより、固体酸化物形燃料電池1が組み立てられることとなる。   When the pressing member 6 is disposed, the nut 8 is screwed to the other end of each shaft member 7, and the nut 8 is tightened and fixed with a predetermined torque. Thereby, the solid oxide fuel cell 1 is assembled.

このとき、押さえ部材6は、ナット8により軸部材7の延在方向に沿いかつ下部部材2に向かって、すなわち鉛直下方に向かって押圧される。この押さえ部材6は、ナット8および軸部材7を介して、下部部材2に接続されている。また、押さえ部材6の下面には球状部材5が当接しており、この球状部材5の押さえ部材6と反対側には上部部材4が当接している。そして、下部部材2と上部部材4との間には、絶縁部材9または絶縁部材10を介してスタック3が配設されている。したがって、ナット8を締め付けることにより、スタック3は、下部部材2と上部部材4によりこれらが互いに近づく方向に押圧される、すなわち、鉛直上下方向から押圧されることとなる。このとき、スタック3は、セル30の積層方向、すなわち、単セル31、空気極インターコネクタ32および燃料極インターコネクタ33などの積層方向が、下部部材2と上部部材4の移動方向(鉛直方向)と一致している。したがって、対となる空気極インターコネクタ32と燃料極インターコネクタ33とが近づく方向に押圧されるので、スタック3の各構成要素間の接触、具体的には、燃料極インターコネクタ31と燃料極側集電体34との間、燃料極側集電体34と単セル31の燃料極311との間、空気極インターコネクタ32と空気極側集電体38との間、空気極側集電体38と単セル31の集電層314との間の接触がそれぞれ良好となるので、より高い出力を得ることができる。   At this time, the pressing member 6 is pressed by the nut 8 along the extending direction of the shaft member 7 and toward the lower member 2, that is, vertically downward. The pressing member 6 is connected to the lower member 2 via a nut 8 and a shaft member 7. Further, the spherical member 5 is in contact with the lower surface of the pressing member 6, and the upper member 4 is in contact with the side of the spherical member 5 opposite to the pressing member 6. A stack 3 is disposed between the lower member 2 and the upper member 4 via an insulating member 9 or an insulating member 10. Therefore, by tightening the nut 8, the stack 3 is pressed in the direction in which the lower member 2 and the upper member 4 approach each other, that is, pressed in the vertical vertical direction. At this time, in the stack 3, the stacking direction of the cells 30, that is, the stacking direction of the single cell 31, the air electrode interconnector 32, the fuel electrode interconnector 33, and the like is the moving direction (vertical direction) of the lower member 2 and the upper member 4. Is consistent with Accordingly, the air electrode interconnector 32 and the fuel electrode interconnector 33 that are paired are pressed in a direction in which they approach each other, so that the contact between the components of the stack 3, specifically, the fuel electrode interconnector 31 and the fuel electrode side Between the current collector 34, between the fuel electrode side current collector 34 and the fuel electrode 311 of the single cell 31, between the air electrode interconnector 32 and the air electrode side current collector 38, and between the air electrode side current collector Since the contact between the current collector 38 and the current collecting layer 314 of the single cell 31 is improved, a higher output can be obtained.

