JP2016207270A - Fuel cell stack and power generation module - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、燃料電池スタックおよび発電モジュールに関する。 The technology disclosed by the present specification relates to a fuel cell stack and a power generation module.
固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)は、一般に、所定の方向(以下、「配列方向」ともいう)に並べて配置された複数の発電単位を備える燃料電池スタックの形態で利用される。ここで、発電単位は、発電の最小単位であり、電解質層と、電解質層を挟んで上記配列方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含んでいる。 A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) is generally used in the form of a fuel cell stack including a plurality of power generation units arranged in a predetermined direction (hereinafter also referred to as “array direction”). Is done. Here, the power generation unit is the minimum unit of power generation, and includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the arrangement direction with the electrolyte layer interposed therebetween.
燃料電池スタックの締結には、上記配列方向に延びる複数のボルトが利用される。また、このボルトを利用して、燃料ガスや酸化剤ガスを流すためのガス流路(「マニホールド」とも呼ばれる)を形成する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。この技術では、ボルトの軸部の外周面とボルトが挿入される孔の内周面との間に形成された空間や、ボルトの軸部の内部に形成された空間が、ガス流路として利用される。 For fastening the fuel cell stack, a plurality of bolts extending in the arrangement direction are used. In addition, a technique for forming a gas flow path (also referred to as a “manifold”) for flowing fuel gas or oxidant gas using this bolt is known (see, for example, Patent Document 1). In this technology, a space formed between the outer peripheral surface of the bolt shaft and the inner peripheral surface of the hole into which the bolt is inserted, or a space formed inside the bolt shaft is used as a gas flow path. Is done.
上記従来の技術において、あるボルトにより形成されるガス流路を通るガスの温度と、別のボルトにより形成されるガス流路を通るガスの温度との間に差がある場合がある。例えば、燃料電池スタックの各発電単位における発電反応では熱が発生するため、燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路を通るガスの温度は、燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路を通るガスの温度より高い。このように、上記従来の技術では、各ガス流路を形成する各ボルトが互いに異なる温度のガスに晒され、各ボルトの熱膨張による変形量に差が生ずる場合がある。各ボルトの熱膨張による変形量差がある程度大きくなると、燃料電池スタックの面方向(上記配列方向に直交する方向)において燃料電池スタックを配列方向に押さえる圧力(以下、「接圧」ともいう)がばらつき、燃料電池スタックの内部から外部にガスが漏洩するおそれがある。なお、このような課題は、SOFCに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。 In the above conventional technique, there may be a difference between the temperature of the gas passing through the gas flow path formed by a certain bolt and the temperature of the gas passing through the gas flow path formed by another bolt. For example, since heat is generated in the power generation reaction in each power generation unit of the fuel cell stack, the temperature of the gas passing through the gas flow path for discharging the gas to the outside of the fuel cell stack is introduced from the outside of the fuel cell stack. Higher than the temperature of the gas passing through the gas flow path. As described above, in the conventional technique, each bolt forming each gas flow path is exposed to gases having different temperatures, and there is a case where a difference occurs in the deformation amount due to thermal expansion of each bolt. When the deformation difference due to thermal expansion of each bolt increases to some extent, the pressure (hereinafter also referred to as “contact pressure”) that holds the fuel cell stack in the arrangement direction in the surface direction of the fuel cell stack (the direction orthogonal to the arrangement direction). There is a risk of gas leaking from the inside of the fuel cell stack to the outside. Such a problem is not limited to SOFC, but is common to other types of fuel cells.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.
(1)本明細書に開示される一形態の燃料電池スタックは、電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含み、前記第1の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第1の方向に延びる複数のボルトと、を備え、前記複数のボルトで締結された燃料電池スタックにおいて、前記複数のボルトは、前記燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路を形成する第1のボルトと、前記燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路を形成する第2のボルトとを含み、前記第1のボルトの線熱膨張係数α1と前記第2のボルトの線熱膨張係数α2とは、α2<α1の関係を満たすことを特徴とする。一般に、燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路のガス温度(T(A))は、燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路のガス温度(T(B))より低い(T(A)<T(B))。この燃料電池スタックによれば、比較的低温(T(A))のガスが流れるガス流路を形成する第1のボルトの線熱膨張係数α1が、比較的高温(T(B))のガスが流れるガス流路を形成する第2のボルトの線熱膨張係数α2より大きいため、燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路と燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路とのそれぞれを流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 (1) A fuel cell stack according to one aspect disclosed in the present specification includes an electrolyte layer, an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and the first A fuel cell stack comprising a plurality of power generation units arranged in a direction and a plurality of bolts extending in the first direction, wherein the plurality of bolts are the fuel cell stack A first bolt that forms a gas flow path through which gas is introduced from the outside of the fuel cell stack, and a second bolt that forms a gas flow path that discharges gas to the outside of the fuel cell stack. wherein a linear thermal expansion coefficient alpha 1 of the bolt the second and the linear thermal expansion coefficient alpha 2 of the bolt, and satisfies the alpha 2 <alpha 1 relationship. In general, the gas temperature (T (A)) of the gas flow path into which gas is introduced from the outside of the fuel cell stack is equal to the gas temperature (T (B)) of the gas flow path for discharging the gas to the outside of the fuel cell stack. Lower (T (A) <T (B)). According to this fuel cell stack, the linear thermal expansion coefficient α1 of the first bolt that forms the gas flow path through which the relatively low temperature (T (A)) gas flows has a relatively high temperature (T (B)). Since the linear thermal expansion coefficient α2 of the second bolt that forms the gas flow path through which the gas flows is larger, the gas is discharged from the outside of the fuel cell stack to the gas flow path where the gas is introduced from the outside of the fuel cell stack. The difference in deformation amount of each bolt caused by the temperature difference of the gas flowing through each of the gas flow paths can be reduced, and the leakage of gas caused by variations in contact pressure in the surface direction can be suppressed. .
(2)上記燃料電池スタックにおいて、前記第1のボルトの線熱膨張係数α1と前記第2のボルトの線熱膨張係数α2とは、α1<1.7α2の関係を満たす構成としてもよい。この燃料電池スタックによれば、第1のボルトの線熱膨張係数α1が第2のボルトの線熱膨張係数α2に対して過大となって各ボルトの変形量の差がかえって大きくなることを抑制することができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩をより効果的に抑制することができる。 (2) In the fuel cell stack, the first coefficient of linear thermal expansion of the bolt alpha 1 and linear thermal expansion coefficient alpha 2 of the second bolt, a structure that satisfies α 1 <1.7α 2 relationship Also good. According to this fuel cell stack, the linear thermal expansion coefficient α1 of the first bolt is excessive with respect to the linear thermal expansion coefficient α2 of the second bolt, and the difference in deformation amount between the bolts becomes rather large. It is possible to suppress gas leakage due to variations in contact pressure in the surface direction.
