JP4969880B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
また、燃料電池のマニホールドは、高温雰囲気で、酸化、還元雰囲気に曝され、また燃料電池セルを支持するものであるため、その重量等によりマニホールド本体と燃料電池セルとの接合部に応力が発生しやすい。また、温度変化によりセルとシール材、及びマニホールド材料との熱膨張係数の差に起因した応力が発生するため、接合部にはクラックや剥離が発生しやすく、さらなる接合信頼性が要求されていた。
上記問題点に鑑み、本発明は、マニホールドの内外のガスを確実に遮断できる信頼性の高い燃料電池を提供することを目的とする。
請求項1に記載の本発明は、複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記固体電解質形燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記マニホールドが、上面側開口部及び下面側開口部を具備する箱状のマニホールド本体と、板状の底板とからなり、前記マニホールド本体の上面側開口部は、内側に環状折り返し部を有し、該環状折り返し部により囲まれた開口に、前記複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部がシール材により一体的にシールされた状態で立設されることを特徴とする。
このような燃料電池では、マニホールド本体の上面開口部の内側に環状に折り返し部を有するため、燃料電池セルとシール材、及びこれらとマニホールド材との熱膨張係数の差により発生する応力を折り返し部で緩和できるだけでなく、マニホールドと燃料電池セルとの接合面積を多くすることができるため、接合強度を向上させ、安定した固定が可能になる。
このような燃料電池では、市販の例えば、四角筒状、円筒状の管状体を用いることにより、マニホールドを容易、安価かつ短時間で作製できるとともに、マニホールドに燃料電池セルを容易に固定できる。
このような燃料電池では、環状側壁部にマニホールド本体を載置することが可能となり、マニホールドの組立が容易になると共に、環状側壁部に後述する絶縁体及び燃料ガス導入部材を設けることが可能になる。
このような燃料電池では、燃料電池の経年変化や組立て時のばらつき等により、燃料電池セルの一端部と、環状折り返し部との間の絶縁性が低下し、燃料電池に発生する電流がマニホールド本体に漏洩したとしても、マニホールド本体と底板とが絶縁体により接合されているので、マニホールド本体と底板との絶縁性を確保することができる。
このような燃料電池では、シール材に加え、セラミック板を介在させるため、より確実に絶縁性を確保することができるとともに、マニホールド本体と底板との接合作業を容易に行うことができる。
このような燃料電池では、燃料電池セルに発生する電流がマニホールド本体に漏洩したとしても、マニホールド本体と燃料ガス導入部材との絶縁性を確保することができる。
このような燃料電池では、先端の折り返し支持部により燃料電池セルを支持することができるため、燃料電池セルの本数が増加した場合であっても、燃料電池セルの重量により発生する応力の増加を防ぐことができる。
このような燃料電池では、シール材がマニホールド本体の上部を覆うため、シール材がコーティングの役割を果たすだけでなく、接合界面が表面にでないことで、シール材とマニホールド本体の接合界面の応力集中を低減することができる。
燃料側電極2bは多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアを称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。
酸素側電極2dは所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素側電極2dはガス透過性を有していることが必要であり、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。
ガスマニホールド50は、上面側開口部と、下面側開口部とを有する矩形箱状のマニホールド本体50aと、板状の底板50bとから構成され、幅方向側面には、燃焼ガスを供給する燃料ガス導入部材17(ガス供給管)が接続されている。上面側開口部には、開口部を囲み込むように環状の折り返し部50cが具備されている。折り返し部50cは、例えば、開口部の4隅に切り込みを入れ、切り込みの開口部から最遠部の4箇所を結んだ線を折り返し線として、上側開口部から見て山折りに折り込むことにより製作することができる。このガスマニホールド50に、燃料電池セル2がシール材55によりガスシールされ、固定された状態で立設されている。
ガスシールは、例えば、ガラス材料を含有するペーストをマニホールド本体50aの上部を覆うように塗布し、熱処理することにより行われる。次に、燃料電池セル2がマニホールド本体50aに固定された後に台を下面開口部から除去して、この下面側開口部に底板50bを接合する。
シール材55としては、燃料電池セル2をマニホールド本体50a、60aに固定する必要があるため、燃料電池の運転温度、例えば600℃から900℃において固相状態にあることが望ましい。固相状態にあることにより燃料電池の運転時においても燃料電池セル2を保持固定すると同時に、シール材55の表面に被覆形成される無機薄膜にクラックや剥離等の欠陥を生じることなく安定に維持することができる。
更に、シール材55としては、マニホールド本体50a、60a及び燃料電池セル2両方の熱膨張に近いことが望ましいが、マニホールド本体50a、60aと燃料電池セル2との熱膨張係数には差異があることより、好ましくはマニホールド本体50a、60aと燃料電池セル2と間の熱膨張係数を有する材料を利用することが好ましい。
図6は、ガスマニホールドのシミュレーション結果を示す図である。図7は、本シミュレーションに用いた従来構造及び本発明の新規構造ガスマニホールドモデルの断面斜視図である。図8は、図7に示すモデルにおける最大主応力分布図である。
本発明の新規構造のガスマニホールドは、前記接合部のない一体型の金属からなるガスマニホールドであり、上側開口部に折り返し部を有しており、燃料電池セルとガスマニホールドとの接合部にガラスによるシールが施されている構造のものをシミュレーションしている。これらの金属は共にSUSからなる。また、従来構造は、マニホールド本体を構成する金属板の厚さは1.5mm、支持板の厚さは3.0mmに対し、本発明の新規構造では、マニホールド本体の金属板の厚さ1.5mmのみでシミュレーションしている。これは、新規構造では、上側開口部に折り返し部を有することから、折り返すことにより、折り返し部に支持板の厚み3mmと同じ長さを確保できるからである。
