JP2018139196A - Cell stack device, module and module housing device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cell stack device, a module and a module housing device with improved reliability.SOLUTION: A cell stack device 1 includes a columnar cell 3 having a gas flow path 14, a manifold 7 having an internal space 72 through which reaction gas supplied to the cell 3 flows, and an opening 71, and a sealant 16 for bonding one end of the cell 3 to the manifold 7 inserted into the opening 71, so that the internal space 72 of the manifold 7 and the gas flow path 14 of the cell 3 are interconnected. In the cross-sectional view in the vertical direction, the manifold 7 has a cell facing part 7a1 facing the cell 3 via the sealant 16, and a space facing part 7a2 continuous to the cell facing part 7a1, and facing the internal space 72 of the manifold 7 or the outer space 73 via the sealant 16, and includes a protrusion 7a3 in at least one of the cell facing part 7a1 and the space facing part 7a2.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。   The present invention relates to a cell stack device, a module, and a module housing device.

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)とを用いて電力を得ることができるセルである燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタック装置が知られている。また、セルスタック装置を収納容器内に収納してなるモジュールや、モジュールを外装ケース内に収納してなるモジュール収容装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   2. Description of the Related Art In recent years, a cell stack device in which a plurality of fuel battery cells, which are cells capable of obtaining electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air), are arranged as next-generation energy is known. ing. Various modules have been proposed in which a cell stack device is stored in a storage container and a module storage device in which a module is stored in an outer case (see, for example, Patent Document 1).

このようなセルスタック装置としては、燃料電池セルの一端をマニホールドにシール材にて固定することで構成されている。(例えば、特許文献2参照。)   Such a cell stack device is configured by fixing one end of a fuel cell to a manifold with a sealing material. (For example, see Patent Document 2.)

特開2007−59377号公報JP 2007-59377 A 特開2015−35417号公報JP 2015-35417 A

上述のようなセルスタック装置においては、シール材とマニホールドとは熱膨張係数が異なるため、温度昇降による体積変化に起因する引張応力によりシール材とマニホールドとの界面においてクラックが発生するおそれがあった。   In the cell stack apparatus as described above, since the thermal expansion coefficient is different between the sealing material and the manifold, there is a possibility that cracks may occur at the interface between the sealing material and the manifold due to the tensile stress caused by the volume change due to temperature rise and fall. .

それゆえ、本発明は、クラックの発生を抑制し、信頼性の向上したセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a cell stack device, a module, and a module housing device that suppress the occurrence of cracks and have improved reliability.

本発明のセルスタック装置は、ガス流路を有する柱状のセルと、前記セルに供給する反応ガスが流れる内部空間と、開口部とを、有するマニホールドと、該マニホールドの内部空間と前記セルの前記ガス流路とが連通するように、前記開口部に挿入された前記セルの一端を前記マニホールドに接合するシール材と、を具備し、垂直方向における断面視において、前記マニホールドは、前記シール材を介して前記セルと対向するセル対向部と、該セル対向部と連続し、前記シール材を介してマニホールドの内部空間又は外部空間と対向する空間対向部と、を有し、前記セル対向部及び前記空間対向部のうち少なくとも一方に凸部を含むことを特徴とする。   The cell stack device of the present invention includes a columnar cell having a gas flow path, an internal space in which a reaction gas supplied to the cell flows, an opening, a manifold having the opening, an internal space of the manifold, and the cell. A sealing material that joins one end of the cell inserted into the opening to the manifold so as to communicate with a gas flow path, and the manifold includes the sealing material in a cross-sectional view in a vertical direction. A cell facing portion that faces the cell via, and a space facing portion that continues to the cell facing portion and faces the internal space or the external space of the manifold via the sealing material, and the cell facing portion and A convex part is included in at least one of the space facing parts.

本発明のモジュールは、収納容器内に上記セルスタック装置を収納してなることを特徴とする。   The module of the present invention is characterized in that the cell stack device is stored in a storage container.

本発明のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上記モジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなることを特徴とする。   The module housing apparatus of the present invention is characterized in that the above-mentioned module and an auxiliary machine for operating the module are housed in an outer case.

本発明のセルスタック装置は、信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。   The cell stack device of the present invention can be a cell stack device with improved reliability.

また、本発明のモジュールは、信頼性の向上したモジュールとすることができる。   The module of the present invention can be a module with improved reliability.

さらに、本発明のモジュール収容装置は、信頼性の向上したモジュール収容装置とすることができる。   Furthermore, the module housing apparatus of the present invention can be a module housing apparatus with improved reliability.

本実施形態のセルスタック装置を示し、(a)はセルスタック装置を概略的に示す縦断面図、(b)は(a)の一部を拡大して示す横断面図である。The cell stack apparatus of this embodiment is shown, (a) is the longitudinal cross-sectional view which shows a cell stack apparatus roughly, (b) is a cross-sectional view which expands and shows a part of (a). 図1に示すセルスタック装置の破線Aの部位を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the site | part of the broken line A of the cell stack apparatus shown in FIG. 図1に示すセルスタック装置の破線Aの部位を拡大して示す他の実施形態における断面図である。It is sectional drawing in other embodiment which expands and shows the site | part of the broken line A of the cell stack apparatus shown in FIG. 図3に示すセルスタック装置の破線Bの部位を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the site | part of the broken line B of the cell stack apparatus shown in FIG. 本実施形態のセルスタック装置の一例を備えるモジュールを示す外観斜視図である。It is an external appearance perspective view which shows the module provided with an example of the cell stack apparatus of this embodiment. 本実施形態のモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows roughly an example of the module accommodating apparatus of this embodiment. (a)は本実施形態の他の例を示す支持部材の平面図であり、(b)は(a)に示した支持部材を備えたセルスタック装置の側面側の拡大断面図である。(A) is a top view of the supporting member which shows the other example of this embodiment, (b) is an expanded sectional view by the side of the cell stack apparatus provided with the supporting member shown to (a). 図7に示すセルスタック装置の破線Cの部位を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the site | part of the broken line C of the cell stack apparatus shown in FIG.

