JP6054912B2 - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池のガスシールに関し、燃料電池内部に2種のガス(燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガス)を分離した状態で導入して発電を行う燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a gas seal for a fuel cell, and relates to a fuel cell for generating power by introducing two types of gas (oxidant gas such as fuel gas and air) into the fuel cell in a separated state, and a method for manufacturing the same.
従来より、固体酸化物形燃料電池として、例えば平板状の固体酸化物層(固体電解質層)の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設け、更に燃料極や空気極に到る流路(燃料流路、空気流路)等を設けて燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルとインターコネクタ板とを交互に積層してスタック化したもの(燃料電池スタック)が知られている。 Conventionally, as a solid oxide fuel cell, for example, a fuel electrode in contact with a fuel gas is provided on one side of a flat solid oxide layer (solid electrolyte layer), and an air electrode in contact with an oxidant gas is provided on the other side. In addition, a fuel cell is formed by providing a flow path (fuel flow path, air flow path) etc. to the fuel electrode and the air electrode, and the fuel cell and the interconnector plate are stacked alternately and stacked. What is known (fuel cell stack) is known.
詳しくは、前記燃料電池セルとしては、例えば、燃料極及び空気極を備えた固体酸化物層からなる単セルと、固体酸化物層に接合されて燃料ガスと酸化剤ガスの流路を分離するセパレータと、燃料極の周囲に配置された燃料極フレームと、空気極の周囲に配置された空気極フレームと、燃料電池セルの板厚方向の外側に配置されたインターコネクタ等から構成されたものが知られている。 Specifically, as the fuel cell, for example, a single cell made of a solid oxide layer having a fuel electrode and an air electrode, and a flow path for the fuel gas and the oxidant gas are joined to the solid oxide layer. Consists of a separator, a fuel electrode frame disposed around the fuel electrode, an air electrode frame disposed around the air electrode, and an interconnector disposed outside the fuel cell in the plate thickness direction. It has been known.
また、燃料電池スタックでは、積層された燃料電池セルの燃料流路や空気流路に、燃料ガスや空気を供給するため、或いは、燃料電池セルの燃料流路や空気流路から、(反応後の)燃料ガスや空気を排出するために、燃料電池スタックの外縁部分(フレーム部分)に、燃料電池スタックを積層方向に貫くように、燃料ガス用のマニホールドと空気用のマニホールドが設けられたものが知られている。 In the fuel cell stack, fuel gas or air is supplied to the fuel flow path or air flow path of the stacked fuel battery cells, or from the fuel flow path or air flow path of the fuel cell (after the reaction). In order to discharge fuel gas and air, a fuel gas manifold and an air manifold are provided at the outer edge portion (frame portion) of the fuel cell stack so as to penetrate the fuel cell stack in the stacking direction. It has been known.
更に、燃料電池スタックでは、積層された各燃料電池セルを一体に固定するために、各燃料電池セルに積層方向に貫く貫通孔(挿通孔)を形成し、この挿通孔にボルトを挿通し、ボルトとナットによって、燃料電池スタックを一体に固定するものが開示されている。 Further, in the fuel cell stack, in order to integrally fix the stacked fuel cells, through holes (insertion holes) penetrating in the stacking direction are formed in the fuel cells, and bolts are inserted into the insertion holes. A device for fixing a fuel cell stack integrally with bolts and nuts is disclosed.
しかも、前記マニホールドを挿通孔として利用し、マニホールドにボルトを挿通して燃料電池スタックを固定する技術も知られている。
更に、近年では、燃料電池の積層された単セルの間などからガス(特に燃料ガス)がリーク(漏出)することを防止するために、燃料電池スタックを構成する各部材間(例えばインターコネクタとセパレータとの間など)において、燃料電池セルの外縁部分を枠状に囲むとともに、マニホールドの周囲を囲むように、シール材を配置する技術が開発されている。
In addition, a technique for fixing the fuel cell stack by using the manifold as an insertion hole and inserting a bolt into the manifold is also known.
Further, in recent years, in order to prevent gas (especially fuel gas) from leaking from between the single cells in which the fuel cells are stacked, the members constituting the fuel cell stack (for example, interconnectors) A technology has been developed in which a sealing material is disposed so as to surround the outer periphery of the fuel battery cell in a frame shape and the periphery of the manifold in the space between the separator and the like.
上述したシール材を用いてガスシールする技術としては、マイカ等の(圧力を加えてシールする)コンプレッションシール材を用いた技術(特許文献1参照)や、ガラスやガラスセラミックからなるシール材を用いた技術(特許文献2、3)や、マニホールドの周囲を同心状に囲むセラミック製のシール材を用いた技術(特許文献4参照)などが提案されえている。 As a technique for gas sealing using the sealing material described above, a technique using a compression sealing material (sealing by applying pressure) such as mica (see Patent Document 1), or a sealing material made of glass or glass ceramic is used. Proposed (Patent Documents 2 and 3), a technique using a ceramic sealing material surrounding the manifold concentrically (see Patent Document 4), and the like.
