JP4512845B2 - Fuel cell manifold mechanism - Google Patents

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Description

本発明は、積層構造を有する燃料電池に関し、特に、シール性の向上を図った燃料電池のマニホールド機構に関する。   The present invention relates to a fuel cell having a laminated structure, and more particularly to a fuel cell manifold mechanism with improved sealing performance.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の3種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層を両側から空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してセパレータと交互に複数積層されることにより、燃料電池スタックを構成している。   Solid oxide fuel cells (SOFC) are being developed as third-generation fuel cells for power generation. Currently, three types of solid oxide fuel cells have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, all of which have a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor as an air electrode layer (cathode) from both sides. ) And the fuel electrode layer (anode). A plurality of power generation cells made of this laminate are alternately stacked with separators with a fuel electrode current collector and an air electrode current collector interposed therebetween to constitute a fuel cell stack.

例えば、一般的に固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層はNi、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層はLaMnO3、LaCoO3等で構成され、燃料極集電体はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体はAg基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータはステンレス等で構成されている。 For example, generally, the solid electrolyte layer is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, the fuel electrode layer is composed of a metal such as Ni or Co, or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ, and air. electrode layer is composed of LaMnO 3, LaCoO 3 or the like, the fuel electrode current collector is composed of a sponge-like porous sintered metal plate such as Ni-base alloy, the air electrode current collector is spongy such as Ag-based alloy The separator is made of stainless steel or the like.

また、固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極層側に酸化剤ガス(酸素) が、燃料極層側に燃料ガス (H2、CO、CH4等) が供給される。空気極層と燃料極層は、ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質とされている。
空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)を生じ、燃料極層に電子を放出する。この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。
In the solid oxide fuel cell, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode layer side and a fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side as a reaction gas. The air electrode layer and the fuel electrode layer are both porous so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.
Oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer, and receives electrons from the air electrode layer at this portion to receive oxide ions (O 2− ). Is ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and discharge electrons to the fuel electrode layer. This electron can be taken out as an electromotive force in an external circuit of another route.

ところで、燃料電池では、外部より反応ガスを導入し、積層された発電セルの各々に分配するガス供給機構として、燃料スタックの内部にマニホールドを備えている。このマニホールドは、マニホールドリングと呼ばれるリング部材を各セパレータ間に介在し各々を接合しながら積層方向に延設した管状体であり、燃料ガス導入用と酸化剤ガス導入用の二系統から成る。   By the way, in the fuel cell, a manifold is provided inside the fuel stack as a gas supply mechanism that introduces a reaction gas from the outside and distributes it to each of the stacked power generation cells. This manifold is a tubular body in which a ring member called a manifold ring is interposed between the separators and extends in the stacking direction while joining the separators. The manifold is composed of two systems for fuel gas introduction and oxidant gas introduction.

これらのマニホールド内を流通する反応用ガスは、各積層毎にセパレータとの接合部分で分配させられ、セパレータに設けたガス通路を通して発電セルの電極層に供給されるようになっている。このため、マニホールドリングとセパレータとの連結部分はガス漏れを生じない高いシール性(気密性)が要求されており、また、マニホールドを配設することにより各セパレータ同士が機械的に接触して電気的に短絡しないよう、個々のマニホールドリングには確実な電気絶縁性が要求されている。
このようなマニホールド機構は、例えば、特許文献1や特許文献2に開示されている。
特開平7−201353号公報 特開平8−279364号公報
The reaction gas flowing through these manifolds is distributed at the junction with the separator for each stack, and is supplied to the electrode layer of the power generation cell through a gas passage provided in the separator. For this reason, the connecting portion between the manifold ring and the separator is required to have a high sealing performance (air tightness) that does not cause gas leakage. In order to prevent short circuit, individual manifold rings are required to have reliable electrical insulation.
Such a manifold mechanism is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-201353 JP-A-8-279364