以下、図面を用いて本実施形態のセルスタック装置について説明する。図1は、本実施形態のセルスタック装置を示し、(a)はセルスタック装置を概略的に示す縦断面図、(b)は(a)の一部を拡大して示す横断面図である。なお、以降の図において同一の構成については同一の符号を用いて説明する。   Hereinafter, the cell stack device of this embodiment will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show a cell stack device according to the present embodiment, in which FIG. 1A is a longitudinal sectional view schematically showing the cell stack device, and FIG. 1B is a transverse sectional view showing a part of FIG. . In the following drawings, the same components are described using the same reference numerals.

なお、図1に示すセルスタック装置は、セルである燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタック装置であり、以下の説明では、セルとして燃料電池セルを例として説明する。   The cell stack device shown in FIG. 1 is a fuel cell stack device in which a plurality of fuel cells that are cells are arranged. In the following description, a fuel cell is described as an example.

図1に示すセルスタック装置1は、柱状の燃料電池セル3を複数備えるセルスタック2を有している。なお、燃料電池セル3としては固体酸化物形の燃料電池セルを例示できる。燃料電池セル3は、内部にガス流路14を有して、一対の対向する平坦面をもつ断面が扁平状で全体として柱状の導電性支持体13の一方の平坦面上に、内側電極層としての燃料極層9と、固体電解質層10と、外側電極層としての空気極層11とを順次積層してなる。また、燃料電池セル3は、他方の平坦面のうち空気極層11が形成されていない部位にインターコネクタ12が積層されている。そして、隣接する燃料電池セル3間に導電部材4を介して配置することで、燃料電池セル3同士が電気的に直列に接続される。なお、インターコネクタ12の外面および空気極層11の外面には、導電性の接合材15が設けられており、導電部材4を、接合材15を介して空気極層11およびインターコネクタ12に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、導電性能の低下を有効に抑制することができる。   A cell stack device 1 shown in FIG. 1 has a cell stack 2 including a plurality of columnar fuel cells 3. The fuel cell 3 may be a solid oxide fuel cell. The fuel battery cell 3 has a gas flow path 14 therein, and a cross section having a pair of opposing flat surfaces is flat and has an inner electrode layer on one flat surface of the columnar conductive support 13 as a whole. The fuel electrode layer 9, the solid electrolyte layer 10, and the air electrode layer 11 as the outer electrode layer are sequentially laminated. In the fuel cell 3, the interconnector 12 is laminated on a portion of the other flat surface where the air electrode layer 11 is not formed. And the fuel cell 3 is electrically connected in series by arrange | positioning via the electrically-conductive member 4 between the adjacent fuel cells 3. Note that a conductive bonding material 15 is provided on the outer surface of the interconnector 12 and the outer surface of the air electrode layer 11, and the conductive member 4 is connected to the air electrode layer 11 and the interconnector 12 via the bonding material 15. By doing so, the contact between them becomes an ohmic contact, the potential drop is reduced, and the deterioration of the conductive performance can be effectively suppressed.

そして、セルスタック2を構成する各燃料電池セル3の下端が、燃料電池セル3に反応ガスを供給するためのマニホールド7にガラス等のシール材16により固定されている。なお、シール材16については後述する。また、図1に示すセルスタック装置1においては、ガス流路14にマニホールド7より反応ガスとして水素含有ガス(燃料ガス)を供給する場合の例を示しており、マニホールド7の側面に、燃料ガスをマニホールド7内に供給するための燃料ガス供給管8が接続されている。   And the lower end of each fuel cell 3 which comprises the cell stack 2 is being fixed to the manifold 7 for supplying the reaction gas to the fuel cell 3 with the sealing materials 16, such as glass. The sealing material 16 will be described later. Further, in the cell stack device 1 shown in FIG. 1, an example in which a hydrogen-containing gas (fuel gas) is supplied as a reaction gas from the manifold 7 to the gas flow path 14 is shown. Is connected to a fuel gas supply pipe 8.

また、燃料電池セル3の配列方向(図1に示すX方向)の両端から導電部材4を介して
セルスタック2を挟持しており、マニホールド7に下端が固定されている弾性変形可能な端部導電部材5を具備している。ここで、図1に示す端部導電部材5においては、燃料電池セル3の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状の、セルスタック2(燃料電池セル3)の発電により生じる電流を外部へ引出すための電流引出し部6が設けられている。
In addition, the elastically deformable end portion that sandwiches the cell stack 2 from both ends in the arrangement direction of the fuel cells 3 (X direction shown in FIG. 1) via the conductive member 4, and the lower end is fixed to the manifold 7. A conductive member 5 is provided. Here, in the end conductive member 5 shown in FIG. 1, current generated by power generation of the cell stack 2 (fuel cell 3) having a shape extending outward along the arrangement direction of the fuel cells 3 is externally applied. A current drawing portion 6 for drawing out is provided.

ちなみに、上記セルスタック装置1においては、ガス流路14より排出される燃料ガス(余剰の燃料ガス)を燃料電池セル3の上端部側で燃焼させる構成とすることにより燃料電池セル3の温度を上昇させることができる。それにより、セルスタック装置1の起動を早めることができる。   By the way, in the cell stack device 1, the temperature of the fuel cell 3 is controlled by combusting the fuel gas (excess fuel gas) discharged from the gas flow path 14 on the upper end side of the fuel cell 3. Can be raised. Thereby, the start-up of the cell stack apparatus 1 can be accelerated.

