JP2015162286A - Fuel battery cell stack device and fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルスタック装置および燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack device and a fuel cell device.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルが複数配列されてなる燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In recent years, as a next-generation energy, a fuel cell stack device in which a plurality of fuel cells that can obtain electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air) are arranged in a storage container Various fuel cell modules that are housed and fuel cell devices in which the fuel cell module is housed in an exterior case have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
また、発電に使用されなかった燃料ガスを回収して再利用するオフガスリサイクルタイプの燃料電池装置も提案されている。 Further, an off-gas recycle type fuel cell device that collects and reuses fuel gas that has not been used for power generation has also been proposed.
ところで、このようなオフガスリサイクルタイプのセルスタック装置においては、燃料電池セルは、それぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドや、使用されなかった燃料ガスを回収するためのマニホールドにシール材を介して固定することが考えられるが、このシール材においてクラック等が生じ、それによりガスリークが生じるという問題があった。 By the way, in such an off-gas recycling type cell stack device, the fuel cells are sealed in a manifold for supplying the fuel gas to each fuel cell or a manifold for collecting the unused fuel gas. Although it is conceivable to fix through a material, there is a problem that a crack or the like is generated in the sealing material, thereby causing a gas leak.
それゆえ、本発明は、このシール材におけるクラックの発生を抑制することができ、長期信頼性が向上した燃料電池セルスタック装置、それを備える燃料電池装置を提供することにある。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack device that can suppress the occurrence of cracks in the sealing material and has improved long-term reliability, and a fuel cell device including the same.
本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部にガス流路を有する燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの一端がシール材にて固定されているとともに、前記燃料電池セルにガスを供給するための第1のマニホールドと、前記燃料電池セルの他端がシール材にて固定されているとともに、前記燃料電池セルより排出されるガスを回収するための第2のマニホールドと、前記燃料電池セルの配列方向における両端に、前記燃料電池セルスタックを狭持するように配置された導電部材とを具備し、少なくとも一方の前記導電部材において、一端および他端のうち少なくとも一方が、前記マニホールドと離間するように配置されていることを特徴とする。
The fuel cell stack device of the present invention has a fuel cell stack formed by arranging a plurality of fuel cells having gas flow paths therein, and one end of the fuel cell is fixed with a sealing material, A first manifold for supplying gas to the fuel battery cell and a second manifold for recovering the gas discharged from the fuel battery cell while the other end of the fuel battery cell is fixed by a
また、本発明の燃料電池装置は、収納容器内に、上記に記載の燃料電池セルスタック装置を収納してなることを特徴とする。 The fuel cell device of the present invention is characterized in that the fuel cell stack device described above is accommodated in a storage container.
本発明の燃料電池セルスタック装置は、シール材におけるクラックの発生を抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。 The fuel cell stack device of the present invention can suppress the occurrence of cracks in the sealing material and can be a fuel cell stack device with improved long-term reliability.
また、本発明の燃料電池装置は、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができ
る。
The fuel cell device of the present invention can be a fuel cell device with improved long-term reliability.
