JP2017152096A - Fuel battery cell stack and solid oxide fuel battery cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルスタック、及び、この燃料電池セルスタックを備える固体酸化物形燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack and a solid oxide fuel cell device including the fuel cell stack.
固体酸化物形燃料電池装置(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池である。 A solid oxide fuel cell device (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, and supplies fuel gas to one side. In this fuel cell, an oxidant gas (air, oxygen, etc.) is supplied to the other side, and electricity is generated by a reaction between the fuel gas and the oxidant gas.
燃料電池セルから発電した電力は、燃料電池セルを構成する燃料極層及び空気極層に集電部材を接続し、この集電部材を介して取り出される。このような燃料電池セルから発電された電力を取り出す構成として、例えば、特許文献1には、円筒形の燃料電池セルにおいて、内側電極層(燃料極層)と内側電極端子との間を、銀ロウを焼結させてなる銀シール材により電気的に接続する構成が開示されている。
The electric power generated from the fuel cell is connected to a fuel electrode layer and an air electrode layer that constitute the fuel cell and a current collecting member is taken out through the current collecting member. As a configuration for taking out the electric power generated from such a fuel battery cell, for example, in
また、特許文献2には、平板状の燃料電池セルにおいて、円形の電解質層の外縁部に円環状に絶縁性バリア層を形成し、絶縁性バリア層の上方に貫通孔を有する箔状の金属箔を積層し、電解質層及び金属箔の内縁部を覆うように空気極層を成膜した構成が開示されている。
Further, in
また、特許文献3には、平板状の燃料電池セルにおいて、コネクタプレートと電極層(空気極層)との間に金属箔を備えた金属集電体を配置し、供給された発電用ガスの圧力によって金属箔が電極層に向かって膨張することにより電極層と金属箔とが接触し、発電された電力を取り出す構成が開示されている。
Further, in
ここで、固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルは、発電の際に700℃以上の高温まで発熱する。このため、固体酸化物形燃料電池セルスタックには、外気温又は室温と、700℃以上の高温との間の繰り返しの急激な熱変動に耐えうる性能が求められる。そこで、これまでは固体酸化物形燃料電池装置に用いられる構成部品を、熱膨張率が近い材料により構成することにより熱応力を抑えていた。 Here, the fuel cell of the solid oxide fuel cell device generates heat up to a high temperature of 700 ° C. or higher during power generation. For this reason, the solid oxide fuel cell stack is required to have a performance capable of withstanding repeated rapid thermal fluctuations between an outside air temperature or room temperature and a high temperature of 700 ° C. or higher. So far, thermal stress has been suppressed by configuring the components used in the solid oxide fuel cell device with materials having a similar coefficient of thermal expansion.
しかしながら、上述したような燃料電池セルと、この燃料電池セルから発電された電力を取り出すための集電部材とを電気的に接続する導電構造に関しては、これらの機能を保ちながら熱膨張率が近くなるような材料を選択することは極めて困難であった。このため、集電部材と燃料電池セルとの間で熱応力が生じ、クラックの発生などにより燃料電池セルが破損したり、燃料電池セルと集電部材との電通状態が損なわれたりするという問題があった。 However, regarding the conductive structure that electrically connects the fuel cell as described above and a current collecting member for taking out the electric power generated from the fuel cell, the thermal expansion coefficient is close while maintaining these functions. It was extremely difficult to select such a material. For this reason, a thermal stress is generated between the current collecting member and the fuel battery cell, and the fuel battery cell is damaged due to the occurrence of a crack, or the electrical connection state between the fuel battery cell and the current collecting member is impaired. was there.
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、発電反応による急激な熱変動に曝されても燃料電池セルからの良好な電力の出力を維持できるようにすることである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to maintain a good power output from the fuel cell even when exposed to a rapid thermal fluctuation due to a power generation reaction. .
本発明の燃料電池セルスタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルスタックであって、燃料ガスが供給される燃料通路を有する燃料極層、酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、燃料極層と空気極層の間に設けられた固体電解質層を有する円筒状の燃料電池セルと、燃料電池セルの少なくとも一方の端部を包囲するように設けられ、燃料電池セルにより発電された電力を燃料電池セルから取り出す集電部材と、を備え、燃料電池セルは、可撓性の箔状の金属部材を介して集電部材に電気的に接続され、箔状の金属部材は燃料電池セル及び集電部材に導電性のペーストにより接続され、箔状の金属部材は撓んだ状態で燃料電池セルと集電部材との間を接続し、これにより燃料電池セルに加わる応力に対して追従するように変形可能であり、箔状の金属部材は、燃料電池セルの上面又は下面が上面又は下面に対向する集電部材の天面又は底面に対して変位可能なように、燃料電池セルを集電部材に接続する、ことを特徴とする。 The fuel cell stack according to the present invention is a fuel cell stack that generates power using fuel gas and oxidant gas, and includes a fuel electrode layer having a fuel passage to which fuel gas is supplied, and air to which oxidant gas is supplied. A cylindrical fuel cell having a polar layer and a solid electrolyte layer provided between the fuel electrode layer and the air electrode layer, and a fuel cell provided so as to surround at least one end of the fuel cell. A power collecting member for taking out the electric power generated by the cell from the fuel cell, and the fuel cell is electrically connected to the current collecting member through a flexible foil-like metal member, The metal member is connected to the fuel cell and the current collecting member by a conductive paste, and the foil-like metal member is connected between the fuel cell and the current collecting member in a bent state. Follow the applied stress The foil-shaped metal member can collect the fuel cell so that the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collector facing the upper surface or the lower surface. It connects to a member, It is characterized by the above-mentioned.
上述の通り、燃料電池セルは発電の際に700℃以上の高温まで発熱するため、熱膨張率の異なる集電部材と燃料電池セルとの間には熱応力が生じる。特に、箔状の金属部材を燃料電池セル及び集電部材に取り付けるための導電性のろう付けやペーストは、熱膨張係数が他の部材と異なるため、高温に曝されると熱変形が生じやすい。 As described above, since the fuel cell generates heat up to a high temperature of 700 ° C. or higher during power generation, thermal stress is generated between the current collecting member and the fuel cell having different thermal expansion coefficients. In particular, conductive brazing and paste for attaching a foil-like metal member to a fuel cell and a current collecting member have a different thermal expansion coefficient from other members, so that thermal deformation is likely to occur when exposed to high temperatures. .
これに対して、上記構成の本発明によれば、金属部材が撓んだ状態で燃料電池セルと集電部材との間を接続しているため、高温下において熱膨張率の違いにより燃料電池セルと集電部材との間に変位が生じたとしてもこれを吸収することができる。さらに、箔状の金属部材を燃料電池セル及び集電部材に取り付ける導電性のろう付け又はペーストに熱変形が生じたとしても、箔状の金属部材はこの熱変形に追従して変形することができる。このため、燃料電池セルに熱応力が作用するのを防止とともに、金属部材の剥離を防止することができる。 On the other hand, according to the present invention having the above configuration, since the fuel cell and the current collecting member are connected in a state where the metal member is bent, the fuel cell is different due to a difference in thermal expansion coefficient at a high temperature. Even if a displacement occurs between the cell and the current collecting member, it can be absorbed. Furthermore, even if the conductive brazing or paste for attaching the foil-shaped metal member to the fuel cell and the current collecting member is thermally deformed, the foil-shaped metal member may be deformed following the thermal deformation. it can. For this reason, it is possible to prevent thermal stress from acting on the fuel cell and to prevent the metal member from peeling off.
ここで、燃料電池セルと集電部材とが変位することができなければ、金属部材により十分に熱応力を吸収することができない。しかしながら、燃料電池セルと集電部材との間に間隔を設けようとすると、複数の燃料電池セルの間でこの燃料電池セルと集電部材との間の間隔にばらつきが生じてしまい、燃料電池ごとに寸法のばらつきが生じてしまう。 Here, unless the fuel cell and the current collecting member can be displaced, the metal member cannot sufficiently absorb the thermal stress. However, if an interval is provided between the fuel battery cell and the current collecting member, the distance between the fuel battery cell and the current collecting member varies among the plurality of fuel battery cells. Variations in dimensions occur every time.
これに対して、本発明によれば、箔状の金属部材は、燃料電池セルの上面又は下面が集電部材の天面又は底面に対して変位可能なように、燃料電池セルを集電部材に接続しているため、金属部材により十分に熱応力を吸収することができる。さらに、このように燃料電池セルの上面又は下面が集電部材の天面又は底面に対して変位可能であるため、燃料電池セルと集電部材との間の間隔のばらつきを吸収することができる。特に、燃料電池の製造工程において、燃料電池セルの上面又は下面を、集電部材の天面又は底面に接触させることにより、燃料電池の寸法のばらつきを減少させることができる。 On the other hand, according to the present invention, the foil-shaped metal member can be connected to the current collecting member so that the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collecting member. Therefore, thermal stress can be sufficiently absorbed by the metal member. Furthermore, since the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collecting member in this way, it is possible to absorb the variation in the distance between the fuel cell and the current collecting member. . In particular, in the manufacturing process of the fuel cell, the variation in the size of the fuel cell can be reduced by bringing the upper surface or the lower surface of the fuel cell into contact with the top surface or the bottom surface of the current collecting member.
