JP5110345B2 - Stack structure of solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池のスタック構造体、特に高温で運転する固体電解質型燃料電池のスタック構造体に関するものである。     The present invention relates to a stack structure of a fuel cell, and more particularly to a stack structure of a solid oxide fuel cell operating at a high temperature.

上記した高温で運転する固体電解質型燃料電池のスタック構造体としては、単セルを保持したセル板や、セパレータ板や、フランジなどの構成部品を備えたスタック構造体がある。このような固体電解質型燃料電池のスタック構造体の場合、セル板及びセパレータ板の間や、セパレータ板及びフランジの間などの多くの構成部品間には、高温及び低温の環境下において、そして、酸化性及び還元性の雰囲気において、水素や天然ガスや空気などのガスがリークするのを阻止するガスシール性や十分な接合力や電気絶縁性が要求される。   Examples of the stack structure of a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature include a stack structure including a cell plate holding a single cell, a separator plate, and a component such as a flange. In the case of such a stack structure of a solid oxide fuel cell, a large number of components such as between a cell plate and a separator plate, and between a separator plate and a flange are exposed to high temperature and low temperature environments, and oxidizable. In a reducing atmosphere, gas sealing properties that prevent leakage of gases such as hydrogen, natural gas, and air, and sufficient bonding strength and electrical insulation are required.

近年、固体電解質型燃料電池の低温性能の向上に伴って、セパレータ板やフランジに金属材料、例えばフェライト系ステンレスを使用する傾向にあるが、このようにセパレータ板やフランジに金属材料を用いると、両者間の接合部分には、温度の昇降に伴って生じる金属材料の熱変形により大きな引張り力や圧縮力が負荷されることから、これに対応すべく、燃料電池スタック構造体用の接合構造の開発が進められている。
特開2003−238201号 特開2002−203581号 特開2003−311743号
In recent years, with the improvement of the low temperature performance of solid oxide fuel cells, there is a tendency to use metal materials, such as ferritic stainless steel, for separator plates and flanges. A large tensile or compressive force is applied to the joint between the two due to thermal deformation of the metal material that occurs as the temperature rises and falls. Development is underway.
JP 2003-238201 A JP 2002-203581 A JP 2003-311743 A

ところが、従来における燃料電池スタック構造体の接合部分において、ガラス系接合材から成る燃料電池用のガスシール部品を用いると、接合力には優れているものの、ガラス系接合材が脆性材料であることから、金属材料の熱変形により発生した引張り力や圧縮力が、接合力に優れているが故にガラス系接合材に直接加わってしまい、ガラス系接合材自体に割れが生じてしまうという問題があった。   However, when a gas seal part for a fuel cell made of a glass-based bonding material is used at a bonded portion of a conventional fuel cell stack structure, the glass-based bonding material is a brittle material, although the bonding force is excellent. Therefore, the tensile and compressive forces generated by the thermal deformation of the metal material are directly applied to the glass-based bonding material because of its excellent bonding force, and the glass-based bonding material itself is cracked. It was.

また、上記した燃料電池用のガスシール部品において、例えば、セパレータ板とフランジとの接合に用いる場合には、平面精度を高めたり平行度のばらつきを吸収したりする都合上、両者間に多量のガラス系接合材を充填して厚みのあるガラス層を形成する必要があり、このように、厚みのあるガラス層を形成すると、割れを生じる危険性が増してしまうという問題があり、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。   Moreover, in the gas seal part for a fuel cell described above, for example, when it is used for joining a separator plate and a flange, a large amount of both is used for the convenience of increasing the plane accuracy or absorbing the variation in parallelism. It is necessary to fill a glass-based bonding material to form a thick glass layer. Thus, when a thick glass layer is formed, there is a problem that the risk of cracking increases. It has been a conventional problem to solve the problem.

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、構成部品の熱変形により発生した引張り力や圧縮力が負荷されたとしても、優れたガスシール性及び接合性を維持することが可能である固体電解質型燃料電池の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 by paying attention to the above-described conventional problems, and maintains excellent gas sealability and bondability even when a tensile force or a compressive force generated by thermal deformation of a component is loaded. It is an object of the present invention to provide a stack structure of a solid oxide fuel cell.

本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体は、単セルを保持していると共に燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔を有する薄板状を成す金属製セル板と、燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔を有する薄板状を成す金属製セパレータ板とを交互に積層して成る固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、セル板及びセパレータ板のいずれか一方の外縁部分には、適宜間隔をおいて配置した複数のブロックを金属箔で覆って連結して成るフレームを設け、このフレームを介してセル板及びセパレータ板を接合してある構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。   A stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention is a metal cell having a thin plate shape that holds a single cell and has a fuel gas introduction hole, a fuel gas discharge hole, an oxidizing gas introduction hole, and an oxidizing gas discharge hole In a stack structure of a solid oxide fuel cell comprising a plate and a metal separator plate having a thin plate shape having a fuel gas introduction hole, a fuel gas discharge hole, an oxidant gas introduction hole, and an oxidant gas discharge hole In addition, a frame formed by covering and connecting a plurality of blocks arranged at appropriate intervals with a metal foil is provided on the outer edge portion of one of the cell plate and the separator plate, and the cell plate and the separator plate are provided via this frame. The structure of the stack structure of the solid oxide fuel cell is used as a means for solving the above-described conventional problems.

本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板がいずれも薄板状を成す金属から成っているのに加えて、ガスを透過しない変形自在な金属箔で複数のブロックを覆って成るフレームを介してセル板及びセパレータ板を接合しているので、全体として熱に対して変形自在なものとなる。   In the stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention, the cell plate and the separator plate are both made of a thin plate-like metal, and a plurality of blocks are made of a deformable metal foil that does not transmit gas. Since the cell plate and the separator plate are joined via the covering frame, the whole can be deformed by heat.

そして、セル板やセパレータ板に熱変形が生じて、フレームに引張り力や圧縮力が負荷された場合には、フレームも変形して引張り力や圧縮力を吸収するので、接合部分に亀裂などの不具合が生じる可能性は少ないものとなり、したがって、セル板及びセパレータ板間の優れたガスシール性及び接合性が確保されることとなる。   When the cell plate or separator plate is thermally deformed and a tensile force or compressive force is applied to the frame, the frame also deforms and absorbs the tensile force or compressive force. There is little possibility that a defect will occur, and therefore, excellent gas sealability and bondability between the cell plate and the separator plate will be ensured.

本発明によれば、上記した構成としているので、セル板及びセパレータ板間の優れたガスシール性及び接合性を確保することができるのは言うまでもなく、両者の熱変形により生じた引張り力や圧縮力が負荷されたとしても、優れたガスシール性及び接合性を維持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 present invention, since it has the above-described configuration, it is needless to say that excellent gas sealability and bondability between the cell plate and the separator plate can be ensured, and tensile force and compression generated by thermal deformation of both. Even when a force is applied, it is possible to maintain an excellent gas sealing property and bonding property, which is very excellent.