(3)上記燃料電池スタックにおいて、前記第1のボルトと前記第2のボルトとのそれぞれは、オーステナイト系ステンレスと、フェライト系ステンレスと、ニッケル基合金と、セラミックスとのいずれか1つの材料により形成されている構成としてもよい。この燃料電池スタックによれば、第1のボルトの線熱膨張係数α1が第2のボルトの線熱膨張係数α2に対して過大となって各ボルトの変形量の差がかえって大きくなることを抑制することができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩をより効果的に抑制することができる。 (3) In the fuel cell stack, each of the first bolt and the second bolt is formed of any one material of austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, nickel-based alloy, and ceramics. It is good also as the structure currently made. According to this fuel cell stack, the linear thermal expansion coefficient α1 of the first bolt is excessive with respect to the linear thermal expansion coefficient α2 of the second bolt, and the difference in deformation amount between the bolts becomes rather large. It is possible to suppress gas leakage due to variations in contact pressure in the surface direction.
(4)上記燃料電池スタックにおいて、さらに、前記複数の発電単位の少なくとも1つに対して前記第1の方向に隣接する位置に設けられ、隣接した前記発電単位と前記第1のボルトにより形成された前記ガス流路から排出されたガスとの熱交換を行う熱交換部を備え、前記複数のボルトは、前記熱交換部から排出されたガスを各前記発電単位に向けて運ぶガス流路を形成する第3のボルトを含み、前記第3のボルトの線熱膨張係数α3は、α2<α3<α1の関係を満たす構成としてもよい。一般に、熱交換部から排出されたガスを各発電単位に向けて運ぶガス流路のガス温度(T(C))は、上述した燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路のガス温度(T(A))より高く、かつ、燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路のガス温度(T(B))より低い(T(A)<T(C)<T(B))。この燃料電池スタックによれば、中程度の温度(T(C))のガスが流れるガス流路を形成する第3のボルトの線熱膨張係数α3が、比較的低温(T(A))のガスが流れるガス流路を形成する第1のボルトの線熱膨張係数α1より小さく、かつ、比較的高温(T(B))のガスが流れるガス流路を形成する第2のボルトの線熱膨張係数α2より大きいため、燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路と燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路に加え、熱交換部から排出されたガスを各発電単位に向けて運ぶガス流路について、各ガス流路を流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 (4) In the fuel cell stack, the fuel cell stack is further provided at a position adjacent to at least one of the plurality of power generation units in the first direction, and is formed by the adjacent power generation unit and the first bolt. A heat exchanging section that exchanges heat with the gas discharged from the gas flow path, and the plurality of bolts have gas flow paths that carry the gas discharged from the heat exchanging section toward the power generation units. A third bolt to be formed may be included, and the linear thermal expansion coefficient α 3 of the third bolt may satisfy the relationship of α 2 <α 3 <α 1 . In general, the gas temperature (T (C)) of the gas flow path that carries the gas discharged from the heat exchange unit toward each power generation unit is the gas flow path in which the gas is introduced from the outside of the fuel cell stack described above. It is higher than the temperature (T (A)) and lower than the gas temperature (T (B)) of the gas flow path for discharging the gas to the outside of the fuel cell stack (T (A) <T (C) <T ( B)). According to this fuel cell stack, the linear thermal expansion coefficient α 3 of the third bolt that forms the gas flow path through which the medium temperature (T (C)) gas flows has a relatively low temperature (T (A)). Of the second bolt that forms a gas flow path that is smaller than the linear thermal expansion coefficient α1 of the first bolt that forms the gas flow path through which the gas flows and that has a relatively high temperature (T (B)) gas flows. Since the coefficient of linear thermal expansion is larger than 2 , the gas discharged from the heat exchange unit in addition to the gas flow path for introducing gas from the outside of the fuel cell stack and the gas flow path for discharging gas to the outside of the fuel cell stack The difference in the deformation amount of each bolt caused by the temperature difference of the gas flowing through each gas flow path can be reduced and the variation in contact pressure in the surface direction Gas leakage can be suppressed.
(5)上記燃料電池スタックにおいて、さらに、前記第1のボルトに嵌められたナットを備え、前記ナットの線熱膨張係数α4は、α4<α1の関係を満たす構成としてもよい。この燃料電池スタックによれば、ナットの熱膨張による変形量が第1のボルトの熱膨張による変形量に対して過大になることを抑制することができ、塑性変形やクリープが発生することを抑制することができる。 (5) The fuel cell stack may further include a nut fitted to the first bolt, and the linear thermal expansion coefficient α 4 of the nut may satisfy a relationship of α 4 <α 1 . According to this fuel cell stack, the amount of deformation due to the thermal expansion of the nut can be suppressed from being excessive with respect to the amount of deformation due to the thermal expansion of the first bolt, and the occurrence of plastic deformation and creep can be suppressed. can do.
(6)上記燃料電池スタックにおいて、各前記発電単位は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池の発電単位である構成としてもよい。この燃料電池スタックによれば、固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等のガスの温度が比較的高温となり各ガス流路を流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差が問題となりやすいタイプの燃料電池の燃料電池スタックにおいて、各ガス流路を流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。 (6) In the fuel cell stack, each power generation unit may be a power generation unit of a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell. According to this fuel cell stack, the amount of deformation of each bolt caused by the temperature difference of the gas flowing through each gas flow path when the temperature of the gas of the solid oxide fuel cell, the molten carbonate fuel cell, etc. is relatively high. In a fuel cell stack of a type of fuel cell in which the difference between the two is likely to be a problem, the difference in deformation amount of each bolt due to the temperature difference of the gas flowing through each gas flow path can be reduced, and the contact pressure in the surface direction can be reduced. Gas leakage caused by variation can be suppressed.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell stack, a power generation module including the fuel cell stack, a fuel cell system including the power generation module, and the like. Is possible.
