JP4848687B2

JP4848687B2 - Fuel cell stack structure

Info

Publication number: JP4848687B2
Application number: JP2005198670A
Authority: JP
Inventors: 竜也矢口; 誠内山; 圭子櫛引; 重夫井深
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-07-07
Also published as: JP2007018855A

Description

本発明は、複数の固体電解質型燃料電池を積層して成る積層体を備えた燃料電池スタック構造体に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack structure including a laminate formed by laminating a plurality of solid oxide fuel cells.

従来、上記したような燃料電池スタック構造体としては、例えば、固体電解質型燃料電池を積層して成る積層体をフランジによって挟み込み、これらのフランジを貫通する複数本のボルトで積層体の両端に位置する一対のエンドプレートの周囲をボルト締めすることによりこの積層体を両側から加圧して、集電及びガスシールを行うようにした従来周知の燃料電池スタック構造体があるほか、特許文献１や特許文献２に示す燃料電池スタック構造体があった。
ＵＳＰ６３４４２９０特開２００４−２０７０２８ Conventionally, as a fuel cell stack structure as described above, for example, a laminate formed by stacking solid oxide fuel cells is sandwiched between flanges, and a plurality of bolts penetrating these flanges are positioned at both ends of the laminate. In addition to the well-known fuel cell stack structure in which the laminate is pressurized from both sides by bolting the periphery of a pair of end plates to perform current collection and gas sealing, Patent Document 1 and Patent There was a fuel cell stack structure shown in Document 2.
USP 6344290 JP 2004-207028 A

ところが、上記したような燃料電池スタック構造体において、フランジを貫通する複数本のボルトで一対のエンドプレートの周囲をボルト締めすることで積層体を両側から加圧するようにしていることから、ボルトの締結力に耐える強固なフランジが必要となる関係上、エンドプレートの重量や体積などが大きくなってしまい、単位重量当たりの発電出力密度や単位体積当たりの発電出力密度を高くすることができず、加えて、熱容量が大きくなる分だけ起動性が低下してしまい、車載用途としては好ましくないという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。 However, in the fuel cell stack structure as described above, the laminate is pressurized from both sides by tightening the periphery of the pair of end plates with a plurality of bolts that penetrate the flange. Due to the need for a strong flange that can withstand the fastening force, the weight and volume of the end plate will increase, making it impossible to increase the power output density per unit weight and the power output density per unit volume. In addition, there is a problem that the startability is reduced by the amount of heat capacity, which is not preferable for in-vehicle use, and it has been a conventional problem to solve these problems.

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、出力密度の向上を実現することができると共に、熱容量を低減して起動性の向上をも実現することが可能である燃料電池スタック構造体を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-described conventional problems, and can achieve an improvement in output density and a fuel cell capable of realizing an improvement in starting performance by reducing a heat capacity. It aims to provide a stack structure.

本発明に係る燃料電池スタック構造体は、中心部にガス流路を有する薄板状のセパレータと、単セルを保持していると共に中心部にガス流路を有し且つその縁部をセパレータの縁部に接合させた薄板状のセル板と、セパレータ及びセル板の各中心部間に位置してセパレータ及びセル板の間に形成される空間内に対するガス供給及びガス排出を行う中央流路部品を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成る積層体を備え、この積層体を皿ばねとともに断熱容器内に収容して、この断熱容器に固定する断熱蓋により積層体を中央流路部品を介して皿ばねによって固体電解質型燃料電池の積層方向に加圧することを特徴としている。 A fuel cell stack structure according to the present invention includes a thin plate separator having a gas flow path at the center, a single cell and a gas flow path at the center, and the edge of the separator is the edge of the separator. A thin plate-like cell plate joined to the part, and a central flow path component for supplying and discharging gas to and from the space formed between the separator and the cell plate located between the central portions of the separator and the cell plate. A laminated body comprising a plurality of stacked solid oxide fuel cells is provided, and the laminated body is housed in a heat insulating container together with a disc spring, and the laminated body is interposed via a central flow path component by a heat insulating lid fixed to the heat insulating container. It is characterized by applying pressure in the stacking direction of the solid oxide fuel cell by a disc spring.

本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池のセパレータ及びセル板がいずれも薄板状を成しているのに加えて、従来必要であった強固なフランジなどを用いなくても済むので、熱容量が小さくなって、出力密度が向上すると共に起動性が高まることとなる。 In the fuel cell stack structure of the present invention, the separator and cell plate of the solid oxide fuel cell are both thin plates, and it is not necessary to use a strong flange or the like that is conventionally required. Therefore, the heat capacity is reduced, the output density is improved, and the startability is increased.

そして、本発明の燃料電池スタック構造体では、断熱蓋で閉塞される断熱容器内に積層体を弾性体とともに収容して、弾性体により積層体を固体電解質型燃料電池の積層方向に加圧するようにしているので、積層体の積層状態及び重なり合う固体電解質型燃料電池間のシール性（層間シール性）が良好に保たれることとなり、加えて、弾性体の弾性により耐振性に優れたものとなり、その結果、特に車載用に適したものとなる。 In the fuel cell stack structure of the present invention, the laminated body is accommodated together with the elastic body in a heat insulating container closed by the heat insulating lid, and the laminated body is pressurized by the elastic body in the stacking direction of the solid oxide fuel cell. Therefore, the laminated state of the laminated body and the sealing property between the overlapping solid oxide fuel cells (interlayer sealing property) will be maintained well, and in addition, the elastic body will have excellent vibration resistance. As a result, it is particularly suitable for in-vehicle use.

