JP5883191B1 - Fuel manifold - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池のスタック構造体に使用される燃料マニホールドであって、外力を受けた場合に変形し難い支持板を備えたものを提供すること。【解決手段】燃料マニホールド２００は、その内部空間内の燃料ガスを複数の燃料電池セルのそれぞれの燃料ガス流路に供給する機能を果たす。燃料マニホールド２００は、「上方に向けて開口する基部２１０」と、「前記開口を塞ぐようにその周縁部と基部２１０の側壁２１２とが全周に亘って接合された支持板２２０」とを備える。支持板２２０の周縁部の上下面の少なくとも一方に、周方向に閉じた突起部２２２が全周に亘って設けられている。これにより、「周方向に閉じた突起部」が「枠体」として機能し得る。従って、支持板２２０が、外力を受けた場合に変形し難くなる。【選択図】図９To provide a fuel manifold used for a stack structure of a fuel cell, provided with a support plate that is difficult to be deformed when subjected to an external force. A fuel manifold has a function of supplying fuel gas in an internal space thereof to respective fuel gas flow paths of a plurality of fuel cells. The fuel manifold 200 includes “a base 210 that opens upward” and “a support plate 220 in which a peripheral edge thereof and a side wall 212 of the base 210 are joined to cover the opening”. . On at least one of the upper and lower surfaces of the peripheral edge of the support plate 220, a protrusion 222 that is closed in the circumferential direction is provided over the entire circumference. Thereby, the “projection portion closed in the circumferential direction” can function as a “frame body”. Therefore, the support plate 220 is difficult to be deformed when receiving an external force. [Selection] Figure 9
Description
本発明は、燃料電池のスタック構造体に使用される燃料マニホールドに関する。 The present invention relates to a fuel manifold used for a stack structure of a fuel cell.
従来より、「それぞれの内部に燃料ガス流路が形成された複数の燃料電池セル」が設けられた「燃料マニホールド」が広く知られている（例えば、特許文献１を参照）。この燃料マニホールドは、その内部空間内の燃料ガスを前記複数の燃料電池セルのそれぞれの前記燃料ガス流路に供給する機能を果たす。 Conventionally, a “fuel manifold” provided with “a plurality of fuel cells each having a fuel gas flow path formed therein” is widely known (see, for example, Patent Document 1). The fuel manifold functions to supply the fuel gas in the internal space to the fuel gas flow paths of the plurality of fuel cells.
上記文献に記載の燃料マニホールドは、「底壁と周方向に閉じた側壁とを備え、上方に向けて開口する基部」と、「前記複数の燃料電池セルを支持する平板状の支持板であって、前記開口を塞ぐように前記基部の側壁と支持板の周縁部とが全周に亘って接合された支持板」と、で構成された筐体である。 The fuel manifold described in the above document includes a “base portion having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction and opening upward” and “a flat support plate for supporting the plurality of fuel cells. And a support plate in which the side wall of the base and the peripheral edge of the support plate are joined over the entire circumference so as to close the opening.
一般に、燃料マニホールド内で高温の燃料ガスが流通する燃料電池の稼働中などでは、燃料マニホールドを構成する基部及び支持板に対して熱応力等に起因する外力が作用し易い。平板状の支持板は、外力を受けることによって特に変形し易い。支持板が変形すると、支持板によって支持・固定されている複数の燃料電池セルの相対的な位置及び姿勢にずれが生じることによって、燃料電池セル間の電気的接続に関する信頼性が低下するなどの問題が発生し得る。外力を受けた場合に変形し難い支持板を備えた燃料マニホールドの到来が望まれているところである。 In general, during operation of a fuel cell in which high-temperature fuel gas flows in the fuel manifold, an external force due to thermal stress or the like tends to act on the base portion and the support plate constituting the fuel manifold. The flat support plate is particularly easily deformed by receiving an external force. When the support plate is deformed, the relative positions and postures of the plurality of fuel cells supported and fixed by the support plate are shifted, thereby reducing reliability related to the electrical connection between the fuel cells. Problems can arise. The arrival of a fuel manifold having a support plate that is difficult to deform when subjected to an external force is desired.
以上より、本発明は、燃料電池のスタック構造体に使用される燃料マニホールドであって、外力を受けた場合に変形し難い支持板を備えたものを提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a fuel manifold used for a stack structure of a fuel cell, which includes a support plate that is difficult to be deformed when subjected to an external force.
本発明に係る燃料マニホールドの特徴は、前記支持板の周縁部の上下面の少なくとも一方に、周方向に閉じた突起部が全周に亘って設けられたことにある。前記支持板の周縁部の上面（下面）に設けられた前記突起部は、上方（下方）に向けて突出する。前記支持板の突起部は、前記支持板用の板状部材に対してプレス加工を行うことによって形成されることが好適である。なお、前記「周方向」とは、燃料マニホールドを上方からみたときの「周方向」を指す。また、燃料マニホールドを横に傾けて使用することもできる。すなわち、燃料マニホールドの底壁が側方を向くように使用することもできる。この場合、基部は、側方に向かって開口し、また、支持板の上下面も側方を向いている。このように、「上」及び「下」とは、燃料マニホールドの底壁を水平面上に載置した状態を基準とした方向を示している。 A feature of the fuel manifold according to the present invention resides in that at least one of the upper and lower surfaces of the peripheral edge portion of the support plate is provided with a projecting portion closed in the circumferential direction over the entire circumference. The protrusion provided on the upper surface (lower surface) of the peripheral edge of the support plate protrudes upward (downward). The protrusions of the support plate are preferably formed by pressing the plate member for the support plate. The “circumferential direction” refers to the “circumferential direction” when the fuel manifold is viewed from above. Further, the fuel manifold can be used while being tilted sideways. That is, it can also be used so that the bottom wall of the fuel manifold faces sideways. In this case, the base part opens toward the side, and the upper and lower surfaces of the support plate also face the side. Thus, “upper” and “lower” indicate directions with reference to a state where the bottom wall of the fuel manifold is placed on a horizontal plane.