マニホールド7は、ガスケース7bとガスケース7b上に配置され、開口部71を備える支持部材7aとを有している。燃料電池セル3の下端部は支持部材7aで囲まれており、支持部材7aの内側に充填されたシール材16で燃料電池セル3の下端部が固定されている。ガスケース7bは、燃料電池セル3のガス流路14に燃料ガスを供給する開口部71を上面に有している。支持部材7a及びガスケース7bの開口部71は、燃料電池セル3及びシール材16により塞がれておりその内部空間72に反応ガスが流れることとなる。すなわち、シール材14は、マニホールド7の内部空間72と燃料電池セル3のガス流路14とが連通するように、開口部71に挿入された燃料電池セル3の一端をマニホールド7に接合している。これにより、燃料電池セル3のガス流路14以外の部分が気密に封止されている。マニホールド7は、金属であり、例えば、ステンレス鋼等の鉄とクロムを含む材料で構成されていてもよい。なお、マニホールド7の外部空間73には酸素含有ガスが流れている。   The manifold 7 includes a gas case 7 b and a support member 7 a that is disposed on the gas case 7 b and includes an opening 71. The lower end portion of the fuel cell 3 is surrounded by a support member 7a, and the lower end portion of the fuel cell 3 is fixed by a sealing material 16 filled inside the support member 7a. The gas case 7 b has an opening 71 for supplying fuel gas to the gas flow path 14 of the fuel cell 3 on the upper surface. The opening 71 of the support member 7a and the gas case 7b is closed by the fuel cell 3 and the sealing material 16, and the reaction gas flows into the internal space 72 thereof. That is, the sealing material 14 is formed by joining one end of the fuel cell 3 inserted into the opening 71 to the manifold 7 so that the internal space 72 of the manifold 7 and the gas flow path 14 of the fuel cell 3 communicate with each other. Yes. Thereby, parts other than the gas flow path 14 of the fuel battery cell 3 are airtightly sealed. The manifold 7 is a metal and may be made of a material containing iron and chromium such as stainless steel, for example. An oxygen-containing gas flows in the external space 73 of the manifold 7.

また、シール材16としては、絶縁性を有し、800〜1000℃の耐熱性を有する材料であることが好ましく、例えばガラス(特には非晶質なガラスや、結晶質を含むガラス)を用いることができる。具体的にはSiO−MgO−B−Al−CaO系や、SiO−MgO−B−ZnO系を用いることができる。 The sealing material 16 is preferably a material having insulating properties and heat resistance of 800 to 1000 ° C., for example, glass (especially amorphous glass or glass containing crystal) is used. be able to. Specifically, a SiO 2 —MgO—B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO system or a SiO 2 —MgO—B 2 O 5 —ZnO system can be used.

以下に、図1において示す燃料電池セル3を構成する各部材について説明する。   Below, each member which comprises the fuel cell 3 shown in FIG. 1 is demonstrated.

燃料極層9は、一般的に公知のものを使用することができ、例えば、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているZrO(安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする。)とNiおよび/またはNiOとを含むものを用いることができる。 As the fuel electrode layer 9, generally known ones can be used. For example, porous conductive ceramics such as ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved (referred to as stabilized zirconia, partially stable). And Ni and / or NiO can be used.

固体電解質層10は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有しており、例えば、3〜15モル%の希土類元素酸化物が固溶したZrOから形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料を用いてもよい。 The solid electrolyte layer 10 has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time has a gas barrier property to prevent leakage between the fuel gas and the oxygen-containing gas. 3 to 15 mol% of rare earth element oxide is formed from ZrO 2 as a solid solution. In addition, as long as it has the said characteristic, you may use another material.

空気極層11は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスを用いることができる。空気極層11はガス透過性を有しており、例えば開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。 The air electrode layer 11 is not particularly limited as long as it is generally used. For example, a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide can be used. The air electrode layer 11 has gas permeability, and for example, the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

インターコネクタ12は、導電性セラミックスを用いることができる。インターコネクタ12は、燃料ガス(水素含有ガス)および酸素含有ガス(空気等)と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ12は導電性支持体13に形成された複数のガス流路14を流通する燃料ガス、および導電性
支持体13の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質であり、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好ましい。
The interconnector 12 can be made of conductive ceramics. Since the interconnector 12 is in contact with a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air or the like), the interconnector 12 needs to have reduction resistance and oxidation resistance. Therefore, the lanthanum chromite perovskite oxide (LaCrO 3 oxide) is preferably used. The interconnector 12 is dense in order to prevent leakage of fuel gas flowing through the plurality of gas flow paths 14 formed in the conductive support 13 and oxygen-containing gas flowing outside the conductive support 13. For example, it is preferable to have a relative density of 93% or more, particularly 95% or more.

導電性支持体13としては、燃料ガスを燃料極層9まで透過するためにガス透過性であり、インターコネクタ12を介して集電するために導電性である。したがって、導電性支持体13としては、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。燃料電池セル3を作製するにあたり、燃料極層9または固体電解質層10との同時焼成により導電性支持体13を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物(Y、Yb等)とから導電性支持体13を形成することが好ましい。また、導電性支持体13は、ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。 The conductive support 13 is gas permeable in order to allow the fuel gas to permeate to the fuel electrode layer 9, and is conductive in order to collect current via the interconnector 12. Therefore, for example, conductive ceramics or cermet can be used as the conductive support 13. In producing the fuel cell 3, when producing the conductive support 13 by co-firing with the fuel electrode layer 9 or the solid electrolyte layer 10, an iron group metal component and a specific rare earth oxide (Y 2 O 3 , The conductive support 13 is preferably formed from Yb 2 O 3 or the like. The conductive support 13 preferably has an open porosity of 30% or more, particularly 35 to 50% in order to provide gas permeability, and the conductivity is 300 S / cm or more, In particular, it is preferably 440 S / cm or more.