しかしながら、燃料電池スタックの積層方向に伸びるように形成されたマニホールドにボルトを挿通させてナットで固定する場合には、マニホールドにおける積層方向の開口部(即ち積層方向の端部の板材であるエンドプレートにおける開口部)とボルトの頭部又はナットとの間にてガスがリークし易いので、この間隙をガスシールする必要があるが、従来ではこの検討が十分ではなかった。 However, when a bolt is inserted into a manifold formed so as to extend in the stacking direction of the fuel cell stack and is fixed with a nut, an opening in the stacking direction in the manifold (that is, an end plate which is a plate at the end in the stacking direction) Since gas is likely to leak between the opening) and the head or nut of the bolt, it is necessary to gas seal this gap, but this examination has not been sufficient in the past.
例えば上述した隙間をコンプレッションシール材を用いてガスシールする場合には、コンプレッションシール材とエンドプレートやボルトの頭部又はナットとの界面からのガス漏れを完全に防止することは難しいという問題があった。また、コンプレッションシール材自身からのガス漏れが生じることもあった。そして、このようにガス漏れ(特に燃料ガスのガス漏れ)が発生すると、発電効率の低下や、漏れたガスの後処理の必要があるという問題があった。 For example, when gas-sealing the above gap using a compression sealant, it is difficult to completely prevent gas leakage from the interface between the compression sealant and the end plate, bolt head or nut. It was. Further, gas leakage from the compression seal material itself may occur. When gas leaks (particularly fuel gas leaks) occur in this way, there is a problem in that power generation efficiency is reduced and post-treatment of the leaked gas is necessary.
また、ガラスを材料とするシール材を用いる場合には、シール性は高いが、強い力が加わった場合などには、ガラス割れが発生することがあった。しかも、ガラスが軟化するような高温環境下では、ガラスが変形して周囲に広がり積層方向の厚さ変化が発生してしまう。その場合、その後の熱サイクルなどでガラス割れが発生したり、さらには、例えばエンドプレートとボルト及びナットとの間の電気的絶縁が保てないことがあった。 Further, when a sealing material made of glass is used, the sealing performance is high, but when a strong force is applied, a glass crack may occur. In addition, in a high temperature environment where the glass is softened, the glass is deformed and spreads around, causing a thickness change in the stacking direction. In that case, glass breakage may occur in the subsequent thermal cycle, and further, for example, electrical insulation between the end plate and the bolts and nuts may not be maintained.
更に、セラミック製の環状のシール材を用いる場合には、強い力が加わったときに、シール材に割れが生じて、ガス漏れが発生する恐れがあった。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、シール材の割れを防止するとともに、ガス漏れを好適に防止できる燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
Furthermore, when a ceramic annular sealing material is used, when a strong force is applied, the sealing material may be cracked and gas leakage may occur.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell and a method for manufacturing the same that can prevent cracking of the sealing material and suitably prevent gas leakage.
(1)本発明は、第1態様(燃料電池)として、電解質層と、該電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、該電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極と、を有する燃料電池セルが、複数積層された燃料電池において、前記燃料電池には、前記燃料極側の空間に連通する燃料マニホールド及び前記空気極側の空間に連通する酸化剤マニホールドのうち少なくとも一方が、前記積層方向に貫通して開口部にて開口するように設けられ、且つ、前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方には、前記燃料電池を前記積層方向に貫通して外側に突出する貫通部材が配置され、前記貫通部材には、前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方にて、前記開口部と該開口部の径方向における周囲とを覆うように設けられた張出部を備えており、前記貫通部材が外側に突出する部分である前記開口部の前記径方向における周囲には、該周囲を囲むように、前記燃料電池の外側表面と前記張出部とによって前記積層方向から挟まれるとともに、前記燃料電池の外側表面が広がる平面に沿って、コンプレッションシール材とガラスシール材とが並列に配置されていることを特徴とする。 (1) The present invention provides, as a first aspect (fuel cell), an electrolyte layer, a fuel electrode provided on one surface of the electrolyte layer and in contact with fuel gas, and provided on the other surface of the electrolyte layer. In a fuel cell in which a plurality of fuel cells having an air electrode in contact with an oxidant gas are stacked, the fuel cell communicates with a fuel manifold that communicates with the space on the fuel electrode side and a space on the air electrode side At least one of the oxidant manifolds is provided so as to penetrate through the stacking direction and open at an opening , and the fuel cell is stacked on at least one of the fuel manifold and the oxidant manifold. is arranged through member protruding outwardly through the direction, the the penetrating member, at least one of the fuel manifold and the oxidant manifold, said opening and said It includes a projecting portion provided so as to cover the circumference in the radial direction of the mouth portion, wherein the penetrating member is in the periphery in the radial direction of the opening is a portion projecting outward, to surround the periphery As described above, the compression seal material and the glass seal material are arranged in parallel along a plane that is sandwiched by the outer surface of the fuel cell and the overhanging portion from the stacking direction and that spreads the outer surface of the fuel cell. It is characterized by.