本発明において、好ましくは、箔状の金属部材は、燃料電池セルの上面又は下面に面接触した状態で接続され、箔状の金属部材は、集電部材の内壁側面に面接触した状態で接続されており、燃料電池セルの上面又は下面は、上面又は下面に対向する集電部材の天面又は底面に対して固定接続されていない。
箔状の金属部材は平面状であるため、他の形状に比べて断面積が小さく、電気抵抗が高い。このため、燃料電池セル及び集電部材に金属部材の端部を接続すると、端部において電気抵抗が大きくなる。これに対して、上記構成の本発明によれば、箔状の金属部材を燃料電池セル及び集電部材の双方に面接触させることにより、端部における電気抵抗を低減することができるとともに、接着強度を向上することができる。また、導電性ペーストは焼成時に揮発成分が抜けるため収縮するが、上記構成の本発明によれば、箔状の金属部材が燃料電池セル及び集電部材に面接触しているため、導電性ペーストの収縮に追従して変形することができ、面接触による高い導電接続を維持することができる。
In the present invention, preferably, the foil-shaped metal member is connected in contact with the upper surface or the lower surface of the fuel cell, and the foil-shaped metal member is connected in contact with the inner wall side surface of the current collecting member. The upper or lower surface of the fuel cell is not fixedly connected to the top or bottom surface of the current collecting member facing the upper or lower surface.
Since the foil-like metal member is planar, it has a smaller cross-sectional area and higher electrical resistance than other shapes. For this reason, when the end portion of the metal member is connected to the fuel cell and the current collecting member, the electrical resistance increases at the end portion. On the other hand, according to the present invention having the above-described configuration, the foil-like metal member can be brought into surface contact with both the fuel battery cell and the current collecting member, whereby the electrical resistance at the end can be reduced and bonded. Strength can be improved. In addition, the conductive paste shrinks due to elimination of volatile components during firing, but according to the present invention having the above configuration, the foil-like metal member is in surface contact with the fuel cell and the current collecting member. Can be deformed following the contraction of the film, and a high conductive connection by surface contact can be maintained.
また、上記構成の本発明によれば、箔状の金属部材は、燃料電池セルの上面又は下面と、燃料電池セルを取り囲む集電部材の内壁側面とに面接触しているため、L字状に折り曲げられた状態となる。このように箔状の金属部材がL字状になることにより、箔状の金属部材に撓みが生じるため、この撓みにより燃料電池セルと集電部材との間の熱膨張係数の差による変位を吸収することができる。また、燃料電池セルと集電部材を接続する際には、集電部材に予め箔状の金属部材を取り付けておき、燃料電池セルを集電部材に向けて差し込むことにより箔状の金属部材を燃料電池セルに接続することができ、組立作業が容易になる。 Moreover, according to this invention of the said structure, since the foil-shaped metal member is in surface contact with the upper surface or lower surface of a fuel cell, and the inner wall side surface of the current collection member surrounding a fuel cell, it is L-shaped. It will be in the state bent by. Since the foil-like metal member becomes L-shaped in this way, the foil-like metal member bends. Therefore, the deflection causes the displacement due to the difference in the thermal expansion coefficient between the fuel cell and the current collecting member. Can be absorbed. In addition, when connecting the fuel cell and the current collecting member, a foil-like metal member is attached to the current collecting member in advance, and the foil-like metal member is inserted by inserting the fuel cell toward the current collecting member. It can be connected to a fuel cell, and assembly work is facilitated.
本発明において、好ましくは、箔状の金属部材の一面が燃料電池セルの上面又は下面に接続され、箔状の金属部材の、燃料電池セルが接続された部分に対応する他面の部分には、焼成前に箔状の金属と集電部材の天面又は底面とを仮固定し、かつ、焼成後には仮固定が解除される仮固定部材が設けられている。 In the present invention, preferably, one surface of the foil-shaped metal member is connected to the upper surface or the lower surface of the fuel cell, and the other surface portion of the foil-shaped metal member corresponding to the portion to which the fuel cell is connected A temporary fixing member that temporarily fixes the foil-shaped metal and the top surface or bottom surface of the current collecting member before firing and releases the temporary fixing after firing is provided.
燃料電池の寸法のばらつきを減少させるためには、燃料電池の製造工程において、燃料電池セルの上面又は下面を、集電部材の天面又は底面に接触させることが好ましい。しかしながら、燃料電池の製造後は、熱応力を吸収できるように、燃料電池セルの上面又は下面が集電部材の天面又は底面に対して変位可能にする必要がある。 In order to reduce the variation in the dimensions of the fuel cell, it is preferable that the upper surface or the lower surface of the fuel cell is brought into contact with the top surface or the bottom surface of the current collecting member in the fuel cell manufacturing process. However, after manufacturing the fuel cell, it is necessary that the upper surface or the lower surface of the fuel cell be displaceable with respect to the top surface or the bottom surface of the current collecting member so that the thermal stress can be absorbed.
これに対して、上記構成の本発明によれば、焼成前に箔状の金属と集電部材の天面又は底面とを仮固定し、かつ、焼成後には仮固定が解除される仮固定部材を設けることにより、製造時には、燃料電池セルの上面又は下面を、集電部材の天面又は底面に接触させ、燃料電池の製造後は、燃料電池セルの上面又は下面が集電部材の天面又は底面に対して変位可能にすることができる。 On the other hand, according to the present invention having the above-described configuration, the temporary fixing member that temporarily fixes the foil-shaped metal and the top surface or the bottom surface of the current collecting member before firing, and is temporarily released after firing. When the fuel cell is manufactured, the upper surface or the lower surface of the current collecting member is brought into contact with the top surface or the bottom surface of the current collecting member. Alternatively, it can be displaced with respect to the bottom surface.
本発明において、好ましくは、箔状の金属部材の一面は、導電性ペーストにより、燃料電池セルの上面又は下面に接続されている。
集電部材と燃料電池セルとの間の空間は非常に狭い。このため、箔状の金属部材と燃料電池セルとを導電性のろう付けにより接続しようとしても外部からろうを流し込むことは非常に難しい。さらに、ろうは膨張係数が周囲の部材に比べて大きく、燃料電池セルの破損や箔状の金属部材の剥離が生じやすい。これに対して、上記構成の本発明によれば、予め導電性ペーストを燃料電池セルに取り付けておけば燃料電池セルを集電部材内に挿入した後、容易に箔状の金属部材を燃料電池セルに接続することができる。さらに、導電性のペーストは多孔質でありそれ自身が変形可能であるため、燃料電池セルの破損や箔状の金属部材の剥離を防止できる。
In the present invention, preferably, one surface of the foil-shaped metal member is connected to the upper surface or the lower surface of the fuel cell by a conductive paste.
The space between the current collecting member and the fuel cell is very narrow. For this reason, even if it is going to connect a foil-shaped metal member and a fuel battery cell by electroconductive brazing, it is very difficult to pour wax from the outside. Furthermore, the expansion coefficient of the wax is larger than that of the surrounding members, and the fuel cell is easily damaged or the foil-like metal member is easily peeled off. On the other hand, according to the present invention having the above configuration, if the conductive paste is attached to the fuel cell in advance, the fuel cell is inserted into the current collecting member, and then the foil-like metal member is easily attached to the fuel cell. Can be connected to a cell. Furthermore, since the conductive paste is porous and itself can be deformed, it is possible to prevent the fuel cell from being damaged and the foil-like metal member from being peeled off.
本発明において、好ましくは、仮固定部材は、箔状の金属部材を燃料電池セルに接続する導電性ペーストと同一の材料からなり、導電性ペーストは、集電部材よりも燃料電池セルとの密着性が高い。
上記構成の本発明によれば、仮固定部材に集電部材よりも燃料電池セルとの密着性が高い導電性ペーストを用いることにより、導電性ペーストの焼結時の収縮により発生する熱応力により仮固定部材と集電部材とが剥離する。これにより、燃料電池セルの上面又は下面を集電部材の天面又は底面に対して変位可能にすることができる。
In the present invention, preferably, the temporary fixing member is made of the same material as the conductive paste for connecting the foil-shaped metal member to the fuel cell, and the conductive paste is more closely attached to the fuel cell than the current collecting member. High nature.
According to the present invention having the above configuration, by using a conductive paste having higher adhesion to the fuel cell than the current collecting member as the temporary fixing member, the thermal stress generated by the shrinkage during sintering of the conductive paste The temporarily fixing member and the current collecting member are peeled off. Thereby, the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collecting member.