なお、図示はしていないが、中間層を備えることもできる。これにより、固体電解質層10と空気極層11との接合を強固とするとともに、固体電解質層10と空気極層11との間に、固体電解質層10の成分と空気極層11の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制することができる。   Although not shown, an intermediate layer may be provided. As a result, the solid electrolyte layer 10 and the air electrode layer 11 are firmly joined, and the solid electrolyte layer 10 component and the air electrode layer 11 component are interposed between the solid electrolyte layer 10 and the air electrode layer 11. It can suppress that the reaction layer with high electrical resistance is formed by reaction.

ここで、中間層としては、Ce(セリウム)と他の希土類元素とを含有する組成とすることができ、例えば、
(1):(CeO1−x(REO1.5
式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数。
で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeOからなることが好ましい。
Here, the intermediate layer may have a composition containing Ce (cerium) and other rare earth elements, for example,
(1): (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x
In the formula, RE is at least one of Sm, Y, Yb, and Gd, and x is a number that satisfies 0 <x ≦ 0.3.
It is preferable to have the composition represented by these. Furthermore, from the viewpoint of reducing electrical resistance, it is preferable to use Sm or Gd as RE, for example, it is preferably made of CeO 2 in which 10 to 20 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 is dissolved. .

また、中間層を2層とすることもできる。これにより、固体電解質層10と空気極層11とを強固に接合するとともに、固体電解質層10の成分と空気極層11の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることをさらに抑制することができる。   Also, the intermediate layer can be made into two layers. As a result, the solid electrolyte layer 10 and the air electrode layer 11 are firmly bonded, and the components of the solid electrolyte layer 10 and the components of the air electrode layer 11 react to form a reaction layer with high electrical resistance. Further suppression can be achieved.

また、図示はしていないが、インターコネクタ12と導電性支持体13との間に密着層を設けることもできる。これにより、インターコネクタ12と導電性支持体13との間の熱膨張係数差を軽減することができる。   Although not shown, an adhesion layer can be provided between the interconnector 12 and the conductive support 13. Thereby, the difference in thermal expansion coefficient between the interconnector 12 and the conductive support 13 can be reduced.

密着層としては、燃料極層9と類似した組成とすることができ、例えば、YSZなどの希土類元素酸化物が固溶しているZrO(安定化ジルコニアと称する)とNiおよび/またはNiOとすることができる。なお、希土類元素酸化物が固溶したZrOと、Niおよび/またはNiOとは、体積比で40:60〜60:40の範囲とすることが好ましい。 The adhesion layer can have a composition similar to that of the fuel electrode layer 9, for example, ZrO 2 (referred to as stabilized zirconia) in which a rare earth element oxide such as YSZ is dissolved, Ni and / or NiO can do. In addition, it is preferable that ZrO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved and Ni and / or NiO have a volume ratio of 40:60 to 60:40.

図2は、図1に示す破線Aの部位を拡大して示す断面図である。   FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion indicated by a broken line A shown in FIG.

図2の実施形態においては、上述したように燃料電池セル3の下端部は支持部材7aで囲まれており、支持部材7aの内側に充填されたシール材16で燃料電池セル3の下端部が固定されている。シール材16は、垂直方向における断面視において、マニホールド7外に流れるガスに晒される表面が凹型のメニスカス形状とされている。   In the embodiment of FIG. 2, as described above, the lower end portion of the fuel battery cell 3 is surrounded by the support member 7a, and the lower end portion of the fuel battery cell 3 is sealed by the sealing material 16 filled inside the support member 7a. It is fixed. The sealing material 16 has a concave meniscus surface exposed to the gas flowing outside the manifold 7 in a cross-sectional view in the vertical direction.

ところで、マニホールド7とシール材16とでは、その材質が異なるため熱膨張係数が異なる。そのため、温度昇降による体積変化に起因する応力がマニホールド7とシール材
16との界面付近に集中することとなる。特に、シール材16とマニホールド7との界面において引張応力が印加される場合には、剥離によるクラックが発生するおそれがあった。
By the way, since the material is different between the manifold 7 and the sealing material 16, the coefficients of thermal expansion are different. For this reason, the stress caused by the volume change due to the temperature rise and fall is concentrated near the interface between the manifold 7 and the sealing material 16. In particular, when a tensile stress is applied at the interface between the sealing material 16 and the manifold 7, there is a possibility that a crack due to peeling may occur.

そのため、図2の実施形態におけるセルスタック装置1は、垂直方向における断面視において、マニホールド7は、シール材16を介して燃料電池セル3と対向するセル対向部7a1と、セル対向部7a1と連続し、シール材16を介してマニホールド7の内部空間72又は外部空間73と対向する空間対向部7a2と、を有し、セル対向部7a1及び空間対向部7a2のうち少なくとも一方に凸部7a3を含む。   Therefore, in the cell stack device 1 in the embodiment of FIG. 2, the manifold 7 is continuous with the cell facing portion 7a1 and the cell facing portion 7a1 facing the fuel cell 3 via the sealing material 16 in a cross-sectional view in the vertical direction. And a space facing portion 7a2 that faces the internal space 72 or the external space 73 of the manifold 7 via the sealing material 16, and includes a convex portion 7a3 in at least one of the cell facing portion 7a1 and the space facing portion 7a2. .