ところで、マニホールド機構に高いシール性と確実な電気絶縁性が要求されていることは既述の通りである。従来、セパレータ間の絶縁性を確保するものとして、セラミックス製のマニホールドリングを使用し、且つ、ガス漏れしないようセパレータとの接合部分をガラス材にてシールする機構が採られているが、金属製のセパレータとこのセラミックス製のマニホールドリングでは熱膨張率に大きな差があるため、燃料電池作動時の昇降温の繰り返し(熱サイクル)時に、その熱膨脹差で生じる応力や、スタック化で生じる荷重でマニホールドリングが破損したり、接合部分に剥離が生じたりするという問題が有り、且つ、シール部にあっては、燃料電池の作動温度おいてガラス材が溶融した液シールを行うため、シール性に問題を残していた。   By the way, as described above, the manifold mechanism is required to have high sealing performance and reliable electrical insulation. Conventionally, as a means to ensure insulation between separators, a ceramic manifold ring has been used, and a mechanism that seals the joint with the separator with a glass material to prevent gas leakage has been adopted. Because there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between this separator and this ceramic manifold ring, the stress caused by the difference in thermal expansion and the load generated by stacking during repeated heating (heating cycle) during fuel cell operation There is a problem that the ring is broken or the joint part is peeled off, and the sealing part has a problem in sealing performance because the liquid material is melted at the operating temperature of the fuel cell. Was leaving.

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたもので、燃料電池の熱サイクルに対して優れた耐久性と高いガスシール性を有する燃料電池のマニホールド機構を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell manifold mechanism having excellent durability and high gas sealability with respect to the thermal cycle of the fuel cell. .

すなわち、請求項1に記載の本発明は、固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セルと内部に反応用ガスの通路を有するセパレータを交互に複数積層して構成した燃料電池スタックと、前記セパレータの厚さ方向に設けたガス導入孔を介して前記ガス通路に連通する絶縁性のマニホールドリングを備え、前記セパレータのガス通路を通して各電極層に反応用のガスを供給するように構成した燃料電池のマニホールド機構において、前記マニホールドリングは、絶縁性のリング部材を複数同心状に組み合わせた多重構造と成されているとともに、前記セパレータに接する表面部位に大きな流路抵抗を奏する細かな溝が複数形成されていることを特徴としている。
本構成では、複数の絶縁性リング部材を用いた多重構造とすることにより、セパレータ間の電気絶縁性は確実に得られると共に、一部のリング部材に割れが生じても、割れのない他のリング部材によってシール性は確実に確保されており、ガス漏れが生じる心配はない。また、この細かな溝による差圧効果で、セパレータとマニホールドリングの接触部分に高いガスシール性(気密性)が得られるようになる。
That is, the present invention according to claim 1 is a fuel cell in which a power generation cell configured by arranging electrode layers on both surfaces of a solid electrolyte layer and a plurality of separators having a reaction gas passage inside are alternately stacked. A stack and an insulating manifold ring communicating with the gas passage through a gas introduction hole provided in the thickness direction of the separator are provided, and a reaction gas is supplied to each electrode layer through the gas passage of the separator. In the fuel cell manifold mechanism configured as described above, the manifold ring has a multiple structure in which a plurality of insulative ring members are concentrically combined and has a fine flow resistance at a surface portion in contact with the separator. grooves is characterized in that it is formed with a plurality of such.
In this configuration, by providing a multiple structure using a plurality of insulating ring members, electrical insulation between the separators can be obtained reliably, and even if some ring members are cracked, there is no other crack. Sealing performance is ensured by the ring member, and there is no fear of gas leakage. In addition, due to the differential pressure effect by the fine grooves, high gas sealability (air tightness) can be obtained at the contact portion between the separator and the manifold ring.

また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の燃料電池のマニホールド機構において、前記マニホールドリングを構成する複数のリング部材は、全て同一材料にて構成されていることを特徴としている。
複数のリング部材を同一材料で構成することにより、各リング部材の熱膨張を無くすことができる。これにより、熱サイクル時の熱応力を回避し、各リング部材の割れを防止できる。
According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell manifold mechanism according to the first aspect, the plurality of ring members constituting the manifold ring are all made of the same material. Yes.
By constituting a plurality of ring members with the same material, thermal expansion of each ring member can be eliminated. Thereby, the thermal stress at the time of a thermal cycle can be avoided and the crack of each ring member can be prevented.