本発明の燃料電池スタック構造体によれば、上記した構成としているので、熱容量の低減を実現して、出力密度を向上させることが可能であると共に、起動性を高めることができ、特に車載用として好適なものとすることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。 According to the fuel cell stack structure of the present invention, since it has the above-described configuration, it is possible to reduce the heat capacity and improve the output density, and to improve the startability, particularly for in-vehicle use. As a result, it is possible to achieve a very excellent effect.

本発明の燃料電池スタック構造体において、起動性や積層密度を向上させて車載用として好適なものとするうえで、固体電解質型燃料電池のセパレータ及びセル板には、板厚が０．０５〜０．５ｍｍのＮｉ又はＦｅを主成分とする合金材料を用いることが望ましく、この際、セルに負荷される応力でセルが破壊するのを阻止するために、セパレータ及びセル板に用いる合金材料の熱膨張率をセルの熱膨張率とほぼ一致させて、セルに負荷される応力を緩和するように成すことが望ましい。 In the fuel cell stack structure of the present invention, the separator and the cell plate of the solid oxide fuel cell have a plate thickness of 0.05 to 0.05 in order to improve startability and stacking density and to be suitable for in-vehicle use. It is desirable to use an alloy material mainly composed of Ni or Fe of 0.5 mm. In this case, in order to prevent the cell from being destroyed by the stress applied to the cell, the alloy material used for the separator and the cell plate It is desirable to make the thermal expansion coefficient substantially coincide with the thermal expansion coefficient of the cell so as to relieve the stress applied to the cell.

また、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池のセパレータとセル板との間及び互いに重なり合う固体電解質型燃料電池の間（層間）には、メッシュや不織布や発泡金属などから成る集電体を配置するが、その材料としてＮｉ，Ｆｅ，Ｃｒなどを主成分とする合金や、Ｐｔ，Ａｇ，Ｎｉの単体を用いることができるほか、これらの材料にＰｔ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌなどのコーティングを施したものを用いることができる。 In the fuel cell stack structure of the present invention, the separator and cell plate of the solid oxide fuel cell and between the solid oxide fuel cells that overlap each other (interlayer) are made of mesh, nonwoven fabric, foam metal, or the like. A current collector is disposed, and an alloy mainly composed of Ni, Fe, Cr or the like, or a simple substance of Pt, Ag, Ni can be used as the material, and Pt, Ag, Ni, Cr are used for these materials. , Al or the like with a coating can be used.

例えば、高温下（８００℃程度）においても弾性力を失わないインコネル７５０などの合金を用いることが望ましく、このように、集電体にインコネル７５０などの合金を採用した場合には、この集電体の弾性力によってセパレータとセル板のセルと間の接触性が確実に保たれることとなり、その結果、セパレータとセルと間の接触抵抗を低く抑え得ることとなる。この際、アノード側及びカソード側にそれぞれ挿入する集電体は、挿入時に同程度の弾性率を有しているものとすることが望ましい。 For example, it is desirable to use an alloy such as Inconel 750 that does not lose its elastic force even at high temperatures (about 800 ° C.). Thus, when an alloy such as Inconel 750 is adopted as the current collector, this current collector is used. The contact between the separator and the cell of the cell plate is reliably maintained by the elastic force of the body, and as a result, the contact resistance between the separator and the cell can be kept low. At this time, it is desirable that the current collectors inserted respectively on the anode side and the cathode side have the same elastic modulus when inserted.

さらに、本発明の燃料電池スタック構造体において、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池同士の接合には、セラミックス接着剤やガラス接着剤を用いることができ、このようにセラミックス接着剤やガラス接着剤を用いることで、層間の絶縁性及びガスシール性を確保し得ることとなる。 Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, a ceramic adhesive or a glass adhesive can be used for joining solid electrolyte fuel cells that overlap each other, and thus a ceramic adhesive or a glass adhesive is used. Thus, insulation between layers and gas sealability can be ensured.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、積層体を収容する断熱容器及びこれを閉塞する断熱蓋には、ＳＵＳ３０６などの金属製薄板で二重構造体を形成してその二重構造部分を真空引きした真空断熱容器（真空断熱蓋）や、二重構造部分にグラスウールなどの繊維体や多孔質セラミックスなどの低熱伝導材料を充填した断熱容器（断熱蓋）を用いることができる。 Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, a double structure is formed by forming a double structure with a thin metal plate such as SUS306 in the heat insulating container that houses the laminate and the heat insulating lid that closes the stacked body. A vacuum heat insulating container (vacuum heat insulating lid) obtained by evacuating the glass, or a heat insulating container (heat insulating cover) in which a double structure portion is filled with a fiber body such as glass wool or a low thermal conductive material such as porous ceramics can be used.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、積層体とともに断熱容器内に収容する少なくとも一枚の皿ばねを弾性体とした構成とすることが可能であり、この場合、皿ばねの材料としては、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒなどを主成分とする合金で且つ発電時の高温下（８００℃程度）において弾性力を失わない材料、例えば、インコネル７５０を用いることが望ましい。 Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, it is possible to use at least one disc spring accommodated in the heat insulating container together with the laminate as an elastic body. In this case, as the material of the disc spring, It is desirable to use an alloy mainly composed of Ni, Fe, Cr or the like and which does not lose its elastic force at a high temperature during power generation (about 800 ° C.), such as Inconel 750.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、積層体と、断熱容器を閉塞する断熱蓋との間隔は、熱膨張や振動によって変化することから、断熱容器外の配管を接続する断熱蓋のガス孔と、積層体の積層端に位置する固体電解質型燃料電池のガス流路とを伸縮性のある配管で接続した構成とすることが望ましい。 Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, the interval between the laminate and the heat insulating lid that closes the heat insulating container changes due to thermal expansion and vibration. It is desirable that the gas hole and the gas flow path of the solid oxide fuel cell located at the stacking end of the stack are connected by a stretchable pipe.