本発明において、好ましくは、集電部材は内壁面にクロム酸化物層を有する。
上記構成の本発明によれば、集電部材は内壁面にクロム酸化物層を有するため、仮固定部材と集電部材との密着性が弱くなり、より焼結時に熱応力により剥離しやすくなる。
In the present invention, the current collecting member preferably has a chromium oxide layer on the inner wall surface.
According to the present invention having the above configuration, since the current collecting member has a chromium oxide layer on the inner wall surface, the adhesion between the temporary fixing member and the current collecting member is weakened, and more easily peels off due to thermal stress during sintering. .
本発明の固体酸化物形燃料電池装置は、上記の燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックを収容するモジュールケースと、モジュールケース内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池セルスタックに供給する改質器と、を備える。 A solid oxide fuel cell device of the present invention includes the above fuel cell stack, a module case that accommodates the fuel cell stack, and a fuel gas that is disposed in the module case and reforms the raw fuel gas with water vapor. And a reformer for supplying the fuel gas to the fuel cell stack.
本発明によれば、発電反応による熱変動に曝されても燃料電池セルからの良好な電力の出力を維持できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the output of the favorable electric power from a fuel cell can be maintained even if exposed to the heat fluctuation by electric power generation reaction.
つぎに、添付図面を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。
図1に示すように、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell apparatus (SOFC) 1 according to a first embodiment of the present invention includes a
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュールケース8が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、8個の燃料電池セルスタック14(詳細は図6で後述する)を備え、この燃料電池セルスタック14は、各々が燃料電池セルを含む、16本の燃料電池セルユニット16(詳細は図5で後述する)から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体12は、128本の燃料電池セルユニット16を有する。燃料電池セル集合体12は、複数の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
The
燃料電池モジュール2のモジュールケース8の発電室10の上方には、燃焼部としての燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス(言い換えると燃焼ガス)を生成するようになっている。さらに、モジュールケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器120が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器120を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
A
さらに、ハウジング6内においてモジュールケース8の上方には、蒸発器140が断熱材7内に設けられている。蒸発器140は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス(以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。)をモジュールケース8内の改質器120に供給する。
Further, an
つぎに、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器120に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器120内において、部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよいし、POX工程及びATR工程を省略してSR工程のみが行われるように構成してもよい。なお、SR工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット44は不要である。
Next, the
In this embodiment, the partial oxidation reforming reaction (POX) and the steam reforming reaction (SR) are performed from the POX process in which only the partial oxidation reforming reaction (POX) occurs in the
つぎに、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot
つぎに、図2〜図4を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。
図2は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図であり、図4は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。
Next, the structure of the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a side sectional view showing the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view of the module case and the air passage cover.
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2は、断熱材7で覆われたモジュールケース8の内部に設けられた燃料電池セル集合体12及び改質器120を有すると共に、モジュールケース8の外部で且つ断熱材7内に設けられた蒸発器140を有する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
まず、モジュールケース8は、図4に示すように、略矩形の天板8a,底板8c,これらの長手方向(図2の左右方向)に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板8bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板8a及び底板8cの幅方向(図3の左右方向)に延びる辺同士を連結する閉鎖側板8d,8eからなる。
First, as shown in FIG. 4, the
モジュールケース8は、空気通路カバー160によって天板8a及び側板8bが覆われている。空気通路カバー160は、天板160aと、対向する一対の側板160bとを有する。天板160aの略中央部分には、排気管171を貫通させるための開口部167が設けられている。天板160aと天板8aとの間、及び、側板160bと側板8bとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース8の外側と断熱材7との間、具体的にはモジュールケース8の天板8a及び側板8bと、空気通路カバー160の天板160a及び側板160bとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路161a,161bが形成されている(図3参照)。
The
モジュールケース8の側板8bの下部には、複数の貫通孔である吹出口8fが設けられている(図4参照)。発電用空気は、空気通路カバー160の天板160aのうち、モジュールケース8の閉鎖側板8e側の略中央部に設けられた発電用空気導入管74から流路方向調整部164を介して空気通路161a内に供給される(図2、図4参照)。そして、発電用空気は、空気通路161a,161bを通って、吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される(図3、図4参照)。
At the lower part of the
また、空気通路161a,161bの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン162,163が設けられている(図3参照)。プレートフィン162は、モジュールケース8の天板8aと空気通路カバー160の天板160aの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン163は、モジュールケース8の側板8bと空気通路カバー160の側板160bとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット16よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。
Further,
空気通路161a,161bを流れる発電用空気は、特にプレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の内側のモジュールケース8内(具体的には天板8a,側板8bに沿って設けられた排気通路)を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路161a,161bにおいてプレートフィン162,163が設けられた部分は、熱交換器(熱交換部)として機能する。なお、プレートフィン162が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン163が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。
The power generation air flowing through the
つぎに、蒸発器140は、モジュールケース8の天板8a上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器140とモジュールケース8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分7aが配置されている(図2及び図3参照)。
Next, the
具体的には、蒸発器140は、長手方向(図2の左右方向)の一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する燃料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82(図3参照)とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管171の上端部が連結されている。排気管171は、空気通路カバー160の天板160aに形成された開口部167を貫通して下方へ延び、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口111に連結されている。排気口111は、モジュールケース8内の燃焼室18で生成された排気ガスをモジュールケース8の外へ排出する開口部であり、モジュールケース8の上面視略矩形の天板8aのほぼ中央部に形成されている。
Specifically, the
また、蒸発器140は、図2及び図3に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース141を有している。この蒸発器ケース141は、2つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース142と下側ケース143とを、これらの間に中間板144を挟んだ状態で接合して形成されている。
In addition, as shown in FIGS. 2 and 3, the
したがって、蒸発器ケース141は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管171から供給された排気ガスが通過する排気通路部140Aが形成され、上層部分には、燃料供給配管63から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部140Bと、蒸発部140Bで生成された水蒸気と燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部140Cが設けられている。
Accordingly, the
図2及び図3に示すように、蒸発部140B及び混合部140Cは、複数の連通孔(スリット)145aが形成された仕切り板145により蒸発器140を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部140B内には、アルミナボール(図示せず)が充填されている。
