JP4280974B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は円筒形固体電解質型燃料電池に関し、特にセル集合体と外部取り出し用電極の電気的接続に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の筒状固体酸化物形燃料電池セル(以下燃料電池セルともいう)から構成される燃料電池発電システムの一般的な構成図を図5に示す。
燃料電池セル1は、有底筒状のセラミックチューブである。燃料電池セル1の断面は多層円筒状をしており、空気極、固体酸化物、燃料極等の各層が積層されている。燃料電池セル1の各層の肉厚は数μm〜2.5mmであり、それぞれ必要な機能(導電性、通気性、固体酸化物、電気化学触媒性等)を有する酸化物を主成分とするセラミックス材で形成されている。この燃料電池セル1の内側に酸化剤ガス(空気や酸素リッチガス等、以下空気という)を流し、外側にH2、CO、CH4などの燃料ガスを流すと、この燃料電池セル1内でO2-イオンが移動して電気化学的発電反応(以下発電反応という)が起こり、空気極と燃料極との間に電位差が生じて発電が行われる。1本の燃料電池セルの出力は限られているため、実際の燃料電池発電システムでは、燃料電池セル1を複数本集合させたセル集合体を構成して使用する。
それぞれの燃料電池セル1の内側には、空気を供給するための細長い空気導入管2が内挿されており、その下端は燃料電池セル1の底近くにまで達している。この空気導入管2の下端から、空気が燃料電池セル1の底に供給される。燃料電池セル1の底に供給された空気は、上述の発電反応に寄与しつつ燃料電池セル1の内側を上方に向かい排出される(排出ラインは図示しない)。燃料電池セル1の外側には、下方から燃料ガス(H2、CO、CH4等)が供給される。燃料ガスは、上述の発電反応に寄与しつつ燃料電池セル1の外側を上方に向かい、未反応の燃料ガスと、燃料電池セル1での発電反応生成物ガス(CO2、H2O等)は、排燃料ガスとして排出される(排出ラインは図示しない)。固体酸化物形燃料電池の発電反応部の温度は、約800〜1000℃であるため、排空気や排燃料ガスの保有する顕熱を熱交換器によって回収し、空気や燃料ガスの予熱に用いることもある。また、排空気と排燃料ガスを混合燃焼させ、その燃焼熱を熱交換器により回収して予熱を行うこともある。
【0003】
次に、筒状固体酸化物型燃料電池における燃料電池セル1の接続構造について説明する。図6は、筒状固体酸化物型燃料電池の従来の接続状況を示す図である。この例では、燃料電池セル1をセル接続用導電部材3により3直列2並列に接続されたセル集合体6、セル集合体6と外部への電気取出しのための電極部材4を電気的に接続する電極接続用導電部材5で構成されており、燃料電池セル1は筒状面のほぼ全面で発電されるよう設計されているので、導電抵抗を低減させるためおよび発電電流の偏りを防ぐためセル接続用導電部材3、電極部材4および電極接続用導電部材5は燃料電池セル1の軸方向の多くの部分において接続される。一般に燃料電池セル1とセル接続用導電部材3の接続およびセル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5の接続は、製造過程の焼成処理または運転中の昇温で拡散接合される。また、電極部材4と電極接続用導電部材5は溶接、ボルト固定などの機械的接合がなされている。
【0004】
このような従来の燃料電池の構成では、電極接続用導電部材5を構成する金属材料の線膨張係数はニッケルの場合約16μ/Kであり、セラミック系材料で作られたセル集合体6の線膨張係数11μ/Kよりかなり大きいため、例えば運転温度1000℃時でセル集合体6と電極接続用導電部材5との接続部分長さが500mmの場合、2.5mmの歪が発生し、セル集合体6と電極接続用導電部材5との接続が損なわれる危険性があった。これに関しては、過去に電極接続用導電部材5を燃料電池セル1の軸方向に複数分割することで対策している。
(例えば、特許文献1参照)
【0005】
【特許文献1】
特開2001−297783号公報(第3〜4頁、第1図、第2図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前述の電極接続用導電部材5を燃料電池セル1の軸方向に複数分割する対策では、電極接続用導電部材5が燃料電池セル1の熱膨張に追随するが、その結果電極接続用導電部材5と電極部材4の接続において上記と同様の歪が発生し、セル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5の接続または電極部材4と電極接続用導電部材5の接続が損なわれる危険性がある。
【0007】
本発明は、上記課題を解決し、セル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5の接続または電極接続用導電部材5と電極部材4の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
第一の発明においては、電極接続用導電部材が、電極部材の長手方向に変形機能を有していることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより運転温度800℃〜1000℃時に、セル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5の接続または電極接続用導電部材5と電極部材4の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和し、安定した発電性能で信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【0009】