また、ナット8により押さえ部材6に付与された押圧力は、球状部材5を介して上部部材4に伝達される。ここで、球状部材5の押さえ部材6側の面は、押さえ部材6下面の凹部62と摺接している。また、球状部材5の上部部材4側の面は、上部部材4上面の凹部42と摺接している。したがって、上部部材4には軸部材7の延在方向、すなわち鉛直方向に沿った押圧力がかかることになる。これにより、各ナット8の座面抵抗が異なり、ナット8による締め付けにばらつきがあって押さえ部材6が鉛直方向に対して斜めに押圧されても、球状部材5の球面により、上部部材4は鉛直方向に沿って押圧されることとなる。よって、スタック3の各構成要素における接触面、具体的には、燃料極インターコネクタ32と燃料極側集電体34との接触面、燃料極側集電体34と単セル31の燃料極311との接触面、空気極インターコネクタ32と空気極側集電体38との接触面、空気極側集電体38と単セル3の集電層314との接触面に、それぞれ均一に荷重がかかるので、それらの構成材料間の接触が良好となり、結果として、高出力化を実現することができる。   Further, the pressing force applied to the pressing member 6 by the nut 8 is transmitted to the upper member 4 through the spherical member 5. Here, the surface of the spherical member 5 on the side of the pressing member 6 is in sliding contact with the recess 62 on the lower surface of the pressing member 6. The surface of the spherical member 5 on the upper member 4 side is in sliding contact with the concave portion 42 on the upper surface of the upper member 4. Therefore, a pressing force is applied to the upper member 4 along the extending direction of the shaft member 7, that is, the vertical direction. Thereby, the seating surface resistance of each nut 8 is different, and even if there is variation in tightening by the nut 8 and the pressing member 6 is pressed obliquely with respect to the vertical direction, the upper member 4 is vertically moved by the spherical surface of the spherical member 5. It will be pressed along the direction. Therefore, the contact surface of each component of the stack 3, specifically, the contact surface between the fuel electrode interconnector 32 and the fuel electrode side current collector 34, and the fuel electrode side current collector 34 and the fuel electrode 311 of the single cell 31. The contact surface between the air electrode interconnector 32 and the air electrode side current collector 38 and the contact surface between the air electrode side current collector 38 and the current collecting layer 314 of the single cell 3 are uniformly loaded. Therefore, the contact between these constituent materials becomes good, and as a result, high output can be realized.

このとき、上部部材4上面の凹部42および押さえ部材6下面の凹部62を設けることにより、球状部材5が上部部材4と押さえ部材6との間の空間を移動することを防ぐことができる。結果として、より確実に上部部材4を鉛直方向に押圧することができる。   At this time, by providing the recess 42 on the upper surface of the upper member 4 and the recess 62 on the lower surface of the pressing member 6, the spherical member 5 can be prevented from moving in the space between the upper member 4 and the pressing member 6. As a result, the upper member 4 can be more reliably pressed in the vertical direction.

[固体酸化物形燃料電池の動作]
次に、上述したような手順で組み立てられる固体酸化物形燃料電池1の発電動作について説明する。
[Operation of solid oxide fuel cell]
Next, the power generation operation of the solid oxide fuel cell 1 assembled by the procedure as described above will be described.

まず、ヒータ等により、固体酸化物形燃料電池1を所定の温度まで加熱した後、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。ここで、ドライ水素等の燃料ガスは、燃料ガスマニホールド39から燃料極インターコネクタ32の燃料ガス流路32aおよび燃料供給部32aを通り、燃料極側集電体34を経由して、単セル31の燃料極311に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールド40から空気極インターコネクタ33の酸化剤ガス流路33aおよび酸化剤ガス供給部33bを通り、空気極側集電体38を経由して、単セル31の集電層114から空気極113に供給される。このように燃料ガスおよび酸化剤ガスが所定の温度下において単セル31に供給されると、燃料極311と空気極313とにおいて電気化学反応が発生する。   First, after heating the solid oxide fuel cell 1 to a predetermined temperature with a heater or the like, fuel gas and oxidant gas are supplied. Here, the fuel gas such as dry hydrogen passes from the fuel gas manifold 39 through the fuel gas flow path 32a and the fuel supply part 32a of the fuel electrode interconnector 32, and via the fuel electrode side current collector 34 to the single cell 31. To the fuel electrode 311. On the other hand, the oxidant gas such as air passes from the oxidant gas manifold 40 through the oxidant gas flow path 33a and the oxidant gas supply part 33b of the air electrode interconnector 33, through the air electrode side current collector 38, The air is supplied from the current collecting layer 114 of the single cell 31 to the air electrode 113. As described above, when the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the single cell 31 at a predetermined temperature, an electrochemical reaction occurs between the fuel electrode 311 and the air electrode 313.