また、排気通路部140Aは、同様に複数の連通孔を有する2つの仕切り板146,147により排気ガスの上流側から下流側にかけて3つの空間に仕切られている。そして、2番目の空間に燃焼触媒(図示せず)が充填されている。すなわち、本実施形態の蒸発器140は、上下方向の二層構造のうちの下層構造に燃焼触媒器を含んでいる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the evaporator 140B and the
Similarly, the
このような蒸発器140では、蒸発部140B内の水と排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部140B内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部140C内の混合ガスと排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
In such an
さらに、図2に示すように、混合部140Cには、改質器120に混合ガスを供給するための混合ガス供給管112が接続されている。この混合ガス供給管112は、排気管171の内部を通過するように配置されており、一端が中間板144に形成された開口144aに連結され、他端が改質器120の天面に形成された混合ガス供給口120aに連結されている。混合ガス供給管112は、排気通路部140A内,排気管171内を通過してモジュールケース8内まで鉛直下方に延び、そこで略90°屈曲されて天板8aに沿って水平方向に延びた後、下方へ略90°屈曲されて改質器120に連結されている。
Further, as shown in FIG. 2, a mixed
つぎに、改質器120は、燃焼室18の上方でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュールケース8の天板8aとの間に排気ガス誘導部材130を介して所定距離隔てられて状態で、天板8aに対して固定されている。改質器120は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔120bが形成された環状構造体であり、上側ケース121と下側ケース122とが接合された筐体を有している。この貫通孔120bは、天板8aに形成された排気口111と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔120bの中央位置に排気口111が形成される。
Next, the
改質器120の長手方向の一端側(モジュールケース8の閉鎖側板8e側)では、上側ケース121に設けられた混合ガス供給口120aに混合ガス供給管112が連結されており、他端側(閉鎖側板8d側)では、燃料ガス供給管64が下側ケース122に、脱硫器36まで延びる水添脱硫器用水素取出管65が上側ケース121にそれぞれ連結されている。したがって、改質器120は、混合ガス供給管112から混合ガス(つまり水蒸気が混合された原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい))を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管64及び水添脱硫器用水素取出管65から改質後のガス(即ち、燃料ガス)を排出するように構成されている。
On one end side in the longitudinal direction of the reformer 120 (closed
改質器120は、その内部空間が2つの仕切り板123a,123bによって3つの空間に仕切られることにより、改質器120内に、混合ガス供給管112からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部120Aと、混合ガスを改質するための改質触媒(図示せず)が充填された改質部120Bと、改質部120Bを通過したガスを排出するガス排出部120Cと、が形成されている(図2参照)。改質部120Bは、仕切り板123a,123bに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板123a,123bに設けられた複数の連通孔(スリット)を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
The
混合ガス受入部120Aには、蒸発器140から混合ガス供給管112を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口120aを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部120A内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板123aを通過して改質部120Bに供給される。
改質部120Bでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板123bを通過してガス排出部120Cに供給される。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
The mixed gas supplied from the
In the reforming
In the gas discharge unit 120C, the fuel gas is discharged to the fuel
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64は、モジュールケース8内を閉鎖側板8dに沿って下方へ延び、底板8c付近で略90°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内へ入り、更にマニホールド66内で逆側の閉鎖側板8e付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
A fuel
排気ガス誘導部材130は、改質器120と天板8aとの間でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排気ガス誘導部材130は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板131及び上部誘導板132と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板133,134とを備えている(図2,図3参照)。上部誘導板132は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板131に連結されている。連結板133,134は、上端部が天板8aに連結され、下端部が改質器120に連結されており、これにより、排気ガス誘導部材130及び改質器120を天板8aに固定している。
The exhaust
下部誘導板131は、幅方向(図3の左右方向)の中央部が下方に向けて突出する凸状段部131aが形成されている。一方、上部誘導板132は、下部誘導板131と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部132aが形成されている。凸状段部131aと凹部132aは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管112は、モジュールケース8内でこの凹部132a内を水平方向に延びた後、閉鎖側板8e付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板132及び下部誘導板131を貫通して、改質器120に連結されている。
The
排気ガス誘導部材130は、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜135が形成されている。このガス溜135は、燃焼室18と流体連通している。すなわち、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜135には、運転中に燃焼室18から排気ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜135の内外間のガスの移動は緩やかである。
In the exhaust
上部誘導板132は、天板8aと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板132と天板8aとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる排気通路172が形成されている。この排気通路172は、モジュールケース8の天板8aを挟んで空気通路161aと並設されており、排気通路172内には、空気通路161a,161b内のプレートフィン162,163と同様なプレートフィン175が配置されている。このプレートフィン175は、プレートフィン162と上面視で略同一箇所に設けられており、天板8aを挟んで上下方向に対向している。空気通路161a及び排気通路172のうち、プレートフィン162,175が設けられた部分において、空気通路161aを流れる発電用空気と排気通路172を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。
The
また、改質器120は、モジュールケース8の側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器120と側板8bとの間には、排気ガスを下方から上方へ通過させる排気通路173が形成されている。また、排気ガス誘導部材130も側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路173は、排気ガス誘導部材130と側板8bとの間の通路を含んで天板8aまで延びている。排気通路173は、天板8aと側板8bとの角部に位置する排気ガス導入口172aで排気通路172と連通している。この排気ガス導入口172aは、モジュールケース8内で長手方向に延びている。
The
さらに、下部誘導板131は、改質器120の上側ケース121の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板131と上側ケース121との間、及び、改質器120の貫通孔120bは、貫通孔120bを下方から上方へ向けて通過した排気ガスを通過させる排気通路174を形成している。この排気通路174は、改質器120の上方で排気通路173と合流する。
Further, the
つぎに、図5〜図7を参照して、燃料電池セルユニット16について説明する。
図5は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図6は、図5のVI部の拡大断面図であり、(a)は燃料電池セルが支持体として導電支持体を有する場合、(b)は絶縁支持体を有する場合を示す。図7は、図6(a)におけるVII−VII断面図である。
図5に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
Next, the
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the fuel cell unit of the solid oxide fuel cell according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a VI part in FIG. 5, (a) shows a case where the fuel cell has a conductive support as a support, and (b) shows a case where an insulating support is provided. FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII in FIG.
As shown in FIG. 5, the
図5及び図6(a)に示すように、支持体として導電支持体を有する場合の燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の導電支持体189と、導電支持体189の外周に設けられた略円筒形の内側電極層90と、内側電極層90の外周に設けられた円筒形の電解質層94と、電解質層94の外周に設けられた円筒形の外側電極層92と、を備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
As shown in FIGS. 5 and 6A, the
導電支持体189は、例えば、Ni/YSGなどの多孔質導電体からなり、燃料ガス流路88を通る燃料ガスは導電支持体189を通して内側電極層90に接触する。
図6(a)に示すように、内側電極層90は導電支持体189の外周面に沿って全周にわたって形成されている。支持体として導電支持体189を有する場合には、内側電極層90はたとえばGDC等を用いることができる。
The
As shown in FIG. 6A, the
また、図6(b)に示すように、支持体として絶縁支持体を有する場合の燃料電池セル84は、導電支持体189を備えておらず、代わりに絶縁支持体89を有している。絶縁支持体89は円筒形であり、内部に燃料ガス流路88が形成されている。絶縁支持体89は、多孔質絶縁体からなり、燃料ガス流路88を通る燃料ガスは絶縁支持体89を通して内側電極層90に接触する。
Further, as shown in FIG. 6B, the
図6(b)に示すように、支持体として絶縁支持体89を有する場合には、内側電極層90は絶縁支持体89の外周面に沿って全周にわたって形成されており、さらに、絶縁支持体89の上下面を覆っている。内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極層90は、Ni/YSZからなる。
なお、支持体として導電支持体189を用いた場合であっても、絶縁支持体89を用いた場合であっても、その他の構成は同一である。
As shown in FIG. 6B, when the insulating
Note that the other configurations are the same whether the
電解質層94は、内側電極層90の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極層90の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極層90の上端よりも下方で終端している。電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