電極接続用導電部材は電極部材に接続後、電極部材の周囲を半周以上巻きつけて設置することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより電極部材4の周囲に巻きついた部分の電極接続用導電部材5が螺旋状に変形することができ、比較的小さい力で電極部材4 の軸方向に電極接続用導電部材5が変位することができる。よって、運転温度800℃〜1000℃時に、セル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5の接続または電極接続用導電部材5と電極部材4の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和し、安定した発電性能で信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【0010】
電極接続用導電部材は少なくとも1箇所は略S字状に滑らかに折り曲げられて電極部材に接続することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、電極接続用導電部材5を2箇所滑らかに折り曲げて略S字状したその2箇所の折り曲げ部分の間が斜めになるよう2箇所の折り曲げ部分が少量捩れ方向に変形することで、比較的小さい力で電極部材4の軸方向に電極接続用導電部材5が変位することができる。よって、運転温度800℃〜1000℃時に、セル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5の接続または電極接続用導電部材5と電極部材4の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和し、安定した発電性能で信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【0011】
電極接続用導電部材は少なくとも1箇所はねじれ方向に変形後、電極部材に接続することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、電極接続用導電部材5の面が水平となった部分で比較的小さい力で電極部材4の軸方向に電極接続用導電部材5が変位することができる。よって、運転温度800℃〜1000℃時に、セル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5の接続または電極接続用導電部材5と電極部材4の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和し、安定した発電性能で信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【0012】
本発明においては、電極接続用導電部材は板状であって、電極部材とセル集合体との間に複数のスリット穴を設けていることを特徴とする燃料電池システムを提供する。これにより、電極接続用導電部材5は簡単な加工で製造可能であり、また分割される必要がなく一体品として取り扱えるので電極接続用導電部材と電極部材の接続が容易となる。
【0013】
電極接続用導電部材は厚みが0.05mm〜1.5mmの範囲である部分を有することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、第一から第四の発明において、電極接続用導電部材5の変形に必要な力が、セル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5の接続または電極接続用導電部材5と電極部材4の接続部分を破損しない十分に小さい力になるよう抑えることができる。
【0014】
電極接続用導電部材は材質がニッケルまたはニッケル含有合金であることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、導電部材にニッケルまたはニッケル含有合金であることによって、高温雰囲気でも耐酸化性および導電性に優れ、また特にニッケルは高温で非常に柔らかい材料であるため、電極接続用導電部材5の変形に必要な力が比較的小さくできる。
【0015】
電極接続用導電部材は燃料電池セルの軸方向に対して複数分割されていることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、従来構造で考慮されたセル接続用導電部材3と電極接続用導電部材5間の応力緩和だけでなく、分割部分のそれぞれの位置に応じた変形量を担わせることでトータルとして変形に必要な力を最小限にすることができる。
【0016】
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図1は本発明の参考例を示す略示する図である。燃料電池セル1がセル接続用導電部材3により3直列2並列に接続されセル集合体6を構成し、セル集合体6が電極接続用導電部材5と拡散接合で接続され、電極接続用導電部材5が電極部材4に接続されることで電極部材4を介して外部に電力を取り出すことができる。図示していないがセル集合体6に電極接続用導電部材5が接続されている面の反対面またはセル集合体6が複数直列に接続された最終端面にも、同様に電極接続用導電部材5と拡散接合で接続され、電極接続用導電部材5が電極部材4に接続されて電気が取り出せる。このようにして発生電力の正極、負極が設けられている。