上記構成によれば、上記「周方向に閉じた突起部」が「枠体」として機能し得る。従って、この支持板は、外力を受けた場合に変形し難い構造を備えている。 According to the above configuration, the “projection portion closed in the circumferential direction” can function as a “frame body”. Therefore, this support plate has a structure that is not easily deformed when subjected to an external force.
（スタック構造体に使用されるセルの構成の一例）
先ず、本発明の実施形態に係る燃料マニホールドが使用された、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造体に使用されるセル１００の一例について、図１〜図２を参照しながら説明する。
(Example of cell configuration used for stack structure)
First, an example of a cell 100 used in a stack structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) in which a fuel manifold according to an embodiment of the present invention is used will be described with reference to FIGS. .
図１に示すセル１００は、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。 A cell 100 shown in FIG. 1 is electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of a flat plate-like support substrate 10 having a longitudinal direction (x-axis direction). A plurality (four in this example) of power generation element portions A are so-called “horizontal stripe type” in which they are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction.
このセル１００の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向（ｘ軸方向）の辺の長さＬ１が５０〜５００ｍｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さＬ２が１０〜１００ｍｍの長方形である（Ｌ１＞Ｌ２）。このセル１００の厚さＬ３（ｚ軸方向の距離）は、１〜５ｍｍである（Ｌ２＞Ｌ３）。 The shape of the entire cell 100 as viewed from above is, for example, a side length L1 in the longitudinal direction (x-axis direction) of 50 to 500 mm and a length L2 in the width direction (y-axis direction) orthogonal to the longitudinal direction is 10. It is a rectangle of ˜100 mm (L1> L2). A thickness L3 (distance in the z-axis direction) of the cell 100 is 1 to 5 mm (L2> L3).
このセル１００は支持基板１０を備える。支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（本例では、６本）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）で構成され得る。 The cell 100 includes a support substrate 10. The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. A plurality (six in this example) of fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are formed in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. The support substrate 10 can be made of, for example, CSZ (calcia stabilized zirconia).
支持基板１０の上下面のそれぞれに配置された各発電素子部Ａは、燃料極、固体電解質膜、及び空気極が少なくともこの順に積層された積層焼成体である。燃料極は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とで構成され得る。固体電解質膜は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）で構成され得る。空気極は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）で構成され得る。 Each power generating element portion A disposed on each of the upper and lower surfaces of the support substrate 10 is a laminated fired body in which a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode are laminated at least in this order. The fuel electrode can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). The solid electrolyte membrane can be made of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). The air electrode can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite).
図１に示す「横縞型」のセル１００に対して、図２に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガス（空気等）を流すことにより、各発電素子部Ａにおいて、固体電解質膜の表裏面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、セル１００を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、セル１００内にて電流が流れる(発電状態)。この発電状態にて、セル１００から電力が取り出される。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２ − （於：空気極） …（１）
Ｈ２＋Ｏ２ −→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （於：燃料極） …（２）
As shown in FIG. 2, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 and the upper and lower surfaces of the support substrate 10 with respect to the “horizontal stripe” cell 100 shown in FIG. By flowing a gas (such as air) containing oxygen along the line, an electromotive force is generated in each power generating element portion A due to an oxygen partial pressure difference generated between the front and back surfaces of the solid electrolyte membrane. Further, when the cell 100 is connected to an external load, chemical reactions shown in the following formulas (1) and (2) occur, and current flows in the cell 100 (power generation state). In this power generation state, power is extracted from the cell 100.
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2 − (in the air electrode) (1)
H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e − (in the fuel electrode) (2)
（スタック構造体の全体構成の一例）
次に、上述したセル１００を用いた本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造体について説明する。図３に示すように、このスタック構造体は、多数のセル１００と、多数のセル１００のそれぞれに燃料ガスを供給するためのマニホールドである燃料マニホールド２００と、を備えている。燃料マニホールド２００は、長手方向（ｚ軸方向）を有する直方体状の筐体である。
(Example of overall structure of stack structure)
Next, a stack structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention using the above-described cell 100 will be described. As shown in FIG. 3, the stack structure includes a large number of cells 100 and a fuel manifold 200 that is a manifold for supplying fuel gas to each of the large number of cells 100. The fuel manifold 200 is a rectangular parallelepiped housing having a longitudinal direction (z-axis direction).
燃料マニホールド２００は、例えば、「底壁と側壁とを備え且つ上方に向けて開口する基部２１０」と、「基部２１０の上に配置され且つ前記開口を塞ぐ平板状の支持板（上壁）２２０」と、で構成される。支持板２２０は、多数のセル１００を支持する機能を備える。基部２１０及び支持板２２０は、例えば、ステンレス鋼等で構成されている。基部２１０と支持板２２０との形状、並びに、両者の接合・固定については、後に詳述する。 The fuel manifold 200 includes, for example, “a base 210 having a bottom wall and a side wall and opening upward” and “a flat support plate (upper wall) 220 disposed on the base 210 and closing the opening. ”. The support plate 220 has a function of supporting a large number of cells 100. The base 210 and the support plate 220 are made of, for example, stainless steel. The shapes of the base 210 and the support plate 220 and the joining / fixing of both will be described in detail later.