本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、セル板及びセパレータ板に薄板状の金属を採用することで、これらの部品に熱に対する柔軟な性質を付与することができる。これらのセル板及びセパレータ板に採用する金属としては、フェライト系ステンレス(SUS430)などを好適に使用することができるが、必ずしも限定されるものではない。   In the solid oxide fuel cell stack structure of the present invention, by adopting a thin plate-like metal for the cell plate and the separator plate, it is possible to impart a flexible property to heat to these components. Ferritic stainless steel (SUS430) or the like can be suitably used as the metal employed in these cell plates and separator plates, but is not necessarily limited.

この際、両板の厚味が0.03mmよりも薄いと、単セルを支持することや両板間に配置する集電体の押し付け圧力に対抗することが強度的に困難となり、一方、両板の厚味が0.1mmよりも厚いと、全体としての熱変形が多くなり過ぎてガスシール性及び接合性阻害することから、セル板及びセパレータ板の厚味を0.03〜0.1mmとすることが望ましい。   At this time, if the thickness of both plates is less than 0.03 mm, it becomes difficult in terms of strength to support the single cell or to counter the pressing pressure of the current collector disposed between both plates. If the thickness of the plate is thicker than 0.1 mm, the thermal deformation as a whole increases so that the gas sealing property and the bonding property are hindered. Therefore, the thickness of the cell plate and the separator plate is set to 0.03 to 0.1 mm. Is desirable.

また、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、ガスを透過しない変形自在な金属箔で複数のブロックを覆うことでフレームを形成しているので、フレームが熱に対して柔軟な構造となり、加えて、複数のブロックの隙間が金属箔で塞がれることから、ガス気密性を確保するための隔壁として機能し得ることとなる。   Further, in the solid oxide fuel cell stack structure of the present invention, the frame is formed by covering a plurality of blocks with a deformable metal foil that does not transmit gas, so that the frame is flexible to heat. In addition, since the gaps between the plurality of blocks are closed by the metal foil, it can function as a partition for ensuring gas tightness.

この場合、ブロックにもフェライト系ステンレス(SUS430)などを好適に使用することができるが、必ずしも限定されるものではなく、金属箔と複数のブロックとの接合には、後述するガラス系接合材を用いることができる。   In this case, ferritic stainless steel (SUS430) or the like can be suitably used for the block, but it is not necessarily limited. For joining the metal foil and the plurality of blocks, a glass-based bonding material described later is used. Can be used.

さらに、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、フレームの金属箔は、例えば、ステンレス製の金属箔から成るものとすることができ、その厚みは、経済性及び耐久性の観点から、10〜50μmとすることが望ましい。このような金属箔は、薄くて変形し易いことから、セル板及びセパレータ板の熱変形に柔軟に追従する。そして、この金属箔は、接合界面を形成する機能及びガス気密性を確保する隔壁の機能をも有する。   Furthermore, in the stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention, the metal foil of the frame may be made of, for example, a stainless steel metal foil, and the thickness thereof is from the viewpoint of economy and durability. 10 to 50 μm is desirable. Since such a metal foil is thin and easily deformed, it flexibly follows the thermal deformation of the cell plate and the separator plate. The metal foil also has a function of forming a bonding interface and a function of a partition wall that ensures gas tightness.

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、セル板及びセパレータ板の各燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔と連通する燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔をフレームに設けた構成とすることができ、この際、フレームにおける燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各近傍位置では、隣接するブロック同士の間隔を密にして配置すると共に、燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各間の位置では、隣接するブロック同士の間隔を疎にして配置してある構成を採用することができる。   Furthermore, in the stack structure of the solid oxide fuel cell according to the present invention, the fuel gas introduction holes communicated with the fuel gas introduction holes, the fuel gas discharge holes, the oxidizing gas introduction holes, and the oxidizing gas discharge holes of the cell plate and the separator plate. The fuel gas discharge hole, the oxidation gas introduction hole, and the oxidation gas discharge hole can be provided in the frame. Adjacent blocks are arranged close to each other at positions near the holes, and adjacent blocks are arranged at positions between the fuel gas introduction hole, the fuel gas discharge hole, the oxidizing gas introduction hole, and the oxidizing gas discharge hole. It is possible to employ a configuration in which the gaps between them are arranged sparsely.

上記したように、フレームの燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各近傍位置において、隣接するブロック同士の間隔を密にして配置する一方で、燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各間の位置において、隣接するブロック同士の間隔を疎にして配置すると、変形量の大きな辺の部分、すなわち、燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各間の部分に対して、より一層の柔軟性を付与し得ることとなり、その結果、燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各孔の部分における接合が、いずれもより一層強固になされることとなる。   As described above, the fuel gas introduction hole, the fuel gas discharge hole, the oxidant gas introduction hole, and the oxidant gas discharge hole in the vicinity of the frame are arranged close to each other at close positions. If the gaps between adjacent blocks are arranged sparsely at positions between the holes, the fuel gas discharge holes, the oxidizing gas introduction holes, and the oxidizing gas discharge holes, the side portions with large deformation amounts, that is, the fuel gas introduction holes , Fuel gas discharge holes, oxidant gas introduction holes, and oxidant gas discharge holes can be provided with more flexibility. As a result, the fuel gas introduction hole, the fuel gas discharge hole, the oxidation gas, Bonding at each hole portion of the gas introduction hole and the oxidizing gas discharge hole is made even stronger.

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、フレームにおける燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各間に位置するブロックを単セル側に寄せて配置して補強リブの機能を持たせた構成とすることが可能であり、この場合には、補強リブの機能を有する複数のブロックがセル板及びセパレータ板間の隙間の潰れを阻止するので、ガス流路が確保されることとなり、加えて、複数のブロックを単セル側に寄せて配置したことで整流板としても機能するので、燃料ガス導入孔から導入された燃料ガスが単セルに均等に分配されることとなる。   Furthermore, in the stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention, the block located between each of the fuel gas introduction hole, the fuel gas discharge hole, the oxidizing gas introduction hole and the oxidizing gas discharge hole in the frame is arranged on the single cell side. It is possible to adopt a configuration in which the functions of the reinforcing ribs are provided by being arranged close to each other. In this case, a plurality of blocks having the function of the reinforcing ribs prevent the gap between the cell plate and the separator plate from being crushed. Therefore, the gas flow path is secured, and in addition, since the plurality of blocks are arranged close to the single cell side, it also functions as a rectifying plate, so that the fuel gas introduced from the fuel gas introduction hole is a single cell. Will be evenly distributed.

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、フレームのブロックが円形状ないし楕円形状の断面を有し、セル板及びセパレータ板のいずれか一方の外縁部分に、フレームのブロックと係合する凹部を設けた構成とすることができ、この構成とすると、フレームのブロックが角柱状を成す場合と比較して、フレームのセル板及びセパレータ板のいずれか一方に対する接合面積が増すこととなる。   Furthermore, in the stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention, the block of the frame has a circular or elliptical cross section, and the block of the frame is placed on the outer edge portion of either the cell plate or the separator plate. It is possible to adopt a configuration in which a concave portion to be engaged is provided. With this configuration, the bonding area of the frame with respect to either the cell plate or the separator plate is increased as compared with the case where the block of the frame has a prismatic shape. It becomes.