ここでは、電極接続用導電部材5の端面を電極部材4に溶接などの固定手段により接続後、電極部材4の周りを2周と3/4周巻きつけてセル集合体6に接続されている。例えば、3枚の電極接続用導電部材5の上端下端の位置寸法差が500mmで電極部材4の下端が熱膨張の変位基点である場合、電極部材4に接続された電極接続用導電部材5の上端は、運転温度1000℃において8mm上方に変位する。一方セル集合体6に接続された電極接続用導電部材5の上端は、分割によりほぼセル集合体6の熱膨張に従うと仮定すると5. 5mm上方に変位する。よって電極接続用導電部材5の電極部材4側とセル集合体6側では2.5mmの変位差が生じる。この時発生する歪は、電極部材4の周りに巻きつけられた部分の電極接続用導電部材5が螺旋状に変形することで前記変位差を吸収することができる。この螺旋状変形では螺旋面の全面において軽微な捩れ変形を連続させるため小さな応力で大きな変位を実現できる。よって、半周程度の巻き数でも前記機能は発揮するが導電抵抗が許される範囲内で巻き数を増加させた方が、電極接続用導電部材5内および電極部材4またはセル接続用導電部材3との接続部に発生する応力を小さくすることができる。また、電極部材4の周りを巻きつける際には、各周間に若干のクリアランスを設けることが望ましい。
【0017】
図2は本発明の参考例を示す略示する図である。ここでは電極接続用導電部材5を2箇所反対向きに180°ずつ折り滑らかに曲げてS字状にし、片端を電極部材4、もう片端をセル接続用導電部材3に接続している。これにより、2箇所の折り曲げ部分の間が斜めになるよう2箇所の折り曲げ部分が少量捩れ方向に変形することで、比較的小さい力で電極部材4の軸方向に電極接続用導電部材5が変位することができる。図中では折り曲げ部分は180°折り返されているが、30°などの浅い角度であってもよい。
【0018】
図3は本発明の参考例を示す略示する図である。ここでは、電極接続用導電部材5をねじれ方向に90°変形後、電極部材4に接続している。これにより、電極接続用導電部材5の面が水平となった部分で比較的小さい力で電極部材4の軸方向に電極接続用導電部材5が変位することができる。図中は捩れ角度90°の例を表しているが、電極接続用導電部材5内および電極部材4またはセル接続用導電部材3との接続部に発生する応力が許容できる範囲内で捩れ角度は任意に選定できる。
【0019】
これら図1〜3の例では、電極接続用導電部材5の変形抵抗を小さくするため、部材の厚みを薄くすることが有利である。ただし電極接続用導電部材5のトータル断面積が小さくなると導電抵抗が増大するため、厚み0.05mm〜1.5mmの範囲で選定することが望ましい。
また、これら図1〜3の例では、電極接続用導電部材5を電極部材4の軸方向に複数分割することが望ましい。こうすることにより電極接続用導電部材5のセル接続用導電部材3との接続部分における熱膨張による歪量が分割されることにより1枚当りの歪量が小さくなるため、接続部分に発生する応力を緩和することができる。また、電極接続用導電部材5と電極部材4との高さ方向の変位量差を各箇所ごとに必要な変位量に分割させることで全体として電極接続用導電部材5内および電極部材4またはセル接続用導電部材3との接続部に発生する応力を最小限にすることができる。
また、前述の例のように電極部材4の下端が熱膨張の変位基点であるような場合が想定される。このように電極接続用導電部材5の電極部材4側変位とセル接続用導電部材3側変位が高さ方向で変わらない箇所付近においては、当然ながら本発明を適用する必要はなく従来通りの接続でよい。
【0020】
図4は本発明の一実施例を示す略示する図である。高さ方向に電極接続用導電部材5を変形する場合、同じ断面積であれば高さを低くし幅を大きくすることで断面係数を小さくすることが有利である。ここでは、電極接続用導電部材5に複数のスリット穴を設けることで断面係数を小さくしている。さらに前述の例と同様、電極部材の巻き付けおよびまたはS字状の変更と併用することで変形抵抗を低減することは可能である。実際には電極接続用導電部材5の厚みは1mm〜4mm程度、スリット高さを数mm程度の中から導電抵抗と変形抵抗がそれぞれ許容範囲に収まるよう設計される。スリット穴は一般にパンチングなどの機械加工による量産化が容易で安価に加工が可能である。また電極接続用導電部材5を電極部材4に接続する際、電極接続用導電部材5が一体型であるので組立工数を削減することができる。
【0021】
本発明の特定の実施例を例示の目的で説明したが、頭書の特許請求の範囲に定義された本発明から逸脱することなく、種々の変形例及び設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】筒状固体酸化物形燃料電池の参考例を略示する図である。
【図2】筒状固体酸化物形燃料電池の参考例を略示する図である。
【図3】筒状固体酸化物形燃料電池の参考例を略示する図である。
【図4】本発明の筒状固体酸化物形燃料電池の実施例を略示する図である。
【図5】従来の筒状固体酸化物形燃料電池の断面構造例を模式的に示す図である。
【図6】従来の筒状固体酸化物形燃料電池を略示する図である。
【符号の説明】
1 燃料電池セル
2 空気導入管
3 セル接続用導電部材
4 電極部材
5 電極接続用導電部材