図３、及び図４に示すように、燃料マニホールド２００には、外部から燃料マニホールド２００の内部空間に燃料ガスを導入するための導入管２３０が設けられている。図３、及び図４に示す例では、導入管２３０は、支持板２２０の四隅部の１つから上方（ｘ軸正方向）に向けて突出するように、支持板２２０に対して接合・固定されている。導入管２３０も、例えば、ステンレス鋼等で構成されている。この導入管２３０は、例えば、支持板２２０に形成された貫通孔に挿入された状態にて溶接されることによって、支持板２２０に接合・固定されている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel manifold 200 is provided with an introduction pipe 230 for introducing fuel gas from the outside into the internal space of the fuel manifold 200. In the example shown in FIGS. 3 and 4, the introduction pipe 230 is joined and fixed to the support plate 220 so as to protrude upward (in the positive x-axis direction) from one of the four corners of the support plate 220. Has been. The introduction pipe 230 is also made of, for example, stainless steel. The introduction pipe 230 is joined and fixed to the support plate 220 by welding, for example, in a state of being inserted into a through hole formed in the support plate 220.
各セル１００が、支持板２２０から上方（ｘ軸正方向）に向けてそれぞれ突出するように、且つ、複数のセル１００が燃料マニホールド２００の長手方向（ｚ軸方向）に沿って互いに離れてスタック状に整列するように、各セル１００における支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）の燃料ガス流入側の端部（一端部）が、支持板２２０に対して接合材を用いて接合・支持されている。各セル１００における支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）の燃料ガス排出側の端部（他端部）は、自由端となっている。従って、このスタック構造は、「片持ちスタック構造」と表現することができる。 The plurality of cells 100 are stacked apart from each other along the longitudinal direction (z-axis direction) of the fuel manifold 200 so that each cell 100 protrudes upward (in the positive x-axis direction) from the support plate 220. The end portions (one end portions) on the fuel gas inflow side in the longitudinal direction (x-axis direction) of the support substrate 10 in each cell 100 are bonded and supported to the support plate 220 using a bonding material so as to be aligned in a shape. Has been. The end (other end) on the fuel gas discharge side in the longitudinal direction (x-axis direction) of the support substrate 10 in each cell 100 is a free end. Therefore, this stack structure can be expressed as a “cantilever stack structure”.
図４に示すように、支持板２２０（燃料マニホールド２００の上壁）には、燃料マニホールド２００の内部空間と連通する多数の挿入孔２２１が、ｚ軸方向において間隔をおいて形成されている。好ましくは、各挿入孔２２１は、ｚ軸方向において互いに等間隔で配置されている。各挿入孔２２１には、対応するセル１００の前記一端部がそれぞれ挿入される。 As shown in FIG. 4, a large number of insertion holes 221 communicating with the internal space of the fuel manifold 200 are formed in the support plate 220 (upper wall of the fuel manifold 200) at intervals in the z-axis direction. Preferably, the insertion holes 221 are arranged at equal intervals in the z-axis direction. The one end of the corresponding cell 100 is inserted into each insertion hole 221.
図５に示すように、各挿入孔２２１の形状は、長さＬ４、幅Ｌ５のｙ軸方向に延在する長円形状（Ｌ４＞Ｌ５）を呈している。挿入孔２２１の長さＬ４は、セル１００の一端部の側面の長さＬ２（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ大きい。同様に、挿入孔２２１の幅Ｌ５は、セル１００の一端部の側面の幅Ｌ３（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ大きい。即ち、図６、及び図７に示すように、セル１００の前記一端部が挿入孔２２１に挿入された状態では、挿入孔２２１の内壁とセル１００の前記一端部の外壁との間に隙間が形成される。なお、図６、及び図７（特に、図６）では、前記隙間が誇張して描かれている。 As shown in FIG. 5, each insertion hole 221 has an oval shape (L4> L5) extending in the y-axis direction with a length L4 and a width L5. The length L4 of the insertion hole 221 is 0.2 to 3 mm longer than the length L2 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. Similarly, the width L5 of the insertion hole 221 is 0.2 to 3 mm larger than the width L3 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. That is, as shown in FIGS. 6 and 7, when the one end of the cell 100 is inserted into the insertion hole 221, there is a gap between the inner wall of the insertion hole 221 and the outer wall of the one end of the cell 100. It is formed. In FIG. 6 and FIG. 7 (particularly FIG. 6), the gap is exaggerated.
図６、及び図７に示すように、挿入孔２２１とセル１００の前記一端部との接合部のそれぞれにおいて、固化された接合材３００が前記隙間に充填されるように設けられている。これにより、各挿入孔２２１と対応するセル１００の前記一端部とがそれぞれ接合・固定されている。図７に示すように、各セル１００のガス流路１１の前記一端部は、燃料マニホールド２００の内部空間と連通している。 As shown in FIGS. 6 and 7, in each of the joint portions between the insertion hole 221 and the one end portion of the cell 100, the solidified joining material 300 is provided so as to fill the gap. Thereby, each insertion hole 221 and the said one end part of the cell 100 corresponding are each joined and fixed. As shown in FIG. 7, the one end of the gas flow path 11 of each cell 100 communicates with the internal space of the fuel manifold 200.