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、フレームのブロックがパイプ状を成し、セル板及びセパレータ板のいずれか一方の外縁部分に、フレームのブロックと係合する凹部を設けた構成とすることができ、この構成とすると、フレームのブロックが円形状ないし楕円形状の断面を有する場合と同様に、フレームのセル板及びセパレータ板のいずれか一方に対する接合面積が増すのに加えて、セル板及びセパレータ板の積層方向の柔軟性も付与し得ることとなる。   Furthermore, in the stack structure of the solid oxide fuel cell according to the present invention, the block of the frame is formed in a pipe shape, and a concave portion that engages with the block of the frame is formed on one outer edge portion of the cell plate or the separator plate. This configuration increases the bonding area of the frame to either the cell plate or the separator plate as in the case where the frame block has a circular or elliptical cross section. In addition, flexibility in the stacking direction of the cell plate and the separator plate can be imparted.

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、セル板及びセパレータ板のいずれか一方の外縁部分に設けたフレームの金属箔表面にガラス系接合材から成るガラス層を形成し、このガラス層をセル板及びセパレータ板のいずれか他方の外縁部分との接合層とした構成とすることが可能である。   Furthermore, in the stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention, a glass layer made of a glass-based bonding material is formed on the metal foil surface of the frame provided on the outer edge part of either the cell plate or the separator plate, This glass layer can be configured as a bonding layer with the other outer edge portion of the cell plate and the separator plate.

この際、ガラス系接合材から成るガラス層と、フレームの金属箔との熱膨張率の差、並びに、ガラス系接合材から成るガラス層と、セル板及びセパレータ板のいずれか他方の板を構成する金属製薄板との熱膨張率の差が大きいと、ガラス層界面に割れが生じる可能性があることから、ガラス系接合材から成るガラス層と、フレームの金属箔との熱膨張率の差、並びに、ガラス系接合材から成るガラス層と、セル板及びセパレータ板のいずれか他方の板を構成する金属製薄板との熱膨張率の差をいずれも2.0×10−6( 1/K)以下とすることが好ましく、1.5×10−6( 1/K)以下とすることがより好ましい。 At this time, the difference in thermal expansion coefficient between the glass layer made of the glass-based bonding material and the metal foil of the frame, and the glass layer made of the glass-based bonding material, and the other plate of the cell plate and the separator plate are configured. The difference in thermal expansion coefficient between the glass layer made of glass-based bonding material and the metal foil of the frame is that if there is a large difference in the thermal expansion coefficient with the thin metal plate, the glass layer interface may crack. In addition, the difference in thermal expansion coefficient between the glass layer made of the glass-based bonding material and the metal thin plate constituting either one of the cell plate and the separator plate is 2.0 × 10 −6 (1 / K) or less, preferably 1.5 × 10 −6 (1 / K) or less.

上記ガラス層は、フレームの金属箔と、セル板及びセパレータ板のいずれか他方の外縁部分とに対してそれぞれ強固に接合するが、薄くそして変形し易く形成することで、金属箔の熱変形に柔軟に追従する。   The glass layer is firmly bonded to the metal foil of the frame and the other outer edge portion of the cell plate and the separator plate, respectively. Follow flexibly.

そして、上記したように、ガラス系接合材から成るガラス層を薄くて変形し易くすると、セル板及びセパレータ板の熱変形にも柔軟に追従するが、例え追従し得る限界を越えて割れが生じた場合であったとしても、その割れ方向はガラス層の層厚方向であると共に局所的であることから、接合力及びガスシール性能に大きな影響を及ぼすことはほとんどない。   And as mentioned above, if the glass layer made of glass-based bonding material is thin and easily deformed, it will flexibly follow the thermal deformation of the cell plate and separator plate, but cracking will occur beyond the limit that can be followed, for example. Even if it is a case, since the crack direction is local to the layer thickness of the glass layer, it has little influence on the bonding force and gas seal performance.

この場合、セル板及びセパレータ板の材質がステンレス等の金属材料であったとしても、フレームが電気絶縁性に優れたガラス系接合材から成るガラス層を表面に有しているので、接合されるセル板及びセパレータ板間における電気絶縁性も確保することができ、ガラス層の層の厚味を10〜50μmとすることで、十分な接合力及び絶縁性を確保し得る。   In this case, even if the material of the cell plate and the separator plate is a metal material such as stainless steel, the frame has a glass layer made of a glass-based bonding material having excellent electrical insulation on the surface. Electrical insulation between the cell plate and the separator plate can also be secured, and sufficient bonding strength and insulation can be secured by setting the thickness of the glass layer to 10 to 50 μm.

上記ガラス層に用いるガラス系接合材は、上記した熱膨張率の範囲内において選択することができるが、セル板及びセパレータ板やフレームの金属箔がフェライト系ステンレスである場合には、上記した熱膨張率の範囲内に含まれるガラスとして、バリウム酸化物・アルミナ・シリカ・カルシア系ガラスを選択して使用することが可能であり、具体的には、52%BaO−3%Al−33SiO−12%CaO、42%BaO−Al−35SiO−9%CaO−B−ZnO−PbO−V、43%BaO−Al−35SiO−9%CaO−B−PbO−Vを選択して使用することが可能である。 The glass-based bonding material used for the glass layer can be selected within the range of the above-mentioned coefficient of thermal expansion. However, when the metal foil of the cell plate, the separator plate, and the frame is ferritic stainless steel, It is possible to select and use barium oxide / alumina / silica / calcia glass as the glass contained within the range of the expansion coefficient, specifically, 52% BaO-3% Al 2 O 3 33SiO 2 -12% CaO, 42% BaO-Al 2 O 3 -35SiO 2 -9% CaO-B 2 O 3 -ZnO-PbO-V 2 O 5, 43% BaO-Al 2 O 3 -35SiO 2 -9 % CaO—B 2 O 3 —PbO—V 2 O 5 can be selected and used.

上記ガラス層は、セル板とセパレータ板との接合のほかに、フレームの各ブロックと金属箔との接合や、フレームの各ブロックとセル板及びセパレータ板との接合や、フレームの金属箔同士の接合にも使用することができる。   In addition to the bonding of the cell plate and the separator plate, the glass layer is bonded between each block of the frame and the metal foil, between each block of the frame and the cell plate and the separator plate, or between the metal foils of the frame. It can also be used for bonding.

本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体の好ましい一実施形態において、120mm×120mm×0.05mmのフェライト系ステンレス製板材をセル板とし、同じく120mm×120mm×0.05mmのフェライト系ステンレス製板材をセパレータ板とし、セル板の中央に、70mm×70mm×0.6mmの燃料極支持型セルを配置する。   In a preferred embodiment of the stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention, a ferrite stainless steel plate of 120 mm × 120 mm × 0.05 mm is used as a cell plate, and the same is made of ferrite stainless steel of 120 mm × 120 mm × 0.05 mm. The plate material is a separator plate, and a 70 mm × 70 mm × 0.6 mm fuel electrode supporting cell is placed in the center of the cell plate.