The
外側電極層92は、電解質層94の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層94の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層94の上端よりも下方で終端している。外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
次に、内側電極端子86について説明するが、燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、燃料電池セル84の下端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。
Next, the
内側電極端子86は、燃料電池セル84の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル84により発電された電力を燃料電池セル84から取り出すための集電部材として機能する。図6に示すように、燃料電池セル84の下端に設けられた内側電極端子86は、円筒状の第1円筒部86aと、第1円筒部86aの上端かから外方に向かって延びる円環状の円環部86bと、円環部86bの外周から上方に向かって延びる第2円筒部86cとを有する。内側電極端子86の第1円筒部86aの中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。
The
内側電極端子86は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる電極層本体86Aを備える。電極層本体86Aの内周面及び外周面には、クロム酸化物(本実施形態では、Cr2O3)がコーティングされてなるCr2O3層86B、86Cが被覆されている。また、外側のCr2O3層86Cの外周面には、MnCo2O4がコーティングされてなるMnCo2O4層86Dが積層されている。さらに、MnCo2O4層86Dの外周面にはAg集電膜86Eが設けられている。なお、本実施形態では、Ag集電膜86Eは第1円筒部86a、円環部86b、及び第2円筒部86cが外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。
The
燃料ガス流路98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。このため、マニホールド66(図2参照)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路98を通って燃焼室18(図2参照)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
The fuel
内側電極端子86の円環部86bの上面(底面)と燃料電池セル84の内側電極層90の下面とは離間しており、これら面の間には空間が設けられている。また、内側電極端子86の第2円筒部86cと、内側電極層90の下端部の外周面との間には環状の空間が設けられている。これら空間内に後に詳述する銀箔91が変形可能に配置されている。図6に示すように、内側電極層90の電解質層94の下端部外周面と、内側電極端子86の第2円筒部86cの内周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール96が設けられている。このガラスシール96により、内側電極端子86と内側電極層90との間の空間は、燃料電池セルユニット16の外部の空間に対して気密密封されている。なお、このように、内側電極端子86の円環部86bの上面と、円環部86bの上面に対向する内側電極層90の下面とは離間しており、内側電極端子86と内側電極層90とは固定接続されていない。
The upper surface (bottom surface) of the
燃料電池セル84は、内側電極端子86に可撓性を有する箔状の銀箔91により電気的に接続されている。銀箔91としては、例えば50μm程度のものが用いられている。図8は、第1実施形態で用いられている銀箔を示す斜視図である。同図に示すように、銀箔91は、円環状の円環部91Aと、円環部91Aの外周から折り曲げられて斜め上方に延びる複数の帯状部91Bとを有する。複数の帯状部91Bの間には放射状に斜め上方に延びる複数の切り込み91Dが形成されており、複数の帯状部91Bは切り込み91Dにより周方向に離間している。各切り込み91Dは、銀箔91の上方の端部まで到達している。銀箔91は、円環状の円環部91Aが燃料電池セル84の下面と、内側電極端子86の上面との間の円柱状の空間内に位置しており、複数の帯状部91Bは、燃料電池セル84の外周面と内側電極端子86の内周面との間の環状の空間に全周にわたって位置している。なお、後述するように、銀箔91に複数の切り込み91Dが形成されていることにより、燃料電池セル84又は内側電極端子86に部位により異なる応力が生じたとしても、各帯状部91Bがそれぞれ応力に応じて追従することができる。すなわち、切り込み91Dは、燃料電池セル84及び内側電極端子86の少なくとも一方に部位により異なる応力が生じた場合に、各部位に生じた応力に応じて追従する局所応力追従手段として機能する。本実施形態では、銀箔91の内側電極端子86に接続される側の端部のみに切り込み91Dを形成しているが、これに限らず、燃料電池セル84に接続される側の端部にも切り込みを形成してもよく、両端部に切り込みを形成してもよい。
The
図6に示すように、銀箔91の円環部91Aは、第1の銀ペースト93Aにより燃料電池セル84の内側電極層90の下面の燃料ガス流路88以外の部分に面接触した状態で取り付けられている。第1の銀ペースト93Aは、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、及びニッケル(Ni)を含む導電性のペーストが焼成されることにより、銀箔91を内側電極層90に接着している。
As shown in FIG. 6, the
また、銀箔91の帯状部91Bが第2の銀ペースト93Bにより内側電極端子86の第2円筒部86cの内周面に面接触した状態で取り付けられている。図7に示すように、第2の銀ペースト93Bは、銀箔91の帯状部91Bの切り込み91Dに隣接する縁に沿って、帯状部91Bの上下方向全長にわたって設けられている。そして、帯状部91Bはその他の部位、すなわち、帯状部91Bの切り込み91Dに隣接する縁の間の領域、すなわち、水平方向中央領域等には設けられていない。第2の銀ペースト93Bは、銀(Ag)、及び、パラジウム(Pd)を含む導電性のペーストが焼成されることにより、銀箔91を内側電極端子86に接着している。図6に示すように、銀箔91の燃料電池セル84に接続される領域と、内側電極端子86に接続される領域とは離間している。
Further, the belt-
銀箔91は折り曲げ部91Cを有し、内側電極端子86と燃料電池セル84との間の空間に折り曲げ部において折り曲げられた状態で収容されている。具体的には、銀箔91は、鉛直断面視において、第2の銀ペースト93Bを介して内側電極端子86に接続された箇所から下方に延び、折り曲げ部91Cにおいて内側に向かって略直角に曲げられて内側に向かって延び、この内側に向かって延びる部分が第1の銀ペースト93Aを介して燃料電池セル84の下面に接続されている。折り曲げ部91Cは曲率を有し、銀箔91は湾曲した状態となっている。このように、銀箔91は折り曲げ部91Cを有することにより、内側電極端子86と燃料電池セル84との間で撓んだ状態で保持されている。これにより、後述するように、銀箔91は燃料電池セル84に加わる応力に対して追従して変形することができる。
The
つぎに、図9を参照して、燃料電池セルスタック14について説明する。
図9は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図9に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Next, the
FIG. 9 is a perspective view showing the fuel cell stack of the solid oxide fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 9, the
Each
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。
Furthermore, a
さらに、燃料電池セルスタック14の端(図9では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の内側電極端子86に接続され、上述したように、128本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
Furthermore, two
つぎに、図10及び図11を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。
図10は、図2と同様の、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図11は、図3と同様の、図2のIII−III線に沿った断面図である。
なお、図10及び図11は、それぞれ、図2及び図3中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図であり、説明の便宜上、断熱材7を取り除いた状態の図を示している。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
Next, a gas flow in the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 10 is a side sectional view showing the fuel cell module of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention, similar to FIG. 2, and FIG. 11 is similar to FIG. It is sectional drawing along the III-III line.
10 and 11 are diagrams in which arrows indicating gas flow are newly added in FIGS. 2 and 3, respectively, and for the sake of convenience of explanation, a state in which the
図10に示すように、水及び原燃料ガス(燃料ガス)は、蒸発器140の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管63から蒸発器140の上層に設けられた蒸発部140B内に供給される。蒸発部140Bに供給された水は、蒸発器140の下層に設けられた排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとが、蒸発部140B内を下流方向に流れて行き、混合部140C内で混合される。混合部140C内の混合ガスは、下層の排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱される。
As shown in FIG. 10, water and raw fuel gas (fuel gas) are fed into an
混合部140C内で形成された混合ガス(燃料ガス)は、混合ガス供給管112を通って、モジュールケース8内の改質器120に供給される。混合ガス供給管112は、排気通路部140A,排気管171,及び排気通路172を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管112内の混合ガスは更に加熱される。
The mixed gas (fuel gas) formed in the
混合ガスは、改質器120内の混合ガス受入部120A内に流入し、ここから仕切り板123aを通過して改質部120Bに流入する。混合ガスは、改質部120Bにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板123bを通過して、ガス排出部120Cに流入する。
The mixed gas flows into the mixed
さらに、燃料ガスは、ガス排出部120Cから燃料ガス供給管64と水添脱硫器用水素取出管65とに分岐する。そして、燃料ガス供給管64に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給され、マニホールド66から各燃料電池セルユニット16内に供給される。
Further, the fuel gas branches from the
また、図10及び図11に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管74から空気通路161aに供給される。発電用空気は、空気通路161a,161b内において、プレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の下部のモジュールケース8内に形成された排気通路172,173を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、排気通路172内には、空気通路161aのプレートフィン162に対応してプレートフィン175が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン162とプレートフィン175とを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される。
Further, as shown in FIGS. 10 and 11, the power generation air is supplied from the power generation
なお、本実施形態では、燃料電池セル集合体12の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において発電用空気と排気ガスとの間の熱交換は抑制される。したがって、燃料電池セル集合体12の側方部位において、空気通路161b内の発電用空気に上下方向の温度勾配が生じ難くなっている。