また、請求項3に記載の本発明は、請求項1または請求項2の何れかに記載の燃料電池のマニホールド機構において、前記マニホールドリングが接するセパレータの表面部位に、当該マニホールドリングの位置決用となる凹部を設けたことを特徴としている。
発電セルの積層工程において、マニホールドリングを容易に、且つ、正確に位置決め・配置できることから、燃料電池スタックの組立が簡素化され、組立工数の低減が図れると共に、マニホールドリングの位置ズレを回避し、ガス漏れによる電池性能の低下を防止できる。
Further, according to a third aspect of the present invention, there is provided the fuel cell manifold mechanism according to the first or second aspect, wherein the manifold ring is positioned on a surface portion of the separator in contact with the manifold ring. It is characterized by providing a concave portion.
Since the manifold ring can be positioned and arranged easily and accurately in the power generation cell stacking process, the assembly of the fuel cell stack is simplified, the number of assembly steps can be reduced, and the displacement of the manifold ring can be avoided. Battery performance degradation due to gas leakage can be prevented.

以上説明したように、請求項1に記載の発明によれば、マニホールドリングは、複数の絶縁性リングを同心状に組み合わせた多重構造としたので、複数のリング部材の内の一部のリング部材に割れが生じても、割れの生じていない他のリング部材の存在によってマニホールドのシール性は確実に確保されており、ガス漏れが生じる心配はない。また、セパレータと接するマニホールドリングの表面部位に細かな溝を複数形成したので、この溝による差圧効果により、セパレータとマニホールドリングの接触部分に高いシール性が得られる。 As described above, according to the invention described in claim 1, since the manifold ring has a multiple structure in which a plurality of insulating rings are concentrically combined, a part of the plurality of ring members is a ring member. Even if a crack occurs, the sealing performance of the manifold is reliably ensured by the presence of other ring members that are not cracked, and there is no risk of gas leakage. In addition, since a plurality of fine grooves are formed in the surface portion of the manifold ring in contact with the separator, a high sealing performance can be obtained at the contact portion between the separator and the manifold ring due to the differential pressure effect by the grooves.

また、請求項2に記載の発明によれば、マニホールドリングを構成する複数のリング部材は、全て同一材料にて構成したので、熱サイクルにおける各リング部材の熱膨張差を無くすことができ、これにより、熱応力による各リング部材の割れを防止し、厳しい熱サイクルに耐え得るマニホールドリングを構成することができる。   According to the invention of claim 2, since the plurality of ring members constituting the manifold ring are all made of the same material, the difference in thermal expansion of each ring member in the thermal cycle can be eliminated. Thus, it is possible to form a manifold ring that can prevent cracking of each ring member due to thermal stress and can withstand severe thermal cycles.

また、請求項3に記載の発明によれば、マニホールドリングが接するセパレータの表面部位に凹部を設けたので、スタック化の際の各マニホールドリングの位置決めが容易に、且つ、正確に行えるようになり、燃料電池スタックの組立が簡素化され工数の低減が図れると共に、マニホールドリングの位置ズレを回避し、ガス漏れによる電池性能の低下を防止できるようになる。   According to the third aspect of the present invention, since the concave portion is provided in the surface portion of the separator that is in contact with the manifold ring, each manifold ring can be positioned easily and accurately during stacking. As a result, the assembly of the fuel cell stack can be simplified and the number of man-hours can be reduced, and the displacement of the manifold ring can be avoided, and the deterioration of the battery performance due to gas leakage can be prevented.

以下、図面に基づいて本発明に係る燃料電池の実施形態を説明する。   Embodiments of a fuel cell according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図、図2は図1のII−II断面図である。   FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a flat plate type solid oxide fuel cell stack to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.

図1に示すように、燃料電池スタック1は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル5と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体6と、空気極層の外側に配した空気極集電体7と、各集電体6、7の外側に配したセパレータ8とで構成した単セルを、間に絶縁性の燃料用マニホールドリング15と酸化剤用マニホールドリング16を介在して多数積層したものである。尚、単セルを構成する各部材は、従来と同様のものが使用できる。   As shown in FIG. 1, a fuel cell stack 1 includes a power generation cell 5 configured by disposing a fuel electrode layer and an air electrode layer on both sides of a solid electrolyte layer, and a fuel electrode current collector disposed outside the fuel electrode layer. 6, a single cell composed of an air electrode current collector 7 disposed outside the air electrode layer, and a separator 8 disposed outside each of the current collectors 6, 7. 15 and a large number of oxidant manifold rings 16 are stacked. In addition, each member which comprises a single cell can use the same thing as the past.