この構成により、マニホールド7とシール材16との接合強度を向上できるため、マニホールド7とシール材16との界面において、剥離によるクラックが発生することを抑制できる。それゆえ、信頼性の向上したセルスタック装置1とすることができる。   With this configuration, since the joint strength between the manifold 7 and the sealing material 16 can be improved, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to peeling at the interface between the manifold 7 and the sealing material 16. Therefore, the cell stack device 1 with improved reliability can be obtained.

なお、垂直方向の断面視において、マニホールド7における支持部材7aの表面の法線がシール材16及び燃料電池セル3にこの順で重なる場合には当該表面はセル対向部7a1であるとする。また、垂直方向の断面視において、マニホールド7における支持部材7aの表面の法線がシール材16及びマニホールド7の内部空間72又は外部空間73にこの順で重なる場合には当該表面は空間対向部7a2であるとする。   In addition, when the normal line of the surface of the support member 7a in the manifold 7 overlaps with the sealing material 16 and the fuel cell 3 in this order in the cross-sectional view in the vertical direction, the surface is assumed to be the cell facing portion 7a1. Further, when the normal line of the surface of the support member 7a in the manifold 7 overlaps with the sealing material 16 and the internal space 72 or the external space 73 of the manifold 7 in this order in the cross-sectional view in the vertical direction, the surface is the space facing portion 7a2. Suppose that

凸部7a3とは、マニホールド7の内部空間72又は外部空間73及び燃料電池セル3のうち少なくとも一方の方向に突出している部分である。また、凸部7a3以外のセル対向部及び空間対向部を平坦部という。凸部7a3の高さHは0.5μm以上であってもよいが、好ましくは1μm以上である。凸部7a3の幅Wは0.5μm以上であってもよいが、好ましくは1μm以上である。   The convex portion 7 a 3 is a portion protruding in at least one of the internal space 72 or the external space 73 of the manifold 7 and the fuel cell 3. Further, the cell facing portion and the space facing portion other than the convex portion 7a3 are referred to as flat portions. The height H of the convex portion 7a3 may be 0.5 μm or more, but is preferably 1 μm or more. The width W of the convex portion 7a3 may be 0.5 μm or more, but is preferably 1 μm or more.

図2の実施形態の凸部7a3はマニホールド7の内部空間72及び燃料電池セル3の両方向に突出している。この場合において、凸部7a3の幅Wとは凸部における凸形状のうちの両側の底点を結んだ直線の長さをいい、凸部7a3の高さHとは凸部7a3の幅W方向と直交する方向における長さをいう。   2 protrudes in both directions of the inner space 72 of the manifold 7 and the fuel cell 3. In this case, the width W of the convex portion 7a3 refers to the length of a straight line connecting the bottom points on both sides of the convex shape of the convex portion, and the height H of the convex portion 7a3 refers to the width W direction of the convex portion 7a3. The length in the direction orthogonal to

凸部7a3は、セル対向部7a1又は空間対向部7a2のうちのいずれかに設けられていればよいが、図2の実施形態におけるセルスタック装置1のように、マニホールド7が、セル対向部7a1と空間対向部7a2との角部に凸部7a3が設けられていてもよい。この構成により、角部である連続部に応力が集中し、クラックが発生することを抑制することができる。   The convex portion 7a3 only needs to be provided in either the cell facing portion 7a1 or the space facing portion 7a2. However, like the cell stack device 1 in the embodiment of FIG. 2, the manifold 7 has the cell facing portion 7a1. And a convex portion 7a3 may be provided at the corner between the space facing portion 7a2. With this configuration, it is possible to suppress the stress from concentrating on the continuous portion that is a corner portion and generating cracks.

凸部7a3の材質は、マニホールド7と同じでもよく、異なる耐熱性の材料を用いてもよい。   The material of the convex portion 7a3 may be the same as that of the manifold 7, or a different heat resistant material may be used.

図3は、図1に示すセルスタック装置1の破線Aの部位を拡大して示す他の実施形態における断面図である。図4は、図3に示すセルスタック装置1の二点鎖線Bの部位を拡大して示す断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view in another embodiment showing an enlarged view of a broken line A portion of the cell stack apparatus 1 shown in FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a portion indicated by a two-dot chain line B of the cell stack device 1 shown in FIG.

図3及び図4の実施形態におけるセルスタック装置1の凸部7a3は、マニホールド7の内部空間72に向けてのみ突出している。この場合において、凸部7a3の幅Wとは空間対向部7a2における平坦部が延びる方向の長さをいい、凸部7a3の高さHとは空間対向部7a2の平坦部における法線方向の長さをいう。この構成によっても、マニホールド7とシール材との界面における剥離によるクラックの発生を抑制できる。なお、凸部7a3は、燃料電池セル3に向けてのみ突出していてもよい。   The convex portion 7 a 3 of the cell stack device 1 in the embodiment of FIGS. 3 and 4 protrudes only toward the internal space 72 of the manifold 7. In this case, the width W of the convex portion 7a3 refers to the length in the direction in which the flat portion of the space facing portion 7a2 extends, and the height H of the convex portion 7a3 refers to the length in the normal direction of the flat portion of the space facing portion 7a2. Say it. Also with this configuration, the occurrence of cracks due to peeling at the interface between the manifold 7 and the sealing material can be suppressed. In addition, the convex part 7a3 may protrude only toward the fuel battery cell 3.