この際、伸縮性のある配管としては、例えば、Ｎｉ系又はＦｅ系を主成分とする合金から成るベローズを挙げることができ、このようなベローズを採用した場合には、断熱蓋のガス孔及び積層体の積層端に位置する固体電解質型燃料電池のガス流路に対して、ベローズの両端を溶接により接合することが望ましい。 In this case, examples of the stretchable piping include a bellows made of an alloy mainly composed of Ni or Fe, and when such a bellows is employed, It is desirable to join both ends of the bellows by welding to the gas flow path of the solid oxide fuel cell located at the stacking end of the stack.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、積層体を構成する固体電解質型燃料電池のセパレータ及びセル板の各中心部と中央流路部品との間の隙間をなくすために、固体電解質型燃料電池の中央流路部品をセパレータ及びセル板の各中心部に対してクリップやリベットなどのかしめ部材を用いて固定する構成を採用することができる。 Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, in order to eliminate a gap between each central portion of the separator and cell plate of the solid oxide fuel cell constituting the laminate and the central flow path component, the solid electrolyte type A configuration in which the central flow path component of the fuel cell is fixed to each central portion of the separator and the cell plate by using a caulking member such as a clip or a rivet can be employed.

この構成を採用すると、固体電解質型燃料電池のセパレータ及びセル板の各中心部と中央流路部品との間の隙間がなくなって、ガス導入流路とガス排出流路との間のショートカットが回避されることとなり、加えて、固体電解質型燃料電池の各中心部を個々に事前に加圧することができるので、積層体製作時において、重なり合う固体電解質型燃料電池同士が偏って当たることがなくなって積層し易くなると共に、断熱容器及び断熱蓋による積層体全体の加圧力が小さくて済むこととなり、発電面積も大きくなる。 By adopting this configuration, there is no gap between the central part of the separator and cell plate of the solid oxide fuel cell and the central flow path component, and a shortcut between the gas introduction flow path and the gas discharge flow path is avoided. In addition, since each central part of the solid oxide fuel cell can be individually pressurized in advance, the overlapping solid electrolyte fuel cells are not biased when the laminate is manufactured. While being easy to laminate | stack, the pressurization force of the whole laminated body by a heat insulation container and a heat insulation lid will be small, and a power generation area will also become large.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、上記かしめ部材がセパレータやセル板の面から固体電解質型燃料電池の積層方向に突出すると、重なり合う固体電解質型燃料電池間の接着剤を塗布する領域に凹凸ができて、ガスシール性が損なわれる可能性があることから、かしめ部材のかしめ時において、かしめ部材が固体電解質型燃料電池の積層方向に出っ張ることがないように、固体電解質型燃料電池の各中心部に、かしめ部材逃げを設けることが望ましい。 Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, when the caulking member protrudes from the surface of the separator or the cell plate in the stacking direction of the solid oxide fuel cells, an area for applying the adhesive between the overlapping solid oxide fuel cells is applied. In order to prevent the caulking member from protruding in the stacking direction of the solid oxide fuel cell when the caulking member is caulked, there is a possibility that the gas sealability may be impaired. It is desirable to provide a caulking member relief at each central portion of the.

例えば、かしめ部材がクリップである場合には、セパレータやセル板に対してあらかじめプレス加工でかしめ部材逃げとしての凸部を複数箇所に形成し、これらの凸部間にクリップを位置させて出っ張らないようにし、また、かしめ部材がリベットである場合には、頭部が皿状を成す皿リベットを用い、この皿リベットの頭が中央流路部品（セパレータやセル板の面）以上に出っ張らないようにするために、あらかじめ中央流路部品に皿もみ加工を行ってかしめ部材逃げとしての面取り部を形成する。 For example, in the case where the caulking member is a clip, a convex portion as a caulking member escape is formed in advance on the separator or the cell plate by pressing, and the clip is positioned between these convex portions so as not to protrude. In addition, when the caulking member is a rivet, a dish rivet having a head-shaped dish is used so that the head of the dish rivet does not protrude beyond the central flow path component (the surface of the separator or cell plate). In order to achieve this, a chamfered portion is formed as a caulking member relief by pre-machining the central flow path component.

この場合、かしめ部材の熱膨張率をセパレータ，セル板及び中央流路部品の各熱膨張率以下とすることが望ましい。例えば、ジルコニア（熱膨張率１０．５Ｅ−６［１／Ｋ］）を主成分とするセルの場合、セパレータとセル板とかしめ部材にＳＵＳ４３０（熱膨張率１０．４Ｅ−６［１／Ｋ］）を用い、中央流路部品にＳＵＳ３１６（熱膨張率１６．５Ｅ−６［１／Ｋ］）を用いるとよい。 In this case, it is desirable that the thermal expansion coefficient of the caulking member is equal to or less than the thermal expansion coefficient of the separator, the cell plate, and the central flow path component. For example, in the case of a cell mainly composed of zirconia (thermal expansion coefficient 10.5E-6 [1 / K]), SUS430 (thermal expansion coefficient 10.4E-6 [1 / K]) is used as a separator, a cell plate, and a caulking member. SUS316 (thermal expansion coefficient 16.5E-6 [1 / K]) may be used for the central flow path component.