ここで、セパレータ8は、表面に酸化防止のためのAgメッキ処理等を施した厚さ数mm程度の四角状ステンレス板(本実施形態ではステンレス板2枚の張り合わせ構造としている)で構成されており、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス通路9と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路10が形成されている。但し、図1に示すように、最下部に位置するセパレータ8については、燃料ガス通路9のみが形成され、最上部のセパレータ8には、酸化剤ガス通路10のみが形成されている。   Here, the separator 8 is composed of a square stainless steel plate having a thickness of about several millimeters (eg, a laminated structure of two stainless steel plates in this embodiment) having an Ag plating treatment for preventing oxidation. A fuel gas passage 9 through which the fuel gas flows and an oxidant gas passage 10 through which the oxidant gas flows are formed. However, as shown in FIG. 1, only the fuel gas passage 9 is formed for the separator 8 located at the lowermost portion, and only the oxidant gas passage 10 is formed for the uppermost separator 8.

燃料ガス通路9の一端は、セパレータ8の左端中央部に設けた燃料ガス導入孔13に連通しており、他端が前記燃料極集電体6と対面するセパレータ中央のガス吐出孔11に連通している。また、酸化剤ガス通路10の一端は、セパレータ8の右端中央部に設けた燃料ガス導入孔14に連通しており、他端が前記空気極集電体7と対面するセパレータ中央部のガス吐出孔12に連通している。これらガス導入孔13、14は楕円形状を成している。
尚、最上部のセパレータ8には酸化剤ガス導入孔14のみ形成されており、且つ、この酸化剤ガス導入孔14は下側にのみ開口している。上下端を除く部分の各ガス導入孔13、14は何れも板厚方向に貫通するものである。
また、最下部のセパレータ8は、外部からの反応用ガスを導入するためのガス導入通路24、25を有し、その分板厚は厚く、この内、燃料ガスが供給される燃料ガス導入路25は前記燃料ガス導入孔13に連通し、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス導入路24は前記酸化剤ガス導入孔14に連通している。
One end of the fuel gas passage 9 communicates with a fuel gas introduction hole 13 provided at the center of the left end of the separator 8, and the other end communicates with a gas discharge hole 11 in the center of the separator facing the fuel electrode current collector 6. is doing. Further, one end of the oxidant gas passage 10 communicates with a fuel gas introduction hole 14 provided at the center of the right end of the separator 8, and the other end of the gas discharge at the center of the separator facing the air electrode current collector 7. It communicates with the hole 12. These gas introduction holes 13 and 14 have an elliptical shape.
Note that only the oxidant gas introduction hole 14 is formed in the uppermost separator 8, and the oxidant gas introduction hole 14 is opened only on the lower side. Each of the gas introduction holes 13 and 14 except for the upper and lower ends penetrates in the plate thickness direction.
The lowermost separator 8 has gas introduction passages 24 and 25 for introducing a reaction gas from the outside, and its thickness is thick. Among these, a fuel gas introduction passage through which fuel gas is supplied 25 communicates with the fuel gas introduction hole 13, and an oxidant gas introduction path 24 through which oxidant gas is supplied communicates with the oxidant gas introduction hole 14.

前記燃料ガス導入孔13の開口部には燃料ガスが流通する燃料用マニホールドリング15が配設され、前記酸化剤ガス導入孔14の開口部には酸化剤ガスが流通する酸化剤用マニホールドリング16が配設されている。単セルを積み上げてスタック化することにより、これら多数のマニホールドリング15、16がセパレータ8の各ガス導入孔13、14を介して縦方向(積層方向)に連結されて管状のマニホールドが形成されるようになっている。但し、最上部に位置するセパレータ8の酸化剤ガス導入孔14については貫通孔とせず、既述したように下側にのみ開口する孔構造と成している。この二本のマニホールドには、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスが流通する。   A fuel manifold ring 15 through which fuel gas flows is disposed at the opening of the fuel gas introduction hole 13, and an oxidant manifold ring 16 through which oxidant gas flows through the opening of the oxidant gas introduction hole 14. Is arranged. By stacking single cells to form a stack, a large number of manifold rings 15 and 16 are connected in the vertical direction (stacking direction) via the gas introduction holes 13 and 14 of the separator 8 to form a tubular manifold. It is like that. However, the oxidant gas introduction hole 14 of the separator 8 located at the uppermost part is not a through hole, but has a hole structure that opens only on the lower side as described above. A fuel gas and an oxidant gas supplied from the outside flow through the two manifolds.