A.第1実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1から図6は、第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。図1には、燃料電池スタック100の外観構成が示されており、図2には、燃料電池スタック100の上側の平面構成が示されており、図3には、燃料電池スタック100の下側の平面構成が示されており、図4には、図1から図3のIV−IVの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図5には、図1から図3のV−Vの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図6には、図1から図3のVI−VIの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されている。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図7以降についても同様である。
A. First embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
1 to 6 are explanatory views schematically showing the configuration of the
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では6つの)発電単位102と、熱交換部103と、一対のエンドプレート104,106とを備える。6つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。ただし、6つの発電単位102の内、3つの発電単位102は互いに隣接するように配置され、残りの3つの発電単位102も互いに隣接するように配置され、上記3つの発電単位102と上記残りの3つの発電単位102との間に熱交換部103が配置されている。すなわち、熱交換部103は、6つの発電単位102と熱交換部103とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート104,106は、6つの発電単位102と熱交換部103とから構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は第1の方向に相当する。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、熱交換部103、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。
A plurality of (eight in this embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portions around the Z direction of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図4から図6に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図2から図4に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの頂点(Y軸負方向側およびX軸負方向側の頂点)付近に位置するボルト22(ボルト22A)により形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入されるガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22C)により形成された空間は、熱交換部103から排出された酸化剤ガスOGを各発電単位102に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド163として機能する。また、図2、図3および図5に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)により形成された空間は、各発電単位102から排出された未反応の酸化剤ガスOGである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、酸化剤ガス側について、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aは第1のボルトに相当し、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bは第2のボルトに相当し、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cは第3のボルトに相当する。また、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、図2、図3および図6に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)により形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)により形成された空間は、各発電単位102から排出された未反応の燃料ガスFGや燃料ガスFGの発電後のガスを含む燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、燃料ガス側について、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dは第1のボルトに相当し、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eは第2のボルトに相当する。また、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
2, 3, and 6, one side of the outer periphery of the
図4から図6に示すように、燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通している。また、図5に示すように、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図6に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102と熱交換部103とが押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of
The pair of
(発電単位102の構成)
図7から図10は、発電単位102の詳細構成を示す説明図である。図7には、図5に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102の断面構成が示されており、図8には、図6に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102の断面構成が示されており、図9には、図7のIX−IXの位置における発電単位102の断面構成が示されており、図10には、図7のX−Xの位置における発電単位102の断面構成が示されている。
(Configuration of power generation unit 102)
7 to 10 are explanatory diagrams showing the detailed configuration of the
図7および図8に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
インターコネクタ150は、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図4から図6参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、矩形の平板形状部材であり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルという。
The
空気極側フレーム130は、図7から図9に示すように、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド163と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
As shown in FIGS. 7 to 9, the air
燃料極側フレーム140は、図7、図8および図10に示すように、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。なお、本実施形態では、燃料極側フレーム140は、セパレータ120とインターコネクタ150とに溶接されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
As shown in FIGS. 7, 8 and 10, the fuel
空気極側集電体134は、図7から図9に示すように、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触することにより、空気極114とインターコネクタ150とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。
The air electrode side
燃料極側集電体144は、図7、図8および図10に示すように、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、複数の電極対向部145と、各電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。具体的には、燃料極側集電体144は、図10における部分拡大図に示すように、矩形の平板形状部材に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴あき状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図10における部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、複数の矩形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。各電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触し、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触する。そのため、燃料極側集電体144は、燃料極116とインターコネクタ150とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
(熱交換部103の構成)
図11は、熱交換部103の上側の平面構成を概略的に示す説明図である。図4から図6および図11に示すように、熱交換部103は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。上述したように、熱交換部103のZ方向回りの周縁部には、ボルト22が挿入される連通孔108を構成する8つの孔が形成されている。また、熱交換部103の中央付近には、上下方向に貫通する孔182が形成されている。さらに、熱交換部103には、中央の孔182と酸化剤ガス導入マニホールド161を形成する連通孔108とを連通する連通孔184と、中央の孔182と酸化剤ガス供給マニホールド163を形成する連通孔108とを連通する連通孔186とが形成されている。熱交換部103は、熱交換部103の上側に隣接する発電単位102に含まれる下側のインターコネクタ150と、熱交換部103の下側に隣接する発電単位102に含まれる上側のインターコネクタ150とに挟持されている。これらのインターコネクタ150間において、孔182と連通孔184と連通孔186とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスOGを流す熱交換流路188として機能する。
(Configuration of heat exchange unit 103)
FIG. 11 is an explanatory diagram schematically showing a planar configuration on the upper side of the