本第1態様では、燃料マニホールドや酸化剤マニホールドには貫通部材(例えばボルト)が配置され、この貫通部材が突出する部分、即ちマニホールドの開口部の周囲には、燃料電池(例えば燃料電池スタック)の積層方向における外側表面(例えばエンドプレートの外側表面)と張出部(例えばボルトの頭部又はナット)とによって積層方向から挟まれるとともに、その開口部を囲むように、燃料電池の外側表面が広がる平面(即ちマニホールドの延びる軸方向に対する外周方向:径方向)に沿って、コンプレッションシール材とガラスシール材とが並列に配置されている。 In the first aspect, a penetrating member (for example, a bolt) is disposed in the fuel manifold and the oxidant manifold, and a fuel cell (for example, a fuel cell stack) is disposed around a portion where the penetrating member protrudes, that is, around the opening of the manifold. The outer surface of the fuel cell is sandwiched between the outer surface in the stacking direction (for example, the outer surface of the end plate) and the overhang portion (for example, the head of the bolt or the nut) from the stacking direction and surrounds the opening. A compression seal material and a glass seal material are arranged in parallel along an expanding plane (that is, an outer peripheral direction with respect to the axial direction in which the manifold extends: radial direction).
従って、コンプレッションシール材及びガラスシール材によって(特に周囲に密着するガラスシール材によって)、燃料電池の外側表面と張出部との間におけるガス漏れを好適に防止することができる。なお、ここで防止とは、完全に防止の意味だけではなく、従来よりも、リークを低減できる意味を含むものである(以下同様)
また、積層方向から大きな力が加わった場合でも、コンプレッションシール材によって、過大な力がガラスシール材に加わることを抑制できるので、ガラスシール材が割れることを防止でき、この点からも好適にガス漏れを防止することができる。
Therefore, the gas leakage between the outer surface of the fuel cell and the overhanging portion can be suitably prevented by the compression sealant and the glass sealant (particularly by the glass sealant that is in close contact with the surroundings). Here, the term “prevention” includes not only the meaning of complete prevention but also the meaning that the leakage can be reduced as compared with the conventional case (the same applies hereinafter).
In addition, even when a large force is applied from the stacking direction, the compression sealing material can suppress excessive force from being applied to the glass sealing material, so that the glass sealing material can be prevented from cracking. Leakage can be prevented.
更に、高温環境下で使用されてガラスが軟化した場合でも、コンプレッションシール材によって、ガラスシール材の過度の変形が抑制される。よって、積層方向の厚さを維持することが出来、熱サイクルが加わってもガラス割れを抑制することができ、また、安定した電気的絶縁も可能となる。 Furthermore, even when used in a high temperature environment and the glass is softened, excessive deformation of the glass sealing material is suppressed by the compression sealing material. Therefore, the thickness in the stacking direction can be maintained, and even when a heat cycle is applied, glass breakage can be suppressed, and stable electrical insulation can be achieved.
このように、本第1態様では、ガス漏れ(特に燃料ガスのガス漏れ)の発生を好適に防止できるので、発電効率が高く、漏れたガスの後処理の必要が無い(又は後処理が容易である)などの顕著な効果を奏する。 As described above, in the first aspect, the occurrence of gas leakage (especially fuel gas gas leakage) can be suitably prevented, so that power generation efficiency is high and there is no need for post-processing of the leaked gas (or easy post-processing). This is a remarkable effect.
なお、ここで、マニホールドとは、積層方向に延びるガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)の流路であって、その流路の途中でガスの流路が分岐している。
(2)本発明は、第2態様として、前記貫通部材の張出部が、前記貫通部材と一体の部材である場合には、該一体の張出部と前記燃料電池の外側表面とによって、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とを前記積層方向から挟むことを特徴とする。
Here, the manifold is a flow path of gas (fuel gas or oxidant gas) extending in the stacking direction, and the gas flow path is branched in the middle of the flow path.
(2) In the present invention, as a second aspect, when the projecting portion of the penetrating member is a member integral with the penetrating member, the integral projecting portion and the outer surface of the fuel cell The compression sealing material and the glass sealing material are sandwiched from the stacking direction .
本第2態様は、貫通部材の張出部を例示したものである。
(3)本発明は、第3態様として、前記貫通部材はボルトであり、前記張出部が前記ボルトの頭部である場合には、該ボルトの頭部と前記燃料電池の外側表面とによって、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とを前記積層方向から挟むことを特徴とする。
The second aspect exemplifies the protruding portion of the penetrating member.
(3) In the present invention, as a third aspect, in the case where the penetrating member is a bolt and the overhanging portion is the head of the bolt, the bolt has a head and the outer surface of the fuel cell. The compression sealing material and the glass sealing material are sandwiched from the stacking direction .
本第3態様は、貫通部材及び張出部を例示したものである。
(4)本発明は、第4態様として、前記貫通部材の張出部が、前記貫通部材に係合する部材である場合には、該係合する張出部と前記燃料電池の外側表面とによって、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とを前記積層方向から挟むことを特徴とする。
本第4態様は、貫通部材の張出部を例示したものである。
(5)本発明は、第5態様として、前記貫通部材はボルトであり、前記張出部が前記ボルトに螺合するナットである場合には、該ナットと前記燃料電池の外側表面とによって、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とを前記積層方向から挟むことを特徴とする。
本第5態様は、貫通部材及び張出部を例示したものである。
(6)本発明は、第6態様として、前記貫通部材はボルトであり、前記積層方向の一方の開口部には、前記張出部として前記ボルトの頭部が配置され、該ボルトの頭部と前記燃料電池の外側表面とによって、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とを前記積層方向から挟み、且つ、前記積層方向の他方の開口部には、前記張出部として前記ボルトに螺合するナットが配置され、該ナットと前記燃料電池の外側表面とによって、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とを前記積層方向から挟むことを特徴とする。
本第6態様は、貫通部材及び張出部を例示したものである。
(7)本発明は、第7態様として、前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドに配置された前記貫通部材の周囲に、環状に前記ガラスシール材が配置されるとともに、該ガラスシール材の外周側に、前記コンプレッションシール材が配置されていることを特徴とする。
The third aspect illustrates the penetrating member and the overhanging portion.