また、図2に示すように、これらのガス導入孔13、14の開口縁部には、各マニホールドリング15、16をセパレータ面上に正しく位置決するための楕円形状の凹部17が形成されている。凹部17を設けることにより、相互の位置ズレを無くして各ガス導入孔13、14と各マニホールドリング15、16を配置でき、スタック化を容易に行える。位置ズレを無くすことにより、セパレータ8と各マニホールドリング15、16の接合部のシール性は向上し、ガス漏れは完全に防止できる。   Further, as shown in FIG. 2, elliptical recesses 17 for correctly positioning the manifold rings 15 and 16 on the separator surface are formed at the opening edges of the gas introduction holes 13 and 14, respectively. . By providing the concave portion 17, it is possible to arrange the gas introduction holes 13 and 14 and the manifold rings 15 and 16 without misalignment with each other, and stacking can be easily performed. By eliminating the misalignment, the sealing performance of the joint portion between the separator 8 and the manifold rings 15 and 16 is improved, and gas leakage can be completely prevented.

前記燃料用マニホールドリング15および酸化剤用マニホールドリング16は、図3(a)に示すように、各々ガス導入孔13、14の開口形状に合わせた楕円形状となっている。
各ガス流路を楕円形状としたのは、セパレータ8の長手サイズを延長せずに、円形の場合に比してガス流路体積を大きくできることと、単セル積層時のズレや傾きに対する各ガス導入孔13、14と各マニホールドリング15、16との整合性をより良好にできること等の理由によるが、全て円形に統一しても勿論構わない。
As shown in FIG. 3A, the fuel manifold ring 15 and the oxidant manifold ring 16 have an elliptical shape corresponding to the opening shape of the gas introduction holes 13 and 14, respectively.
The reason why each gas flow path is elliptical is that the length of the separator 8 is not extended and the volume of the gas flow path can be increased as compared to the case of a circular shape, and each gas with respect to the deviation or inclination when single cells are stacked. Of course, it is possible to unify all of them into a circular shape, for example, because the alignment between the introduction holes 13 and 14 and the manifold rings 15 and 16 can be made better.

これらマニホールドリング15(16)は、図3(b)に示すように、何れも合計3個のリング部材15a〜15c(16a〜16c)を同心状に嵌め合わせて構成した3重構造のリング体であって、リング材として、比較的熱膨張率が低く、且つ、電気絶縁性、耐熱衝撃性等に優れるセラミック(例えば、アルミナ)を用い、セパレータ間の電気絶縁性を確保している。   As shown in FIG. 3B, these manifold rings 15 (16) each have a triple structure ring structure in which a total of three ring members 15a to 15c (16a to 16c) are fitted concentrically. And, as the ring material, ceramic (for example, alumina) having a relatively low coefficient of thermal expansion and excellent in electrical insulation, thermal shock resistance and the like is used to ensure electrical insulation between the separators.

加えて、多重リング構造あれば、その内の1個、もしくは2個のリング部材に割れが生じても、割れの生じていないリング部材の存在によってマニホールドリング15(16)としてのシール性は確実に確保されており、割れの生じたリング部材の割れ目からマニホールドの外部にガスが漏れでる心配はない。
また、全てのリング部材15a〜15c(16a〜16c)をアルミナのような絶縁性の同一材料で構成することにより、熱サイクル時における各リング部材の熱膨張差を無くすことができ、これにより、熱応力による各リング部材15a〜15c(16a〜16c)の割れが防止でき、厳しい熱サイクルに耐え得るマニホールドリング15(16)を構成することができる。
In addition, if there is a multiple ring structure, even if one or two of the ring members are cracked, the presence of the ring member that is not cracked ensures the sealing performance as the manifold ring 15 (16). Therefore, there is no concern that gas leaks out of the manifold from the cracks in the ring member where the cracks have occurred.
Further, by configuring all the ring members 15a to 15c (16a to 16c) with the same insulating material such as alumina, it is possible to eliminate the difference in thermal expansion of each ring member during the thermal cycle. The ring members 15a to 15c (16a to 16c) can be prevented from cracking due to thermal stress, and the manifold ring 15 (16) that can withstand severe thermal cycles can be configured.