そして、セル板の外縁部分に、1mm間隔で配置した複数のブロック(5mm×5mm×1.0mmのフェライト系ステンレス製ブロック)を金属箔(厚さ0.03mmのフェライト系ステンレス箔)で覆って連結して成るフレームを設け、このフレームの金属箔表面に形成したガラス系接合材から成るガラス層を介して、セル板とセパレータ板とを接合してスタック構造体とする構成を採用し得る。   Then, a plurality of blocks (5 mm × 5 mm × 1.0 mm ferritic stainless steel blocks) arranged at 1 mm intervals on the outer edge portion of the cell plate are covered with a metal foil (ferritic stainless steel foil having a thickness of 0.03 mm). It is possible to adopt a configuration in which a frame is formed by connecting and a cell plate and a separator plate are bonded to each other through a glass layer made of a glass-based bonding material formed on the metal foil surface of the frame to form a stack structure.

上記した本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、燃料極支持型セルをセル板に接合するに際しては、まず、粒径10μmのガラス粒子を50重量比、エチルセルロースを30重量比、及び酢酸ブチルを20重量比を混合してガラス系接合材の調整を行い、次いで、このガラス系接合材をセル板のセル取り付け部分に塗布してガラス層を形成したのち、このガラス層上に電解質膜が接着面となるようにして燃料極支持型セルを配置し、接着面に対して荷重(10g/mm)を負荷しつつ、大気中において850℃で15分間加熱してガラス層を溶融軟化させて、セル板に燃料極支持型セルを接合する。 In the above-described stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention, when joining the fuel electrode supporting cell to the cell plate, first, glass particles having a particle size of 10 μm are mixed in a 50 weight ratio, ethyl cellulose in a 30 weight ratio, and The glass-based bonding material is adjusted by mixing 20 weight ratio of butyl acetate, and then the glass-based bonding material is applied to the cell mounting portion of the cell plate to form a glass layer, and then an electrolyte is formed on the glass layer. The fuel electrode supporting cell is arranged so that the membrane becomes an adhesive surface, and the glass layer is melted by heating at 850 ° C. for 15 minutes in the atmosphere while applying a load (10 g / mm 2 ) to the adhesive surface. The fuel electrode supporting cell is joined to the cell plate by softening.

また、上記した本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、フレームを製造するに際しては、まず、図3に示すように、セル板3の外縁部分に金属箔12を接着し、この後、図4に示すように、複数個のブロック11をセル板3の外縁部分上に配置して接着するのに続いて、図5に示すように、複数個のブロック11を包み込むようにして上記金属箔12を折り返して接着する。   In the above-described stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention, when manufacturing a frame, first, as shown in FIG. 3, a metal foil 12 is bonded to the outer edge portion of the cell plate 3, and thereafter As shown in FIG. 4, the plurality of blocks 11 are arranged on the outer edge portion of the cell plate 3 and bonded, and then, as shown in FIG. The metal foil 12 is folded and bonded.

そして、上記した本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体を製造するに際しては、図1に示すように、フレーム10の金属箔12の表面に、上記ガラス系接合材を塗布してガラス層を形成したのち、このガラス層上にセパレータ板4を重ねて配置し、接着面に対して荷重(20g/mm)を負荷しつつ、大気中において850℃で15分間加熱してガラス層を溶融軟化させて、セル板3とセパレータ板4とを接合する構成を採用することができる。 When manufacturing the above-described stack structure of the solid oxide fuel cell according to the present invention, as shown in FIG. 1, the glass-based bonding material is applied to the surface of the metal foil 12 of the frame 10 to form a glass layer. After the separator plate 4 is placed on the glass layer, the glass layer is heated in the atmosphere at 850 ° C. for 15 minutes while applying a load (20 g / mm 2 ) to the bonding surface. It is possible to employ a configuration in which the cell plate 3 and the separator plate 4 are joined by melting and softening.

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.

[実施例1]
図1〜図6は、本発明の固体電解質型燃料電池の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、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体1は、単セル2を保持していると共に燃料ガス導入孔3fi,燃料ガス排出孔3fo,酸化ガス導入孔3ai及び酸化ガス排出孔3aoを有する薄板状を成す金属製セル板3と、集電体5を保持していると共に燃料ガス導入孔4fi,燃料ガス排出孔4fo,酸化ガス導入孔4ai及び酸化ガス排出孔4aoを有する薄板状を成す金属製セパレータ板4とを交互に積層して成っている(図1では1層(1ユニット)のみ示す)。
[Example 1]
1 to 6 show an embodiment of a stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, the stack structure 1 of the solid oxide fuel cell includes: A metal cell plate 3 having a thin plate shape and holding a single cell 2 and having a fuel gas introduction hole 3fi, a fuel gas discharge hole 3fo, an oxidation gas introduction hole 3ai, and an oxidation gas discharge hole 3ao; And a metal separator plate 4 having a thin plate shape having a fuel gas introduction hole 4fi, a fuel gas discharge hole 4fo, an oxidant gas introduction hole 4ai, and an oxidant gas discharge hole 4ao. (Only one layer (one unit) is shown in FIG. 1).

上記セル板3の表裏面における外縁部分には、適宜間隔をおいて配置した複数のブロック11を金属箔12で覆って連結して成るフレーム10がそれぞれ設けてあり、セル板3及びセパレータ板4は、このフレーム10の金属箔12の表面に形成したガラス系接合材から成るガラス層6を介して接合してある。この場合、フレーム10におけるセル板3の四隅に位置する部分では、セル板3及びセパレータ板4の各燃料ガス導入孔3fi,4fi、燃料ガス排出孔3fo,4fo、酸化ガス導入孔3ai,4ai及び酸化ガス排出孔3ao,4ao同士をそれぞれ連通可能としている。   On the outer edge portions of the front and back surfaces of the cell plate 3, there are provided frames 10 formed by covering and connecting a plurality of blocks 11 arranged at appropriate intervals with a metal foil 12, and the cell plate 3 and the separator plate 4. Are bonded via a glass layer 6 made of a glass-based bonding material formed on the surface of the metal foil 12 of the frame 10. In this case, in the portions located at the four corners of the cell plate 3 in the frame 10, the fuel gas introduction holes 3fi and 4fi, the fuel gas discharge holes 3fo and 4fo, the oxidation gas introduction holes 3ai and 4ai of the cell plate 3 and the separator plate 4 and The oxidizing gas discharge holes 3ao and 4ao can communicate with each other.

この実施例において、120mm×120mm角で且つ厚味0.05mmのフェライト系ステンレス製板材をセル板3とし、同じく120mm×120mm角で且つ厚味0.05mmのフェライト系ステンレス製板材をセパレータ板4とし、セル板3の中央に、単セル2としての70mm×70mm角で且つ厚味0.6mmの燃料極支持型セル(Ni+YSZ;燃料極/YSZ;電解質膜/LSCF;空気極)を配置すると共に、セパレータ板4の中央に、集電体5としてのニッケルウールを配置してアノード側セパレータ板4(4A)及びカソード側セパレータ板4(4B)とした。   In this example, a 120 mm × 120 mm square and 0.05 mm thick ferritic stainless steel plate is used as the cell plate 3, and a 120 mm × 120 mm square and 0.05 mm thick ferritic stainless steel plate is also used as the separator plate 4. In the center of the cell plate 3, a 70 mm × 70 mm square fuel electrode supporting cell (Ni + YSZ; fuel electrode / YSZ; electrolyte membrane / LSCF; air electrode) as a single cell 2 is arranged. At the same time, nickel wool as the current collector 5 was disposed in the center of the separator plate 4 to form an anode side separator plate 4 (4A) and a cathode side separator plate 4 (4B).