図1は、内部をガスが一端から他端に流通するガス流路(図示せず)を有する燃料電池セル2を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル2間がセル間導電部材(図1においては図示せず)を介して電気的に直列に接続された燃料電池セルスタック3を備える燃料電池セルスタック装置1(以下、単にセルスタック3やセルスタック装置1と略す場合がある。)を示す。各燃料電池セル2は、下端がガラス等の絶縁性のシール材(図示せず)で第1のマニホールド4に固定されており、上端が同様にシール材で第2のマニホールド7に固定されている。なお、第1のマニホールド4には燃料ガスを供給するガス供給管8が接続されており、第2のマニホールド7には発電に使用されなかった燃料ガスを回収するガス回収管9が接続されている。また、図1に示すセルスタック装置1においては、セルスタック3における燃料電池セル2の配列方向の両端には、各燃料電池セル2が発電した電流を導出するための導電部材5が設けられている。なお導電部材5も、セル間導電部材を介して接続されている。また、図1に示す導電部材5においては、導電部材5の下端側に、セルスタック3の外側に突出する電流導出部6が設けられている。また、導電部材5の外側に、導電部材5の一部としてセルスタック3の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、導電部材5やセルスタック3を保護する目的で、保護カバーを設けてもよい。
FIG. 1 shows a configuration in which
なお、図1においては、それぞれのマニホールドに1つのセルスタック3を固定した例を示しているが、適宜その数は変更することができ、例えばそれぞれのマニホールドにセルスタック3を複数個固定してもよい。
Although FIG. 1 shows an example in which one
上述したセルスタック装置1において、ガス流路に水素含有ガス(燃料ガス)を流すことで発電を行なうことができ、第1のマニホールド4が燃料ガスを供給するための供給部となり、第2のマニホールド7が、燃料電池セルより排出された発電に利用されていない排ガスを回収するための回収部となる。すなわち、オフガスをリサイクルするタイプの燃料電池として用いることが可能となる。
In the
ちなみに、上述の第1のマニホールド4と第2のマニホールド7とは逆の構成としてもよい。
Incidentally, the
なお、各マニホールドは、燃料電池セル2に供給するもしくは燃料電池セル2より回収するガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケース18と、内側に燃料電池セル2を固定するとともに、ガスケースに固定される枠体19とを備えている。
Each manifold stores a gas supplied to the
図2は、(a)は図1に示すセルスタック装置1の断面図であり、(b)は(a)で示す破線部分を抜粋して示す平面図である。まず、図2(b)を用いて燃料電池セル2について説明する。なお、(a)は側面側の断面図であり、一部ハッチングを省略しているほか、導電部材5を明りょうとすべく点にて塗っている。
2A is a cross-sectional view of the
図2に示す燃料電池セル2は、内部をガスが長手方向に流通するガス流路を複数有する中空平板型で、ガス流路を有する支持基板の表面に、内側電極層、固体電解質層および外
側電極層を順に積層してなる燃料電池セル2を例示している。以下、中空平板型の例を用いて説明するが、平板型や円筒型の燃料電池セル2とすることもできる。
The
図2に示す燃料電池セル2は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板15(以下、支持基板15と略す場合がある)の一方の平坦面上に内側電極層11、固体電解質層12及び外側電極層13を順次積層してなる柱状(中空平板状等)からなる。この導電性支持基板15には、内部をガス流れるガス流路16が設けられており、図2においては6つのガス流路が設けられた例を示している。また、燃料電池セル2の他方の平坦面上にはインターコネクタ14が設けられており、インターコネクタ14の外面(上面)にはP型半導体層17が設けられている。P型半導体層17を介して、セル間導電部材10をインターコネクタ14に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし導電性能の低下を有効に回避することが可能となる。また、支持基板は内側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体燃料電池質層および外側電極層を順次積層して燃料電池セルを構成することもできる。なお、以下の説明において内側電極層を燃料極層とし、外側電極層を空気極層として説明する。
The
内側電極層11は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。
For the
固体電解質層12は、内側電極層11、外側電極層13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ことが必要とされ、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。
The solid electrolyte layer 12 functions as an electrolyte that bridges electrons between the
外側電極層13は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるABO3型のペロブスカイト型複合酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。外側電極層13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 outer electrode layer 13 is not particularly limited as long as it is generally used. For example, the outer electrode layer 13 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite complex oxide. The outer electrode layer 13 needs to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.
支持基板15としては、ガスを内側電極層11まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ14を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、支持基板15としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。燃料電池セル2を作製するにあたり、内側電極層11または固体電解質層12との同時焼成により支持基板15を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板15を形成することが好ましい。また、支持基板15は、ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35〜50%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。
The
P型半導体層17としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ14を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO3系複合酸化物、LaFeO3系複合酸化物、LaCoO3系複合酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体層17の厚みは、一般に、30〜100μmの範囲にあることが好ましい。
An example of the P-