(4) In the present invention, as a fourth aspect, when the projecting portion of the penetrating member is a member that engages with the penetrating member, the engaging projecting portion and the outer surface of the fuel cell The compression sealing material and the glass sealing material are sandwiched from the stacking direction.
The fourth aspect exemplifies the protruding portion of the penetrating member.
(5) In the present invention, as a fifth aspect, in the case where the penetrating member is a bolt and the projecting portion is a nut screwed to the bolt, the nut and the outer surface of the fuel cell The compression sealing material and the glass sealing material are sandwiched from the stacking direction.
The fifth aspect illustrates the penetrating member and the overhang portion.
(6) In the sixth aspect of the present invention, as the sixth aspect, the penetrating member is a bolt, and the head of the bolt is disposed as the projecting portion at one opening in the stacking direction. And the outer surface of the fuel cell, the compression seal material and the glass seal material are sandwiched from the stacking direction, and the other opening in the stacking direction is screwed to the bolt as the overhanging portion. And a compression sealing material and the glass sealing material are sandwiched between the nut and the outer surface of the fuel cell from the stacking direction.
The sixth aspect illustrates the penetrating member and the overhanging portion.
( 7 ) In the present invention, as a seventh aspect, the glass sealing material is annularly disposed around the penetrating member disposed in the manifold extending in the laminating direction, and the glass sealing material The compression seal material is disposed on the outer peripheral side.
本第7態様では、ガラスシール材の外周側を囲むようにコンプレッションシール材が配置されている。よって、ガラスが軟化した場合でも、ガラスが周囲に広がり難いという利点がある。 In the seventh aspect, the compression seal material is disposed so as to surround the outer peripheral side of the glass seal material. Therefore, even when the glass is softened, there is an advantage that the glass is difficult to spread around.
(8)本発明は、第8態様として、前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドに配置された前記貫通部材の周囲に、環状に前記コンプレッションシール材が配置されるとともに、該コンプレッションシール材の外周側に、前記ガラスシール材が配置されていることを特徴とする。 ( 8 ) In the present invention, as an eighth aspect, the compression seal material is annularly arranged around the penetrating member arranged in the manifold extending in the laminating direction, and the compression seal material The glass sealing material is disposed on the outer peripheral side.
本第8態様では、コンプレッションシール材の外側を囲むようにガラスシール材が配置されている。よって、ガラスシール材の面積を十分に確保することができるので、ガラスによるガスシール性が高いという利点がある。 In the eighth aspect, the glass sealing material is disposed so as to surround the outside of the compression sealing material. Therefore, since the area of a glass sealing material can fully be ensured, there exists an advantage that the gas-sealing property by glass is high.
(9)本発明は、第9態様として、前記燃料電池は、ボルト締めによって、前記積層方向に押圧されて組み付けられていることを特徴とする。
本第9態様では、ボルト(及びボルトに螺合するナット)によって、燃料電池を締め付け押圧して固定するので、固定が容易であるとともに、確実に固定できるという利点がある。
( 9 ) The present invention, as a ninth aspect, is characterized in that the fuel cell is pressed and assembled in the stacking direction by bolting.
In the ninth aspect, since the fuel cell is fastened and fixed by a bolt (and a nut screwed to the bolt), there is an advantage that the fixation is easy and can be fixed securely.
(10)本発明は、第10態様(燃料電池の製造方法)として、前記第1〜第9態様のいずに記載の燃料電池を製造する燃料電池の製造方法において、前記貫通部材の径方向における周囲を囲むとともに、前記燃料電池の外側表面と前記貫通部材の張出部との間に挟まれるように、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材となるガラス材料とを同一平面上に配置する第1工程と、前記第1工程の後に、前記燃料電池の外側表面と前記貫通部材の張出部との間を押圧するように圧力を加えて、前記コンプレッションシール材を押圧する第2工程と、前記第2工程の後に、前記ガラス材料が軟化する温度以上で加熱し、その後冷却することによって、前記ガラスシール材を形成するとともに、該ガラスシール材を、前記燃料電池の外側表面と前記貫通部材の張出部に接合する第3工程と、を有することを特徴とする。 ( 10 ) The present invention provides a fuel cell manufacturing method for manufacturing a fuel cell according to any one of the first to ninth modes, as a tenth mode (a method for manufacturing a fuel cell), in the radial direction of the penetrating member. And the compression sealant and the glass material to be the glass sealant are arranged on the same plane so as to be sandwiched between the outer surface of the fuel cell and the protruding portion of the penetrating member. A first step and, after the first step, a second step of pressing the compression seal material by applying pressure so as to press between the outer surface of the fuel cell and the protruding portion of the penetrating member; After the second step, the glass sealing material is formed by heating at a temperature at which the glass material is softened and then cooling, and the glass sealing material is formed on the fuel cell. And having a third step of bonding the projecting portion of the penetrating member and the side surface.