In the present embodiment, since the exhaust passage is not formed in the side portion of the fuel cell assembly 12, heat exchange between the power generation air and the exhaust gas is suppressed in this portion. Therefore, in the side portion of the fuel cell assembly 12, it is difficult for the temperature gradient in the vertical direction to occur in the power generation air in the
また、発電室10内で発電に利用されなかった燃料ガスは、図11に示すように、燃焼室18で燃焼されて排気ガス(燃焼ガス)となり、モジュールケース8内を上昇していく。具体的には、排気ガスは、排気通路173と排気通路174とに分岐して、改質器120の外側面とモジュールケース8の側板8bとの間、及び、改質器120の貫通孔120bから改質器120と排気ガス誘導部材130との間をそれぞれ通過する。このとき、排気通路174を通過する排気ガスは、改質器120の貫通孔120bの上方に配置された凸状段部131aによって幅方向に二分され、排気ガス誘導部材130の下部に留まることなく排気通路173に向けて誘導され、排気通路173を流れる排気ガスに素早く合流される。
Further, as shown in FIG. 11, the fuel gas not used for power generation in the
その後、排気ガスは、排気ガス導入口172aから排気通路172に流入する。排気通路172内では、排気ガスは、排気通路172を水平方向に流れていき、モジュールケース8の天板8aの中央に形成された排気口111から流出する。
なお、排気ガスが排気通路173を上方へ流れていく際に、空気通路161b内に設けられたプレートフィン163を介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。また、排気ガスが排気通路172を水平方向に流れていく際に、排気通路172内に設けられたプレートフィン175と、このプレートフィン175に対応して空気通路161a内に設けられたプレートフィン162とを介して、発電用空気と排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。
Thereafter, the exhaust gas flows into the
When the exhaust gas flows upward in the
そして、排気口111から流出した排気ガスは、モジュールケース8の外部に設けられた排気管171を通過して蒸発器140の排気通路部140Aに流入し、排気通路部140Aを通過した後、蒸発器140から排気ガス排出管82へ排出される。排気ガスは、蒸発器140の排気通路部140Aを流れる際に、上述したように、蒸発器140の混合部140C内の混合ガス及び蒸発部140B内の水と熱交換を行う。
The exhaust gas flowing out from the
ここで、燃料電池セルユニット16の組立方法を説明する。図12は、燃料電池セルユニット16の組立方法を説明するための模式図である。なお、以下の説明では、燃料電池セル84の下端に内側電極端子86を取り付ける場合について説明するが、燃料電池セルの上端に内側電極端子86を取り付ける場合も同様に行うことができる。
Here, a method for assembling the
まず、図12(A1)に示すように、燃料電池セル84を用意し、(A2)に示すように、燃料電池セル84の内側電極層90の下面及び上面に第1の銀ペースト93Aを円環状に付着させる。
First, as shown in FIG. 12 (A1), a
また、図12(B1)に示すように、内側電極端子86を用意し、(B2)に示すように、内側電極端子86の第2円筒部86cの内面及び円環部86bの内面にそれぞれ、第2の銀ペースト93B及び第3の銀ペースト93Cを付着させる。第3の銀ペースト93Cは、燃料電池セル84に銀箔91を付着させるための第1の銀ペースト93Aと同一の材料からなる。第1及び第3の銀ペースト93A、93Cはニッケルを混合しているため、ニッケルを含む材料からなる燃料電池セル84の内側電極層90に対する付着力が、ニッケルを含まない内側電極端子86のCr2O3層86Bに対する付着力よりも大きい。なお、第2の銀ペースト93Bは、銀箔91を嵌め込んだ際に、銀箔91の切り込み91Dが位置するような箇所に上下方向に延びるように付着させる。
Further, as shown in FIG. 12 (B1), the
また、図12(C1)に示すように、平板状の銀箔91を用意する。平板状の銀箔91は、円環状の円環部91Aの外周部から、複数の帯状部91Bが放射状に延びた形状となっている。そして、同図(C2)に示すように、帯状部91Bの付け根を折り曲げる。この際、帯状部91Bの付け根が曲率を持って湾曲するように折り曲げる。
Further, as shown in FIG. 12 (C1), a
次に、図12(D)に示すように、銀箔91を内側電極端子86の内側に配置する。そして、銀箔91の円環部91Aの下面を第3の銀ペースト93Cに付着させ、また、銀箔91の帯状部91Bを第2の銀ペースト93Bに付着させる。これにより、内側電極端子86に対して銀箔91が固定される。この際、銀箔91の帯状部91Bの切り込み91Dに面する縁の近傍が第2の銀ペースト93Bに付着するように銀箔91を配置する。この際、第2の銀ペースト93Bが、銀箔91の切り込み91Dから帯状部91Bの内側に漏れ出ることがあるが、内側電極端子86の第2円筒部86cの内壁と燃料電池セル84の外面との間に隙間があるため、燃料電池セル84へ付着することはない。なお、後述するように、第3の銀ペースト93Cは焼成の際に、内側電極端子86の上面(天面)から剥離する。このため、第3の銀ペースト93Cは銀箔と内側電極端子86の天面とを仮固定するための仮固定部材として機能する。
Next, as shown in FIG. 12D, the
次に、図12(E)に示すように、燃料電池セル84の下端を内側電極端子86に挿入する。図13は、燃料電池セルの下端を内側電極端子に挿入する様子を示す斜視図である。図13に示すように、燃料電池セル84の下端を内側電極端子86に挿入すると、燃料電池セル84の下端が、銀箔91の帯状部91Bに当接する。そして、この状態でさらに、燃料電池セル84を押し込むと、帯状部91Bの弾性力により、燃料電池セル84に対して各帯状部91Bから中心に向かうような力が作用する。このように、燃料電池セル84に全周から中心に向かうような力が作用するため、燃料電池セル84が、その中心軸が内側電極端子86の中心軸と一致するように押される。これにより、燃料電池セル84と内側電極端子86とを、容易に同軸に配置することができる。そして、燃料電池セル84の下端を内側電極端子86に挿入することにより、燃料電池セル84の下面に取り付けられた第1の銀ペースト93Aの下面が、銀箔91の円環部91Aの上面に付着する。
Next, as shown in FIG. 12E, the lower end of the
次に、第1の銀ペースト93A、第2の銀ペースト93B、及び第3の銀ペースト93Cを焼成する。図14は、銀ペーストを焼成する様子を示す図である。銀ペースト93A、93B、93Cを焼成することにより、銀ペースト93A、93B、93Cは収縮して多孔質体となる。これにより、第1の銀ペースト93Aが、銀箔91を燃料電池セル84に固着し、第2の銀ペースト93Bが、銀箔91を内側電極端子86に固着する。これに対して、第1及び第3の銀ペースト93A、93Cは燃料電池セル84の内側電極層90に対する付着力が、内側電極端子86のCr2O3層86Bに対する付着力よりも大きい。このため、図14に示すように、銀ペースト93A、93B、93Cは焼成することにより収縮する際、第1の銀ペースト93Aは燃料電池セル84及び銀箔91との接続が維持されるが、第3の銀ペースト93Cは内側電極端子86から剥離する。
Next, the
上述したような固体酸化物形燃料電池装置では、燃料電池セル84や内側電極端子86等は、700℃以上の高温に曝される。このように燃料電池セル84や内側電極端子86等が高温に曝されるとこれら部材に熱応力(熱膨張)が生じる。さらに、第1の銀ペースト93A、及び第2の銀ペースト93Bは、長時間運転されると粒子が焼結、凝集するため、収縮してしまう。
In the solid oxide fuel cell device as described above, the
図15は、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池装置において、長時間運転した際の挙動を示す燃料電池セル下端近傍の断面図である。同図に示すように、固体酸化物形燃料電池装置が長時間運転されると、図中矢印で示すように、第1の銀ペースト93A及び第2の銀ペースト93Bは収縮する。この際、第1の銀ペースト93A及び第2の銀ペースト93Bは、銀箔91と、燃料電池セル84及び内側電極端子86のそれぞれに面接触しているため、主に厚みが減少する。また、固体酸化物形燃料電池装置の作動時には燃料電池セル84や内側電極端子86は高温に曝される。この際、各部材は熱膨張率が等しいわけではないため、部材間に熱変形(熱応力)が生じる。特に、銀箔91を燃料電池セル84及び内側電極端子86に取り付けるための導電性の銀ペースト93A,93Bは、熱膨張係数が他の部材と異なるため、高温に曝されると熱変形が生じやすい。
FIG. 15 is a cross-sectional view of the vicinity of the lower end of the fuel cell showing the behavior when operated for a long time in the solid oxide fuel cell device of the first embodiment. As shown in the figure, when the solid oxide fuel cell device is operated for a long time, the
これに対して、本実施形態によれば、銀箔91が撓んだ状態で燃料電池セル84と内側電極端子86との間を接続しているため、第1の銀ペースト93A及び第2の銀ペースト93Bの収縮による変位や、熱膨張率の差による部材間の変位(例えば、燃料電池セル84と内側電極端子86との間の変位)を銀箔91により吸収することができる。また、本実施形態によれば、燃料電池セル84と内側電極端子86との間に隙間が設けられているため、この隙間が燃料電池セル84と内側電極端子86との熱膨張の差を吸収するため、燃料電池セル84と内側電極端子86とに過度な熱応力が生じるのを防止できる。
On the other hand, according to this embodiment, since the
また、燃料電池セル84は温度の不均一などにより、部位により異なる熱膨張(熱応力)が生じることがある。図16は、燃料電池セルに部位により異なる熱膨張が生じた状態を示す燃料電池セル下端近傍の斜視図である。図16において、部位ごとの熱膨張の大きさを矢印の長さで示す。本実施形態では、銀箔91の燃料電池セル84に取り付けられる側の縁に到達するように切り込み91Dが形成され、複数の帯状部91Bに分割されているため、それぞれの帯状部91Bが、燃料電池セル84の取り付け位置に生じた熱膨張(熱応力)に応じて独立して変形する。これにより、燃料電池セル84に異なる応力が作用した場合であっても、部位ごとに異なる熱膨張(熱応力)を銀箔91が吸収し、燃料電池セルの破損を防止できる。また、内側電極端子86に部位により異なる応力が生じた場合であっても、複数の帯状部91Bが独立して変形するため、同様に部位ごとに異なる熱応力を銀箔91により吸収することができる。さらに、図8を参照して説明したように、第2の銀ペースト93Bは帯状部91Bの切り込み91D側の縁に沿ってのみ設けられている。このため、帯状部91Bの幅方向中央部が燃料電池セル84の径方向に移動可能となり、より効果的に熱応力に対して追従することができる。
In addition, the
図17は、発電中における燃料電池セルの上部を拡大して示す断面図である。同図に示すように、燃料電池セル84で発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスは燃料ガス流路98から上方に放出され、燃料電池セル84の上方の燃焼室18において燃焼される。このため、上方の内側電極端子86は高温に曝される。ここで、例えば、特許文献1に記載されているように燃料電池セルと内側電極端子とを銀ロウを焼結させてなる銀シール材により接続する構成では、上方の内側電極端子の熱が銀シール材を介して直接燃料電池セルに伝達されてしまい、燃料電池セルの劣化の原因となっていた。これに対して、本実施形態では、上方の内側電極端子86と、燃料電池セル84とは銀シール材よりも熱伝導性の低い銀箔91で接続されている。このため、燃焼室18で発生した熱は、図中破線矢印で示すように、内側電極端子86から銀箔91を介して燃料電池セル84に伝達されることになり、上方の内側電極端子86から燃料電池セル84への熱伝導を抑えることができ、燃料電池セル84の破損を防止できる。
FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view showing the upper part of the fuel cell during power generation. As shown in the figure, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction in the
本実施形態によれば以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、銀箔91が撓んだ状態で燃料電池セル84と内側電極端子86との間を接続しているため、高温下において熱膨張率の違いにより燃料電池セル84と内側電極端子86との間に変位が生じたとしてもこれを吸収することができる。さらに、銀箔91を燃料電池セル84及び内側電極端子86に取り付ける銀ペースト93A、93Bに熱変形が生じたとしても、銀箔91はこの熱変形に追従して変形することができる。このため、燃料電池セル84に熱応力が作用するのを防止とともに、銀箔91の剥離を防止することができる。
According to this embodiment, the following effects are produced.