図3及び図4の実施形態におけるセルスタック装置1は、凸部7a3を除くセル対向部7a1における表面延長線S1と、凸部7a3を除く空間対向部7a2における表面延長線S2と、がなす角度Yが鈍角である。この構成により、角部又は角部に設けられた凸部7a3に応力が集中することを緩和できる。なお、表面延長線Sとは、表面線を含むものとする。   The cell stack device 1 in the embodiment of FIGS. 3 and 4 is an angle formed by the surface extension line S1 in the cell facing portion 7a1 excluding the convex portion 7a3 and the surface extension line S2 in the space facing portion 7a2 excluding the convex portion 7a3. Y is an obtuse angle. With this configuration, it is possible to alleviate stress concentration on the corners or the convex portions 7a3 provided at the corners. The surface extension line S includes surface lines.

ここでセルスタック装置1は製造方法を以下で説明する。まず、支持部材7aのうちシール材16と接合する部分、言い換えればセル対向部7a1又は空間対向部7a2となる部分に凸部7a3を設ける。なお、例えば、予め凸部7a3に対応する凹部が設けられた金型を用いることにより凸部7a3を有する支持部材7aを作製することができる。次に、断熱性の板状体の上に支持部材7aを載置する。次に、支持部材7a内に燃料電池セル3の下端を挿入し、板状体の上に載置する。次に、Si系結晶化ガラス粉末に有機成分を添加してなるペーストを支持部材7aの開口部に流し込み、850℃で5時間熱処理し、燃料電池セル3の下端部と支持部材7aシール材16で固定する。次に、板状体を支持部材7a又は蓋状部材から引き離す。最後に、セルスタック2が固定された支持部材7aを、ガスタンク7bの上面の開口部を塞ぐようにガスタンク7aにシール材にて固定する。   Here, the manufacturing method of the cell stack apparatus 1 will be described below. First, the convex part 7a3 is provided in the part joined to the sealing material 16 among the supporting members 7a, in other words, the part that becomes the cell facing part 7a1 or the space facing part 7a2. For example, the support member 7a having the convex portion 7a3 can be manufactured by using a mold in which a concave portion corresponding to the convex portion 7a3 is provided in advance. Next, the support member 7a is placed on the heat insulating plate-like body. Next, the lower end of the fuel cell 3 is inserted into the support member 7a and placed on the plate-like body. Next, a paste formed by adding an organic component to the Si-based crystallized glass powder is poured into the opening of the support member 7a and heat-treated at 850 ° C. for 5 hours, and the lower end of the fuel cell 3 and the support member 7a sealing material 16 are subjected to heat treatment. Secure with. Next, the plate-like body is pulled away from the support member 7a or the lid-like member. Finally, the support member 7a to which the cell stack 2 is fixed is fixed to the gas tank 7a with a sealing material so as to close the opening on the upper surface of the gas tank 7b.

図3及び図4の実施形態におけるセルスタック装置1は、凸部7a3を除く内部空間72側の空間対向部7a2は燃料電池セル3側が高くなるように傾斜している。この構成によると、上述する製造方法における、板状体上に載置した支持部材7a内にシール材16を流し込む工程において、内部空間72側の空間対向部7a2となりうる支持部材7aの下方面と板状体との隙間は支持部材7aの外周に向かうにつれて狭くなる。従って、上述する製造方法において、内部空間72側の支持部材7aの下方面と板状体との隙間に十分にシール材16を充填できることとなるため、シール材16と支持部材7aとを強固に固定することができる。   In the cell stack device 1 in the embodiment of FIGS. 3 and 4, the space facing portion 7a2 on the inner space 72 side excluding the convex portion 7a3 is inclined so that the fuel cell 3 side becomes higher. According to this configuration, in the step of pouring the sealing material 16 into the support member 7a placed on the plate-like body in the manufacturing method described above, the lower surface of the support member 7a that can be the space facing portion 7a2 on the internal space 72 side, The gap with the plate-like body becomes narrower toward the outer periphery of the support member 7a. Accordingly, in the above-described manufacturing method, the sealing material 16 can be sufficiently filled in the gap between the lower surface of the supporting member 7a on the inner space 72 side and the plate-like body, so that the sealing material 16 and the supporting member 7a are firmly formed. Can be fixed.

図5は、本実施形態のセルスタック装置1を備えてなるモジュールの一例を示す外観斜視図である。   FIG. 5 is an external perspective view showing an example of a module including the cell stack device 1 of the present embodiment.

図5に示すモジュール20においては、収納容器21の内部に、本実施形態のセルスタック装置1が収納されている。なお、セルスタック装置1の上方には、燃料電池セル3に供給する燃料ガスを生成するための改質器22が配置されている。なお、図5においては、セルスタック装置1が2つのセルスタック2を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック2を1つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置1を、改質器22を含むものとすることもできる。   In the module 20 shown in FIG. 5, the cell stack device 1 of the present embodiment is stored in the storage container 21. A reformer 22 for generating fuel gas to be supplied to the fuel cell 3 is disposed above the cell stack device 1. 5 shows the case where the cell stack apparatus 1 includes two cell stacks 2. However, the number of the cell stack apparatuses 1 can be changed as appropriate. For example, even if only one cell stack 2 is provided. Good. Further, the cell stack apparatus 1 may include the reformer 22.

また、図5においては、燃料電池セル3として、内部を燃料ガスが長手方向に流通する燃料ガス流路を複数有する中空平板型で、燃料ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル3を例示している。なお、燃料電池セル3の間に酸素含有ガスが流通する。   Further, in FIG. 5, the fuel cell 3 is a hollow plate type having a plurality of fuel gas passages through which fuel gas flows in the longitudinal direction, and a fuel electrode layer is formed on the surface of the support having the fuel gas passages. 1 illustrates a solid oxide fuel cell 3 in which a solid electrolyte layer and an oxygen electrode layer are sequentially laminated. An oxygen-containing gas flows between the fuel cells 3.