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、図4および図11に示すように、熱交換部103内に形成された熱交換流路188内に流入し、熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出される。なお、酸化剤ガス導入マニホールド161は、各発電単位102の空気室166には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出された酸化剤ガスOGは、図4、図5、図7および図9に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド163から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIG. 4, when the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the
また、図6、図8および図10に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
Further, as shown in FIGS. 6, 8, and 10, the fuel gas is connected via a gas pipe (not shown) connected to the
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、熱交換部103を介しているものの、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102において発電反応に利用されなかった酸化剤ガスOGである酸化剤オフガスOOGは、図5、図7および図9に示すように、空気室166から酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102において発電反応に利用されなかった燃料ガスFGである燃料オフガスFOGは、図6、図8および図10に示すように、燃料室176から燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
As shown in FIGS. 5, 7, and 9, the oxidant off-gas OOG that is the oxidant gas OG that has not been used for the power generation reaction in each
A−3.各マニホールドを流れるガスの温度:
上述したように、酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、熱交換部103内に形成された熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出される。ここで、熱交換部103は、上側および下側について発電単位102に隣接している。また、発電単位102における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスOGが熱交換部103内の熱交換流路188を通過する際に、酸化剤ガスOGと発電単位102との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスOGの温度が上昇する。また、酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出された酸化剤ガスOGは、各発電単位102に供給された後、酸化剤ガス排出マニホールド162へと排出される。酸化剤ガスOGが各発電単位102を通過する際に、発電反応に伴い発生する熱によって、酸化剤ガスOGの温度はさらに上昇する。従って、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス供給マニホールド163、酸化剤ガス排出マニホールド162のそれぞれを流れるガスの温度T(A)、T(C)、T(B)の高低関係は、以下の式(1)のようになる。
T(A)<T(C)<T(B) ・・・(1)
A-3. Temperature of gas flowing through each manifold:
As described above, the oxidant gas OG supplied to the oxidant
T (A) <T (C) <T (B) (1)
例えば、酸化剤ガス導入マニホールド161を流れるガスの温度T(A)は350℃から450℃程度であり、酸化剤ガス供給マニホールド163を流れるガスの温度T(C)は550℃から650℃程度であり、酸化剤ガス排出マニホールド162を流れるガスの温度T(B)は700℃から800℃程度である。なお、各温度を表す符号に付されたアルファベットは、各マニホールドを形成するボルト22の符号に付されたアルファベットに対応している。例えば、ボルト22Aにより形成される酸化剤ガス導入マニホールド161を流れるガス温度をT(A)と表している。この点は、燃料ガスFGの流路についても同様である。
For example, the temperature T (A) of the gas flowing through the oxidant
また、燃料ガス導入マニホールド171に供給された燃料ガスFGは、各発電単位102に供給された後、燃料ガス排出マニホールド172へと排出される。燃料ガスFGが各発電単位102を通過する際に、発電反応に伴い発生する熱によって、燃料ガスFGの温度は上昇する。従って、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172のそれぞれを流れるガスの温度T(D)、T(E)の高低関係は、以下の式(2)のようになる。
T(D)<T(E) ・・・(2)
In addition, the fuel gas FG supplied to the fuel
T (D) <T (E) (2)
例えば、燃料ガス導入マニホールド171を流れるガスの温度T(D)は550℃から650℃程度であり、燃料ガス排出マニホールド172を流れるガスの温度T(E)は700℃から800℃程度である。
For example, the temperature T (D) of the gas flowing through the fuel
A−4.各ボルト22の線熱膨張係数α:
上述したように、各マニホールドを流れるガスの温度には差があるため、各マニホールドを形成するボルト22は異なる温度のガスに晒されることとなる。そのため、各マニホールドを形成する各ボルト22の線熱膨張係数α(単位は1/℃)が互いに等しいと、各ボルト22の長さL(図4参照)の熱膨張による変形量ΔLに差が生ずるため、各ボルト22の締結力に差が生ずる。これにより、面方向(発電単位102の配列方向に直交する方向)において接圧(燃料電池スタック100を配列方向に押さえる圧力)がばらつき、燃料電池スタック100の内部から外部にガスが漏洩するおそれがある。なお、温度が0℃におけるボルト22の軸方向長さL0を基準としたときのT℃におけるボルト22の軸方向の変形量ΔLは、以下の式(3)で算出される。
ΔL=α・T・L0 ・・・(3)
A-4. Linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22:
As described above, since there is a difference in the temperature of gas flowing through each manifold, the
ΔL = α · T · L 0 (3)
そこで、本実施形態では、各マニホールドを形成するボルト22の線熱膨張係数αを、各マニホールドを流れるガスの温度を考慮して設定している。具体的には、酸化剤ガスOGの流路に関しては、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1と、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cの線熱膨張係数αc3と、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが、以下の式(4)の関係を満たすようにしている。
αc2<αc3<αc1 ・・・(4)
Therefore, in this embodiment, the linear thermal expansion coefficient α of the
α c2 <α c3 <α c1 (4)
すなわち、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス供給マニホールド163、酸化剤ガス排出マニホールド162の内、最も低温のガスが流れる酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1を最も大きくし、最も高温のガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2を最も小さくし、両者の間の温度のガスが流れる酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cの線熱膨張係数αc3を両者の間の値としている。このようにすることで、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス供給マニホールド163、酸化剤ガス排出マニホールド162を流れるガスの温度差を原因とする各ボルト22の変形量ΔLの差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。
That is, the linear thermal expansion coefficient α c1 of the
なお、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aをオーステナイト系ステンレスであるSUS304で形成し、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cをオーステナイト系ステンレスであるSUS316で形成し、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bをフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、各ボルト22の線熱膨張係数αの大小関係は上記式(4)の通りとなる。なお、ボルト22に使用する材料としては、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金、フェライト系ステンレス、セラミックスから選択することができる。例えば、オーステナイト系ステンレスとしては、SUS201、SUS301、SUS305、SUS304、SUS316等が挙げられる。また、ニッケル基合金としては、インコネル600、インコネル718、インコロイ802等が挙げられる。また、フェライト系ステンレスとしては、SUS430、SUS434、SUS405、SUS444等が挙げられる。ボルト22に使用する材料は、これらの材料の中から、適宜、式(4)を満たすように選択される。
The
また、理論上、以下の式(5)が成立していれば、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Bの変形量ΔLとが同一となる。そのため、例えば、以下の式(6)が成立していれば、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Bの変形量ΔLとの差をある程度小さい範囲に収めることができるため好ましい。
αc2=αc1・T(A)/T(B) ・・・(5)
0.9・αc1・T(A)/T(B)<αc2<1.1・αc1・T(A)/T(B) ・・・(6)
Theoretically, if the following expression (5) holds, the deformation amount ΔL of the
α c2 = α c1 · T (A) / T (B) (5)
0.9 · α c1 · T (A) / T (B) <α c2 <1.1 · α c1 · T (A) / T (B) (6)
同様に、理論上、以下の式(7)が成立していれば、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Cの変形量ΔLとが同一となる。そのため、例えば、以下の式(8)が成立していれば、ボルト22Aの変形量ΔLとボルト22Cの変形量ΔLとの差をある程度小さい範囲に収めることができるため好ましい。
αc3=αc1・T(A)/T(C) ・・・(7)
0.9・αc1・T(A)/T(C)<αc3<1.1・αc1・T(A)/T(C) ・・・(8)