また、図4に示すように、図3に示したマニホールドリング15(16)において、セパレータ8と接触する表面部位に細かな溝18(図4では、溝部分を強調してある)を多数形成すると良い。
マニホールドリング15(16)の接触面に設けた細かな溝18は大きな流路抵抗を有しているため、各マニホールド内に反応用のガスが導入されても溝18による差圧効果で溝内にガスが流れ込むことはなく、セパレータ8と各マニホールドリング15(16)との接触面でのガス漏れが防止され、平滑な面同士が接触する場合に比べて接触部分のガスシール性をより高いものにできる。
Further, as shown in FIG. 4, in the manifold ring 15 (16) shown in FIG. 3, a large number of fine grooves 18 (the groove portions are emphasized in FIG. 4) are formed on the surface portion in contact with the separator 8. Good.
Since the fine groove 18 provided on the contact surface of the manifold ring 15 (16) has a large flow resistance, even if a reaction gas is introduced into each manifold, a differential pressure effect by the groove 18 causes the inside of the groove. The gas does not flow into the gas, the gas leakage at the contact surface between the separator 8 and each manifold ring 15 (16) is prevented, and the gas sealing performance at the contact portion is higher than when the smooth surfaces contact each other. Can be a thing.

次に、図5は本実施形態のマニホールド機構を用いた燃料電池スタックの組立を示している。   Next, FIG. 5 shows assembly of a fuel cell stack using the manifold mechanism of the present embodiment.

組立の際は、セパレータ8の燃料ガス導入孔13の開口部に燃料用マニホールドリング15を配置し、酸化剤ガス導入孔14の開口部に酸化剤用マニホールドリング16を配置しながら、順次単セルを積層していく。
組み上げた燃料電池スタック1は、各セパレータ8の角部に設けた取付孔23に挿通されている4本の締付棒22により四隅で支持され、図示しないボルト等により積層方向に締め付けされることにより複数の単セルが密着させられ、一体的に固定される。
これにより、各々のマニホールドリング15、16がそれぞれセパレータ8の各ガス導入孔13、14を介して縦方向(積層方向)に連結されて燃料ガス用と酸化剤ガス用の2系統の管状マニホールド(連結された状態は図示せず)が形成されることになる。
When assembling, the fuel manifold ring 15 is disposed at the opening of the fuel gas introduction hole 13 of the separator 8, and the oxidant manifold ring 16 is disposed at the opening of the oxidant gas introduction hole 14. Are stacked.
The assembled fuel cell stack 1 is supported at four corners by four fastening rods 22 inserted through mounting holes 23 provided at the corners of the separators 8 and tightened in the stacking direction by bolts or the like (not shown). A plurality of single cells are brought into close contact with each other and fixed together.
As a result, the manifold rings 15 and 16 are connected in the vertical direction (stacking direction) via the gas introduction holes 13 and 14 of the separator 8, respectively, so that two types of tubular manifolds for fuel gas and oxidant gas ( The connected state is not shown).

上記した燃料電池の組立においては、各ガス導入孔13、14の開口縁部にそれぞれ位置決め用の凹部17が設けてあるから、単セル積層時の各マニホールドリング15、16の配置は容易であり、且つ、双方の孔位置がずれることなくセパレータ面上の正確な部位に配設できる。   In the assembly of the fuel cell described above, the positioning recesses 17 are provided at the opening edge portions of the gas introduction holes 13 and 14, respectively. Therefore, the arrangement of the manifold rings 15 and 16 when stacking single cells is easy. And it can arrange | position in the exact site | part on a separator surface, without both hole positions shifting | deviating.