インターコネクタ14は、上述したとおり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型複合酸化物(LaCrO3系複合酸化物)、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系
のペロブスカイト型複合酸化物(LaSrTiO3系複合酸化物)が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスや酸素含有ガス(空気等)と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ14は支持基板15に形成されたガス流路16を流通するガス、および支持基板15の外側を流通する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好ましい。
As described above, the interconnector 14 is preferably a lanthanum chromite perovskite complex oxide (LaCrO 3 complex oxide) or a lanthanum strontium titanium perovskite complex oxide (LaSrTiO 3 complex oxide). used. These materials have conductivity and are not reduced or oxidized even when they come into contact with a hydrogen-containing gas or an oxygen-containing gas (air or the like). Further, the interconnector 14 must be dense in order to prevent leakage of the gas flowing through the gas flow path 16 formed on the
そして、燃料電池セル2を電気的に接続するために介装されるセル間導電部材10および導電部材5は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。
The inter-cell
ところで、このような燃料電池セル2の一端(下端)および他端(上端)は、各マニホールドの枠体19に囲まれており、枠体19の内側に充填されたシール材20で燃料電池セル2の下端部の外周が固定されている。つまり、セルスタック3は、枠体19の内側に複数の燃料電池セル2を並べ、各燃料電池セル2を、セル間導電部材10を介して接続して収容し、シール材20で枠体19に接着されている。なお、この枠体19の内側が固定部となる。また、シール材20は、耐熱性かつ絶縁性を有している材料を用いることが好ましく、例えばガラス等を用いることができる。
By the way, one end (lower end) and the other end (upper end) of such a
一方、第1のマニホールド4、第2のマニホールド7を構成するガスケース18は、燃料電池セル2のガス流路16にガスを供給する開口部を有しており、環状の枠体19の一端部が、ガスケース18の開口部を取り囲むように環状に形成された溝部に差し込まれて、シール材20にて固定されている。それにより、燃料電池セル2のガス流路16以外の部分が気密に封止されている。
On the other hand, the
この構成では、燃料電池セルスタック3をガスケース18に接続する前に、別途、燃料電池セル2の一端部をシール材20で枠体19に接着し、その後で枠体19をガスケース20に接着して封止することが可能である。
In this configuration, before connecting the
ところで、セルスタック装置1において、運転時や製造時において、ガラス等からなるシール材20においてクラック等が生じる場合がある。これは、燃料電池セル2、セル間導電部材10、導電部材5等をシール材20に固定した場合に、運転時や製造における熱により、各部材が膨張等によって、シール材20に応力が発生し、その応力に伴って生じるものと考えられる。特に、枠体19との界面や燃料電池セル2との界面にこのクラックが生じやすい。
By the way, in the
それゆえ、図2に示すセルスタック装置1においては、シール材20におけるクラックの発生を抑制するにあたって、シール材20に発生する応力を減らすことを目的として、導電部材5の他端(上端)を、第2のマニホールド7と離間するように配置している。言い換えれば、導電部材5は上端がシール材20に固定されていない構成とされている。なお、図2においては、この部分を一点破線にて示している。
Therefore, in the
導電部材5に生じる応力がシール材20に伝搬することを抑制できることから、シール材20においてクラックが生じることを抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上したセルスタック装置1とすることができる。
Since it can suppress that the stress which arises in the electrically-
なお、図2においては、導電部材5の他端(上端)と第2のマニホールド7との間が離間している例を示しているが、導電部材5の一端(下端)と第1のマニホールド4との間を離間させるほか、導電部材5の上下端のいずれも第1のマニホールド4と第2のマニホールド7と離間させてもよい。さらに、図2に示すセルスタック装置1においては、両端
に位置する導電部材5の他端(上端)と第2のマニホールド7との間が離間している例を示しているが、一方の導電部材5のみが離間していてもよい。
FIG. 2 shows an example in which the other end (upper end) of the
ここで、導電部材5を各マニホールドから離間させるにあたっては、導電部材に生じる応力の大きい側を各マニホールドから離間させることが好ましい。たとえば、第1のマニホールド4側と第2のマニホールド7側とで温度を比較した場合に、温度の高い方が導電部材5に生じる応力、ひいてはシール材に生じる応力が大きくなる傾向がある。それゆえ、このような構成のセルスタック装置1においては、温度の高い方のマニホールド側と、それに対応する導電部材5の端とを離間させることで、より効果を有することができる。従って、導電部材5と各マニホールドとを離間させるにあたっては、第1のマニホールド4を流れる流体の温度、第2のマニホールド7を流れる温度等に基づいて、適宜設定すればよい。
Here, when separating the
例えば、セルスタック装置1の第1のマニホールド4に高温の燃料ガスを導入し、第2のマニホールド7にて発電に使用されなかった燃料ガスを回収する構成にあたっては、導入される燃料ガスの温度が高いことから、導電部材5の一端(下端)と第1のマニホールド4との間を離間させることもできる。
For example, in a configuration in which high-temperature fuel gas is introduced into the
ちなみに、導電部材5を各マニホールドと離間させるにあたっては、発電効率との兼ね合いを考慮して適宜設定することができるが、例えば1〜10mmとすることができる。なおこの場合、導電部材5と各マニホールドとの距離とは、シール材20の表面と導電部材5の一端との距離を意味する。
Incidentally, when the
図3は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の一例を示す断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the fuel cell stack device of the present embodiment.