接合材３００は、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３系が採用され得るが、ＳｉＯ２−ＭｇＯ系のものが最も好ましい。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラス（セラミックス）を指す。結晶化ガラスの結晶化度は、具体的には、例えば、「ＸＲＤ等を用いて結晶相を同定し、ＳＥＭ及びＥＤＳ、或いは、ＳＥＭ及びＥＰＭＡ等を用いて結晶化後のガラスの組織や組成分布を観察した結果に基づいて、結晶相領域の体積割合を算出する」ことによって得ることができる。接合材３００の気孔率は、１０％未満である。換言すれば、接合材３００は、緻密質である。 The bonding material 300 is made of crystallized glass. As the crystallized glass, for example, a SiO 2 —B 2 O 3 system, a SiO 2 —CaO system, or a MgO—B 2 O 3 system can be adopted, but a SiO 2 —MgO system is most preferable. In this specification, crystallized glass means that the ratio (crystallinity) of “volume occupied by crystal phase” to the total volume is 60% or more, and “volume occupied by amorphous phase and impurities relative to the total volume”. "Refers to glass (ceramics) having a ratio of less than 40%. The crystallinity of the crystallized glass is specifically determined by, for example, “the crystal phase and the composition after the crystal phase is identified by using XRD or the like and crystallized by using SEM and EDS or SEM and EPMA. The volume ratio of the crystal phase region is calculated based on the result of observing the distribution. The porosity of the bonding material 300 is less than 10%. In other words, the bonding material 300 is dense.
また、図７に示すように、隣接するセル１００、１００の間には、隣接するセル１００、１００の間（より詳細には、一方のセル１００の燃料極と他方のセル１００の空気極）を電気的に直列に接続するための集電部材４００が介在している。集電部材４００は、例えば、金属メッシュ等で構成される。加えて、各セル１００について表側と裏側とを電気的に直列に接続するための集電部材５００も設けられている。 In addition, as shown in FIG. 7, between adjacent cells 100, 100, between adjacent cells 100, 100 (more specifically, the fuel electrode of one cell 100 and the air electrode of the other cell 100). Current collecting member 400 for electrically connecting the two in series. The current collecting member 400 is made of, for example, a metal mesh. In addition, a current collecting member 500 for electrically connecting the front side and the back side of each cell 100 in series is also provided.
以上、説明した燃料電池の片持ちスタック構造を稼働させる際には、図８に示すように、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素等）及び「酸素を含むガス（空気等）」を流通させる。導入管２３０から導入された燃料ガスは、燃料マニホールド２００の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔２２１を介して対応するセル１００のガス流路１１にそれぞれ導入される。各ガス流路１１を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路１１の他端（自由端）から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル１００間の空間を、セル１００の幅方向（ｙ軸方向）に沿って流される。この結果、各セル１００が上述した発電状態となり、各セル１００（従って、スタック構造体）から電力が取り出される。 When the cantilever stack structure of the fuel cell described above is operated, as shown in FIG. 8, the fuel gas (eg, hydrogen) at a high temperature (for example, 600 to 800 ° C.) and the “gas containing oxygen (eg, air) ) ". The fuel gas introduced from the introduction pipe 230 moves to the internal space of the fuel manifold 200 and is then introduced into the gas flow path 11 of the corresponding cell 100 via each insertion hole 221. The fuel gas that has passed through each gas flow path 11 is then discharged from the other end (free end) of each gas flow path 11 to the outside. Air flows through the space between adjacent cells 100 in the stack structure along the width direction (y-axis direction) of the cells 100. As a result, each cell 100 enters the power generation state described above, and power is extracted from each cell 100 (and thus the stack structure).
上述した片持ちスタック構造は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル１００、並びに、完成したマニホールド２００が準備される。次いで、所定の治具等を用いて、複数のセル１００がスタック状に整列・固定される。次に、複数のセル１００がスタック状に整列・固定された状態が維持されながら、複数のセル１００のそれぞれの一端部が、（上記ペースト膜が形成された）支持板２２０の対応する挿入孔２２１に一度に挿入される。次いで、接合材３００用の非晶質材料（非晶質ガラス）のペーストが、挿入孔２２１とセル１００の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。その際、図７に示すように、ペーストが支持板２２０の表面から上方に向けてはみ出す程度まで前記接合部に供給されてもよい。 The above-mentioned cantilever stack structure is assembled by the following procedure, for example. First, a required number of completed cells 100 and a completed manifold 200 are prepared. Next, the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack using a predetermined jig or the like. Next, while maintaining the state in which the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack, one end of each of the plurality of cells 100 is inserted into the corresponding insertion hole of the support plate 220 (in which the paste film is formed). 221 is inserted at a time. Next, a paste of an amorphous material (amorphous glass) for the bonding material 300 is filled in each gap of the bonding portion between the insertion hole 221 and one end portion of the cell 100. At that time, as shown in FIG. 7, the paste may be supplied to the joint to the extent that it protrudes upward from the surface of the support plate 220.
次に、上記のように充填された接合材３００用の非晶質材料ペーストに熱処理（結晶化処理）が加えられる。この熱処理によって前記非晶質材料の温度がその結晶化温度まで到達すると、結晶化温度下にて、材料の内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される接合材３００が機能を発揮し、各セルの一端部が対応する挿入孔２２１にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル１００の一端部が接合材３００を用いて支持板２２０にそれぞれ接合・支持される。その後、前記所定の治具が複数のセル１００から取り外されて、上述した片持ちスタック構造体が完成する。 Next, heat treatment (crystallization treatment) is applied to the amorphous material paste for the bonding material 300 filled as described above. When the temperature of the amorphous material reaches its crystallization temperature by this heat treatment, a crystal phase is generated inside the material at the crystallization temperature, and crystallization proceeds. As a result, the amorphous material is solidified and ceramicized to become crystallized glass. Thereby, the bonding material 300 made of crystallized glass exhibits a function, and one end of each cell is bonded and fixed to the corresponding insertion hole 221. In other words, one end of each cell 100 is joined and supported by the support plate 220 using the joining material 300. Thereafter, the predetermined jig is removed from the plurality of cells 100 to complete the above-described cantilever stack structure.