そして、フレーム10の複数のブロック11には、5mm×5mm×1.0mmのフェライト系ステンレス製ブロックを用い、1mm間隔で配置したこれらのブロック11を厚さ0.03mmのフェライト系ステンレス箔から成る金属箔12で覆って連結すると共に、フレーム10の金属箔12の表面に形成したガラス層6には、52%BaO−3%Al−33SiO−12%CaO系ガラスを用いた。 The plurality of blocks 11 of the frame 10 are 5 mm × 5 mm × 1.0 mm ferritic stainless steel blocks, and these blocks 11 arranged at 1 mm intervals are made of 0.03 mm thick ferritic stainless steel foil. with connecting covered with a metal foil 12, the glass layer 6 formed on the surface of the metal foil 12 of the frame 10, with 52% BaO-3% Al 2 O 3 -33SiO 2 -12% CaO -based glass.

上記した本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体1を製造するに際しては、まず、図3に示すように、セル板3の表裏面における各外縁部分に金属箔12をそれぞれ接着した後、図4に示すように、複数個のブロック11をセル板3の外縁部分上に1mm間隔で配置して接着するのに続いて、図5に示すように、複数個のブロック11を包み込むようにして上記金属箔12を折り返して接着することで、セル板3の表裏面における外縁部分にフレーム10をそれぞれ設置する。   In producing the above-described stack structure 1 of the solid oxide fuel cell of the present invention, first, as shown in FIG. 3, after bonding the metal foil 12 to each outer edge portion on the front and back surfaces of the cell plate 3, As shown in FIG. 4, after the plurality of blocks 11 are arranged on the outer edge portion of the cell plate 3 at 1 mm intervals and bonded, the plurality of blocks 11 are wrapped as shown in FIG. Then, the metal foil 12 is folded back and bonded, whereby the frames 10 are respectively installed on the outer edge portions of the front and back surfaces of the cell plate 3.

次いで、図1に示すように、セル板3のセル取り付け部分に52%BaO−3%Al−33SiO−12%CaO系ガラスを塗布して形成したガラス層上に、電解質膜2aが接着面となるようにして単セル2を配置し、接着面に対して荷重(10g/mm)を負荷しつつ、大気中において850℃で15分間加熱してガラス層を溶融軟化させて、セル板3に単セル2を接合する。 Next, as shown in FIG. 1, an electrolyte membrane 2a is formed on a glass layer formed by applying 52% BaO-3% Al 2 O 3 -33SiO 2 -12% CaO-based glass to the cell mounting portion of the cell plate 3. The single cell 2 is arranged so that becomes a bonding surface, and the glass layer is melted and softened by heating at 850 ° C. for 15 minutes in the atmosphere while applying a load (10 g / mm 2 ) to the bonding surface. The single cell 2 is joined to the cell plate 3.

そして、セル板3の表裏面に位置するフレーム10の金属箔12の各表面に、上記52%BaO−3%Al−33SiO−12%CaO系ガラスを塗布してガラス層6をそれぞれ形成したのち、これらのガラス層6上にアノード側セパレータ板4A及びカソード側セパレータ板4Bをそれぞれ重ねて配置し、接着面に対して荷重(20g/mm)を負荷しつつ、大気中において850℃で15分間加熱してガラス層を溶融軟化させることで、セル板3とセパレータ板4A,4Bとを互いに接合する。 Then, on the surfaces of the metal foil 12 of the frame 10 located on the front and back surfaces of the cell plate 3, the glass layer 6 by applying the 52% BaO-3% Al 2 O 3 -33SiO 2 -12% CaO based glass After forming each, the anode-side separator plate 4A and the cathode-side separator plate 4B are placed on the glass layer 6 so as to overlap each other, and a load (20 g / mm 2 ) is applied to the bonding surface in the atmosphere. By heating at 850 ° C. for 15 minutes to melt and soften the glass layer, the cell plate 3 and the separator plates 4A and 4B are joined to each other.

そこで、図6に示すように、水素検知器8を具備し且つ窒素ガスを充填したシリンダ7内に、上記スタック構造体1の1ユニット分をテストピースとしてセットし、室温及び700℃の各環境化において、スタック構造体1に対して水素ガスを供給して、水素検知器8で水素ガスの透過(リーク)を検知する試験を行った。その結果、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過は検知されなかった。また、この試験を50回繰り返した後も水素の透過はなく、ガラス層には全く割れが生じなかった。   Therefore, as shown in FIG. 6, one unit of the stack structure 1 is set as a test piece in a cylinder 7 equipped with a hydrogen detector 8 and filled with nitrogen gas. In the test, a test was performed in which hydrogen gas was supplied to the stack structure 1 and hydrogen gas permeation (leakage) was detected by the hydrogen detector 8. As a result, hydrogen permeation was not detected in both the room temperature and 700 ° C. environments. Further, even after this test was repeated 50 times, there was no permeation of hydrogen and no cracking occurred in the glass layer.

このように、上記したスタック構造体1では、セル板3及びセパレータ板4がいずれも薄板状を成す金属から成っているのに加えて、ガスを透過しない変形自在な金属箔12で複数のブロック11を覆って成るフレーム10を介してセル板3及びセパレータ板4を接合しているので、全体として熱に対して変形自在なものとなる。   As described above, in the stack structure 1 described above, the cell plate 3 and the separator plate 4 are each made of a thin plate-like metal, and in addition, a plurality of blocks are formed with a deformable metal foil 12 that does not transmit gas. Since the cell plate 3 and the separator plate 4 are joined via the frame 10 that covers 11, the entire plate can be deformed by heat.

そして、セル板3やセパレータ板4に熱変形が生じて、フレーム10に引張り力や圧縮力が負荷された場合であったとしても、フレーム10も変形して引張り力や圧縮力を吸収するので、接合部分に亀裂などの不具合が生じる可能性は少ないものとなり、したがって、セル板3及びセパレータ板4間の優れたガスシール性及び接合性が確保されることとなる。   Even if the cell plate 3 or the separator plate 4 is thermally deformed and a tensile force or a compressive force is applied to the frame 10, the frame 10 is also deformed and absorbs the tensile force or compressive force. Therefore, there is little possibility that defects such as cracks occur in the joint portion, and therefore, excellent gas sealability and bondability between the cell plate 3 and the separator plate 4 are ensured.

上記した実施例では、フレーム10をセル板3に設けた場合を示したが、図7に示すように、フレーム10をセパレータ板4に設ける構成とすることも当然可能である。   In the above-described embodiment, the case where the frame 10 is provided on the cell plate 3 is shown. However, as shown in FIG. 7, it is naturally possible to adopt a configuration in which the frame 10 is provided on the separator plate 4.