Similarly, theoretically, if the following expression (7) holds, the deformation amount ΔL of the
α c3 = α c1 · T (A) / T (C) (7)
0.9 · α c1 · T (A) / T (C) <α c3 <1.1 · α c1 · T (A) / T (C) (8)
同様に、本実施形態では、燃料ガス側に関し、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの線熱膨張係数αa1と、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの線熱膨張係数αa2とが、以下の式(9)の関係を満たすようにしている。
αa2<αa1 ・・・(9)
Similarly, in the present embodiment, on the fuel gas side, the linear thermal expansion coefficient α a1 of the
α a2 <α a1 (9)
すなわち、燃料ガス導入マニホールド171および燃料ガス排出マニホールド172の内、より低温のガスが流れる燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの線熱膨張係数αa1より、より高温のガスが流れる燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの線熱膨張係数αa2を小さくしている。このようにすることで、燃料ガス導入マニホールド171および燃料ガス排出マニホールド172を流れるガスの温度差を原因とする各ボルト22の変形量ΔLの差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。
That is, of the fuel
なお、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dをオーステナイト系ステンレスであるSUS304やSUS316で形成し、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eをフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、各ボルト22の線熱膨張係数αの大小関係は上記式(9)の通りとなる。
If the
また、理論上、以下の式(10)が成立していれば、ボルト22Dの変形量ΔLとボルト22Eの変形量ΔLとが同一となる。そのため、例えば、以下の式(11)が成立していれば、ボルト22Dの変形量ΔLとボルト22Eの変形量ΔLとの差をある程度小さい範囲に収めることができるため好ましい。
αa2=αa1・T(D)/T(E) ・・・(10)
0.9・αa1・T(D)/T(E)<αa2<1.1・αa1・T(D)/T(E) ・・・(11)
In theory, if the following expression (10) holds, the deformation amount ΔL of the
α a2 = α a1 · T (D) / T (E) (10)
0.9 · α a1 · T (D) / T (E) <α a2 <1.1 · α a1 · T (D) / T (E) (11)
図12は、ボルト22の変形量ΔLの差Dの計算例を示す説明図である。具体的には、図12には、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの変形量ΔL1(mm)と酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの変形量ΔL2(mm)との差D(=ΔL2−ΔL1)の計算例が示されている。図12に示すように、上記式(4)の関係(αc2<αc1)を満たす実施例における変形量差Dは、式(4)を満たさない比較例1から3における変形量差Dより小さい。そのため、この実施例では、各比較例と比べて、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a calculation example of the difference D of the deformation amount ΔL of the
なお、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bは酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aより高温のガスに晒されるため、図12に示すように、一般的にはボルト22Bの変形量ΔL2はボルト22Aの変形量ΔL1より大きくなる。ただし、ボルト22Aの線熱膨張係数αc1が大きすぎると、ボルト22Aの変形量ΔL1とボルト22Bの変形量ΔL2との大小関係が逆転し、変形量差Dがかえって大きくなることも起こり得る。そのため、ボルト22Aの線熱膨張係数αc1とボルト22Bの線熱膨張係数αc2とは、以下の式(12)の関係を満たしていることが好ましい。
αc1<1.7αc2 ・・・(12)
The
α c1 <1.7 α c2 (12)
ボルト22Aの線熱膨張係数αc1とボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが上記式(12)を満たせば、上述した各ガス流路のガス温度(例えば、酸化剤ガス導入マニホールド161については350℃から450℃程度であり、酸化剤ガス排出マニホールド162については700℃から800℃程度)では、ボルト22Aの変形量ΔL1とボルト22Bの変形量ΔL2との大小関係が逆転することはない。酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aをオーステナイト系ステンレスであるSUS304やSUS316で形成し、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bをフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、各ボルト22の線熱膨張係数αの大小関係は式(12)を満たす。
Satisfies the linear thermal expansion coefficient of the linear thermal expansion coefficient alpha c1 and
なお、燃料ガス側についても同様に、以下の式(13)の関係を満たしていることが好ましい。燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dをオーステナイト系ステンレスであるSUS304やSUS316で形成し、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eをフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、各ボルト22の線熱膨張係数αの大小関係は式(13)を満たす。
αa1<1.7αa2 ・・・(13)
Similarly, the fuel gas side preferably satisfies the relationship of the following formula (13). If the
α a1 <1.7 α a2 (13)
また、本明細書に開示される技術思想は、各マニホールドを形成する各ボルト22の線熱膨張係数αを適切に設定することにより、各ボルト22の熱膨張による変形量ΔLの差Dを低減させる点にある。すなわち、以下の式(14)に示すように、各ボルト22の熱膨張による変形量ΔLの差Dを、各ボルト22が同じ材料で形成され、各ボルト22の線熱膨張係数αが互いに等しい比較例における各ボルト22の変形量ΔLの差D0より小さくする技術思想であると言える。
D<D0 ・・・(14)
Further, the technical idea disclosed in the present specification reduces the difference D in the deformation amount ΔL due to thermal expansion of each
D <D 0 (14)
酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1と酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが等しい比較例において、変形量差D0は以下の式(15)で表される。
D0=αc2・T(B)・L0−αc2・T(A)・L0 ・・・(15)
In the comparative example in which the linear thermal expansion coefficient α c1 of the
D 0 = α c2 · T (B) · L 0 −α c2 · T (A) · L 0 (15)
また、実施形態における変形量差Dは、以下の式(16)で表される。
D=|αc2・T(B)・L0−αc1・T(A)・L0| ・・・(16)
Further, the deformation amount difference D in the embodiment is expressed by the following equation (16).
D = | α c2 · T (B) · L 0 −α c1 · T (A) · L 0 | (16)
式(14)から式(16)を解くと、以下の通り、式(19)が導かれる。
(αc2・T(B)・L0≧αc1・T(A)・L0の場合)
D=αc2・T(B)・L0−αc1・T(A)・L0
式(14)より
αc2・T(B)・L0−αc1・T(A)・L0<αc2・T(B)・L0−αc2・T(A)・L0
αc2<αc1 ・・・(17)
(αc2・T(B)・L0<αc1・T(A)・L0の場合)
D=−αc2・T(B)・L0+αc1・T(A)・L0
式(14)より
−αc2・T(B)・L0+αc1・T(A)・L0<αc2・T(B)・L0−αc2・T(A)・L0
αc1<αc2・(2・T(B)−T(A))/T(A) ・・・(18)
式(17)および式(18)より
αc2<αc1<αc2・(2・T(B)−T(A))/T(A) ・・・(19)
When equation (16) is solved from equation (14), equation (19) is derived as follows.
(If α c2 · T (B) · L 0 ≥ α c1 · T (A) · L 0 )
D = α c2 · T (B) · L 0 −α c1 · T (A) · L 0
From equation (14), α c2 · T (B) · L 0 −α c1 · T (A) · L 0 <α c2 · T (B) · L 0 −α c2 · T (A) · L 0
α c2 <α c1 (17)
(When α c2 · T (B) · L 0 <α c1 · T (A) · L 0 )
D = −α c2 · T (B) · L 0 + α c1 · T (A) · L 0
From equation (14) -α c2 · T (B) · L 0 + α c1 · T (A) · L 0 <α c2 · T (B) · L 0 -α c2 · T (A) · L 0
α c1 <α c2 · (2 · T (B) −T (A)) / T (A) (18)
From expression (17) and expression (18), α c2 <α c1 <α c2 · (2 · T (B) −T (A)) / T (A) (19)
従って、ボルト22Aの線熱膨張係数αc1とボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが式(19)の関係を満たせば、実施形態における各ボルト22の熱膨張による変形量ΔLの差Dが比較例における変形量差D0より小さくなる。なお、他のマニホールドを形成するボルト22についても同様のことが言える。
Thus, satisfies the relationship of the
B.第2実施形態:
B−1.構成:
(燃料電池ホットモジュール10の構成)
図13は、第2実施形態における燃料電池ホットモジュール(以下、「ホットモジュール」という)10の構成を概略的に示す説明図である。図13では、ホットモジュール10の構成をわかりやすくするために、一部の構成が透過して示されたり、一部の構成の図示が省略されたりしている。ホットモジュール10は、発電モジュール20と、発電モジュール20を収容する断熱容器30と、発電モジュール20に接続された各種配管234,236とを備える。ホットモジュール10は、起動時等に発電モジュール20を加熱する加熱器(例えばガスバーナー)を備えていてもよい。