（基部及び支持板の形状、並びに、両者の接合）
以下、燃料マニホールド２００（＝直方体状の筐体）の構成部品である「基部２１０」と「支持板２２０」との形状、並びに、両者の接合・固定について述べる。図９、及び図１０に示すように、燃料マニホールド２００は、基部２１０と、支持板２２０と、突起部２２２と、を備えている。
(Shape of base and support plate, and joining of both)
Hereinafter, the shapes of the “base 210” and the “support plate 220”, which are the components of the fuel manifold 200 (= cuboid housing), and the joining / fixing thereof will be described. As shown in FIGS. 9 and 10, the fuel manifold 200 includes a base 210, a support plate 220, and a protrusion 222.
基部２１０は、底壁２１１、及び側壁２１２を備える。底壁２１１は、平面視が長方形状である。側壁２１２は、底壁２１１の周縁部の全周から上方に向けて延びている。側壁２１２は、周方向に閉じている。基部２１０は、上方に向けて開口する（上壁がない）直方体状の枠体である。 The base 210 includes a bottom wall 211 and a side wall 212. The bottom wall 211 has a rectangular shape in plan view. The side wall 212 extends upward from the entire circumference of the peripheral edge of the bottom wall 211. The side wall 212 is closed in the circumferential direction. The base 210 is a rectangular parallelepiped frame that opens upward (no upper wall).
支持板２２０は、複数の燃料電池セル１００を支持するように構成されている。詳細には、上述したように、支持板２２０は、複数の挿入孔２２１を有している。支持板２２０は、基部２１０に取り付けられている。この結果、基部２１０の開口は、支持板２２０によって塞がれている。支持板２２０は、平板状である。また、支持板２２０は、平面視において、長方形状である。支持板２２０は、例えば、フェライト系ステンレス鋼等が好ましく、ＳＯＦＣ用特殊鋼としては日立金属製のＺＭＧ２３２Ｌなどによって構成されている。支持板２２０の厚さは、例えば、１〜３ｍｍである。 The support plate 220 is configured to support the plurality of fuel cells 100. Specifically, as described above, the support plate 220 has a plurality of insertion holes 221. The support plate 220 is attached to the base 210. As a result, the opening of the base 210 is blocked by the support plate 220. The support plate 220 has a flat plate shape. The support plate 220 has a rectangular shape in plan view. The support plate 220 is preferably made of, for example, ferritic stainless steel, and is made of ZMG232L made by Hitachi Metals as a special steel for SOFC. The thickness of the support plate 220 is, for example, 1 to 3 mm.
突起部２２２は、支持板２２０の周縁部の下面において、全周に亘って設けられている。すなわち、突起部２２２は、外周縁に沿って延びている。突起部２２２は、下方に向けて突出している。また、突起部２２２は、周方向に閉じている。この突起部２２２は、例えば、支持板２２０用の板状部材に対してプレス加工を行うことによって形成され得る。突起部２２２の高さｈは、例えば、０．３〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。突起部２２２の高さｈとは、支持板２２０の下面からの突出量を示す。また、突起部２２２の幅ｗは、例えば、１〜１０ｍｍ程度とすることが好ましい。突起部２２２の幅ｗとは、突起部２２２が形成されている支持板２２０の面上において突起部２２２が延びる方向と垂直な方向の寸法を示す。 The protrusion 222 is provided over the entire circumference on the lower surface of the peripheral edge of the support plate 220. That is, the protrusion 222 extends along the outer peripheral edge. The protrusion 222 protrudes downward. Further, the protrusion 222 is closed in the circumferential direction. The protrusion 222 can be formed by, for example, pressing a plate member for the support plate 220. The height h of the protrusion 222 is preferably about 0.3 to 3 mm, for example. The height h of the protrusion 222 indicates the amount of protrusion from the lower surface of the support plate 220. Moreover, it is preferable that the width w of the protrusion part 222 shall be about 1-10 mm, for example. The width w of the protrusion 222 indicates a dimension in a direction perpendicular to the direction in which the protrusion 222 extends on the surface of the support plate 220 on which the protrusion 222 is formed.
支持板２２０の周縁部は、基部２１０の側壁２１２と、全周に亘って接合材２４０を介して接合されている。接合材２４０の材料としては、例えば、上述した接合材３００と同じ材料（即ち、結晶化ガラス等）が使用され得る。 The peripheral edge portion of the support plate 220 is bonded to the side wall 212 of the base portion 210 through the bonding material 240 over the entire circumference. As a material of the bonding material 240, for example, the same material as the bonding material 300 described above (that is, crystallized glass or the like) can be used.