6 セル集合体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cylindrical solid oxide fuel cell, and more particularly to electrical connection between a cell assembly and an external extraction electrode.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 shows a general configuration diagram of a fuel cell power generation system including conventional cylindrical solid oxide fuel cells (hereinafter also referred to as fuel cells).
The fuel cell 1 is a bottomed cylindrical ceramic tube. The cross section of the fuel cell 1 has a multilayer cylindrical shape, and layers such as an air electrode, a solid oxide, and a fuel electrode are laminated. The thickness of each layer of the fuel battery cell 1 is several μm to 2.5 mm, and ceramics whose main component is an oxide having necessary functions (conductivity, air permeability, solid oxide, electrochemical catalytic property, etc.). It is made of material. When an oxidant gas (air, oxygen-rich gas, etc., hereinafter referred to as air) is allowed to flow inside the fuel battery cell 1 and a fuel gas such as H 2 , CO, CH 4, etc. is allowed to flow outside, 2 -The ions move to cause an electrochemical power generation reaction (hereinafter referred to as a power generation reaction), and a potential difference is generated between the air electrode and the fuel electrode to generate power. Since the output of one fuel cell is limited, an actual fuel cell power generation system configures and uses a cell assembly in which a plurality of fuel cells 1 are assembled.
Inside each fuel cell 1, an elongated
[0003]
Next, the connection structure of the fuel cell 1 in the cylindrical solid oxide fuel cell will be described. FIG. 6 is a diagram showing a conventional connection state of a cylindrical solid oxide fuel cell. In this example, the cell assembly 6 in which the fuel cells 1 are connected in
[0004]
In such a conventional fuel cell configuration, the linear expansion coefficient of the metal material composing the electrode connecting
(For example, see Patent Document 1)
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-297883 (
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the measure for dividing the electrode connecting
[0007]
The present invention solves the above-mentioned problems and arises from distortion caused by the difference in linear expansion coefficient in connection between the cell connection
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In 1st invention, the electrically-conductive member for electrode connection has a deformation function in the longitudinal direction of an electrode member, The fuel cell system characterized by the above-mentioned is provided.