B. Second embodiment:
B-1. Constitution:
(Configuration of the fuel cell hot module 10)
FIG. 13 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of a fuel cell hot module (hereinafter referred to as “hot module”) 10 in the second embodiment. In FIG. 13, in order to make the configuration of the
(断熱容器30の構成)
断熱容器30は、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が配置された構成を有する。発電モジュール20が断熱容器30内に収容されることにより、発電を行う際に発電モジュール20が高温に維持される。
(Configuration of heat insulation container 30)
The
(発電モジュール20の構成)
図14から図16は、発電モジュール20の構成を概略的に示す説明図である。図14には、第1実施形態の図4に示す断面の位置に対応する位置における発電モジュール20の断面構成が示されており、図15には、第1実施形態の図5に示す断面の位置に対応する位置(図13のXV−XVの位置)における発電モジュール20の断面構成が示されており、図16には、第1実施形態の図6に示す断面の位置に対応する位置(図13のXVI−XVIの位置)における発電モジュール20の断面構成が示されている。図13から図16に示すように、発電モジュール20は、燃料電池スタック100aと、燃料電池スタック100aの下側に配置された補助器200とを備える。燃料電池スタック100aの構成は、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
(Configuration of power generation module 20)
14 to 16 are explanatory views schematically showing the configuration of the
(補助器200の構成)
補助器200は、略箱形状の補助器本体部210と、補助器本体部210の側面に形成された4つの固定部220とを備えている。補助器200は、例えばステンレスにより形成されている。
(Configuration of auxiliary device 200)
The
各固定部220には、上下方向に貫通する貫通孔208が形成されている。4つの固定部220に形成された貫通孔208は、それぞれ、燃料電池スタック100aのZ方向回りの外周を構成する4辺の中点付近に位置する連通孔108と連通している。これらの4つの連通孔108に挿入された4つのボルト22は、対応する位置の固定部220の貫通孔208まで達しており、これらのボルト22にナット24が嵌められることによって補助器200と燃料電池スタック100とが固定されている。
Each fixing
補助器本体部210の内部は、2つの隔壁222によって、一次燃焼室212と、一次燃焼室212の下に配置された改質室214と、改質室214の下に配置された二次燃焼室216とに区切られている。一次燃焼室212は、燃料電池スタック100aから排出される酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとを混合して燃焼させるための室であり、固定部220の貫通孔208を介して、酸化剤ガス排出マニホールド162および燃料ガス排出マニホールド172と連通している。また、二次燃焼室216は、一次燃焼室212で混合・燃焼させた酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとをさらに燃焼させるための室であり、改質室214を上下に貫通する流路218を介して、一次燃焼室212と連通している。一次燃焼室212および二次燃焼室216の一方または両方には、酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとの燃焼を促進させる触媒が配置されている。
The interior of the auxiliary device
改質室214は、原燃料ガス(例えば都市ガス)と水蒸気とが混合された混合ガスMGを改質して水素リッチな燃料ガスFGを生成するための室であり、1つの固定部220の貫通孔208を介して、燃料ガス導入マニホールド171と連通している。改質室214には、改質反応を促進させる触媒が配置されている。
The reforming
(各種配管234,236の構成)
発電モジュール20の補助器200には、原燃料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスMGが導入される混合ガス導入配管234と、排ガスEGが排出される排ガス排出配管236とが接続されている。より詳細には、図16に示すように、混合ガス導入配管234は、補助器本体部210の改質室214に連通しており、排ガス排出配管236は、補助器本体部210の二次燃焼室216に連通している。
(Configuration of
The
B−2.発電モジュール20の動作:
図14に示すように、酸化剤ガスOGは、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、図14および図15に示すように、熱交換部103内に形成された熱交換流路188内に流入し、熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出され、酸化剤ガス供給マニホールド163から各発電単位102の空気室166に供給される。
B-2. Operation of the power generation module 20:
As shown in FIG. 14, the oxidant gas OG is passed through the
また、図16に示すように、原燃料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスMGは、混合ガス導入配管234から補助器本体部210の改質室214に流入し、改質反応に供される。改質室214における改質反応に伴い生成された燃料ガスFGは、補助器200の1つの固定部220の貫通孔208を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料室176に供給される。
As shown in FIG. 16, the mixed gas MG in which the raw fuel gas and the water vapor are mixed flows from the mixed
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、第1実施形態と同様に、各発電単位102において発電が行われる。各発電単位102において発電反応に利用されなかった酸化剤ガスOGである酸化剤オフガスOOGは、図15に示すように、空気室166から酸化剤ガス排出マニホールド162を経て、補助器本体部210の一次燃焼室212に排出される。また、各発電単位102において発電反応に利用されなかった燃料ガスFGである燃料オフガスFOGは、図16に示すように、燃料室176から燃料ガス排出マニホールド172を経て、補助器本体部210の一次燃焼室212に排出される。一次燃焼室212に排出された酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGは、一次燃焼室212において混合されて燃焼し、流路218を介して二次燃焼室216に導かれてさらに燃焼し、排ガス排出配管236を介してホットモジュール10の外部に排出される。なお、一次燃焼室212および二次燃焼室216において発生する熱により、改質室214における改質反応が促進されると共に、発電モジュール20が高温に維持される。
When the oxidant gas OG is supplied to the
B−3.各マニホールドを流れるガスの温度および各ボルト22の線熱膨張係数α:
第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス供給マニホールド163、酸化剤ガス排出マニホールド162のそれぞれを流れるガスの温度T(A)、T(C)、T(B)の高低関係は、上記式(1)の関係(T(A)<T(C)<T(B))となり、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172のそれぞれを流れるガスの温度T(D)、T(E)の高低関係は、上記式(2)の関係(T(D)<T(E))となる。
B-3. Temperature of gas flowing through each manifold and linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22:
Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the temperatures T (A) and T (C) of the gas flowing through the oxidant
そのため、第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス側に関しては、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1と、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cの線熱膨張係数αc3と、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが、上記式(4)の関係(αc2<αc3<αc1)を満たすようにしている。また、燃料ガス側に関しては、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの線熱膨張係数αa1と、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの線熱膨張係数αa2とが、上記式(9)の関係(αa2<αa1)を満たすようにしている。このようにすれば、各マニホールドを流れるガスの温度差を原因とする各ボルト22の変形量ΔLの差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。
Therefore, also in the second embodiment, as in the first embodiment, the linear thermal expansion coefficient α c1 of the
B−4.ナット24の線熱膨張係数α:
第2実施形態では、燃料電池スタック100aは断熱容器30内に収容されており、燃料電池スタック100aが発電運転を行う際には断熱容器30内は高温(例えば650℃から750℃程度)に保たれる。そのため、燃料電池スタック100aの外面に露出したナット24は、高温のガスに晒される。一方、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aは、比較的低温(例えば350℃から450℃程度)のガスに晒される。そのため、ボルト22Aとそれに嵌められたナット24の線熱膨張係数が等しいと、ナット24の内径dN(図14参照)の熱膨張による変形量がボルト22の外径dB(図14参照)の熱膨張による変形量に対して過大となり、塑性変形やクリープが発生するおそれがある。
B-4. Coefficient of linear thermal expansion α of the nut 24:
In the second embodiment, the
そこで、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1とそれに嵌められるナット24の線熱膨張係数αc4とが、以下の式(20)の関係を満たすようにしている。ボルト22Aをオーステナイト系ステンレスであるSUS304で形成し、ナット24をフェライト系ステンレスであるSUS444で形成すれば、線熱膨張係数の大小関係は式(20)のようになる。このようにすれば、ナット24の熱膨張による変形量がボルト22の熱膨張による変形量に対して過大になることを抑制することができ、塑性変形やクリープが発生することを抑制することができる。