本第10態様では、貫通部材の径方向における周囲を囲むとともに、燃料電池の外側表面と貫通部材の張出部との間に挟まれるように、コンプレッションシール材とガラスシール材となるガラス材料を同一平面上に配置する。その後、燃料電池の積層方向より圧力を加えて、コンプレッションシール材を押圧した後に、ガラス材料が軟化する温度以上で加熱し、その後冷却する(即ち軟化したガラス材料を冷却して固化させる)。これによって、ガラスシール材を形成するとともに、ガラスシール材を、燃料電池の外側表面や貫通部材の張出部に接合する。 In the tenth aspect, the compression sealing material and the glass material serving as the glass sealing material are enclosed so as to surround the periphery of the penetrating member in the radial direction and to be sandwiched between the outer surface of the fuel cell and the protruding portion of the penetrating member. Arrange on the same plane. Thereafter, pressure is applied from the stacking direction of the fuel cell to press the compression sealing material, and then the heating is performed at a temperature higher than the temperature at which the glass material softens, and then the glass material is cooled (that is, the softened glass material is cooled and solidified). Thus, the glass sealing material is formed, and the glass sealing material is joined to the outer surface of the fuel cell and the protruding portion of the penetrating member.
この製造方法によって、上述した燃料電池を好適に製造することができる。
なお、以下に、本発明の各構成について説明する。
・コンプレッションシール材とは、(積層方向における)押圧によって自身が変形して周囲(積層方向)の構成に密着してガスシールを行う部材である。このコンプレッションシール材としては、例えばマイカ又はバーミキュライトからなるシート状等の部材を用いることができる。
By this manufacturing method, the above-described fuel cell can be preferably manufactured.
Hereinafter, each configuration of the present invention will be described.
The compression seal material is a member that performs gas sealing while being deformed by pressing (in the stacking direction) and in close contact with the surrounding structure (in the stacking direction). As the compression seal material, for example, a sheet-like member made of mica or vermiculite can be used.
このコンプレッションシール材としては、ガスシール性に加え、一定以上は圧縮されない弾性ストッパーとしての機能や、電気絶縁性等を有するものを採用できる。
・ガラスシール材としては、通常のガラス(例えば非結晶化ガラス)を用いることができるが、それ以外に、結晶化ガラス、部分結晶化ガラス(半結晶化ガラス)を用いることができる。また、ガラス成分以外に、セラミックなど各種の材料を添加してもよい。
As this compression sealing material, in addition to gas sealing properties, a material having a function as an elastic stopper that is not compressed more than a certain amount, an electrical insulating property, or the like can be adopted.
-As a glass sealing material, although normal glass (for example, non-crystallized glass) can be used, crystallized glass and partially crystallized glass (semi-crystallized glass) can be used besides that. In addition to the glass component, various materials such as ceramics may be added.
なお、ガラスの組成としては特に限定されず、燃料電池の製造時に、加熱によって軟化し、積層方向の部材に密着してガスシールできる周知の材料から適宜選択して使用することができる。 In addition, it does not specifically limit as a composition of glass, It can select and use suitably from the well-known material which can be softened by heating at the time of manufacture of a fuel cell, and can adhere | attach and gas-seal it closely to the member of a lamination direction.
また、ガラスシール材を形成する際には、プリフォーム(仮焼したガラス)やシート状のガラス材料を配置する方法や、ガラスペーストによる印刷、ガラス材料のディスペンサーによる塗布などの方法を採用できる。 Moreover, when forming a glass sealing material, the method of arrange | positioning preform (calcined glass) and a sheet-like glass material, the printing by a glass paste, the application | coating by the dispenser of a glass material, etc. is employable.
なお、ガラスシール材は、燃料マニホールドの開口部の周囲のみに配置してもよい。
・各燃料電池セルを積層方向から押圧する部材として、ボルトを使用する場合には、ボルトの熱膨張係数としてガラスシール材の熱膨張係数より大きいものが好ましい。これにより、燃料電池の運転時等(ガラスが軟化しないとき)に、ボルトによってガラスシール材に圧縮応力をかけることができるので、(引張応力が加わる場合に比べて)ガラスの割れを低減できる。
The glass sealing material may be disposed only around the opening of the fuel manifold.
-When using a bolt as a member which presses each fuel cell from the lamination direction, a thing with a larger thermal expansion coefficient of a bolt than the thermal expansion coefficient of a glass sealing material is preferable. Thereby, since the compressive stress can be applied to the glass sealing material by the bolt during the operation of the fuel cell (when the glass is not softened), the cracking of the glass can be reduced (compared to the case where the tensile stress is applied).
・また、ガラスシール材に十分な圧縮力を加えるためには、(ボルトに螺合する)ナットの直下、即ち、ナットをボルトの軸方向に沿って投影した場合に、その投影領域内にガラスシール材が一部又は全体が存在するように配置することが望ましい。なお、ナットの外径の2倍(ナットの径方向の寸法の2倍)の範囲内にガラスシール材が存在していることが好ましい。 In addition, in order to apply a sufficient compressive force to the glass sealing material, when the nut is projected along the axial direction of the bolt (that is screwed into the bolt), that is, when the nut is projected along the axial direction of the glass, It is desirable to arrange the sealing material so that part or all of the sealing material exists. In addition, it is preferable that the glass sealing material exists within the range of twice the outer diameter of the nut (twice the dimension in the radial direction of the nut).