上記したように、かしめ部材の熱膨張率を中央流路部品の熱膨張率以下にすることで、高温運転時（８００℃程度）において、両者の熱膨張差によって、かしめ部材による締結力が維持ないし向上することとなる。 As described above, by setting the thermal expansion coefficient of the caulking member to be equal to or lower than the thermal expansion coefficient of the central flow path component, the fastening force by the caulking member is maintained due to the thermal expansion difference between the two during high temperature operation (approximately 800 ° C.). It will improve.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example.

図１〜図７は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図１及び図２に示すように、この燃料電池スタック構造体１は、０．２mm厚のＳＵＳ４３０から成る円形状のセパレータ１１と、単セル１２を保持し且つその縁部をセパレータ１１の縁部に接合させた同じく０．２mm厚のＳＵＳ４３０から成る円形状のセル板１３と、セパレータ１１及びセル板１３の各中心部間に位置してそのアノードガス導入流路１４ａ及びアノードガス排出流路１４ｂを介してセパレータ１１及びセル板１３の間に形成される空間内に対するアノードガスの供給排出を行う中央流路部品１４（ＳＵＳ４３０製）を具備した固体電解質型燃料電池１０を複数積層して成る積層体２を備えていて、この積層体２を弾性体である一枚の皿ばね３（インコネル７５０製）とともに断熱容器４内に収容して、この断熱容器４にボルト５によって固定する断熱蓋６により積層体２を固体電解質型燃料電池１０の積層方向に加圧するようになっている。 1 to 7 show an embodiment of a fuel cell stack structure according to the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack structure 1 is made of SUS430 having a thickness of 0.2 mm. A circular separator 11, a circular cell plate 13 made of SUS430 having a thickness of 0.2 mm, which holds the single cell 12 and has its edge joined to the edge of the separator 11, and the separator 11 and the cell plate A center for supplying and discharging anode gas to and from the space formed between the separator 11 and the cell plate 13 through the anode gas introduction flow path 14a and the anode gas discharge flow path 14b. A laminated body 2 formed by laminating a plurality of solid oxide fuel cells 10 each having a flow path component 14 (manufactured by SUS430) is provided, and the laminated body 2 is a single disc spring 3 (inco The laminated body 2 is pressurized in the stacking direction of the solid oxide fuel cell 10 by a heat insulating lid 6 which is housed in the heat insulating container 4 together with the heat insulating container 4 and fixed with bolts 5.

この燃料電池スタック構造体１において、固体電解質型燃料電池１０のセパレータ１１とセル板１３との間及び互いに重なり合う固体電解質型燃料電池１０，１０の間（層間）には、メッシュや不織布や発泡金属などから成る集電体１８が配置してある。 In the fuel cell stack structure 1, a mesh, a nonwoven fabric, or a foam metal is disposed between the separator 11 and the cell plate 13 of the solid oxide fuel cell 10 and between the solid oxide fuel cells 10 and 10 (interlayers) that overlap each other. A current collector 18 composed of the above is disposed.

上記断熱容器４及び断熱蓋６は、ＳＵＳ３０６製の０．２５ｍｍ厚の薄板で二重構造体を形成してその二重構造部分にゲッター材を添加したうえで真空引きしてなる真空断熱容器４（真空断熱蓋６）であって、断熱蓋６には、断熱容器４外のアノードガス導入配管２１と接続するガス孔６ａ及び断熱容器４外のアノードガス排出配管２２と接続するガス孔６ｂが設けてある。 The heat insulating container 4 and the heat insulating lid 6 are formed by forming a double structure with a 0.25 mm thin plate made of SUS306, adding a getter material to the double structure, and then evacuating the vacuum heat insulating container 4. In the heat insulation lid 6, a gas hole 6 a connected to the anode gas introduction pipe 21 outside the heat insulation container 4 and a gas hole 6 b connected to the anode gas discharge pipe 22 outside the heat insulation container 4 are provided. It is provided.

断熱容器４の内部と積層体２を収容するカソード容器７の表面は、ＡＤ法によりアルミナコーティングを施して電気絶縁性をとるようにしている。また、積層体２を挟み込むエンドプレート８には、積層体２を位置決めして断熱容器４に入れた後に、断熱容器４の側面及び断熱蓋６を通して電極棒８ａがねじ込まれるよになっており、セラミックス接着剤及びガラスによってシール性が確保されるようになっている。 The inside of the heat insulating container 4 and the surface of the cathode container 7 that accommodates the laminate 2 are coated with alumina by the AD method so as to have electrical insulation. In addition, the electrode plate 8a is screwed into the end plate 8 sandwiching the laminated body 2 through the side surface of the thermal insulating container 4 and the thermal insulating lid 6 after the laminated body 2 is positioned and placed in the thermal insulating container 4. Sealing performance is ensured by a ceramic adhesive and glass.

この場合、図３に拡大して示すように、断熱蓋６のガス孔６ａと、積層体２の積層端に位置する固体電解質型燃料電池１０のアノードガス導入流路１４ａとを伸縮性のある配管としてのベローズ９（ＳＵＳ４３０製）で接続していると共に、断熱蓋６のガス孔６ｂと、積層体２の積層端に位置する固体電解質型燃料電池１０のアノードガス排出流路１４ｂとを同じくベローズ９で接続しており、これらの接続は溶接により行うようにしている。 In this case, as shown in an enlarged view in FIG. 3, the gas hole 6 a of the heat insulating lid 6 and the anode gas introduction channel 14 a of the solid oxide fuel cell 10 located at the stacking end of the stacked body 2 are stretchable. In addition to being connected by bellows 9 (made of SUS430) as piping, the gas hole 6b of the heat insulating lid 6 and the anode gas discharge channel 14b of the solid oxide fuel cell 10 located at the stacking end of the stack 2 are the same. The bellows 9 are connected, and these connections are made by welding.