[実施例2]
図8は、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体の他の実施例を示しており、図8に示すように、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体21が先の実施例におけるスタック構造体1と相違するところは、 金属製セル板3の燃料ガス導入孔3fi,燃料ガス排出孔3fo,酸化ガス導入孔3ai及び酸化ガス排出孔3aoの各間に位置するフレーム10のブロック11Aを単セル2側に寄せて配置して補強リブの機能を持たせた点にあり、他の構成は先の実施例におけるスタック構造体1と同じである。
[Example 2]
FIG. 8 shows another embodiment of the stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 8, the stack structure 21 of the solid oxide fuel cell is the same as that of the previous embodiment. The difference from the stack structure 1 is that the block 11A of the frame 10 located between the fuel gas introduction hole 3fi, the fuel gas discharge hole 3fo, the oxidation gas introduction hole 3ai, and the oxidation gas discharge hole 3ao of the metal cell plate 3. Is arranged close to the single cell 2 side to have the function of a reinforcing rib, and the other configuration is the same as the stack structure 1 in the previous embodiment.

この実施例のスタック構造体21では、補強リブの機能を有する複数のブロック11Aがセル板3及びセパレータ板4間の隙間の潰れを阻止するので、ガス流路が確保されることとなり、加えて、複数のブロック11Aを単セル2側に寄せて配置したことで整流板としても機能するので、燃料ガス導入孔3fiから導入された燃料ガスが単セル2に均等に分配されることとなる。   In the stack structure 21 of this embodiment, the plurality of blocks 11A having the function of reinforcing ribs prevent the gap between the cell plate 3 and the separator plate 4 from being crushed, so that a gas flow path is secured. Since the plurality of blocks 11A are arranged close to the single cell 2 to function as a rectifying plate, the fuel gas introduced from the fuel gas introduction hole 3fi is evenly distributed to the single cells 2.

[実施例3]
図9は、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図9に示すように、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体31が先の実施例におけるスタック構造体1と相違するところは、 金属製セル板3の燃料ガス導入孔3fi,燃料ガス排出孔3fo,酸化ガス導入孔3ai及び酸化ガス排出孔3aoの各近傍位置では、フレーム10の互いに隣接するブロック11同士の間隔を密にして配置すると共に、燃料ガス導入孔3fi,燃料ガス排出孔3fo,酸化ガス導入孔3ai及び酸化ガス排出孔3aoの各間の位置では、フレーム10の互いに隣接するブロック11同士の間隔を疎にして配置した点にあり、他の構成は先の実施例におけるスタック構造体1と同じである。
[Example 3]
FIG. 9 shows still another embodiment of the stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 9, the stack structure 31 of the solid oxide fuel cell is the previous embodiment. The stack structure 1 is different from the stack structure 1 in that each of the frames 10 in the vicinity of the fuel gas introduction hole 3fi, the fuel gas discharge hole 3fo, the oxidation gas introduction hole 3ai, and the oxidation gas discharge hole 3ao of the metal cell plate 3 is mutually different. The adjacent blocks 11 are arranged close to each other, and the frames 10 are adjacent to each other at positions between the fuel gas introduction hole 3fi, the fuel gas discharge hole 3fo, the oxidation gas introduction hole 3ai, and the oxidation gas discharge hole 3ao. The other blocks are the same as the stack structure 1 in the previous embodiment.

この実施例のスタック構造体31では、燃料ガス導入孔3fi,燃料ガス排出孔3fo,酸化ガス導入孔3ai及び酸化ガス排出孔3aoに対して近い位置と離れた位置とで、フレーム10のブロック11の配置仕様を変えているので、変形量の大きな辺の部分、すなわち、燃料ガス導入孔3fi,燃料ガス排出孔3fo,酸化ガス導入孔3ai及び酸化ガス排出孔3aoの各間の部分に対して、より一層の柔軟性を付与し得ることとなり、その結果、燃料ガス導入孔3fi,燃料ガス排出孔3fo,酸化ガス導入孔3ai及び酸化ガス排出孔3aoの各孔の部分における接合が、いずれもより一層強固になされることとなる。   In the stack structure 31 of this embodiment, the block 11 of the frame 10 is located at a position close to and away from the fuel gas introduction hole 3fi, the fuel gas discharge hole 3fo, the oxidation gas introduction hole 3ai, and the oxidation gas discharge hole 3ao. Since the arrangement specifications are changed, the portion with a large deformation amount, that is, the portion between each of the fuel gas introduction hole 3fi, the fuel gas discharge hole 3fo, the oxidation gas introduction hole 3ai, and the oxidation gas discharge hole 3ao As a result, it is possible to provide more flexibility, and as a result, the bonding at each of the portions of the fuel gas introduction hole 3fi, the fuel gas discharge hole 3fo, the oxidation gas introduction hole 3ai, and the oxidation gas discharge hole 3ao is all performed. It will be made even stronger.

[実施例4]
図10は、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図10に示すように、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体41が先の実施例におけるスタック構造体1と相違するところは、フレーム10のブロック11Bが円形状の断面を有していて、すなわち、ブロック11Bが直径2mmで且つ長さ5mmの円柱状を成していて、セル板3の外縁部分に、フレーム10のブロック11Bと係合する凹部3aを設けた点にあり、他の構成は先の実施例におけるスタック構造体1と同じである。
[Example 4]
FIG. 10 shows still another embodiment of the stack structure of the solid oxide fuel cell according to the present invention. As shown in FIG. 10, the stack structure 41 of the solid oxide fuel cell is the previous embodiment. The difference from the stack structure 1 is that the block 11B of the frame 10 has a circular cross section, that is, the block 11B has a cylindrical shape with a diameter of 2 mm and a length of 5 mm. 3 is provided with a concave portion 3a that engages with the block 11B of the frame 10, and the other configuration is the same as that of the stack structure 1 in the previous embodiment.

この実施例のスタック構造体41では、フレーム10のブロック11Bを断面が円形状を成すものとして、このブロック11Bと係合する凹部3aをセル板3の外縁部分に設けた構成としているので、フレーム10のブロック11が角柱状を成す場合と比較して、フレーム10のセル板3に対する接合面積が増すこととなる。   In the stack structure 41 of this embodiment, the block 11B of the frame 10 has a circular cross section, and the recess 3a that engages with the block 11B is provided in the outer edge portion of the cell plate 3. Compared with the case where the ten blocks 11 are in the shape of a prism, the bonding area of the frame 10 to the cell plate 3 is increased.

この際、図11に示すように、フレーム10のブロック11Cを外径2mm、内径1mmで且つ長さ5mmのパイプ状を成すものとして、セル板3の外縁部分に、このブロック11Cと係合する凹部3aを設けた構成としてもよく、この構成を採用した場合には、上記したフレーム10のブロック11Bが円形状の断面を有する場合と同様に、フレーム10のセル板3に対する接合面積が増すのに加えて、セル板3及びセパレータ板4の積層方向の柔軟性も付与し得ることとなる。   At this time, as shown in FIG. 11, the block 11C of the frame 10 is formed into a pipe shape having an outer diameter of 2 mm, an inner diameter of 1 mm, and a length of 5 mm, and the outer edge portion of the cell plate 3 is engaged with the block 11C. A configuration in which the concave portion 3a is provided may be adopted, and when this configuration is adopted, the bonding area of the frame 10 to the cell plate 3 is increased as in the case where the block 11B of the frame 10 has a circular cross section. In addition, flexibility in the stacking direction of the cell plate 3 and the separator plate 4 can be imparted.