具体的には、基部２１０の側壁２１２は、基部２１０の底壁２１１の周縁部の全周から上方に向けて延在する第１側壁部２１２ａと、第１側壁部２１２ａの上端部の全周から横方向（水平方向）外側に向けて延在する第２側壁部２１２ｂと、第２側壁部２１２ｂの横方向外側端部の全周から上方に向けて延在する第３側壁部２１２ｃと、第３側壁部２１２ｃの上端部の全周から横方向（水平方向）外側に向けて延在する第４側壁部２１２ｄと、第４側壁部２１２ｄの横方向外側端部の全周から下方に向けて延在する第５側壁部２１２ｅと、を備える。第１〜第５側壁部２１２ａ〜２１２ｅは全て、（上方からみて）周方向に閉じている。この側壁２１２（＝２１２ａ〜２１２ｅ）は、例えば、基部２１０用の板状部材に対して深絞り加工を行うことによって形成され得る。 Specifically, the side wall 212 of the base 210 includes a first side wall 212a extending upward from the entire periphery of the peripheral edge of the bottom wall 211 of the base 210, and the entire periphery of the upper end of the first side wall 212a. A second side wall portion 212b extending outward from the lateral direction (horizontal direction) from the outer side, and a third side wall portion 212c extending upward from the entire circumference of the lateral outer end of the second side wall portion 212b, A fourth side wall 212d extending outward from the entire circumference of the upper end of the third side wall 212c in the lateral direction (horizontal direction), and downward from the entire circumference of the lateral outer end of the fourth side wall 212d. And a fifth side wall portion 212e extending. All of the first to fifth side wall portions 212a to 212e are closed in the circumferential direction (as viewed from above). The side walls 212 (= 212a to 212e) can be formed, for example, by performing deep drawing on the plate-like member for the base 210.
支持板２２０の周縁部の下面と、基部２１０の第２側壁部２１２ｂの上面とは、全周に亘って接合材２４０を介して接合されている。また、支持板２２０の周縁部の側面と、基部２１０の第３側壁部２１２ｃの内側面とは、全周に亘って接合材２４０を介して接合されている。 The lower surface of the peripheral edge portion of the support plate 220 and the upper surface of the second side wall portion 212b of the base portion 210 are joined via the joining material 240 over the entire circumference. In addition, the side surface of the peripheral portion of the support plate 220 and the inner side surface of the third side wall portion 212 c of the base portion 210 are joined via the joining material 240 over the entire circumference.
以下、接合材２４０のうち、支持板２２０の周縁部の下面と基部２１０の第２側壁部２１２ｂの上面とを全周に亘って接合する部分を第１接合部と呼ぶ。また、接合材２４０のうち、支持板２２０の周縁部の側面と基部２１０の第３側壁部２１２ｃの内側面とを全周に亘って接合する部分を第２接合部と呼ぶ。図９、及び図１０に示した例では、第１、第２接合部が連続しているが、第１、第２接合部が分離していてもよい。 Hereinafter, a portion of the bonding material 240 that joins the lower surface of the peripheral portion of the support plate 220 and the upper surface of the second side wall portion 212b of the base 210 over the entire circumference is referred to as a first bonding portion. Moreover, the part which joins the side surface of the peripheral part of the support plate 220 and the inner side surface of the 3rd side wall part 212c of the base 210 among the joining materials 240 is called a 2nd junction part. In the example shown in FIGS. 9 and 10, the first and second joints are continuous, but the first and second joints may be separated.
上述した燃料マニホールド２００は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、深絞り加工等を経て完成した基部２１０、及び、プレス加工等を経て完成した支持板２２０が準備される。次いで、接合材２４０用の非晶質材料（非晶質ガラス）のペースト膜が、「支持板２２０の周縁部の下面及び側面」、及び／又は、「基部２１０の第２側壁部２１２ｂの上面及び基部２１０の第３側壁部２１２ｃの内側面」に形成される。 The fuel manifold 200 described above is assembled, for example, according to the following procedure. First, a base 210 completed through deep drawing and the like, and a support plate 220 completed through pressing and the like are prepared. Next, a paste film of an amorphous material (amorphous glass) for the bonding material 240 is used for “the lower surface and side surfaces of the peripheral portion of the support plate 220” and / or “the upper surface of the second side wall portion 212 b of the base 210. And the inner side surface of the third side wall portion 212c of the base portion 210 ".
次に、「支持板２２０の周縁部の下面及び基部２１０の第２側壁部２１２ｂの上面」、並びに、「支持板２２０の周縁部の側面及び基部２１０の第３側壁部２１２ｃの内側面」が、前記ペースト膜を介してそれぞれ接触するように、支持板２２０の周縁部が基部２１０の第２側壁部２１２ｂの上面に載置される。 Next, “the lower surface of the peripheral portion of the support plate 220 and the upper surface of the second side wall portion 212b of the base portion 210” and “the side surface of the peripheral portion of the support plate 220 and the inner side surface of the third side wall portion 212c of the base portion 210”. The peripheral edge of the support plate 220 is placed on the upper surface of the second side wall 212b of the base 210 so as to be in contact with each other through the paste film.
そして、上記接合材２４０用のペースト膜に熱処理（結晶化処理）が加えられる。この熱処理によって非晶質材料が固化・セラミックス化されて、前記ペースト膜が結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される接合材２４０が機能を発揮し、基部２１０と支持板２２０とが全周に亘って接合・固定される。これにより、燃料マニホールド２００が完成する。 Then, heat treatment (crystallization treatment) is applied to the paste film for the bonding material 240. By this heat treatment, the amorphous material is solidified and ceramicized, and the paste film becomes crystallized glass. Thereby, the bonding material 240 made of crystallized glass exhibits a function, and the base 210 and the support plate 220 are bonded and fixed over the entire circumference. Thereby, the fuel manifold 200 is completed.