上記皿ばね３には、図４に拡大して示すように、上記アノードガス導入用のベローズ９を通すための中心貫通孔３ａが設けてあると共に、上記アノードガス排出用のベローズ９を通すための複数の小貫通孔３ｂが設けてある。 As shown in an enlarged view in FIG. 4, the disc spring 3 is provided with a central through hole 3a through which the bellows 9 for introducing the anode gas is passed, and for passing the bellows 9 for discharging the anode gas. A plurality of small through holes 3b are provided.

また、この燃料電池スタック構造体１において、積層体２を構成する固体電解質型燃料電池１０のセパレータ１１及びセル板１３の各中心部と中央流路部品１４との間の隙間をなくすために、固体電解質型燃料電池１０の中央流路部品１４をセパレータ１１及びセル板１３の各中心部に対してかしめ部材としてのＳＵＳ３１６Ｌ製のクリップ１５（厚さ０．３ｍｍ，幅４ｍｍ，長さ１２ｍｍ）を用いて固定するようにしている。 Further, in this fuel cell stack structure 1, in order to eliminate a gap between each central portion of the separator 11 and the cell plate 13 of the solid oxide fuel cell 10 constituting the laminate 2 and the central flow path component 14, A SUS316L clip 15 (thickness 0.3 mm, width 4 mm, length 12 mm) is used as a caulking member for the central flow path component 14 of the solid oxide fuel cell 10 with respect to the central portions of the separator 11 and the cell plate 13. Used to fix.

かしめ部材としてクリップ１５を用いて中央流路部品１４をセパレータ１１及びセル板１３の各中心部に固定する場合、まず、図５に示すように、セパレータ１１（セル板１３）に対してあらかじめプレス加工を施して、中心部にかしめ部材逃げとしての凸部１１ａ（１３ａ）を形成し、一方、図６に示すように、中央流路部品１４のリブの高さを２ｍｍとすると共にリブ先端及びリブ根元の高さを３ｍｍとすることによって、リブ先端及びリブ根元にセパレータ１１（セル板１３）の凸部１１ａ（１３ａ）に合致する凸部１４ｃを形成する。 When the central flow path component 14 is fixed to each central portion of the separator 11 and the cell plate 13 using the clip 15 as the caulking member, first, as shown in FIG. 5, the separator 11 (cell plate 13) is previously pressed. The convex portion 11a (13a) as a caulking member escape is formed at the center portion, while the rib height of the central flow path component 14 is set to 2 mm as shown in FIG. By setting the height of the rib base to 3 mm, a convex part 14c that matches the convex part 11a (13a) of the separator 11 (cell plate 13) is formed at the rib tip and the rib base.

そして、図７にも示すように、中央流路部品１４の凸部１４ｃが係合するセパレータ１１（セル板１３）の凸部１１ａ（１３ａ）間に８個のクリップ１５をそれぞれ嵌め込んで、凸部１１ａ（１３ａ）からクリップ１５が出っ張らないようにしてかしめることによって、中央流路部品１４をセパレータ１１及びセル板１３の各中心部に対して隙間なく固定する。 Then, as shown in FIG. 7, the eight clips 15 are respectively fitted between the convex portions 11a (13a) of the separator 11 (cell plate 13) with which the convex portions 14c of the central flow path component 14 are engaged. The central flow path component 14 is fixed to the central portions of the separator 11 and the cell plate 13 without a gap by caulking the clip 15 so as not to protrude from the convex portion 11a (13a).

上記クリップ１５を用いて中央流路部品１４をセパレータ１１及びセル板１３の各中心部に固定した固体電解質型燃料電池１０を積層する際の接着剤塗布領域は、セパレータ１１及びセル板１３にプレスによりそれぞれ設けた凸部１１ａ，１３ａの領域となる。 The adhesive application region when the solid oxide fuel cell 10 in which the central flow path component 14 is fixed to each central portion of the separator 11 and the cell plate 13 using the clip 15 is laminated is pressed on the separator 11 and the cell plate 13. The regions of the convex portions 11a and 13a respectively provided by the above.

上記した燃料電池スタック構造体１では、固体電解質型燃料電池１０のセパレータ１１及びセル板１３がいずれも薄板状を成しているのに加えて、従来必要であった強固なフランジなどを用いなくても済むので、熱容量が小さくなって、出力密度が向上すると共に起動性が高まることとなる。 In the fuel cell stack structure 1 described above, in addition to the separator 11 and the cell plate 13 of the solid oxide fuel cell 10 both having a thin plate shape, a strong flange or the like conventionally required is not used. Therefore, the heat capacity is reduced, the output density is improved, and the startability is increased.

そして、上記燃料電池スタック構造体１では、断熱蓋６で閉塞される断熱容器４内に積層体２を皿ばね３とともに収容して、この皿ばね３の弾性力により積層体２を固体電解質型燃料電池１０の積層方向に加圧するようにしているので、積層体２の積層状態及び重なり合う固体電解質型燃料電池１０間のシール性（層間シール性）が良好に保たれることとなり、加えて、皿ばね３の弾性力で耐振性に優れたものとなり、その結果、特に車載用に適したものとなる。 And in the said fuel cell stack structure 1, the laminated body 2 is accommodated with the disc spring 3 in the heat insulation container 4 obstruct | occluded with the heat insulation lid | cover 6, and the laminated body 2 is made into a solid electrolyte type | mold by the elastic force of this disc spring 3. Since pressure is applied in the stacking direction of the fuel cell 10, the stacking state of the stack 2 and the sealing property (interlayer sealing property) between the overlapping solid oxide fuel cells 10 are maintained well. The elastic force of the disc spring 3 makes it excellent in vibration resistance, and as a result, is particularly suitable for in-vehicle use.