αc4<αc1 ・・・(20)
Therefore, in the present embodiment, the linear thermal expansion coefficient α c1 of the
α c4 <α c1 (20)
なお、同様の観点から、酸化剤ガス供給マニホールド163を形成するボルト22Cの線熱膨張係数αc3とそれに嵌められるナット24の線熱膨張係数αc5とが、以下の式(21)の関係を満たすのが好ましく、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの線熱膨張係数αa1とそれに嵌められるナット24の線熱膨張係数αa3とが、以下の式(22)の関係を満たすのが好ましい。
αc5<αc3 ・・・(21)
αa3<αa1 ・・・(22)
From the same point of view, the linear thermal expansion coefficient α c3 of the
α c5 <α c3 (21)
α a3 <α a1 (22)
C.第3実施形態:
C−1.構成:
図17および図18は、第3実施形態における燃料電池スタック100bの構成を概略的に示す説明図である。図17には、燃料電池スタック100bの外観構成が示されており、図18には、第1実施形態の図5に示す断面の位置に対応する位置(図17のXVIII−XVIIIの位置)における燃料電池スタック100bの断面構成が示されている。第3実施形態における燃料電池スタック100bの構成の内、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。
C. Third embodiment:
C-1. Constitution:
FIGS. 17 and 18 are explanatory views schematically showing the configuration of the
第3実施形態における燃料電池スタック100bは、熱交換部103を備えていない点が、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100と異なる。また、この点に関連し、酸化剤ガスOGの流路構成も異なっている。すなわち、第3実施形態では、燃料電池スタック100bのZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)により形成された空間が、燃料電池スタック100bの外部から酸化剤ガスOGが導入されるガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能する。
The
C−2.燃料電池スタック100bの動作:
酸化剤ガスOGは、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、各発電単位102の空気室166に供給される。その後の酸化剤ガスOGの流れは、第1実施形態と同様である。また、燃料ガスFGの流れは、第1実施形態と同様である。第3実施形態の燃料電池スタック100bにおいても、第1実施形態と同様に、各発電単位102において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGを利用した発電が行われ、酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGが燃料電池スタック100bの外部に排出される。
C-2. Operation of the
As in the first embodiment, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant
C−3.各マニホールドを流れるガスの温度および各ボルト22の線熱膨張係数α:
第3実施形態では、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162のそれぞれを流れるガスの温度T(A)、T(B)の高低関係は、以下の式(23)のようになる。
T(A)<T(B) ・・・(23)
C-3. Temperature of gas flowing through each manifold and linear thermal expansion coefficient α of each bolt 22:
In the third embodiment, as in the first embodiment, the level relationship between the temperatures T (A) and T (B) of the gas flowing through the oxidant
T (A) <T (B) (23)
このような構成の第3実施形態の燃料電池スタック100bにおいても、第1実施形態と同様に、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの線熱膨張係数αc1と、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの線熱膨張係数αc2とが、以下の式(24)の関係を満たすようにしている。このようにすれば、酸化剤ガス導入マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162を流れるガスの温度差を原因とする各ボルト22の変形量ΔLの差を小さくすることができ、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制することができる。
αc2<αc1 ・・・(24)
Also in the
α c2 <α c1 (24)
その他、燃料ガス用のマニホールドを形成するボルト22の線熱膨張係数αの大小関係等については、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
In addition, the magnitude relationship of the linear thermal expansion coefficient α of the
D.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記実施形態では、酸化剤ガスOGが流れる各マニホールドを形成するボルト22と、燃料ガスFGが流れる各マニホールドを形成するボルト22との両方について、線熱膨張係数αの大小関係を規定しているが、少なくともいずれか一方について上述した線熱膨張係数αの大小関係が満たされていれば、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制する効果を奏する。また、上記実施形態では、酸化剤ガスOGが流れる各マニホールドを形成するボルト22に関し、式(4)(αc2<αc3<αc1)が満たされるとしているが、αc3の値にかかわらず少なくともαc2<αc1の関係が満たされれば、面方向における接圧のばらつきを原因とするガスの漏洩を抑制する効果を奏する。
In the above embodiment, the magnitude relationship of the linear thermal expansion coefficient α is defined for both the
上記実施形態に記載した各ボルト22の形成材料はあくまで一例であり、各ボルト22を他の材料(例えばセラミックス)で形成してもよい。
The material for forming each
上記実施形態では、発電モジュール20が補助器200を備えているとしているが、発電モジュール20が補助器200を備えている必要はない。また、上記実施形態では、発電モジュール20が断熱容器30に収容されているとしているが、発電モジュール20が断熱容器30に収容されている必要はない。また、上記実施形態では、補助器200が、燃料電池スタック100から排出されたガスを燃焼させる一次燃焼室212と、一次燃焼室212で燃焼させたガスをさらに燃焼させるための二次燃焼室216と、原燃料ガスと水蒸気とが混合された混合ガスMGを改質して燃料電池スタック100に供給する燃料ガスFGを生成する改質室214とを有しているが、補助器200は、一次燃焼室212と改質室214との少なくとも1つを有していればよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、混合ガス導入配管234が補助器本体部210の改質室214に連通しており、排ガス排出配管236が補助器本体部210の二次燃焼室216に連通しているが、これらの各配管の配置や経路は適宜変更可能である。
In the above embodiment, the mixed
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
In the above embodiment, the number of
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100の配列方向における熱交換部103の位置はあくまで一例であり、熱交換部103の位置は任意の位置に変更可能である。ただし、熱交換部103の位置は、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102の内、より高温になる発電単位102に隣接する位置であることが、燃料電池スタック100の配列方向における熱分布の緩和のために好ましい。例えば、燃料電池スタック100の配列方向中央付近の発電単位102がより高温になりやすい場合には、上記実施形態のように、燃料電池スタック100の配列方向中央付近に熱交換部103を設けることが好ましい。また、燃料電池スタック100が2つ以上の熱交換部103を備えていてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the position of the
また、上記実施形態では、熱交換部103が酸化剤ガスOGの温度を上昇させるように構成されているが、熱交換部103が、酸化剤ガスOGに代えて燃料ガスFGの温度を上昇させるように構成されてもよいし、酸化剤ガスOGと共に燃料ガスFGの温度を上昇させるように構成されてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、ボルト22の両側にナット24が嵌められているとしているが、ボルト22が頭部を有し、ナット24はボルト22の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。
In the above embodiment, the nuts 24 are fitted on both sides of the
また、上記実施形態では、エンドプレート104,106が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート104,106の代わりに、エンドプレート104,106のそれぞれと接続された別部材(例えば、エンドプレート104,106のそれぞれと発電単位102との間に配置された導電板)が出力端子として機能するとしてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。いずれの場合であっても、各マニホールドは、各ボルト22により形成されることとなる。
Moreover, in the said embodiment, although the space between the outer peripheral surface of the axial part of each
また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。
In the above embodiment, when two
また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。
Further, in the above embodiment, the fuel electrode side
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。 Moreover, the material which forms each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be formed with another material.