このような状態で、スタック3の上端セル30における空気極インターコネクタ33と下端のセル30における燃料極インターコネクタ32とを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。   In such a state, when the air electrode interconnector 33 in the upper end cell 30 of the stack 3 and the fuel electrode interconnector 32 in the lower end cell 30 are connected to the load circuit as terminals, electric power can be taken out.

このとき、球状部材5は、上部部材4および押さえ部材6よりも熱膨張係数が高い材料から構成されている。また、上部部材4および押さえ部材6は、軸部材7よりも熱膨張係数が高い材料から構成されている。したがって、発電のために固体酸化物形燃料電池1が加熱されると、球状部材5が上部部材4および押さえ部材6よりも膨張するので、上部部材4と押さえ部材6とが離間する方向の力が付与されてスタック3に荷重がかかるので、出力を向上させることができる。また、上部部材4および押さえ部材6が軸部材7よりも膨張するので、上部部材4および押さえ部材6が下部部材2に近づく方向の力が付与されてスタック3に荷重がかかるので、出力を向上させることができる。さらに、軸部材7と、燃料極インターコネクタ32および空気極インターコネクタ32とが同等の熱膨張係数の材料から構成されているので、発電のために固体酸化物形燃料電池1を加熱しても同様に膨張するため、固体酸化物形燃料電池1の破損を防ぐことができる。   At this time, the spherical member 5 is made of a material having a higher thermal expansion coefficient than the upper member 4 and the pressing member 6. Further, the upper member 4 and the pressing member 6 are made of a material having a higher thermal expansion coefficient than that of the shaft member 7. Accordingly, when the solid oxide fuel cell 1 is heated for power generation, the spherical member 5 expands more than the upper member 4 and the pressing member 6, and therefore the force in the direction in which the upper member 4 and the pressing member 6 are separated from each other. Since the load is applied to the stack 3, the output can be improved. Further, since the upper member 4 and the pressing member 6 are expanded more than the shaft member 7, a force is applied in a direction in which the upper member 4 and the pressing member 6 approach the lower member 2 and a load is applied to the stack 3, thereby improving the output. Can be made. Furthermore, since the shaft member 7, the fuel electrode interconnector 32, and the air electrode interconnector 32 are made of materials having the same thermal expansion coefficient, the solid oxide fuel cell 1 can be heated for power generation. Since it expands similarly, damage to the solid oxide fuel cell 1 can be prevented.

ここで、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池1により実際に発電を行った際の測定結果を図5に示す。この図5において、パターン1は球状部材5にSUS430を用いた場合、パターン2は球状部材5にSUS310を用いた場合を示している。また、比較のため、パターン3として球状部材5を設けない場合についても示す。このパターン3においては、上部部材4と押さえ部材6とが接触している。なお、図5では、スタック3が1つのセル30から構成され、燃料利用率が60[%]、電圧が50[A]における測定結果を示している。   Here, FIG. 5 shows the measurement results when power is actually generated by the solid oxide fuel cell 1 according to the present embodiment. In FIG. 5, the pattern 1 shows a case where SUS430 is used for the spherical member 5, and the pattern 2 shows a case where SUS310 is used for the spherical member 5. For comparison, the case where the spherical member 5 is not provided as the pattern 3 is also shown. In this pattern 3, the upper member 4 and the pressing member 6 are in contact. FIG. 5 shows the measurement results when the stack 3 is composed of one cell 30, the fuel utilization rate is 60 [%], and the voltage is 50 [A].

図5に示すように、球状部材5にSUS430を用いた場合(パターン1)の出力は34[W]、球状部材5としてSUS310を用いた場合(パターン2)の出力は42[W]であった。一方、球状部材5を用いない場合(パターン3)の出力は28[W]であった。このように、球状部材5を用いることにより、球状部材5を用いない場合よりも出力が向上することが確認された。また、球状部材5として熱膨張係数が大きいSUS310を用いた場合の方が、出力が高くなることも確認された。   As shown in FIG. 5, when SUS430 is used for the spherical member 5 (pattern 1), the output is 34 [W], and when SUS310 is used as the spherical member 5 (pattern 2), the output is 42 [W]. It was. On the other hand, when the spherical member 5 was not used (pattern 3), the output was 28 [W]. Thus, it was confirmed that the use of the spherical member 5 improves the output as compared with the case where the spherical member 5 is not used. It was also confirmed that the output was higher when SUS310 having a large thermal expansion coefficient was used as the spherical member 5.