また、図5に示す改質器22においては、原燃料供給管26を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器22は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部23と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部24とを備えている。そして、改質器22で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管25(図1に示す燃料ガス供給管8に相当)を介してマニホールド7に供給され、マニホールド7より燃料電池セル3の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。   Further, in the reformer 22 shown in FIG. 5, fuel gas is generated by reforming raw fuel such as natural gas or kerosene supplied through the raw fuel supply pipe 26. The reformer 22 preferably has a structure capable of performing steam reforming, which is an efficient reforming reaction. The reformer 22 reforms the raw fuel into fuel gas, and a vaporizer 23 for vaporizing water. And a reforming section 24 in which a reforming catalyst (not shown) is disposed. The fuel gas generated by the reformer 22 is supplied to the manifold 7 through a fuel gas distribution pipe 25 (corresponding to the fuel gas supply pipe 8 shown in FIG. 1), and the interior of the fuel cell 3 is supplied from the manifold 7. Is supplied to the fuel gas flow path provided in the.

また図5においては、収納容器21の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置1を後方に取り出した状態を示している。ここで、図5に示したモジュール20においては、セルスタック装置1を、収納容器21内にスライドして収納することが可能である。   Further, FIG. 5 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the storage container 21 is removed and the cell stack device 1 stored inside is taken out rearward. Here, in the module 20 shown in FIG. 5, the cell stack device 1 can be slid and stored in the storage container 21.

なお、収納容器21の内部には、マニホールド7に並置されたセルスタック2の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル3の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材27が配置されている。   Note that, inside the storage container 21, oxygen is disposed between the cell stacks 2 juxtaposed on the manifold 7, so that the oxygen-containing gas flows from the lower end portion toward the upper end portion of the fuel cell 3. A contained gas introduction member 27 is disposed.

図6は、外装ケース内に図5で示したモジュール20と、モジュール20を動作させるための補機(図示せず)とを収納してなる本実施形態のモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図6においては一部構成を省略して示している。   FIG. 6 is an exploded perspective view showing an example of the module housing device of the present embodiment in which the module 20 shown in FIG. 5 and an auxiliary machine (not shown) for operating the module 20 are housed in the outer case. FIG. In FIG. 6, a part of the configuration is omitted.

図6に示すモジュール収容装置41は、支柱42と外装板43から構成される外装ケース内を仕切板44により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール20を収納するモジュール収納室45とし、下方側をモジュール20を動作させるための補機を収納する補機収納室46として構成されている。なお、補機収納室46に収納する補機を省略して示している。   The module housing device 41 shown in FIG. 6 divides the inside of the exterior case composed of the columns 42 and the exterior plate 43 vertically by the partition plate 44, and the upper side thereof serves as the module storage chamber 45 that houses the module 20 described above. The lower side is configured as an auxiliary equipment storage chamber 46 for storing auxiliary equipment for operating the module 20. In addition, the auxiliary machine stored in the auxiliary machine storage chamber 46 is omitted.

また、仕切板44には、補機収納室46の空気をモジュール収納室45側に流すための空気流通口47が設けられており、モジュール収納室45を構成する外装板43の一部に、モジュール収納室45内の空気を排気するための排気口48が設けられている。   In addition, the partition plate 44 is provided with an air circulation port 47 for allowing the air in the auxiliary machine storage chamber 46 to flow toward the module storage chamber 45, and a part of the exterior plate 43 constituting the module storage chamber 45 includes An exhaust port 48 for exhausting air in the module storage chamber 45 is provided.

このようなモジュール収容装置41においては、上述したように、長期信頼性の向上したモジュール20をモジュール収納室45に収納し、モジュール20を動作させるための補機を補機収納室46に収納して構成されることにより、長期信頼性の向上したモジュール収容装置41とすることができる。   In such a module storage device 41, as described above, the module 20 with improved long-term reliability is stored in the module storage chamber 45, and an auxiliary machine for operating the module 20 is stored in the auxiliary device storage chamber 46. Thus, the module accommodating device 41 with improved long-term reliability can be obtained.

図7(a)は本実施形態の他の例を示す平面図であり、(b)は(a)に示した支持体を備えたセルスタック装置1Aの側面側の拡大断面図である。   FIG. 7A is a plan view showing another example of the present embodiment, and FIG. 7B is an enlarged cross-sectional view of the side surface side of the cell stack device 1A provided with the support shown in FIG.

図2に示すように、支持部材7aに1つのみ形成された開口部71に1列全ての燃料電池セル3の一端が挿入されているが、図7に示すセルスタック装置1Aのように、支持部材7aに形成された複数の開口部71のそれぞれに燃料電池セル3が1つずつ挿入されていてもよい。   As shown in FIG. 2, one end of each fuel cell 3 in one row is inserted into the opening 71 formed in only one support member 7a, but like the cell stack device 1A shown in FIG. One fuel cell 3 may be inserted into each of the plurality of openings 71 formed in the support member 7a.

図8は、図7に示すセルスタック装置1の破線Cの部位を拡大して示す断面図である。   FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a portion indicated by a broken line C of the cell stack device 1 shown in FIG.