また、既述したように、セパレータ間に介在されている燃料極集電体6と空気1極集電体7はそれぞれスポンジ状の多孔質焼結金属で構成されているから、スタックの締め付けによりこれらスポンジ状部材が弾性変形し、各マニホールドリング15、16は上下のセパレータ8の間に或る程度の弾力を持って圧接・挟持された状態となっており、この弾力により、振動や外部衝撃による各マニホールドリング15、16の移動が拘束され、各マニホールドリング15、16がスタック組立後に位置ズレを起こすことが防止できる。
このように、本発明では、組立の際にマニホールドリング15、16を固定するための特別な部材を要さず、締め付けによる各集電体6、7の弾性変形を利用した弾力的固着構造として、スタック組立の更なる簡素化を図っている。
Further, as described above, the fuel electrode current collector 6 and the air monopolar current collector 7 interposed between the separators are each composed of a sponge-like porous sintered metal. These sponge-like members are elastically deformed, and the manifold rings 15 and 16 are pressed and sandwiched between the upper and lower separators 8 with a certain degree of elasticity. The movement of the manifold rings 15 and 16 due to is restrained, and the manifold rings 15 and 16 can be prevented from being displaced after stack assembly.
Thus, in the present invention, there is no need for a special member for fixing the manifold rings 15 and 16 at the time of assembly, and the elastic fixing structure using the elastic deformation of the current collectors 6 and 7 by tightening is used. The stack assembly is further simplified.

上記構成の燃料電池スタック1においては、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれ最下層部に位置するセパレータ8の側部に設けた開口25a、24aより燃料ガス導入路25と酸化剤ガス導入路24を介して燃料ガス用マニホールドと酸化剤ガス用マニホールドに個々に導入される。
尚、図示しないが、開口25aには、外部より燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管が接続され、開口24aには、外部より酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給管が接続されているものとする。そして、これら各ガス供給管より導入された反応用のガスは、縦方向に延びるマニホールドの管内を流通する過程で、それぞれ各層(単セル)のガス導入孔13、14より分配されながら各々セパレータ8の各ガス通路を通して各発電セル5の電極部に供給されていく。
In the fuel cell stack 1 having the above-described configuration, the fuel gas and the oxidant gas supplied from the outside are oxidized with the fuel gas introduction path 25 and the oxidation gas through the openings 25a and 24a provided in the side portions of the separator 8 located at the lowermost layer. They are individually introduced into the fuel gas manifold and the oxidant gas manifold via the agent gas introduction passage 24.
Although not shown, a fuel gas supply pipe for supplying fuel gas from the outside is connected to the opening 25a, and an oxidant gas supply pipe for supplying oxidant gas from the outside is connected to the opening 24a. It is assumed that The reaction gases introduced from the gas supply pipes are distributed from the gas introduction holes 13 and 14 of the respective layers (single cells) in the course of flowing through the pipes of the manifolds extending in the longitudinal direction. The gas is supplied to the electrode portion of each power generation cell 5 through each gas passage.

即ち、燃料ガス用マニホールド内の燃料ガスは、各セパレータ8の燃料ガス導入孔13から燃料ガス通路9に導入され、通路末端の燃料ガス吐出孔11より吐出して対面する燃料極集電体6に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル5の燃料極層に達する。
一方、酸化剤ガス用マニホールド内の酸化剤ガスは、各セパレータ8の酸化剤ガス導入孔14から酸化剤ガス通路10に導入され、通路末端の酸化剤ガス吐出孔12より吐出して対面する空気極極集電体7に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル5の空気極層に達する。
尚、以降、各単セル内での電気化学反応は従来技術の欄で述べた通りであり、この電気化学反応で生じた高温の排ガスは所定の排気ルートで各単セルよりスタック外に排出されることになる。
That is, the fuel gas in the fuel gas manifold is introduced into the fuel gas passage 9 from the fuel gas introduction hole 13 of each separator 8 and discharged from the fuel gas discharge hole 11 at the end of the passage to face the fuel electrode current collector 6. And pass through here while diffusing to reach the fuel electrode layer of the power generation cell 5.
On the other hand, the oxidant gas in the oxidant gas manifold is introduced into the oxidant gas passage 10 from the oxidant gas introduction hole 14 of each separator 8 and is discharged from the oxidant gas discharge hole 12 at the end of the passage to face the air. It is supplied to the polar current collector 7 and passes through here while diffusing and reaches the air electrode layer of the power generation cell 5.
Hereinafter, the electrochemical reaction in each single cell is as described in the section of the prior art, and the high temperature exhaust gas generated by this electrochemical reaction is discharged from the single cell to the outside of the stack through a predetermined exhaust route. Will be.