図2に示すセルスタック装置1と対比して、導電部材5の他端が第2のマニホールド7に固定されており、一方で導電部材5の一端が第1のマニホールド4に固定されている点で異なる。なお、図3においては、この離間している部分を一点破線にて示している。
In contrast to the
図3に示すセルスタック装置21においては、導電部材5の下端部側に、電流を外部に引き出すための電流導出部6が設けられている。ここで、導電部材5においては、この電流導出部6が接続された部分において、ジュール熱が発生し、導電部材5そのものの温度が上昇する場合も想定される。この場合、導電部材5そのものを見た場合に、電流導出部6が設けられている側の端部側の温度が高くなることが想定される。
In the
従って、導電部材5の端を各マニホールドと離間させるにあたり、導電部材5のうち電流導出部6が設けられている側の端を、マニホールドに対して離間させることができる。
Therefore, when the end of the
それゆえ、図3に示すセルスタック装置21においては、導電部材5の下端部側に電流導出部6が設けられていることから、導電部材5の下端と第1のマニホールド4とを離間させている。
Therefore, in the
それにより、導電部材5に生じる応力がシール材20に伝搬することを抑制できることから、シール材20においてクラックが生じることを抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上したセルスタック装置21とすることができる。
Thereby, since it can suppress that the stress which arises in the electrically-
なお、このように導電部材5と各マニホールドとを離間させた場合において、導電部材5とセル間導電部材10とが剥離するおそれがある。
When the
そこで、このような剥離を抑制することを目的として、導電部材5とシール材20との
間に、シール材20とは異なる材料からなり、導電部材5の一端部を保持するための保持部材を設けることもできる。なお、保持部材としては、弾性を有し、変形可能なものである必要があり、例えば、綿状の断熱材や、ガラス等にて作製されたらせん状の線材や板バネ等を用いることができる。それにより、より導電部材5に生じた応力を保持部材にて吸収することができ、導電部材5が剥離することを抑制することができる。
Therefore, for the purpose of suppressing such peeling, a holding member for holding one end of the
なお、保持部材を設ける場合には、各マニホールドの枠体19が導電性である場合に、保持部材と枠体19とが接触することでショートするおそれがあることから、保持部材は絶縁性であることが好ましい。それゆえこの場合、保持部材は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、並びにこれらを含む複合酸化物等の材料にて作製することが好ましい。なお、導電性、絶縁性とは、セルスタック装置の運転環境下において、電気を通す性質を示すものを導電性、電気を通さない性質を示すものを絶縁性とする。
When the holding member is provided, if the
また、上述したように、シール材20において、燃料電池セル2との界面部分にもクラックが生じやすい。それゆえ、燃料電池セル2とシール材20との応力の緩和を目的として、シール材20の表面に、酸化物を主成分としてなるとともに、燃料電池セル2の一端部とシール材20とを固定するための固定材を設けることもできる。それにより、燃料電池セル2の膨張や変形等により生じる応力を、固定材にて緩和することができ、燃料電池セル2との界面におけるクラック等の発生を抑制することができる。
Further, as described above, in the sealing
なおこのような固定材としては、例えば酸化アルミニウム、酸化ケイ素を主成分とする断熱材を用いて作製することができる。 As such a fixing material, for example, a heat insulating material mainly composed of aluminum oxide or silicon oxide can be used.
そして、上述した燃料電池セルスタック装置1、21を収納容器内に収納することで、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる(図示せず)。なお、収納容器内には、燃料電池セル2の温度を上昇し、高温に保持するためのヒータ等の熱源装置を備えていることが好ましい。
And it can be set as the fuel cell apparatus which improved long-term reliability by accommodating the fuel
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル2を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルスタックを用いることもできる。
In the above example, the
1、21:燃料電池セルスタック装置
2:燃料電池セル
4:第1のマニホールド
5:導電部材
6:電流導出部
7:第2のマニホールド
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池セルの他端がシール材にて固定されているとともに、前記燃料電池セルより排出されるガスを回収するための第2のマニホールドと、
前記燃料電池セルの配列方向における両端に、前記燃料電池セルスタックを狭持するように配置された導電部材とを具備し、
少なくとも一方の前記導電部材において、一端および他端のうち少なくとも一方が、前記マニホールドと離間するように配置されていることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。 A fuel cell stack formed by arranging a plurality of fuel cells having gas flow paths therein, one end of the fuel cell being fixed by a sealing material, and supplying gas to the fuel cell A first manifold of
A second manifold for recovering the gas discharged from the fuel battery cell, the other end of the fuel battery cell being fixed by a sealing material;
A conductive member arranged to sandwich the fuel cell stack at both ends in the arrangement direction of the fuel cells,
In at least one of the conductive members, at least one of one end and the other end is disposed so as to be separated from the manifold.
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