また、図5に示すように、先端の折り返し支持部60cにより燃料電池セル2を支持することができるため、燃料電池セルの本数が増加した場合であっても、燃料電池セルの重量により発生する応力の増加を防ぐことができる。
また、マニホールド本体50a、60aと底板50b、60bとの接合部がガスマニホールド50、60の下方に位置するため、シール箇所の変形をうけにくく、応力が発生しても、接合部にクラックや剥離が発生することがなく、ガスマニホールド50、60内のガスシールの接合部からのガス漏出を防止できる。
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼領域4内に導入され、この燃焼領域4中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換部7に導入し、この熱交換部7で燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換、及び燃焼による酸素含有ガス収容室7b内の酸素含有ガスの加熱により、酸素含有ガスを予熱することができるため、燃料電池セル2を加熱して実質的に発電するまでの起動時間を大幅に短縮できる。
さらに、燃料電池セル2の上方に改質器6を設けたことにより、燃焼ガスにより改質器6を直接加熱でき、改質に必要な熱を十分に供給でき、改質性能を向上できる。
図10及び図11に示すガスマニホールド80は、上面側開口部と、下面側開口部とを有する矩形箱状の導電性のマニホールド本体80aと、板状の導電性の底板80bとから構成されている。上面側開口部には、開口部を囲み込むように環状の折り返し部80cが具備されている。折り返し部80cは、例えば、前記折り返し部(図4において50c)と同様に製作することができる。このガスマニホールド80に、燃料電池セル2が絶縁性のシール材55によりガスシールされ、固定された状態で立設されている。
前記ガスマニホールド80の底板80bは、マニホールド本体80aの下面側開口部に対応する形状の環状側壁部81と、環状側壁部81が設けられた板状底部82とを具備している。
即ち、前記底板80bとマニホールド本体80aとの接合部に、前記絶縁体83として絶縁性のシール材が装填される。或いは、マイカ板やフォルステライトなどの絶縁性を有するセラミック板84を介在させるとともにシール材が装填される。例えば、セラミック板84は、ステップ部81a上の全周に亘って配置してもよいし、必要に応じて部分的に配置してもよい。このセラミック板84は、マニホールド本体80aと底板80bの接合部におけるスペーサの役割を果たし、これらの間を確実に絶縁している。
更に又、前記底板80bの環状側壁部81に燃料ガス導入部材17が接続されている
図12及び図13に示すガスマニホールド90は、前記ガスマニホールド(図10において80)の底板(図10において81b)に代えて他の底板90aを設けたものであり、底板90aは、マニホールド本体80aの下面側開口部に対応する形状の環状側壁部91と、環状側壁部91が設けられた板状底部92とを具備し、環状側壁部91は、上端開口部がステップ部91aを介して縮口しており、ステップ部91a上にマニホールド本体80aの下端が絶縁体83により接合されて載置されている。
即ち、前記底板90aとマニホールド本体80aとの接合部に、前記絶縁体83として絶縁性のシール材が装填されている。或いは、マイカ板やフォルステライトなどの絶縁性を有するセラミック板を介在させてシール材が装填されている。
尚、ガスマニホールド80に代えて、前述のガスマニホールド50、60、70、80又は90にも同様に燃料電池セルスタックを接合固定することができる。
17、75 燃料ガス導入部材
50、60、70、80、90 ガスマニホールド
50a、60a、70a、80a、90a マニホールド本体
50b、60b、80b、90a 底板
50c、60c、70c、80c 折り返し部
55、65 シール材
81、91 環状側壁部
82、92 板状底部
83 絶縁体
Claims (8)
- 複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記固体電解質形燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、
前記マニホールドが、上面側開口部及び下面側開口部を具備する箱状のマニホールド本体と、板状の底板とからなり、
前記マニホールド本体の上面側開口部は、内側に環状折り返し部を有し、該環状折り返し部により囲まれた開口に、前記複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部がシール材により一体的にシールされた状態で立設されることを特徴とする燃料電池。 - 前記マニホールドは管状体の両端開口部を閉塞してなるとともに、該閉塞部に燃料ガス導入部材が接続され、底板が前記管状体の側面に位置することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記底板は、前記マニホールド本体の下面側開口部に対応する形状の環状側壁部と、該環状側壁部が設けられた板状底部とを具備することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記底板と前記マニホールド本体とが絶縁体を介して接合されていることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれかに記載の燃料電池。
- 前記絶縁体が、絶縁性を有するセラミック板及びシール材であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。
- 前記底板の環状側壁部に燃料ガス導入部材が接続されていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
- 前記マニホールドが、前記環状折り返し部のうち、長手方向の折り返し部の先端に前記固体電解質形燃料電池セルを支持するための折り返し支持部を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部と前記マニホールド本体の上面側開口部とをシールするシール材が、前記マニホールド本体の上部を覆っていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池。
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