According to the present embodiment, since the
ここで、燃料電池セル84と内側電極端子86とが変位することができなければ、金属部材により十分に熱応力を吸収することができない。しかしながら、燃料電池セル84と内側電極端子86との間に間隔を設けようとすると、複数の燃料電池セル84の間でこの燃料電池セル84と内側電極端子86との間の間隔にばらつきが生じてしまい、燃料電池ごとに寸法のばらつきが生じてしまう。
Here, unless the
これに対して、本実施形態によれば、銀箔91は、燃料電池セル84の下面(上面)が内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能なように、燃料電池セル84を内側電極端子86に接続しているため、銀箔91により十分に熱応力を吸収することができる。さらに、このように燃料電池セル84の下面(上面)が内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能であるため、燃料電池セル84と内側電極端子86との間の間隔のばらつきを吸収することができる。特に、燃料電池の製造工程において、燃料電池セル84の下面(上面)を、内側電極端子86の底面(天面)に接触させることにより、燃料電池の寸法のばらつきを減少させることができる。
In contrast, according to the present embodiment, the
本実施形態では、銀箔91は、燃料電池セル84の下面(上面)に面接触した状態で接続されるとともに、内側電極端子86の内壁側面に面接触した状態で接続されており、燃料電池セル84の下面(上面)は、この下面(上面)に対向する内側電極端子86の底面(天面)に対して固定接続されていない。銀箔91は平面状であるため、他の形状に比べて断面積が小さく、電気抵抗が高い。このため、燃料電池セル84及び内側電極端子86に銀箔91の端部を接続すると、端部において電気抵抗が大きくなる。これに対して、本実施形態によれば、銀箔91を燃料電池セル84及び内側電極端子86の双方に面接触させることにより、端部における電気抵抗を低減することができるとともに、接着強度を向上することができる。また、銀ペースト93A、93Bは焼成時に揮発成分が抜けるため収縮するが、本実施形態によれば、銀箔91が燃料電池セル84及び内側電極端子86に面接触しているため、銀ペースト93A、93Bの収縮に追従して変形することができ、面接触による高い導電接続を維持することができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、銀箔91は、燃料電池セル84の下面(上面)と、燃料電池セル84を取り囲む内側電極端子86の内壁側面とに面接触しているため、L字状に折り曲げられた状態となる。このように銀箔91がL字状になることにより、銀箔91に撓みが生じるため、この撓みにより燃料電池セル84と内側電極端子86との間の熱膨張係数の差による変位を吸収することができる。また、燃料電池セル84と内側電極端子86を接続する際には、内側電極端子86に予め銀箔91を取り付けておき、燃料電池セル84を内側電極端子86に向けて差し込むことにより銀箔91を燃料電池セル84に接続することができ、組立作業が容易になる。
Further, according to the present embodiment, the
本実施形態では、銀箔91の一面が燃料電池セル84の下面(上面)に接続され、銀箔91の、燃料電池セル84が接続された部分に対応する他面の部分には、焼成前に銀箔91と内側電極端子86の底面(天面)とを仮固定し、かつ、焼成後には仮固定が解除される仮固定部材としての第3の銀ペースト93Cが設けられている。燃料電池の寸法のばらつきを減少させるためには、燃料電池の製造工程において、燃料電池セル84の下面(上面)を、内側電極端子86の底面(天面)に接触させることが好ましい。しかしながら、燃料電池の製造後は、熱応力を吸収できるように、燃料電池セル84の下面(上面)が内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能にする必要がある。これに対して、本実施形態によれば、焼成前に銀箔91と内側電極端子86の底面(天面)とを仮固定し、かつ、焼成後には仮固定が解除される第3の銀ペースト93Cが設けることにより、製造時には、燃料電池セル84の下面(上面)を、内側電極端子86の底面(天面)に接触させ、燃料電池の製造後は、燃料電池セル84の下面(上面)が内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能にすることができる。
In the present embodiment, one surface of the
また、本実施形態では、銀箔91の一面は、銀ペースト93Aにより、燃料電池セル84の上面又は下面に接続されている。内側電極端子86と燃料電池セル84との間の空間は非常に狭い。このため、銀箔91と燃料電池セル84とを導電性のろう付けにより接続しようとしても外部からろうを流し込むことは非常に難しい。さらに、ろうは膨張係数が周囲の部材に比べて大きく、燃料電池セルの破損や箔状の金属部材の剥離が生じやすい。これに対して、本実施形態によれば、予め銀ペースト93Aを燃料電池セル84に取り付けておけば燃料電池セル84を内側電極端子86内に挿入した後、容易に銀箔91を燃料電池セル84に接続することができる。さらに、銀ペースト93Aは多孔質でありそれ自身が変形可能であるため、燃料電池セル84の破損や箔状の銀箔91の剥離を防止できる。
In the present embodiment, one surface of the
また、本実施形態では、仮固定部材として用いられる第3の銀ペースト93Cは、銀箔91を燃料電池セル84に接続する第1の銀ペースト93Aと同一の材料からなり、銀ペースト93A、93Cは、内側電極端子86よりも燃料電池セル84との密着性が高い。このような本実施形態によれば、仮固定部材に内側電極端子86よりも燃料電池セル84との密着性が高い銀ペースト93Cを用いることにより、銀ペースト93Cの焼結時の収縮により発生する熱応力により銀ペースト93Cと内側電極端子86から剥離する。これにより、燃料電池セル84の下面(上面)を内側電極端子86の底面(天面)に対して変位可能にすることができる。
In the present embodiment, the
本実施形態では、内側電極端子86は内壁面にCr2O3層86Bを有する。このように内側電極端子86が内壁面にCr2O3層86Bを有するため、第3の銀ペースト93Cと内側電極端子86との密着性が弱くなり、より焼結時に熱応力により剥離しやすくなる。
In the present embodiment, the
なお、上記各実施形態では、銀箔91を銀ペースト93A、93Bにより燃料電池セル84及び内側電極端子86に接続されているが、これに限らず、その他の導電性ペーストにより接続してもよく、さらに、銀ロウなどの導電性のろう材を用いて接続してもよい。
In each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態では、燃料電池セル84及び内側電極端子86と、を電気的に接続するための部材として、銀箔を用いたがこれに限らず、箔状の金属部材であれば同様の効果が奏される。
Moreover, in each said embodiment, although silver foil was used as a member for electrically connecting the
また、第1実施形態では、燃料電池セル84の下面と、内側電極端子86の第2円筒部86cの内面との間を銀箔91で接続したが、本発明はこれに限られない。図18は、本発明の第2実施形態の固体電解質形燃料電池セルにおける燃料電池セルと、内側電極端子との接続構造を示す断面図である。なお、以下の説明において、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。図18に示すように、第2実施形態においても、燃料電池セルと内側電極端子の構成及び配置は第1実施形態と同様である。
In the first embodiment, the lower surface of the
第2実施形態では、銀箔191の一方の端部191Aは第1実施形態と同様に第2の銀ペースト93Bを介して、内側電極端子86の第2円筒部86cの内面に接続されている。銀箔191は一方の端部191Aから下方に延び、折り曲げ部191Cにおいて上方に向かって内側に折り曲げられている。そして、銀箔191の他方の端部191Bが第1の銀ペースト193Aを介して燃料電池セル84に接続されている。また、銀箔191の一方又は/及び他方の端部191A,191Bを、第1実施形態と同様に切り込みを形成し、複数の帯状部に分割することが好ましい。なお、第2実施形態の第1の銀ペースト193Aは、第1実施形態の第1の銀ペースト93Aと同様の材料を用いるとよい。このような構成の第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が奏される。
In the second embodiment, one
また、第1及び第2実施形態では、円筒型の燃料電池セルを用いた燃料電池装置に本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、平板型の燃料電池セルを用いた燃料電池装置にも本発明を適用することができる。 In the first and second embodiments, the case where the present invention is applied to a fuel cell device using cylindrical fuel cells has been described. However, the present invention is not limited thereto, and fuel using flat plate fuel cells. The present invention can also be applied to battery devices.