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。 In the above embodiment, the city gas is reformed to obtain the hydrogen-rich fuel gas FG, but the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, gasoline, Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.
また、上記実施形態において、電解質層112と空気極114との間に、例えばセリアにより形成された反応防止層を設け、電解質層112内のジルコニウム等と空気極114内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層112と空気極114との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。
Further, in the above embodiment, a reaction preventing layer formed of, for example, ceria is provided between the
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池にも適用可能である。なお、本発明は、SOFCやMCFC等のガスの温度が比較的高温となり各ガス流路を流れるガスの温度差を原因とする各ボルトの変形量の差が問題となりやすいタイプの燃料電池において、より好適である。 In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention can be applied to a solid polymer fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate type. It can also be applied to other types of fuel cells such as fuel cells (MCFC). Note that the present invention is a fuel cell of a type in which the difference in deformation amount of each bolt is likely to be a problem due to the temperature of the gas such as SOFC and MCFC being relatively high and the temperature difference of the gas flowing through each gas flow path. More preferred.
10:燃料電池ホットモジュール 20:発電モジュール 22:ボルト 24:ナット 25:貫通孔 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 30:断熱容器 100:燃料電池スタック 102:発電単位 103:熱交換部 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 163:酸化剤ガス供給マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 182:孔 184:連通孔 186:連通孔 188:熱交換流路 200:補助器 208:貫通孔 210:補助器本体部 212:一次燃焼室 214:改質室 216:二次燃焼室 218:流路 220:固定部 222:隔壁 234:混合ガス導入配管 236:排ガス排出配管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Fuel cell hot module 20: Electric power generation module 22: Bolt 24: Nut 25: Through-hole 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main-body part 29: Branch part 30: Thermal insulation container 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit DESCRIPTION OF SYMBOLS 103: Heat exchange part 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joining part 130: Air electrode side frame 131 : Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144 : Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: A Counter connector facing portion 147: Connecting portion 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant gas introduction manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 163: Oxidant gas supply manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas Discharge manifold 176: Fuel chamber 182: Hole 184: Communication hole 186: Communication hole 188: Heat exchange flow path 200: Auxiliary device 208: Through hole 210: Auxiliary device main body 212: Primary combustion chamber 214: Reforming chamber 216: Two Next combustion chamber 218: Flow path 220: Fixed part 222: Partition wall 234: Mixed gas introduction pipe 236: Exhaust gas discharge pipe
Claims (7)
前記複数のボルトは、
前記燃料電池スタックの外部からガスが導入されるガス流路を形成する第1のボルトと、
前記燃料電池スタックの外部へとガスを排出するガス流路を形成する第2のボルトとを含み、
前記第1のボルトの線熱膨張係数α1と前記第2のボルトの線熱膨張係数α2とは、α2<α1の関係を満たすことを特徴とする、燃料電池スタック。 A plurality of power generation units each including an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer, and arranged in the first direction; A plurality of bolts extending, and a fuel cell stack fastened with the plurality of bolts,
The plurality of bolts are:
A first bolt that forms a gas passage through which gas is introduced from the outside of the fuel cell stack;
A second bolt that forms a gas flow path for discharging gas to the outside of the fuel cell stack,
The first bolt and the linear thermal expansion coefficient alpha 1 and the linear thermal expansion coefficient alpha 2 of second bolt, and satisfies the alpha 2 <alpha 1 relationship, the fuel cell stack.
前記第1のボルトの線熱膨張係数α1と前記第2のボルトの線熱膨張係数α2とは、α1<1.7α2の関係を満たすことを特徴とする、燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1, wherein
The first bolt and the linear thermal expansion coefficient alpha 1 and linear thermal expansion coefficient of the second bolt alpha 2, and satisfies the α 1 <1.7α 2 relationship, the fuel cell stack.
前記第1のボルトと前記第2のボルトとのそれぞれは、オーステナイト系ステンレスと、フェライト系ステンレスと、ニッケル基合金と、セラミックスとのいずれか1つの材料により形成されていることを特徴とする、燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
Each of the first bolt and the second bolt is formed of any one material of austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, nickel-based alloy, and ceramics, Fuel cell stack.
前記複数の発電単位の少なくとも1つに対して前記第1の方向に隣接する位置に設けられ、隣接した前記発電単位と前記第1のボルトにより形成された前記ガス流路から排出されたガスとの熱交換を行う熱交換部を備え、
前記複数のボルトは、前記熱交換部から排出されたガスを各前記発電単位に向けて運ぶガス流路を形成する第3のボルトを含み、
前記第3のボルトの線熱膨張係数α3は、α2<α3<α1の関係を満たすことを特徴とする、燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
Gas exhausted from the gas flow path formed by the adjacent power generation unit and the first bolt provided at a position adjacent to the first direction with respect to at least one of the plurality of power generation units. A heat exchanging part that performs heat exchange of
The plurality of bolts include a third bolt that forms a gas flow path that carries the gas discharged from the heat exchange unit toward the power generation units,
The third bolt linear thermal expansion coefficient alpha 3 is characterized by satisfying α 2 <α 3 <α 1 relationship, the fuel cell stack.
前記第1のボルトに嵌められたナットを備え、
前記ナットの線熱膨張係数α4は、α4<α1の関係を満たすことを特徴とする、燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A nut fitted on the first bolt;
The fuel cell stack, wherein the nut has a linear thermal expansion coefficient α 4 satisfying a relationship of α 4 <α 1 .
各前記発電単位は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池の発電単位であることを特徴とする、燃料電池スタック。 In the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5,
Each of the power generation units is a power generation unit of a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell.
前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼させる燃焼室と、原燃料ガスを改質して前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する改質室との少なくとも1つを有する補助器と、を備え、
前記燃料電池スタックと前記補助器とが前記複数のボルトで締結された、発電モジュール。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6,
An auxiliary device having at least one of a combustion chamber for burning the gas discharged from the fuel cell stack and a reforming chamber for reforming the raw fuel gas to generate fuel gas to be supplied to the fuel cell stack; With
A power generation module in which the fuel cell stack and the auxiliary device are fastened by the plurality of bolts.
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