・なお、積層方向に延びる燃料マニホールド及び空気マニホールドと、これらのマニホールドに挿入される前記ボルトとを、同軸に配置することができる。 The fuel manifold and air manifold extending in the stacking direction and the bolts inserted into these manifolds can be arranged coaxially.
以下、本発明が適用された燃料電池及びその製造方法の実施例について、図面を用いて説明する。なお、以下では、燃料電池として固体酸化物燃料電池を例に挙げて説明する。 Embodiments of a fuel cell to which the present invention is applied and a method for manufacturing the same will be described below with reference to the drawings. Hereinafter, a solid oxide fuel cell will be described as an example of the fuel cell.
a)まず、本実施例1の固体酸化物形燃料電池の概略構成について説明する。
図1に示す様に、固体酸化物形燃料電池201は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気:詳しくは空気中の酸素)との供給を受けて発電を行う装置である。以下「固体酸化物形」は省略することもある。
a) First, the schematic configuration of the solid oxide fuel cell of Example 1 will be described.
As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell 201 is a device that generates power by receiving supply of a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air: in detail, oxygen in the air). Hereinafter, the “solid oxide form” may be omitted.
この燃料電池201は、発電単位(発電セル)である平板形の燃料電池セル203が、複数個(例えば24段)積層された燃料電池スタック205と、燃料電池スタック205を積層方向(図1(b)の上下方向)貫く複数のボルト211〜218と、各ボルト211〜218の端部(ここでは上部)に螺合する各ナット219(総称)とを備えている。 This fuel cell 201 includes a fuel cell stack 205 in which a plurality of (for example, 24 stages) flat plate fuel cell cells 203 as power generation units (power generation cells) are stacked, and the fuel cell stack 205 in the stacking direction (FIG. b) in the up-and-down direction) a plurality of bolts 211 to 218 penetrating through and nuts 219 (generic name) to be screwed into end portions (upper portions in this case) of the bolts 211 to 218.
なお、前記燃料電池スタック205は、複数個の燃料電池セル203が電気的に直列に接続されたものである。
また、図1(a)、(b)に示す様に、各ボルト211〜218のうち、第2ボルト212に螺合するナット219には、燃料ガスを燃料電池201に供給する燃料ガス導入管221が設けられ、第4ボルト214に螺合するナット219には、空気を燃料電池201に供給する空気導入管223が設けられ、第6ボルト216に螺合するナット219には、発電後の燃料ガスを燃料電池201から排出する燃料ガス排出管225が設けられ、第8ボルト218に螺合するナット219には、発電後の酸化剤ガス(以下、単に空気と記すこともある)を燃料電池201から排出する空気排出管227が設けられている。
The fuel cell stack 205 includes a plurality of fuel cells 203 electrically connected in series.
Further, as shown in FIGS. 1A and 1B, among the bolts 211 to 218, a fuel gas introduction pipe that supplies fuel gas to the fuel cell 201 is connected to a nut 219 screwed into the second bolt 212. 221 is provided, and the nut 219 that is screwed to the fourth bolt 214 is provided with an air introduction pipe 223 that supplies air to the fuel cell 201. The nut 219 that is screwed to the sixth bolt 216 is A fuel gas discharge pipe 225 for discharging the fuel gas from the fuel cell 201 is provided, and an oxidant gas after power generation (hereinafter sometimes simply referred to as air) is fueled in a nut 219 screwed into the eighth bolt 218. An air discharge pipe 227 for discharging from the battery 201 is provided.
以下、各構成について説明する。
・図2に示す様に、前記燃料電池スタック205を構成する各燃料電池セル203は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状の燃料電池セル203であり、この燃料電池セル203には、上下一対の(導電性を有する)インターコネクタ243、243の間に、燃料ガスが流れる燃料流路231と空気が流れる空気流路233とが分離して設けられている。
Each configuration will be described below.
As shown in FIG. 2, each fuel battery cell 203 constituting the fuel battery stack 205 is a so-called fuel electrode support membrane type plate-like fuel battery cell 203. A fuel channel 231 through which fuel gas flows and an air channel 233 through which air flows are separately provided between the pair of interconnectors 243 and 243 (having conductivity).
また、燃料電池セル203には、燃料流路231側に、板状の燃料極(アノード)235が配置されているとともに、燃料極235の表面(図2上側)には、薄膜の固体電解質層である固体酸化物層237が形成されている。更に、固体酸化物層237の表面(図2上側)には、薄膜の空気極(カソード)239が形成されている。なお、燃料極235と固体酸化物層237と空気極239とをセル本体(単セル)241と称する。 The fuel cell 203 is provided with a plate-shaped fuel electrode (anode) 235 on the fuel flow path 231 side, and a thin solid electrolyte layer on the surface of the fuel electrode 235 (upper side in FIG. 2). A solid oxide layer 237 is formed. Furthermore, a thin air electrode (cathode) 239 is formed on the surface of the solid oxide layer 237 (upper side in FIG. 2). The fuel electrode 235, the solid oxide layer 237, and the air electrode 239 are referred to as a cell body (single cell) 241.