（作用・効果）
上記実施形態（燃料マニホールド２００）では、支持板２２０に関し、上記「周方向に閉じた突起部２２２」が「枠体」として機能し得る。従って、支持板２２０は、外力を受けた場合に変形し難い構造を備えている。従って、「支持板２２０の変形に起因する複数のセル１００間の相対的な位置及び姿勢のずれ」に基づく「セル１００間の電気的接続に関する信頼性が低下」などの問題が発生し難くなる。
(Action / Effect)
In the above embodiment (fuel manifold 200), with respect to the support plate 220, the above-mentioned “projection portion 222 closed in the circumferential direction” can function as a “frame”. Therefore, the support plate 220 has a structure that is difficult to be deformed when receiving an external force. Therefore, problems such as “decrease in reliability of electrical connection between cells 100” based on “deviation of relative positions and postures between cells 100 due to deformation of support plate 220” are less likely to occur. .
また、上記実施形態（燃料マニホールド２００）では、燃料マニホールド２００の基部２１０と支持板２２０との接合に関し、接合材２４０における「第１接合部」と「第２接合部」とによって、基部２１０と支持板２２０とが全周に亘って強固に接合される。従って、外力によって基部２１０及び支持板２２０が変形した場合においても、基部２１０と支持板２２０との接合部に剥離が生じ難い。 In the above embodiment (fuel manifold 200), the base 210 and the support plate 220 are joined to each other by the “first joint” and the “second joint” in the joint material 240. The support plate 220 is firmly joined over the entire circumference. Therefore, even when the base portion 210 and the support plate 220 are deformed by an external force, the joint portion between the base portion 210 and the support plate 220 is hardly peeled off.
また、上記実施形態（燃料マニホールド２００）では、基部２１０の側壁２１２が、第１〜第３側壁部２１２ａ〜２１２ｃに加えて、第４側壁部２１２ｄ及び第５側壁部２１２ｅを備える。 In the embodiment (fuel manifold 200), the side wall 212 of the base 210 includes a fourth side wall 212d and a fifth side wall 212e in addition to the first to third side walls 212a to 212c.
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、支持板２２０の周縁部の下面に、下方に向けて突出した周方向に閉じた突起部２２２が全周に亘って設けられているが（図１０を参照）、図１１に示すように、支持板２２０の周縁部の上面に、上方に向けて突出した周方向に閉じた突起部２２２が全周に亘って設けられていてもよい。図１１に示す突起部２２２も、図１０に示す突起部２２２と同様、例えば、支持板２２０用の板状部材に対してプレス加工を行うことによって形成され得る。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the lower surface of the peripheral edge of the support plate 220 is provided with a circumferentially projecting portion 222 that protrudes downward (see FIG. 10). As shown in FIG. 11, a circumferentially projecting portion 222 that protrudes upward may be provided over the entire circumference on the upper surface of the peripheral edge of the support plate 220. Similarly to the protrusion 222 shown in FIG. 10, the protrusion 222 shown in FIG. 11 can be formed by, for example, pressing a plate member for the support plate 220.
また、図１２に示すように、支持板２２０の周縁部の下面に、下方に向けて突出した周方向に閉じた突起部２２２が全周に亘って設けられていてもよいし、図１３に示すように、支持板２２０の周縁部の上面に、上方に向けて突出した周方向に閉じた突起部２２２が全周に亘って設けられていてもよい。図１２、及び、図１３に示す突起部２２２は、例えば、切削加工（所謂、削りだし）を行うことによって形成され得る。また、図１０及び図１１に示した下方及び上方に突出した２種類の突起部２２２の両方が支持板２２０に設けられてもよいし、図１２及び図１３に示した下方及び上方に突出した２種類の突起部２２２の両方が支持板２２０に設けられてもよい。 Further, as shown in FIG. 12, a projecting portion 222 protruding in the circumferential direction and projecting downward may be provided on the lower surface of the peripheral portion of the support plate 220 over the entire circumference. As shown, a circumferentially projecting portion 222 that protrudes upward may be provided over the entire circumference on the upper surface of the peripheral edge of the support plate 220. The protrusions 222 shown in FIGS. 12 and 13 can be formed by performing, for example, cutting (so-called cutting). Further, both of the two types of protrusions 222 protruding downward and upward shown in FIGS. 10 and 11 may be provided on the support plate 220, or protruding downward and upward shown in FIGS. Both of the two types of protrusions 222 may be provided on the support plate 220.
また、上記実施形態では、基部２１０と支持板２２０とを接合する接合材２４０が、全周に亘って互いに連続する「第１接合部」と「第２接合部」のみで構成されているが（図１０を参照）、図１４に示すように、接合材２４０が、互いに連続する「第１接合部」と「第２接合部」とに加えて、「第２接合部の全周から連続するとともに、支持板２２０の周縁部の上面を全周に亘って覆う第３接合部」を更に備えていてもよい。これによれば、支持板２２０の周縁部の下面及び側面を基部２１０と接合する接合材が、支持板２２０の周縁部の上面を覆うことによって、基部２１０からの支持板２２０の剥離を強固に抑制することができる。 Moreover, in the said embodiment, although the joining material 240 which joins the base 210 and the support plate 220 is comprised only by the "1st junction part" and the "2nd junction part" which mutually continue over the perimeter. 14 (see FIG. 10), as shown in FIG. 14, the joining material 240 is “continuous from the entire circumference of the second joint portion” in addition to the “first joint portion” and the “second joint portion” that are continuous with each other. In addition, a third joint portion that covers the entire upper surface of the peripheral edge of the support plate 220 may be further provided. According to this, the bonding material that joins the lower surface and the side surface of the peripheral portion of the support plate 220 to the base portion 210 covers the upper surface of the peripheral portion of the support plate 220, thereby strongly peeling the support plate 220 from the base portion 210. Can be suppressed.