以上説明したように、本実施の形態によれば、上部部材4と押さえ部材6との間に球状部材5を設けることにより、例えば押さえ部材6がセル30の積層方向に対して斜めに押圧されても、上部部材4および押さえ部材6が球状部材5の球面に接触しているので、上部部材4がセル30の積層方向に押圧される。これにより、スタック3をセル30の積層方向に一様に押圧することができる。また、バネやベローズなどを用いなくてもスタック3を積層方向に一様に押圧できるので、低コストを実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, by providing the spherical member 5 between the upper member 4 and the pressing member 6, for example, the pressing member 6 is pressed obliquely with respect to the stacking direction of the cells 30. However, since the upper member 4 and the pressing member 6 are in contact with the spherical surface of the spherical member 5, the upper member 4 is pressed in the stacking direction of the cells 30. Thereby, the stack 3 can be pressed uniformly in the stacking direction of the cells 30. Further, since the stack 3 can be uniformly pressed in the stacking direction without using a spring or a bellows, a low cost can be realized.

なお、本実施の形態では、上部部材4と押さえ部材6との間に球体からなる球状部材5を設ける場合を例に説明したが、上部部材4および押さえ部材6の少なくとも一方との接触面が球面から構成される、すなわち、上部部材4および押さえ部材6の少なくとも一方と面で接触しなければ、上部部材4と押さえ部材6との間に設ける部材は球体に限定されず、適宜自由に設定することができる。したがって、例えば、半球体や回転楕円体などを球面を有する部材や、錐体など点で接触する部材を設けるようにしてもよい。   In this embodiment, the case where the spherical member 5 made of a spherical body is provided between the upper member 4 and the pressing member 6 has been described as an example, but the contact surface with at least one of the upper member 4 and the pressing member 6 is The member provided between the upper member 4 and the pressing member 6 is not limited to a sphere, and can be freely set as appropriate as long as it is configured from a spherical surface. can do. Therefore, for example, a member having a spherical surface such as a hemisphere or a spheroid, or a member that contacts at a point such as a cone may be provided.

また、本実施の形態では、軸部材7およびナット8により押さえ部材6を押圧する場合を例に説明したが、押さえ部材6を押圧するための構成はこれに限定されず、例えば、下部部材2と押さえ部材6とをクランプする装置を設けるなど、各種方法を適宜自由に用いることができる。   Moreover, although the case where the pressing member 6 is pressed by the shaft member 7 and the nut 8 has been described as an example in the present embodiment, the configuration for pressing the pressing member 6 is not limited to this. For example, the lower member 2 Various methods can be used freely as appropriate, such as providing a device for clamping the pressing member 6 and the pressing member 6.

また、本実施の形態では、球状部材5と当接する上部部材4および押さえ部材6に球面状の凹部42または凹部62を設ける場合を例に説明したが、それらの代わりに孔を形成するようにしてもよい。このようにしても、球状部材5と上部部材4および押さえ部材6とは、摺接することになり、実質的に一点で当接することになるので、本実施の形態と同等の作用効果を実現することができる。なお、凹部42および凹部62を設けないようにしてもよいことは言うまでもない。   Further, in this embodiment, the case where the spherical concave portion 42 or the concave portion 62 is provided in the upper member 4 and the pressing member 6 that are in contact with the spherical member 5 has been described as an example. However, instead of these, a hole is formed. May be. Even if it does in this way, since the spherical member 5, the upper member 4, and the pressing member 6 will slidably contact and will contact | abut substantially one point, the effect equivalent to this Embodiment is implement | achieved. be able to. Needless to say, the recess 42 and the recess 62 may be omitted.