また、上記した燃料電池スタック構造体１において、断熱蓋６のガス孔６ａと固体電解質型燃料電池１０のアノードガス導入流路１４ａとをベローズ９で接続していると共に、断熱蓋６のガス孔６ｂと固体電解質型燃料電池１０のアノードガス排出流路１４ｂとを同じくベローズ９で接続しているので、熱膨張や振動による積層体２と断熱蓋６との間隔の変化に対応し得ることとなる。 In the fuel cell stack structure 1 described above, the gas hole 6a of the heat insulating lid 6 and the anode gas introduction flow path 14a of the solid oxide fuel cell 10 are connected by the bellows 9, and the gas hole of the heat insulating lid 6 is also connected. 6b and the anode gas discharge passage 14b of the solid oxide fuel cell 10 are similarly connected by the bellows 9, so that it is possible to cope with a change in the interval between the laminate 2 and the heat insulating lid 6 due to thermal expansion and vibration. Become.

さらに、上記した燃料電池スタック構造体１では、積層体２を構成する固体電解質型燃料電池１０のセパレータ１１及びセル板１３の各中心部と中央流路部品１４との間の隙間をなくすために、固体電解質型燃料電池１０の中央流路部品１４をセパレータ１１及びセル板１３の各中心部に対してクリップ１５を用いて固定するようにしているので、ガス導入流路とガス排出流路との間のショートカットが回避されることとなり、加えて、固体電解質型燃料電池１０の各中心部を個々に事前に加圧することができるので、積層体２の製作時において、重なり合う固体電解質型燃料電池１０同士が偏って当たることがなくなって積層し易くなると共に、断熱容器４及び断熱蓋６による積層体２全体の加圧力が小さくて済むこととなる。 Further, in the above-described fuel cell stack structure 1, in order to eliminate the gaps between the central portions of the separator 11 and the cell plate 13 of the solid oxide fuel cell 10 constituting the laminate 2 and the central flow path component 14. Since the central flow path component 14 of the solid oxide fuel cell 10 is fixed to the central portions of the separator 11 and the cell plate 13 using the clip 15, the gas introduction flow path, the gas discharge flow path, In addition, since the respective central portions of the solid oxide fuel cell 10 can be individually pressurized in advance, the solid oxide fuel cells that overlap each other at the time of manufacturing the laminated body 2 can be avoided. 10 will not be biased and will be easily laminated, and the pressure applied to the entire laminated body 2 by the heat insulating container 4 and the heat insulating lid 6 will be small.

さらにまた、上記した燃料電池スタック構造体１では、セパレータ１１やセル板１３に対してあらかじめプレス加工でかしめ部材逃げとしての凸部１１ａ，１３ａを形成して、この凸部１１ａ，１３ａからクリップ１５が出っ張らないようにしているので、重なり合う固体電解質型燃料電池１０間の接着剤を塗布する領域には凹凸がほとんどなく、したがって、ガスシール性が良好に保たれることとなる。 Furthermore, in the fuel cell stack structure 1 described above, the protrusions 11a and 13a as the caulking member relief are formed in advance on the separator 11 and the cell plate 13 by press working, and the clip 15 is formed from the protrusions 11a and 13a. Therefore, there is almost no unevenness in the region where the adhesive is applied between the overlapping solid oxide fuel cells 10, so that the gas sealability is kept good.

図８は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示している。図８に示すように、この燃料電池スタック構造体８１では、０．１mm厚のＳＵＳ４３０製流路板９４Ａを四枚重ねて成るものを固体電解質型燃料電池９０の中央流路部品９４とし、二枚の流路板９４Ａでセパレータ９１の中心部を挟み込んで拡散接合すると共に二枚の流路板９４Ａでセル板９３の中心部を挟み込んで拡散接合したうえで、セパレータ９１側の二枚の流路板９４Ａとセル板９３側の二枚の流路板９４Ａとをかしめ部材としてのＳＵＳ３１６Ｌ製の皿リベット９５（φ０．８ｍｍ）を用いて互いに固定した構成としており、他の構成は先の実施例における燃料電池スタック構造体１と同じである。 FIG. 8 shows another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIG. 8, in this fuel cell stack structure 81, a stack of four 0.1 mm thick SUS430 flow path plates 94A is used as the central flow path component 94 of the solid oxide fuel cell 90. The center portion of the separator 91 is sandwiched and diffusion bonded by the two flow path plates 94A, and the center portion of the cell plate 93 is sandwiched and diffused by the two flow path plates 94A, and then the two flows on the separator 91 side are joined. The path plate 94A and the two flow path plates 94A on the cell plate 93 side are fixed to each other by using a SUS316L dish rivet 95 (φ0.8 mm) as a caulking member. This is the same as the fuel cell stack structure 1 in the example.

セパレータ９１及びセル板９３の各中心部間に中央流路部品９４を固定する場合、まず、二枚の流路板９４Ａでセパレータ９１の中心部を挟み込んで拡散接合すると共に二枚の流路板９４Ａでセル板９３の中心部を挟み込んで拡散接合する。 When fixing the central flow path component 94 between the central portions of the separator 91 and the cell plate 93, first, the central portion of the separator 91 is sandwiched and diffused between the two flow path plates 94A and the two flow path plates. The center portion of the cell plate 93 is sandwiched by 94A and diffusion bonded.