また、上記実施形態では、基部２１０の側壁２１２が、第１〜第３側壁部２１２ａ〜２１２ｃに加えて、第４側壁部２１２ｄ及び第５側壁部２１２ｅを備えているが（図１０を参照）、図１５に示すように、基部２１０の側壁２１２が、第１〜第３側壁部２１２ａ〜２１２ｃのみで構成されてもよい（即ち、第４側壁部２１２ｄ及び第５側壁部２１２ｅがなくてもよい）。 Moreover, in the said embodiment, although the side wall 212 of the base 210 is provided with the 4th side wall part 212d and the 5th side wall part 212e in addition to the 1st-3rd side wall parts 212a-212c (refer FIG. 10). As shown in FIG. 15, the side wall 212 of the base portion 210 may be configured only by the first to third side wall portions 212a to 212c (that is, even if the fourth side wall portion 212d and the fifth side wall portion 212e are not provided). Good).
また、上記実施形態では、隣り合う発電素子部の間が電気的に接続された所謂「横縞型」のセルが採用されているが、支持基板の表面に発電素子部が１つのみ設けられたセルが採用されてもよい。 Further, in the above embodiment, a so-called “horizontal stripe type” cell in which adjacent power generating element portions are electrically connected is employed, but only one power generating element portion is provided on the surface of the support substrate. A cell may be employed.
また、上記実施形態では、支持板に形成された１つの挿入孔に１つのセルの前記一端部が挿入されているが、支持板に形成された１つの挿入孔に２つ以上のセル１００の前記一端部が挿入されていてもよい。更には、支持板に形成された１つの（唯一の）挿入孔に複数のセルの前記一端部の全てが挿入されていてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the said one end part of one cell is inserted in one insertion hole formed in the support plate, two or more cells 100 are inserted in one insertion hole formed in the support plate. The one end may be inserted. Further, all of the one end portions of the plurality of cells may be inserted into one (only) insertion hole formed in the support plate.
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに複数の発電素子部Ａが設けられているが、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部Ａが設けられていてもよい。また、上記実施形態では、支持基板１０が平板状を呈しているが、支持基板が円筒状を呈していても良い。この場合、円筒状の支持基板の内側空間がガス流路として機能する。 Moreover, in the said embodiment, although the several electric power generation element part A is provided in each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10, the several electric power generation element part A is provided only in the single side | surface of the support substrate. Also good. In the above embodiment, the support substrate 10 has a flat plate shape, but the support substrate may have a cylindrical shape. In this case, the inner space of the cylindrical support substrate functions as a gas flow path.
また、上記実施形態では、突起部２２２の断面形状は、半円形状となっていたが、特にこれに限定されない。例えば、図１６に示すように突起部２２２の断面形状は、矩形状であってもよいし、図１７に示すように突起部三角形状であってもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the cross-sectional shape of the projection part 222 was a semicircle shape, it is not limited to this in particular. For example, the cross-sectional shape of the protrusion 222 may be rectangular as shown in FIG. 16, or may be triangular as shown in FIG.
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１００…セル、２００…マニホールド、２１０…基部、２１１…底壁、２１２…側壁、２１２ａ…第１側壁部、２１２ｂ…第２側壁部、２１２ｃ…第３側壁部、２１２ｄ…第４側壁部、２１２ｅ…第５側壁部、２２０…支持板、２２１…挿入孔、２２２…突起部、２４０…接合材、Ａ…発電素子部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 100 ... Cell, 200 ... Manifold, 210 ... Base, 211 ... Bottom wall, 212 ... Side wall, 212a ... First side wall, 212b ... Second side wall, 212c ... First 3 side wall parts, 212d ... 4th side wall part, 212e ... 5th side wall part, 220 ... support plate, 221 ... insertion hole, 222 ... projection part, 240 ... bonding material, A ... power generation element part
Claims (3)
底壁、及び周方向に閉じた側壁を有し、上方に向けて開口する基部と、
前記複数の燃料電池セルを支持するように構成された平板状の支持板であって、前記基部の開口を塞ぐように前記基部に取り付けられた支持板と、
前記支持板の周縁部の上下面の少なくとも一方において全周に亘って設けられ、周方向に閉じる突起部と、
を備える、燃料マニホールド。 A fuel manifold configured to be provided with a plurality of fuel cells each having a fuel gas flow path formed therein, and the fuel gas in the internal space of the fuel manifold is supplied to each of the plurality of fuel cells. A fuel manifold that supplies fuel gas flow paths,
A base having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction and opening upward;
A flat support plate configured to support the plurality of fuel cells, and a support plate attached to the base so as to close the opening of the base;
A protrusion that is provided over the entire circumference in at least one of the upper and lower surfaces of the peripheral edge of the support plate, and closes in the circumferential direction;
A fuel manifold.
請求項１に記載の燃料マニホールド。 The side wall of the base and the peripheral edge of the support plate are joined together over the entire circumference.
The fuel manifold according to claim 1.
前記支持板用の板状部材に対してプレス加工を行うことによって、前記支持板の突起部を形成する、燃料マニホールドの製造方法。 A method of manufacturing a fuel manifold according to claim 1 or 2 ,
By performing press working with respect to the plate-like member for the front Symbol support plate to form a projecting portion of the support plate, the manufacturing method of the fuel manifold.
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