更に、燃料電池セル203内には、燃料極235と図2下側のインターコネクタ243との間に、(金属メッシュ等からなる通気性を有する)燃料極側集電体253が配置され、また、各インターコネクタ243の一方(図2下方)の表面には、空気極側集電体255となるブロック状の多数の凸部が一体に形成されている。 Further, in the fuel cell 203, a fuel electrode side current collector 253 (having air permeability made of a metal mesh or the like) is disposed between the fuel electrode 235 and the interconnector 243 on the lower side of FIG. On the surface of one of the interconnectors 243 (lower side in FIG. 2), a large number of block-shaped convex portions serving as the air electrode side current collector 255 are integrally formed.
また、この燃料電池セル203は、セル本体(単セル)241を囲むように、空気極239側のシート状のガスシール部(内部ガスシール部)245と、セル本体(単セル)241の外縁部(詳しくは固体酸化物層237の外縁部)の上面に接合して空気流路233と燃料流路231との間を遮断するセパレータ247と、燃料流路231側に配置された燃料極フレーム249とを備えており、それらが積層されて一体に構成されている。 Further, the fuel battery cell 203 includes a sheet-like gas seal portion (internal gas seal portion) 245 on the air electrode 239 side and an outer edge of the cell main body (single cell) 241 so as to surround the cell main body (single cell) 241. A separator 247 joined to the upper surface of the portion (specifically, the outer edge of the solid oxide layer 237) and blocking between the air flow path 233 and the fuel flow path 231, and a fuel electrode frame disposed on the fuel flow path 231 side 249, and they are laminated to form a single unit.
なお、燃料電池201の積層方向の両端の(インターコネクタ243と同様な導電性を有する)板材を、エンドプレート251A、251Bと称する。
また、本実施例1では、後に詳述するように、前記燃料電池セル203内のガスシール部245に加え、一方のエンドプレート251Aと所定のナット219との間をガスシールする第1ガスシール部300と、他方のエンドプレート251Bと所定のボルト212、216との間をガスシールする第2ガスシール部310を備えている。
The plate members (having the same conductivity as the interconnector 243) at both ends in the stacking direction of the fuel cell 201 are referred to as end plates 251A and 251B.
Further, in the first embodiment, as will be described in detail later, in addition to the gas seal portion 245 in the fuel battery cell 203, a first gas seal that gas seals between one end plate 251A and a predetermined nut 219 is provided. Part 300 and a second gas seal part 310 for gas-sealing between the other end plate 251 </ b> B and predetermined bolts 212 and 216.
ここで、固体酸化物層237としては、YSZ、ScSZ、SDC、GDC、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極235としては、Ni及びNiとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極239としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。 Here, as the solid oxide layer 237, materials such as YSZ, ScSZ, SDC, GDC, and perovskite oxide can be used. Further, as the fuel electrode 235, Ni and a cermet of Ni and ceramic can be used, and as the air electrode 239, a perovskite oxide, various noble metals and cermets of noble metal and ceramic can be used.
更に、インターコネクタ243、エンドプレート251A、251B、セパレータ247、燃料極フレーム249としては、例えばSUS430、SUS444等のフェライト系ステンレスからなる金属板が使用できる。また、各ボルト211〜218やナット219は、例えばインコネル(登録商標)からなる金属部材を採用できる。 Further, as the interconnector 243, the end plates 251A and 251B, the separator 247, and the fuel electrode frame 249, for example, a metal plate made of ferritic stainless steel such as SUS430 and SUS444 can be used. In addition, each of the bolts 211 to 218 and the nut 219 can employ a metal member made of, for example, Inconel (registered trademark).
なお、各金属板の熱膨張係数としては、8〜14×10−6/K(20〜300℃)の範囲を採用でき、ボルト211〜218やナット219の熱膨張係数としては、金属板より熱膨張係数が大きな例えば16×10−6/K(20〜300℃)を採用できる。 In addition, as a thermal expansion coefficient of each metal plate, the range of 8-14 * 10 < -6 > / K (20-300 degreeC) is employable, As a thermal expansion coefficient of the bolt 211-218 or the nut 219, it is from a metal plate. For example, 16 × 10 −6 / K (20 to 300 ° C.) having a large thermal expansion coefficient can be employed.
・以下に、燃料電池セル203を構成する各部材について、更に詳細に説明する。
なお、燃料電池セル203の平面形状は正方形であるので、燃料電池セル203を構成する各部材の平面形状も正方形である。
Hereinafter, each member constituting the fuel battery cell 203 will be described in more detail.
Since the planar shape of the fuel battery cell 203 is square, the planar shape of each member constituting the fuel battery cell 203 is also square.
図3に分解して示す様に、燃料極側集電体253が載置されたインターコネクタ243と、燃料極フレーム249と、セル本体(単セル)241に接合されたセパレータ247とは、同図の上下方向に積層されて、(後述するレーザー溶接によって)一体となって、燃料電池のカセット257として構成されている。 As shown in an exploded view in FIG. 3, the interconnector 243 on which the fuel electrode side current collector 253 is placed, the fuel electrode frame 249, and the separator 247 joined to the cell body (single cell) 241 are the same. The fuel cell cassettes 257 are stacked in the vertical direction in the figure and integrated together (by laser welding described later).