この際、四枚の流路板９４Ａに対してあらかじめ孔明け加工を施して、φ０．８ｍｍのリベット孔９４ａを複数形成すると共に、四枚の流路板９４Ａのうちの両端に位置する二枚の流路板９４Ａのリベット孔９４ａに対して、皿リベット９５の頭が中央流路部品９４の面以上に出っ張らないようにするために、あらかじめ皿もみ加工を行ってかしめ部材逃げとしての面取り部９４ｂを形成する。 At this time, the four flow path plates 94A are pre-drilled to form a plurality of φ0.8 mm rivet holes 94a, and two of the four flow path plates 94A are positioned at both ends. In order to prevent the head of the dish rivet 95 from protruding beyond the surface of the central flow path component 94 with respect to the rivet hole 94a of the flow path plate 94A, a chamfering portion is formed as a caulking member by performing dishing in advance. 94b is formed.

そして、皿リベット９５を四枚の流路板９４Ａの各リベット孔９４ａに挿入して、皿リベット９５の皿状頭部が面取り部９４ｂに嵌まり込むようにしてかしめることによって、中央流路部品９４をセパレータ９１及びセル板９３の各中心部に対して隙間なく固定する。 Then, by inserting the dish rivet 95 into each rivet hole 94a of the four flow path plates 94A and caulking the dish-like head of the dish rivet 95 into the chamfered portion 94b, the central flow path component 94 is obtained. Are fixed to the central portions of the separator 91 and the cell plate 93 without a gap.

上記皿リベット９５を用いて中央流路部品９４をセパレータ９１及びセル板９３の各中心部に固定した固体電解質型燃料電池９０を積層する際の接着剤塗布領域は、中央流路部品９４の両端に位置する二枚の流路板９４Ａの外向き面全体となり、接着強度及びガスシール性がいずれも向上することとなる。 Adhesive application areas when laminating the solid oxide fuel cell 90 in which the central flow path component 94 is fixed to each central portion of the separator 91 and the cell plate 93 using the dish rivet 95 are at both ends of the central flow path component 94. Thus, the entire outward face of the two flow path plates 94A located at the same position is improved, and both the adhesive strength and the gas sealability are improved.

上記した燃料電池スタック構造体８１においても、固体電解質型燃料電池９０のセパレータ９１及びセル板９３がいずれも薄板状を成しているので、熱容量が小さくなって、出力密度が向上すると共に起動性が高まることとなる。 Also in the fuel cell stack structure 81 described above, since both the separator 91 and the cell plate 93 of the solid oxide fuel cell 90 are formed in a thin plate shape, the heat capacity is reduced, the output density is improved, and the startability is increased. Will increase.

また、上記した燃料電池スタック構造体８１では、固体電解質型燃料電池９０のセパレータ９１及びセル板９３の各中心部と中央流路部品９４との間の隙間をなくすために、固体電解質型燃料電池９０の中央流路部品９４をセパレータ９１及びセル板９３の各中心部に対して皿リベット９５を用いて固定するようにしているので、ガス導入流路とガス排出流路との間のショートカットが回避されることとなり、加えて、固体電解質型燃料電池９０の各中心部を個々に事前に加圧することができるので、製作時において、重なり合う固体電解質型燃料電池９０同士が偏って当たることがなくなって積層し易くなると共に、全体の加圧力が小さくて済むこととなる。 Further, in the fuel cell stack structure 81 described above, in order to eliminate the gaps between the central portions of the separator 91 and the cell plate 93 of the solid oxide fuel cell 90 and the central flow path component 94, the solid oxide fuel cell is provided. Since 90 central flow path components 94 are fixed to the central portions of the separator 91 and the cell plate 93 using a dish rivet 95, a shortcut between the gas introduction flow path and the gas discharge flow path is provided. In addition, since each central portion of the solid oxide fuel cell 90 can be individually pressurized in advance, the overlapping solid electrolyte fuel cells 90 are not biased at the time of manufacture. As a result, it is easy to stack the layers, and the entire pressing force is small.

さらに、上記した燃料電池スタック構造体８１では、四枚の流路板９４Ａのうちの両端に位置する二枚の流路板９４Ａのリベット孔９４ａに対してあらかじめ皿もみ加工を行ってかしめ部材逃げとしての面取り部９４ｂを形成して、皿リベット９５の頭が中央流路部品９４の面以上に出っ張らないようにしているので、重なり合う固体電解質型燃料電池９０間の接着剤を塗布する領域がフラットになり、したがって、ガスシール性が良好に保たれることとなる。 Further, in the fuel cell stack structure 81 described above, the rivet holes 94a of the two flow path plates 94A located at both ends of the four flow path plates 94A are preliminarily dished and the caulking member escaped. As the chamfered portion 94b is formed so that the head of the dish rivet 95 does not protrude beyond the surface of the central flow path component 94, the area where the adhesive between the overlapping solid oxide fuel cells 90 is applied is flat. Therefore, the gas sealability is kept good.