[実施例5]
図12は、本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図12に示すように、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体51は、全体で円柱径状を成し、直径120mmで且つ厚味0.05mmのフェライト系ステンレス製板材をセル板53とし、同じく直径120mmで且つ厚味0.05mmのフェライト系ステンレス製板材をセパレータ板34とし、セル板53の中央に、単セル52としての直径100mmで且つ厚味0.6mmの燃料極支持型セル(Ni+YSZ;燃料極/YSZ;電解質膜/LSCF;空気極)を配置すると共に、セパレータ板54の中央に、集電体(図示省略)としてのニッケルウールを配置してセパレータ板54とした。
[Example 5]
FIG. 12 shows still another embodiment of the stack structure of the solid oxide fuel cell according to the present invention. As shown in FIG. 12, the stack structure 51 of the solid oxide fuel cell has a cylindrical shape as a whole. A ferrite stainless steel plate having a diameter of 120 mm and a thickness of 0.05 mm is used as the cell plate 53, and a ferrite stainless steel plate having a diameter of 120 mm and a thickness of 0.05 mm is used as the separator plate 34. A fuel electrode supporting cell (Ni + YSZ; fuel electrode / YSZ; electrolyte membrane / LSCF; air electrode) having a diameter of 100 mm and a thickness of 0.6 mm as a single cell 52 is arranged in the center of the plate 53 and a separator plate 54. The separator plate 54 was made of nickel wool as a current collector (not shown) at the center of the plate.

そして、フレーム60の複数のブロック61には、外径2mm、内径1mmで且つ長さ5mmのフェライト系ステンレス製パイプを用ると共に、セル板53の外縁部分には、フレーム60のブロック61と係合する凹部53aを設け、1mm間隔で配置した上記ブロック61を厚さ0.03mmのフェライト系ステンレス箔から成る金属箔62で覆って連結すると共に、フレーム60の金属箔62の表面に形成したガラス層(図示省略)には、52%BaO−3%Al−33SiO−12%CaO系ガラスを用いた。 A plurality of ferritic stainless steel pipes having an outer diameter of 2 mm, an inner diameter of 1 mm, and a length of 5 mm are used for the plurality of blocks 61 of the frame 60, and the outer edge portion of the cell plate 53 is associated with the block 61 of the frame 60. The glass 61 formed on the surface of the metal foil 62 of the frame 60 is provided with a concave portion 53a to be joined, and the blocks 61 arranged at intervals of 1 mm are connected by being covered with a metal foil 62 made of a ferritic stainless steel foil having a thickness of 0.03 mm. the layer (not shown), was used 52% BaO-3% Al 2 O 3 -33SiO 2 -12% CaO -based glass.

この実施例のスタック構造体51においても、セル板53及びセパレータ板54がいずれも薄板状を成す金属から成っているのに加えて、ガスを透過しない変形自在な金属箔62で複数のブロック61を覆って成るフレーム60を介してセル板53及びセパレータ板54を接合しているので、全体として熱に対して変形自在なものとなる。   Also in the stack structure 51 of this embodiment, in addition to the cell plate 53 and the separator plate 54 both being made of a thin metal, a plurality of blocks 61 are made of deformable metal foils 62 that do not transmit gas. Since the cell plate 53 and the separator plate 54 are joined via the frame 60 covering the, the whole can be deformed with respect to heat.

そして、セル板53やセパレータ板54に熱変形が生じて、フレーム60に引張り力や圧縮力が負荷された場合であったとしても、フレーム60も変形して引張り力や圧縮力を吸収するので、接合部分に亀裂などの不具合が生じる可能性は少ないものとなり、したがって、セル板5及びセパレータ板5間の優れたガスシール性及び接合性が確保されることとなり、加えて、フレーム60のブロック61をパイプ状を成すものとして、このブロック61と係合する凹部53aをセル板53の外縁部分に設けた構成としているので、フレーム60のセル板53に対する接合面積が増すこととなるうえ、セル板53及びセパレータ板54の積層方向の柔軟性も付与し得ることとなる。   Even if the cell plate 53 or the separator plate 54 is thermally deformed and a tensile force or a compressive force is applied to the frame 60, the frame 60 is also deformed to absorb the tensile force or the compressive force. Therefore, there is little possibility that a defect such as a crack will occur in the joint portion. Therefore, excellent gas sealability and bondability between the cell plate 5 and the separator plate 5 are secured, and in addition, the block of the frame 60 61 is formed in a pipe shape, and the concave portion 53a that engages with the block 61 is provided at the outer edge portion of the cell plate 53, so that the area of joining the frame 60 to the cell plate 53 is increased, and the cell Flexibility in the stacking direction of the plate 53 and the separator plate 54 can also be imparted.

本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体の一実施例を示す1層分(1ユニット分)の分解説明図(a)及び断面説明図(b)である。(実施例1)BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an exploded explanatory view (a) and a cross-sectional explanatory view (b) of one layer (one unit) showing an embodiment of a stack structure of a solid oxide fuel cell of the present invention. Example 1 図1におけるスタック構造体のセル板を単セルの燃料極側から見た平面説明図(a),セル板を単セルの空気極側から見た平面説明図(b),燃料極側セパレータ板の平面説明図(c)及び空気極側セパレータ板の平面説明図(d)である。(実施例1)FIG. 1 is an explanatory plan view (a) of the cell plate of the stack structure viewed from the fuel electrode side of the single cell, an explanatory plan view (b) of the cell plate viewed from the air electrode side of the single cell, and the fuel electrode side separator plate. It is a plane explanatory view (c) of FIG. 2 and a plane explanatory view (d) of the air electrode side separator plate. Example 1 図1におけるスタック構造体のフレームを製造する際のセル板に金属箔を張り付けた状態を示す平面説明図(a)及び側面説明図(b)である。(実施例1)It is the plane explanatory view (a) and the side surface explanatory view (b) which show the state which affixed metal foil on the cell board at the time of manufacturing the flame | frame of the stack structure body in FIG. Example 1 図1におけるスタック構造体のフレームを製造する際のセル板にブロックを取り付けた状態を示す平面説明図(a)及び側面説明図(b)である。(実施例1)It is plane explanatory drawing (a) and the side explanatory drawing (b) which show the state which attached the block to the cell board at the time of manufacturing the flame | frame of the stack structure body in FIG. Example 1 図1におけるスタック構造体のフレームを製造する際の金属箔でブロックを包み込んだ状態を示す平面説明図(a)及び側面説明図(b)である。(実施例1)It is the plane explanatory view (a) and side surface explanatory view (b) which show the state which wrapped the block with the metal foil at the time of manufacturing the flame | frame of the stack structure in FIG. Example 1 図1におけるスタック構造体の1層分(1ユニット分)の斜視説明図(a)及びこのスタック構造体の1層分(1ユニット分)を水素透過試験機にセットした状態の断面説明図(b)である。(実施例1)FIG. 1 is a perspective explanatory view (a) of one layer (one unit) of the stack structure in FIG. 1 and a cross-sectional explanatory view of one layer (one unit) of this stack structure set in a hydrogen permeation tester ( b). Example 1 図1におけるスタック構造体の他の構成例を示すフレームを具備したセパレータ板の斜視説明図である。FIG. 6 is a perspective explanatory view of a separator plate provided with a frame showing another configuration example of the stack structure in FIG. 1. 本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体の他の実施例を示すセル板を単セルの燃料極側から見た平面説明図(a)及びセル板を単セルの空気極側から見た平面説明図(b)である。(実施例2)The plane explanatory view (a) which looked at the cell board which shows other examples of the stack structure of the solid oxide fuel cell of the present invention from the fuel electrode side of the single cell, and the cell board which looked from the air electrode side of the single cell It is plane explanatory drawing (b). (Example 2) 本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示すセル板の平面説明図である。(実施例3)It is a plane explanatory view of a cell board showing other examples of a stack structure of a solid oxide fuel cell of the present invention. (Example 3) 本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示すセル板の斜視説明図(a)及びセル板の断面説明図(b)である。(実施例4)It is the perspective explanatory drawing (a) of the cell board which shows the further another Example of the stack structure of the solid oxide fuel cell of this invention, and the cross-sectional explanatory drawing (b) of a cell board. Example 4 図10におけるスタック構造体の他の構成例を示すセル板の断面説明図である。FIG. 11 is a cross-sectional explanatory view of a cell plate showing another configuration example of the stack structure in FIG. 10. 本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示す全体斜視説明図(a),セル板の斜視説明図(b)及びセパレータ板の斜視説明図(c)である。(実施例5)It is the whole perspective explanatory view (a) which shows further another Example of the stack structure of a solid oxide fuel cell of the present invention, the perspective explanatory view (b) of a cell board, and the perspective explanatory view (c) of a separator board. (Example 5)