1 固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
7a 一部分
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d 閉鎖側板
8d 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
39 バルブ
40 空気供給源
42 電磁弁
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
46 ヒータ
48 ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
63 燃料供給配管
63a 供給口
64 燃料ガス供給管
64a 水平部
64b 燃料供給孔
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
74 発電用空気導入管
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
86A 電極層本体
86B Cr2O3層
86C Cr2O3層
86D MnCo2O4層
86E 集電膜
88 燃料ガス流路
89 絶縁支持体
90 内側電極層
90a 上部
90b 外周面
90c 上端面
91 銀箔
91A 円環部
91B 帯状部
91C 折り曲げ部
91D 切り込み
92 外側電極層
93A 第1の銀ペースト
93B 第2の銀ペースト
93C 第3の銀ペースト
94 電解質層
96 ガラスシール
98 燃料ガス流路
100 上支持板
102 集電体
102a 燃料極用接続部
102b 空気極用接続部
104 外部端子
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器
120A 混合ガス受入部
120B 改質部
120C ガス排出部
120a 混合ガス供給口
120b 貫通孔
120c 改質部
121 上側ケース
122 下側ケース
123a 仕切り板
123b 仕切り板
130 排気ガス誘導部材
131 下部誘導板
131a 段部
132 上部誘導板
132a 凹部
133 連結板
134 連結板
135 ガス溜
140 蒸発器
140A 排気通路部
140B 蒸発部
140C 混合部
141 蒸発器ケース
142 上側ケース
142a 上側ケースの内壁
142b 上側ケース内の上面
142c 鍔部
143 下側ケース
143a 下側ケース内の底面
143b 鍔部
143c 下側ケースの外側底面(排気通路室の外側底面)
143d 下側ケースの側壁面
144 中間板
144a 開口
144b 中間板の下側面
144c 中間板の上側面
145 仕切り板(第2伝熱プレート)
145a 連通孔(スリット)
146 仕切り板(第1伝熱プレート)
146a 連通孔(スリット)(排気通気口)
147 仕切り板(第1伝熱プレート)
147a 連通孔(スリット)(排気通気口)
148 仕切り板
148a 連通孔(スリット)
160 発電用空気供給ケース
160a 天板
160b 側板
161 発電用空気供給通路
161a 空気通路
161b 空気通路
162 プレートフィン
163 プレートフィン
171 排気管
171a 排気管の出口
172 排気通路
172a 排気ガス導入口
173 排気通路
174 排気通路
175 プレートフィン
189 導電支持体
191 銀箔
191C 折り曲げ部
193A 第1の銀ペースト
1 Solid oxide fuel cell system (SOFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 6 Housing 7 Heat insulating material 7a Part 8 Module case 8a Top plate 8b Side plate 8c Bottom plate 8d Closed side plate 8d Closed side plate 8f Outlet 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel Battery cell unit 18 Combustion chamber 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 32 Gas shutoff valve 36 Desulfurizer 38 Fuel flow rate adjustment unit 39 Valve 40 Air supply source 42 Solenoid valve 44 Reforming air flow rate Adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit 46 Heater 48 Heater 50 Hot water production device 52 Control box 54 Inverter 63 Fuel supply pipe 63a Supply port 64 Fuel gas supply pipe 64a Horizontal portion 64b Fuel supply hole 65 Hydrogen extraction pipe for hydrogenated desulfurizer 66 Maniho De 68 lower support plate 74 generating air inlet tube 82 exhaust gas discharge pipe 83 igniter 84 fuel cell 86 inside electrode terminal 86A electrode layer body 86B Cr 2 O 3 layer 86C Cr 2 O 3 layer 86D MnCo 2 O 4 layer 86E Current collecting film 88 Fuel gas flow path 89 Insulating support 90 Inner electrode layer 90a Upper part 90b Outer peripheral face 90c Upper end face 91 Silver foil 91A Ring part 91B Strip part 91C Bending part 91D Cut 92 Outer electrode layer 93A First silver paste 93B First No. 2 silver paste 93C Third silver paste 94 Electrolyte layer 96 Glass seal 98 Fuel gas flow path 100 Upper support plate 102 Current collector 102a Fuel electrode connection portion 102b Air electrode connection portion 104 External terminal 111 Exhaust port 112 Mixed gas Supply pipe 120 Reformer 120A Mixed gas receiving unit 120B Reforming unit 12 C Gas exhaust part 120a Mixed gas supply port 120b Through hole 120c Reforming part 121 Upper case 122 Lower case 123a Partition plate 123b Partition plate 130 Exhaust gas guide member 131 Lower guide plate 131a Stepped part 132 Upper guide plate 132a Concave 133 Connecting plate 134 Connecting plate 135 Gas reservoir 140 Evaporator 140A Exhaust passage section 140B Evaporating section 140C Mixing section 141 Evaporator case 142 Upper case 142a Upper case inner wall 142b Upper case inner wall 142c Hump 143 Lower case 143a In lower case Bottom surface 143b collar 143c outer bottom surface of lower case (outer bottom surface of exhaust passage chamber)
143d Side wall surface of
145a Communication hole (slit)
146 Partition plate (first heat transfer plate)
146a Communication hole (slit) (exhaust vent)
147 Partition plate (first heat transfer plate)
147a Communication hole (slit) (exhaust vent)
148 Partition plate 148a Communication hole (slit)
160 Power supply
Claims (7)
前記燃料ガスが供給される燃料通路を有する燃料極層、前記酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、前記燃料極層と前記空気極層の間に設けられた固体電解質層を有する円筒状の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの少なくとも一方の端部を包囲するように設けられ、前記燃料電池セルにより発電された電力を前記燃料電池セルから取り出す集電部材と、を備え、
前記燃料電池セルは、可撓性の箔状の金属部材を介して前記集電部材に電気的に接続され、
前記箔状の金属部材は前記燃料電池セル及び前記集電部材に導電性のペーストにより接続され、
前記箔状の金属部材は撓んだ状態で前記燃料電池セルと前記集電部材との間を接続し、これにより前記燃料電池セルに加わる応力に対して追従するように変形可能であり、
前記箔状の金属部材は、当該燃料電池セルの上面又は下面が当該上面又は下面に対向する前記集電部材の天面又は底面に対して変位可能なように、前記燃料電池セルを前記集電部材に接続する、ことを特徴とする燃料電池セルスタック。 A fuel cell stack that generates power using fuel gas and oxidant gas,
A cylinder having a fuel electrode layer having a fuel passage to which the fuel gas is supplied, an air electrode layer to which the oxidant gas is supplied, and a solid electrolyte layer provided between the fuel electrode layer and the air electrode layer A fuel cell, and
A current collecting member provided so as to surround at least one end of the fuel battery cell, and taking out the electric power generated by the fuel battery cell from the fuel battery cell;
The fuel cell is electrically connected to the current collecting member via a flexible foil-like metal member,
The foil-shaped metal member is connected to the fuel cell and the current collecting member by a conductive paste,
The foil-like metal member is deformed to connect between the fuel cell and the current collecting member in a bent state, thereby following the stress applied to the fuel cell,
The foil-shaped metal member allows the current collection of the fuel cell so that the upper surface or the lower surface of the fuel cell can be displaced with respect to the top surface or the bottom surface of the current collection member facing the upper surface or the lower surface. A fuel cell stack characterized by being connected to a member.
前記箔状の金属部材は、前記集電部材の内壁側面に面接触した状態で接続されており、
前記燃料電池セルの上面又は下面は、当該上面又は下面に対向する前記集電部材の天面又は底面に対して固定接続されていない、請求項1記載の燃料電池セルスタック。 The foil-shaped metal member is connected in surface contact with the upper surface or the lower surface of the fuel cell,
The foil-shaped metal member is connected in a state of surface contact with the inner wall side surface of the current collecting member,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein an upper surface or a lower surface of the fuel cell is not fixedly connected to a top surface or a bottom surface of the current collecting member facing the upper surface or the lower surface.
前記箔状の金属部材の、前記燃料電池セルが接続された部分に対応する他面の部分には、焼成前に前記箔状の金属と前記集電部材の天面又は底面とを仮固定し、かつ、焼成後には前記仮固定が解除される仮固定部材が設けられている、請求項2記載の燃料電池セルスタック。 One surface of the foil-shaped metal member is connected to the upper surface or the lower surface of the fuel cell,
The foil-shaped metal and the top or bottom surface of the current collecting member are temporarily fixed to the other surface portion of the foil-shaped metal member corresponding to the portion where the fuel cells are connected before firing. The fuel cell stack according to claim 2, wherein a temporary fixing member for releasing the temporary fixing after firing is provided.
前記導電性ペーストは、前記集電部材よりも前記燃料電池セルとの密着性が高い、請求項4記載の燃料電池セルスタック。 The temporary fixing member is made of the same material as the conductive paste that connects the foil-shaped metal member to the fuel cell,
The fuel cell stack according to claim 4, wherein the conductive paste has higher adhesion to the fuel cell than the current collecting member.
前記燃料電池セルスタックを収容するモジュールケースと、
前記モジュールケース内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、を備える、固体酸化物形燃料電池装置。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6,
A module case for housing the fuel cell stack;
A solid oxide fuel cell, comprising: a reformer disposed in the module case and reforming a raw fuel gas with water vapor to generate a fuel gas and supplying the fuel gas to the fuel cell stack apparatus.
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JP2016031147A JP2017152096A (en) | 2016-02-22 | 2016-02-22 | Fuel battery cell stack and solid oxide fuel battery cell device |
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