図8で示すように、空間対向部7a2が内部空間側72及び外部空間73側のいずれにも設けられている。また、図8で示すように、凸部7a3が、セル対向部7a1と内部空間72側における空間対向部7a2との角部及びセル対向部7a1と外部空間73側における空間対向部7a2との角部のいずれにも設けられていてもよいが、一方のみであってもよい。   As shown in FIG. 8, the space facing portion 7 a 2 is provided on both the internal space side 72 and the external space 73 side. In addition, as shown in FIG. 8, the convex portion 7a3 includes corners between the cell facing portion 7a1 and the space facing portion 7a2 on the inner space 72 side, and corners between the cell facing portion 7a1 and the space facing portion 7a2 on the outer space 73 side. Although it may be provided in any of the parts, only one of them may be provided.

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。   Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、導電性支持体上に空気極層、固体電解質層、燃料極層を配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、上記形態では、導電性支持体13上に燃料極層9、固
体電解質層10、空気極層11を積層したが、導電性支持体13を用いることなく、燃料極層9自体を支持体とし、この燃料極層9に、固体電解質層10、空気極層11を設けても良い。
For example, a fuel battery cell in which an air electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer are disposed on a conductive support may be used. Further, for example, in the above embodiment, the fuel electrode layer 9, the solid electrolyte layer 10, and the air electrode layer 11 are laminated on the conductive support 13, but the fuel electrode layer 9 itself is not used without using the conductive support 13. A solid electrolyte layer 10 and an air electrode layer 11 may be provided on the fuel electrode layer 9 as a support.

また、支持体上に空気極層、固体電解質層、燃料極層を有する発電素子部が複数形成された、いわゆる横縞型の燃料電池セルスタックを複数組み合わせてなる横縞型バンドルにも適用することができる。   Further, the present invention can be applied to a horizontally-striped bundle formed by combining a plurality of so-called horizontally-striped fuel cell stacks in which a plurality of power generation element portions each having an air electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer are formed on a support. it can.

さらに、上記形態では燃料電池セル3、セルスタック装置1、モジュール20ならびにモジュール収容装置41について説明したが、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気(水)を電気分解することにより、水素と酸素(O)を生成する電解セル(SOEC)およびこの電解セルを備える電解セルスタック装置および電解モジュールならびにモジュール収容装置である電解装置にも適用することができる。 Furthermore, although the fuel cell 3, the cell stack device 1, the module 20, and the module housing device 41 have been described in the above embodiment, hydrogen and water are obtained by electrolyzing water vapor (water) by applying water vapor and voltage to the cell. The present invention can also be applied to an electrolysis cell (SOEC) that generates oxygen (O 2 ), an electrolysis cell stack device including the electrolysis cell, an electrolysis module, and an electrolysis device that is a module housing device.

1:セルスタック装置
3:燃料電池セル
7:マニホールド
7a:支持部材
7a1:セル対向部
7a2:空間対向部
7a3:凸部
71:開口部
72:内部空間
16:シール材
20:モジュール
41:モジュール収容装置
1: Cell stack device 3: Fuel cell 7: Manifold 7a: Support member 7a1: Cell facing portion 7a2: Space facing portion 7a3: Protruding portion 71: Opening 72: Internal space 16: Sealing material 20: Module 41: Module accommodation apparatus

Claims (6)

ガス流路を有する柱状のセルと、
前記セルに供給する反応ガスが流れる内部空間と、開口部とを、
有するマニホールドと、
該マニホールドの内部空間と前記セルの前記ガス流路とが連通するように、前記開口部に挿入された前記セルの一端を前記マニホールドに接合するシール材と、を具備し、
垂直方向における断面視において、
前記マニホールドは、
前記シール材を介して前記セルと対向するセル対向部と、
該セル対向部と連続し、前記シール材を介してマニホールドの内部空間又は外部空間と対向する空間対向部と、を有し、
前記セル対向部及び前記空間対向部のうち少なくとも一方に凸部を含むことを特徴とするセルスタック装置。
A columnar cell having a gas flow path;
An internal space through which a reaction gas supplied to the cell flows, and an opening,
A manifold having
A sealing material that joins one end of the cell inserted into the opening to the manifold so that the internal space of the manifold communicates with the gas flow path of the cell;
In cross-sectional view in the vertical direction,
The manifold is
A cell facing part facing the cell via the sealing material;
A space facing portion that is continuous with the cell facing portion and faces the internal space or the external space of the manifold via the sealing material;
A cell stack device comprising a convex portion in at least one of the cell facing portion and the space facing portion.
前記マニホールドは、前記セル対向部と前記空間対向部との角部に前記凸部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のセルスタック装置。   The cell stack device according to claim 1, wherein the manifold is provided with the convex portion at a corner portion between the cell facing portion and the space facing portion. 前記凸部を除く前記空間対向部における表面延長線と、前記凸部を除く前記セル対向部における表面延長線とがなす角度が鈍角であることを特徴とする請求項1又は2に記載のセルスタック装置。   3. The cell according to claim 1, wherein an angle formed by a surface extension line in the space facing portion excluding the convex portion and a surface extension line in the cell facing portion excluding the convex portion is an obtuse angle. Stack device. 前記凸部を除く前記空間対向部は前記セル側が高くなるように傾斜していることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載のセルスタック装置。   4. The cell stack device according to claim 1, wherein the space facing portion excluding the convex portion is inclined so that the cell side becomes higher. 5. 収納容器内に請求項1乃至4のうちいずれかに記載のセルスタック装置を収納してなることを特徴とするモジュール。   A module comprising the cell stack device according to any one of claims 1 to 4 stored in a storage container. 外装ケース内に、請求項5に記載のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなることを特徴とするモジュール収容装置。   6. A module housing device, wherein the module according to claim 5 and an auxiliary machine for operating the module are housed in an outer case.
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