また、本実施の形態では、上部部材4、球状部材5、押さえ部材6および軸部材7が金属から構成される場合を例に説明したが、それぞれ本実施の形態で説明した熱膨張係数を有するのであればその材料は金属に限定されず、例えばセラミックスなど各種材料を用いることができる。   Further, in the present embodiment, the case where the upper member 4, the spherical member 5, the pressing member 6 and the shaft member 7 are made of metal has been described as an example, but each has the thermal expansion coefficient described in the present embodiment. If it is, the material will not be limited to a metal, For example, various materials, such as ceramics, can be used.

また、本実施の形態では、ナット8により押さえ部材6が押圧して固定する場合を例に説明したが、押さえ部材6を固定するための構成はナット8に限定されず、例えば、かしめ、クランプ、溶接など、各種方法を用いることができる。   Further, in the present embodiment, the case where the pressing member 6 is pressed and fixed by the nut 8 has been described as an example. However, the configuration for fixing the pressing member 6 is not limited to the nut 8, and for example, caulking, clamping Various methods such as welding can be used.

なお、本実施の形態では、下部基板2、上部基板4、押さえ板6、燃料極インターコネクタ32および空気極インターコネクタ33が平面視略矩形に形成された場合を例に説明したが、それらの平面形状は矩形に限定されず、例えば円形など適宜自由に設定できることは言うまでもない。同様に、単セル31についても、平面視略円形に形成された場合を例に説明したが、それらの平面形状は円形に限定されず、例えば矩形など適宜自由に設定できることは言うまでもない。   In the present embodiment, the case where the lower substrate 2, the upper substrate 4, the holding plate 6, the fuel electrode interconnector 32, and the air electrode interconnector 33 are formed in a substantially rectangular shape in plan view has been described as an example. Needless to say, the planar shape is not limited to a rectangle, and can be set as appropriate, such as a circle. Similarly, the unit cell 31 has been described by way of example in which the unit cell 31 is formed in a substantially circular shape in plan view. However, the planar shape is not limited to a circular shape, and it is needless to say that a rectangular shape or the like can be set as appropriate.

本発明は、固体酸化物形燃料電池に適用することができる。   The present invention can be applied to a solid oxide fuel cell.

1…固体酸化物形燃料電池、2…下部部材、3…スタック、4…上部部材、5…球状部材、6…押さえ部材、7…軸部材、8…ナット、9,10…絶縁部材、21…穴、30…セル、31…単セル、32…燃料極インターコネクタ、32a…燃料ガス流路、32b…燃料ガス供給部、33…空気極インターコネクタ、33a…酸化剤ガス流路、33b…酸化剤ガス供給部、34…燃料極側集電体、35…セルホルダ、36…シール部材、37…絶縁部材、38…空気極側集電体、39…燃料ガスマニホールド、40…酸化剤ガスマニホールド、41…孔、42…凹部、61…孔、62…凹部、311…燃料極、312…電解質、313…空気極、314…集電層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid oxide fuel cell, 2 ... Lower member, 3 ... Stack, 4 ... Upper member, 5 ... Spherical member, 6 ... Holding member, 7 ... Shaft member, 8 ... Nut, 9, 10 ... Insulating member, 21 ... Hole, 30 ... Cell, 31 ... Single cell, 32 ... Fuel electrode interconnector, 32a ... Fuel gas flow path, 32b ... Fuel gas supply part, 33 ... Air electrode interconnector, 33a ... Oxidant gas flow path, 33b ... Oxidant gas supply unit 34 ... Fuel electrode side current collector 35 ... Cell holder 36 ... Seal member 37 ... Insulating member 38 ... Air electrode side current collector 39 ... Fuel gas manifold 40 ... Oxidant gas manifold , 41 ... hole, 42 ... recess, 61 ... hole, 62 ... recess, 311 ... fuel electrode, 312 ... electrolyte, 313 ... air electrode, 314 ... current collecting layer.