本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示す断面説明図である。（実施例１）It is a section explanatory view showing one example of a fuel cell stack structure of the present invention. Example 1 図１の燃料電池スタック構造体の平面説明図である。FIG. 2 is an explanatory plan view of the fuel cell stack structure of FIG. 1. 図１の燃料電池スタック構造体における積層体と断熱蓋との間の部分を拡大して示す部分拡大断面説明図である。FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional explanatory view showing an enlarged portion between a laminated body and a heat insulating lid in the fuel cell stack structure of FIG. 1. 図１の燃料電池スタック構造体における皿ばねの平面説明図である。FIG. 2 is an explanatory plan view of a disc spring in the fuel cell stack structure of FIG. 1. 図１の燃料電池スタック構造体におけるセパレータの平面説明図（ａ）及び図５Ａ−Ａ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。It is plane explanatory drawing (a) of the separator in the fuel cell stack structure of FIG. 1, and cross-sectional explanatory drawing (b) based on the position of FIG. 5A-A. 図１の燃料電池スタック構造体における中央流路部品の平面説明図（ａ）及び断面説明図（ｂ）である。FIG. 2 is an explanatory plan view (a) and a sectional explanatory view (b) of a central flow path component in the fuel cell stack structure of FIG. 1. 図１の燃料電池スタック構造体における積層体を構成する固体電解質型燃料電池の平面説明図（ａ），図７Ｂ−Ｂ線位置に基づく断面説明図（ｂ）及び図７Ｃ−Ｃ線位置に基づく断面説明図（ｃ）である。FIG. 7 is an explanatory plan view of a solid oxide fuel cell constituting the laminate in the fuel cell stack structure of FIG. 1, a cross-sectional explanatory view based on the position of FIG. 7B-B, and a position of FIG. It is a section explanatory view (c). 本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示すセパレータの平面説明図（ａ），図８Ｄ−Ｄ線位置に基づく断面説明図（ｂ）及び積層体を構成する固体電解質型燃料電池の図８Ｄ−Ｄ線相当位置での断面説明図（ｃ）である。（実施例２）The plane explanatory view (a) of the separator which shows other examples of the fuel cell stack structure of the present invention, the cross-sectional explanatory view (b) based on the position of Drawing 8D-D, and the solid oxide fuel cell which constitutes a layered product FIG. 8D is a cross-sectional explanatory view (c) at the position corresponding to the line D-D. (Example 2)

Explanation of symbols

１，８１燃料電池スタック構造体固体電解質型燃料電池
２積層体
３皿ばね（弾性体）
４断熱容器
６断熱蓋
６ａ，６ｂガス孔
９ベローズ（伸縮性のある配管）
１０，９０固体電解質型燃料電池
１１，９１セパレータ
１１ａ，１３ａ凸部（かしめ部材逃げ）
１２セル
１３，９３セル板
１４，９４中央流路部品
１４ａアノードガス導入流路(ガス流路)
１４ｂアノードガス排出流路(ガス流路)
１５クリップ（かしめ部材）
９４Ａ流路板（中央流路部品）
９４ａリベット孔
９４ｂ面取り部（かしめ部材逃げ）
９５皿リベット（かしめ部材） 1,81 Fuel cell stack structure Solid oxide fuel cell 2 Laminate 3 Disc spring (elastic body)
4 Insulation container 6 Insulation lid 6a, 6b Gas hole 9 Bellows (extensive piping)
10,90 Solid oxide fuel cell 11,91 Separator 11a, 13a Convex part (caulking member escape)
12 cells 13, 93 cell plates 14, 94 central flow path parts 14a anode gas introduction flow path (gas flow path)
14b Anode gas discharge channel (gas channel)
15 clips (caulking members)
94A Channel plate (central channel component)
94a Rivet hole 94b Chamfered portion (caulking member escape)
95 Plate rivet (caulking member)

Claims

A thin plate-like separator having a gas flow path at the center, a thin plate-like cell plate holding a single cell and having a gas flow path at the center and joining the edge to the edge of the separator; A plurality of solid oxide fuel cells each having a central flow path component for supplying and discharging gas to and from the space formed between the separator and the cell plate located between the central portions of the separator and the cell plate. With a laminate,
The laminated body is housed in a heat insulating container together with a disc spring, and the laminated body is pressurized in the stacking direction of the solid oxide fuel cell by the disc spring through the central flow path component with a heat insulating lid fixed to the heat insulating container. A fuel cell stack structure.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein a gas hole of a heat insulating lid for connecting a pipe outside the heat insulating container and a gas flow path of a solid oxide fuel cell located at a stacking end of the laminate are connected by a stretchable pipe. Stack structure.

A thin plate-like separator having a gas flow path at the center, a thin plate-like cell plate holding a single cell and having a gas flow path at the center and joining the edge to the edge of the separator; A plurality of solid oxide fuel cells each having a central flow path component for supplying and discharging gas to and from the space formed between the separator and the cell plate located between the central portions of the separator and the cell plate. A fuel cell stack structure having a laminate, housing the laminate together with an elastic body in a heat insulating container, and pressurizing the stack in the stacking direction of the solid oxide fuel cell with a heat insulating lid fixed to the heat insulating container The fuel cell stack structure according to claim 1, wherein the central flow path component is fixed to the central portions of the separator and the cell plate using caulking members.

4. The fuel cell stack structure according to claim 3, wherein a caulking member relief for preventing the caulking member from projecting in the stacking direction of the solid oxide fuel cell is provided at each central portion of the solid oxide fuel cell.

The fuel cell stack structure according to claim 3 or 4, wherein a thermal expansion coefficient of the caulking member is set to be equal to or less than a thermal expansion coefficient of each of the separator, the cell plate, and the central flow path component.

The fuel cell stack structure according to claim 4 or 5 , wherein the separator and the cell plate of the solid oxide fuel cell are made of an alloy material mainly composed of Ni or Fe, and have a thickness of 0.05 to 0.5 mm. .