符号の説明Explanation of symbols

1,21,31,41,51 固体電解質型燃料電池のスタック構造体
2,52 単セル
3,53 セル板
3fi,4fi 燃料ガス導入孔
3fo,4fo 燃料ガス排出孔
3ai,4ai 酸化ガス導入孔
3ao,4ao 酸化ガス排出孔
4,54 セパレータ板
6 ガラス層
10,60 フレーム
11,11A,11B,11C,61 ブロック
12,62 金属箔
1, 21, 31, 41, 51 Stack structure of solid oxide fuel cell 2,52 Single cell 3,53 Cell plate 3fi, 4fi Fuel gas introduction hole 3fo, 4fo Fuel gas discharge hole 3ai, 4ai Oxidation gas introduction hole 3ao , 4ao Oxidizing gas discharge holes 4, 54 Separator plate 6 Glass layer 10, 60 Frame 11, 11A, 11B, 11C, 61 Block 12, 62 Metal foil

Claims (8)

単セルを保持していると共に燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔を有する薄板状を成す金属製セル板と、燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔を有する薄板状を成す金属製セパレータ板とを交互に積層して成る固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、セル板及びセパレータ板のいずれか一方の外縁部分には、適宜間隔をおいて配置した複数のブロックを金属箔で覆って連結して成るフレームを設け、このフレームを介してセル板及びセパレータ板を接合してあることを特徴とする固体電解質型燃料電池のスタック構造体。   A thin metal plate having a single cell and having a fuel gas introduction hole, a fuel gas discharge hole, an oxidation gas introduction hole, and an oxidation gas discharge hole, and a fuel gas introduction hole, a fuel gas discharge hole, an oxidation In a stack structure of a solid oxide fuel cell in which thin metal separator plates having gas introduction holes and oxidant gas discharge holes are alternately stacked, on the outer edge portion of one of the cell plates and the separator plates Provided with a frame formed by covering and connecting a plurality of blocks arranged at appropriate intervals with a metal foil, and a cell plate and a separator plate are joined via the frame. Battery stack structure. セル板及びセパレータ板の各燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔と連通する燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔をフレームに設けた請求項1に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。   Each fuel gas introduction hole, fuel gas discharge hole, oxidation gas introduction hole, and oxidation gas discharge hole communicating with the cell plate and separator plate, a fuel gas discharge hole, an oxidation gas introduction hole, and an oxidation gas discharge hole are framed. The stack structure of the solid oxide fuel cell according to claim 1, which is provided in the structure. フレームにおける燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各近傍位置では、隣接するブロック同士の間隔を密にして配置すると共に、燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各間の位置では、隣接するブロック同士の間隔を疎にして配置してある請求項2に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。   In the vicinity of the fuel gas introduction hole, the fuel gas discharge hole, the oxidizing gas introduction hole, and the oxidizing gas discharge hole in the frame, the adjacent blocks are closely spaced, and the fuel gas introduction hole and the fuel gas discharge hole are arranged. 3. The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the adjacent blocks are arranged with a small spacing between the oxidant gas introduction hole and the oxidant gas discharge hole. フレームにおける燃料ガス導入孔,燃料ガス排出孔,酸化ガス導入孔及び酸化ガス排出孔の各間に位置するブロックを単セル側に寄せて配置して補強リブの機能を持たせた請求項2又は3に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。 Fuel gas introduction hole in the frame, a fuel gas discharge hole, oxidizing gas inlet and claim 2 and the block positioned in arranged close to the single cell side to have the function of reinforcing ribs during each of the oxidizing gas discharge hole or 4. A stack structure of a solid oxide fuel cell according to 3 . フレームのブロックが円形状ないし楕円形状の断面を有し、セル板及びセパレータ板のいずれか一方の外縁部分に、フレームのブロックと係合する凹部を設けた請求項1〜4のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。   The block of the frame has a circular or elliptical cross section, and a concave portion that engages with the block of the frame is provided on one of the outer edge portions of the cell plate and the separator plate. A stack structure for a solid oxide fuel cell according to Item. フレームのブロックがパイプ状を成し、セル板及びセパレータ板のいずれか一方の外縁部分に、フレームのブロックと係合する凹部を設けた請求項1〜4のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。   The solid block according to any one of claims 1 to 4, wherein the block of the frame is formed in a pipe shape, and a concave portion that engages with the block of the frame is provided at one of the outer edge portions of the cell plate and the separator plate. Stack structure of an electrolyte fuel cell. セル板及びセパレータ板のいずれか一方の外縁部分に設けたフレームの金属箔表面にガラス系接合材から成るガラス層を形成し、このガラス層をセル板及びセパレータ板のいずれか他方の外縁部分との接合層とした請求項1〜6のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。   A glass layer made of a glass-based bonding material is formed on the metal foil surface of the frame provided on the outer edge portion of either the cell plate or the separator plate, and this glass layer is connected to the other outer edge portion of the cell plate or the separator plate. The stack structure of a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the bonding layer is a bonding layer. ガラス系接合材から成るガラス層と、フレームの金属箔との熱膨張率の差、並びに、ガラス系接合材から成るガラス層と、セル板及びセパレータ板のいずれか他方の板を構成する金属製薄板との熱膨張率の差をいずれも2×10−6( 1/K)以下とした請求項7に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。 The difference in thermal expansion coefficient between the glass layer made of glass-based bonding material and the metal foil of the frame, and the glass layer made of glass-based bonding material and the metal that constitutes the other plate of the cell plate and separator plate The stack structure of a solid oxide fuel cell according to claim 7, wherein the difference in thermal expansion coefficient with respect to the thin plate is 2 × 10 −6 (1 / K) or less.
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