ここで、各マニホールドを構成する各マニホールドリング15、16とセパレータ8の各ガス導入孔13、14は、セパレータ側に設けた位置決め凹部17にって孔位置が確実に整合しており、且つ、両者の接触部分は接触面の細かな溝18による差圧の相乗効果で高いシール性が得られており、接触部分からのガス漏れが生じる心配はない。   Here, the manifold rings 15 and 16 constituting each manifold and the gas introduction holes 13 and 14 of the separator 8 are surely aligned with the positioning recesses 17 provided on the separator side, and The contact portion between the two has a high sealing performance due to the synergistic effect of the differential pressure due to the fine groove 18 on the contact surface, and there is no fear of gas leakage from the contact portion.

また、各マニホールドリング15、16が多重構造であるため、一部のリング部材に割れが生じても、割れの生じていない他のリング部材によって破損がカバーされるため、マニホールドのシール性は確実に確保されている。
尚、本実施形態では、各マニホールドリング15、16を3個のリング部材による多重構造としたが、3個に限定されないことは勿論である。
In addition, since each manifold ring 15 and 16 has a multiple structure, even if some of the ring members are cracked, damage is covered by other ring members that are not cracked. Is secured.
In this embodiment, each manifold ring 15 and 16 has a multiple structure of three ring members, but it is needless to say that the number is not limited to three.

本発明に係る燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図。1 is an exploded perspective view showing a configuration of a fuel cell stack according to the present invention. 図1のII−II断面図。II-II sectional drawing of FIG. 本発明の燃料電池スタックに使用するマニホールドリングを示し、(a)は斜視図、(b)は縦断面図。The manifold ring used for the fuel cell stack of this invention is shown, (a) is a perspective view, (b) is a longitudinal cross-sectional view. 図3とは別のマニホールドリングの側面図。The side view of the manifold ring different from FIG. 本発明が適用された燃料電池スタックの組立を示す斜視図。The perspective view which shows the assembly of the fuel cell stack to which this invention was applied.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
5 発電セル
8 セパレータ
9 燃料ガス通路
10 酸化剤ガス通路
13 燃料ガス導入孔
14 酸化剤ガス導入孔
15 燃料用マニホールドリング
15a〜15c リング部材
16 酸化剤用マニホールドリング
16a〜16c リング部材
17 凹部
18 溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 5 Power generation cell 8 Separator 9 Fuel gas passage 10 Oxidant gas passage 13 Fuel gas introduction hole 14 Oxidant gas introduction hole 15 Fuel manifold ring 15a-15c Ring member 16 Oxidant manifold ring 16a-16c Ring member 17 Recess 18 Groove

Claims (3)

固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セルと内部に反応用ガスの通路を有するセパレータを交互に複数積層して構成した燃料電池スタックと、前記セパレータの厚さ方向に設けたガス導入孔を介して前記ガス通路に連通する絶縁性のマニホールドリングを備え、前記セパレータのガス通路を通して各電極層に反応用のガスを供給するように構成した燃料電池のマニホールド機構において、
前記マニホールドリングは、絶縁性のリング部材を複数同心状に組み合わせた多重構造と成されているとともに、前記セパレータに接する表面部位に大きな流路抵抗を奏する細かな溝を複数形成されていることを特徴とする燃料電池のマニホールド機構。
Provided in the thickness direction of the separator, a power cell constructed by arranging electrode layers on both surfaces of the solid electrolyte layer and a fuel cell stack constructed by alternately laminating a plurality of separators each having a reaction gas passage inside In a fuel cell manifold mechanism comprising an insulating manifold ring communicating with the gas passage through a gas introduction hole and configured to supply a reaction gas to each electrode layer through the gas passage of the separator.
The manifold ring has a multiple structure in which a plurality of insulative ring members are concentrically combined, and a plurality of fine grooves having a large flow resistance are formed in a surface portion in contact with the separator. A fuel cell manifold mechanism.
前記マニホールドリングを構成する複数のリング部材は、全て同一材料にて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池のマニホールド機構。 2. The fuel cell manifold mechanism according to claim 1, wherein the plurality of ring members constituting the manifold ring are all made of the same material. 前記マニホールドリングが接するセパレータの表面部位に、当該マニホールドリングの位置決用となる凹部を設けたことを特徴とする請求項1または請求項2の何れかに記載の燃料電池のマニホールド機構。 3. The fuel cell manifold mechanism according to claim 1, wherein a concave portion for positioning the manifold ring is provided in a surface portion of the separator in contact with the manifold ring.
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