Claims (7)

板状の第1の部材と、
燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容した収容部材とを含むセルを前記第1の部材上に複数積層したスタックと、
前記スタック上に配設された板状の第2の部材と、
前記スタック上方の前記第2の部材上に配設された第3の部材と、
前記第2の部材と離間して第3の部材上に配設された板状の第4の部材と、
この第4の部材を前記第1の部材に向かって押し付ける第5の部材と
を備え、
前記第3の部材は、前記第2の部材および前記第4の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A plate-like first member;
A cell including a fuel cell, a single cell composed of an electrolyte composed of a solid oxide disposed on the fuel electrode, an air electrode disposed on the electrolyte, and a housing member accommodating the single cell is provided in the first embodiment. A stack of multiple layers on the member,
A plate-like second member disposed on the stack;
A third member disposed on the second member above the stack;
A plate-like fourth member disposed on the third member apart from the second member;
A fourth member that presses the fourth member toward the first member,
The solid oxide fuel cell, wherein the third member has a spherical contact surface with at least one of the second member and the fourth member.
請求項1記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第5の部材は、
前記スタックと離間して前記第1の部材に垂設され、開放端が前記第2の部材および前記第3の部材を貫通する複数の軸部材と、
各前記軸部材の他端側に設けられ、前記第3の部材を前記軸部材に沿って当該軸部材の前記一端側に向かって押圧する押圧部材と
から構成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
The fifth member is
A plurality of shaft members that are vertically suspended from the first member and spaced from the stack, and whose open ends penetrate the second member and the third member;
A solid member that is provided on the other end side of each shaft member, and that presses the third member along the shaft member toward the one end side of the shaft member. Physical fuel cell.
請求項2記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記収容部材および前記軸部材は、前記第2の部材、前記第3の部材および前記第4の部材よりも熱膨張係数が小さい材料から構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein
The housing member and the shaft member are made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the second member, the third member, and the fourth member. A solid oxide fuel cell, wherein:
請求項2または3記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記収容部材および前記軸部材は、第1の値の熱膨張係数を有する材料から構成され、
前記第2の部材および前記第4の部材は、前記第1の値よりも大きい第2の値の熱膨張係数を有する材料から構成され、
前記第3の部材は、前記第2の値よりも大きい第3の値の熱膨張係数を有する材料から構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 2 or 3,
The housing member and the shaft member are made of a material having a first value thermal expansion coefficient,
The second member and the fourth member are made of a material having a second coefficient of thermal expansion greater than the first value,
The third member is made of a material having a third coefficient of thermal expansion greater than the second value. A solid oxide fuel cell, wherein:
請求項1乃至4の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第2の部材および前記第4の部材のうち少なくとも一方は、中央部に形成された凹部を有し、
前記第3の部材は、前記球面が前記凹部上に配設される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
At least one of the second member and the fourth member has a recess formed in a central portion,
The third member is a solid oxide fuel cell, wherein the spherical surface is disposed on the recess.
請求項1乃至5の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第3の部材は、球体から構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The third member is composed of a sphere. A solid oxide fuel cell, wherein:
燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容した収容部材と含むセルを複数積層したスタックを、板状の第1の部材上に配設する第1のステップと、
板状の第2の部材を前記スタック上に配設する第2のステップと、
第3の部材を前記スタック上方の前記第2の部材上に配設する第3のステップと、
板状の第4の部材を、前記第2の部材と離間した状態で前記第3の部材上に配設する第4のステップと、
前記第4の部材を、前記第1の部材に向かって押し付ける第5のステップと
を有し、
前記第3の部材は、前記第2の部材および前記第4の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の組み立て方法。
A stack in which a plurality of cells including a fuel cell, a single cell composed of a solid oxide electrolyte disposed on the fuel electrode, and an air electrode disposed on the electrolyte, and a housing member accommodating the single cell, are stacked. A first step of disposing on a plate-like first member;
A second step of disposing a plate-like second member on the stack;
A third step of disposing a third member on the second member above the stack;
A fourth step of disposing a plate-like fourth member on the third member in a state of being separated from the second member;
A fifth step of pressing the fourth member toward the first member;
The method of assembling a solid oxide fuel cell, wherein the third member has a spherical contact surface with at least one of the second member and the fourth member.
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