Thus, when the operating temperature is 800 ° C. to 1000 ° C., distortion caused by the difference in linear expansion coefficient in connection between the cell connecting
[0009]
After the electrode connecting conductive member is connected to the electrode member, a fuel cell system is provided in which the periphery of the electrode member is wound around a half or more.
Accordingly, the electrode connecting
[0010]
A fuel cell system is provided in which at least one conductive member for electrode connection is smoothly bent into a substantially S shape and connected to the electrode member.
By this, the two bent portions are bent in a small amount in a twisting direction so that the portion between the two bent portions that are smoothly S-shaped by smoothly bending the two electrode connecting
[0011]
Provided is a fuel cell system in which at least one conductive member for electrode connection is deformed in a twisting direction and then connected to the electrode member.
Accordingly, the electrode connecting
[0012]
According to the present invention , there is provided a fuel cell system characterized in that the electrode connecting conductive member is plate-shaped, and a plurality of slit holes are provided between the electrode member and the cell assembly. As a result, the electrode connecting
[0013]
The conductive member for electrode connection has a portion having a thickness in the range of 0.05 mm to 1.5 mm, and provides a fuel cell system.
Accordingly, in the first to fourth aspects of the invention, the force necessary for the deformation of the electrode connecting
[0014]
The electrode connecting conductive member is made of nickel or a nickel-containing alloy, and a fuel cell system is provided.
Accordingly, since the conductive member is nickel or a nickel-containing alloy, it is excellent in oxidation resistance and conductivity even in a high temperature atmosphere. In particular, since nickel is a very soft material at a high temperature, the deformation of the electrode connecting
[0015]
The electrode connecting conductive member is divided into a plurality of parts in the axial direction of the fuel cell, and a fuel cell system is provided.
As a result, not only the stress relaxation between the cell connection
[0016]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a reference example of the present invention. The fuel cell 1 is connected in
Here, after the end surface of the electrode connecting
[0017]
FIG. 2 is a schematic diagram showing a reference example of the present invention. Here, the electrode connection
[0018]
FIG. 3 is a schematic diagram showing a reference example of the present invention. Here, the electrode connecting
[0019]
In these examples of FIGS. 1 to 3, it is advantageous to reduce the thickness of the member in order to reduce the deformation resistance of the electrode connecting
1 to 3, it is desirable to divide the electrode connecting
Moreover, the case where the lower end of the
[0020]
FIG. 4 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention . When the electrode connecting
[0021]
While particular embodiments of the present invention have been described for purposes of illustration, various modifications and changes in design may be made without departing from the invention as defined in the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a reference example of a cylindrical solid oxide fuel cell.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a reference example of a cylindrical solid oxide fuel cell.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a reference example of a cylindrical solid oxide fuel cell.
FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of a cylindrical solid oxide fuel cell according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of a cross-sectional structure of a conventional cylindrical solid oxide fuel cell.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a conventional cylindrical solid oxide fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (1)
前記筒状燃料電池セルの軸方向と平行に配置した電極部材と、
前記筒状燃料電池セルと前記電極部材を電気的に接続する電極接続用導電部材と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記電極接続用導電部材は、板状であり前記電極部材と前記セル集合体との間に複数のスリット穴を設けていることで、前記筒状燃料電池セルの長手方向に変形機能を有していることを特徴とする燃料電池システム。A cell assembly in which a plurality of cylindrical fuel cells each having an anode and a cathode on both sides of an electrolyte are connected by a cell connecting conductive member;
An electrode member disposed parallel to the axial direction of the cylindrical fuel cell;
An electrode connecting conductive member for electrically connecting the cylindrical fuel cell and the electrode member;
A fuel cell system comprising:
The conductive member for electrode connection has a plate shape and has a function of deforming in the longitudinal direction of the cylindrical fuel cell by providing a plurality of slit holes between the electrode member and the cell assembly. A fuel cell system characterized by comprising:
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