このうち、インターコネクタ243は、正方形の板材であり、その外縁部には、前記ボルト211〜218が貫挿される挿通孔(第1〜第8挿通孔)261〜268が、ほぼ等間隔に形成されている。つまり、インターコネクタ243の四隅と各辺の中点に対応する位置に、8箇所に挿通孔261〜268(なお、各部材における挿通孔には同じ番号を付す)が形成されている。 Among these, the interconnector 243 is a square plate material, and insertion holes (first to eighth insertion holes) 261 to 268 through which the bolts 211 to 218 are inserted are formed at substantially equal intervals on the outer edge portion thereof. Has been. That is, the insertion holes 261 to 268 (the same numbers are assigned to the insertion holes in each member) are formed at eight positions at positions corresponding to the four corners of the interconnector 243 and the midpoint of each side.
前記挿通孔261〜268のうち、四隅の第1、第3、第5、第7挿通孔261、263、265、267は、燃料ガスや空気のガス流路として用いられない丸孔である。
また、対向する辺に設けられた第2、第6挿通孔262、266は、辺に沿った寸法が長い長円形である、このうち、第2挿通孔262が、燃料ガスを燃料電池セル203内の燃料流路231に導入する燃料ガスの導入路(燃料ガスの導入側の燃料マニホールド)である。一方、第6挿通孔266が、燃料ガスを燃料電池セル203内の燃料流路231から排出する燃料ガスの排出路(燃料ガスの排出側の燃料マニホールド)である。
Of the insertion holes 261 to 268, the first, third, fifth, and seventh insertion holes 261, 263, 265, and 267 at the four corners are round holes that are not used as gas flow paths for fuel gas or air.
Further, the second and sixth insertion holes 262 and 266 provided on the opposite sides are oval having a long dimension along the side. Among these, the second insertion hole 262 transmits the fuel gas to the fuel cell 203. This is a fuel gas introduction path (fuel manifold on the fuel gas introduction side) to be introduced into the internal fuel flow path 231. On the other hand, the sixth insertion hole 266 is a fuel gas discharge path (fuel manifold on the fuel gas discharge side) for discharging the fuel gas from the fuel flow path 231 in the fuel cell 203.
更に、他の対向する辺に設けられた第4、第8挿通孔264、268は丸孔であり、このうち、第4挿通孔264が、空気を燃料電池セル203内の空気流路233に導入する空気の導入路(空気の導入側の空気マニホールド)である。一方、第8挿通孔268が、空気を燃料電池セル203内の空気流路233から排出する空気の排出路(空気の排出側の空気マニホールド)である。 Furthermore, the fourth and eighth insertion holes 264 and 268 provided on the other opposing sides are round holes, and among these, the fourth insertion hole 264 is used to supply air to the air flow path 233 in the fuel cell 203. An air introduction path (air manifold on the air introduction side) to be introduced. On the other hand, the eighth insertion hole 268 is an air discharge path (air manifold on the air discharge side) for discharging air from the air flow path 233 in the fuel cell 203.
なお、エンドプレート251A、251Bについては、全ての挿通孔は、前記四隅の第1、第3、第5、第7挿通孔261、263、265、267と同様な(平面視の形状及び寸法)丸孔である。 For the end plates 251A and 251B, all the insertion holes are the same as the first, third, fifth, and seventh insertion holes 261, 263, 265, and 267 at the four corners (the shape and dimensions in plan view). It is a round hole.
なお、各燃料マニホールドや空気マニホールドと、各燃料マニホールドや空気マニホールドに挿通される各ボルト211〜218とは、それぞれ同軸に配置されている。
前記燃料極フレーム249は、正方形の枠状の板材であり、その外縁部には、前記ボルト211〜218が貫挿される前記第1〜第8挿通孔261〜268が形成されている。
Each fuel manifold or air manifold and each bolt 211 to 218 inserted through each fuel manifold or air manifold are arranged coaxially.
The fuel electrode frame 249 is a square frame-shaped plate member, and the first to eighth insertion holes 261 to 268 through which the bolts 211 to 218 are inserted are formed on the outer edge portion thereof.
このうち、第2、第6挿通孔262、266には、長手方向に(貫通孔である)スリット271、273が形成されており、燃料極フレーム249のインターコネクタ243側(同図下側)には、各スリット271、273と枠内の開口部275とを連通するように、複数の(燃料ガスの流路となる)溝277、279が形成されている。 Among them, the second and sixth insertion holes 262 and 266 are formed with slits 271 and 273 in the longitudinal direction (through holes), and the interconnector 243 side (lower side in the figure) of the fuel electrode frame 249. A plurality of grooves 277 and 279 (which serve as fuel gas flow paths) are formed so that the slits 271 and 273 communicate with the opening 275 in the frame.
前記セパレータ247は、正方形の枠状の板材であり、その外縁部には、前記ボルト211〜218が貫挿される前記第1〜第8挿通孔261〜268が形成されている。
そして、上述した構成の燃料電池のカセット257は、図4に示すように、間にシート状のガスシール部245を介して積層されている。
The separator 247 is a square frame-shaped plate member, and the first to eighth insertion holes 261 to 268 through which the bolts 211 to 218 are inserted are formed on the outer edge portion thereof.
And the cassette 257 of the fuel cell of the structure mentioned above is laminated | stacked through the sheet-like gas seal part 245 between them, as shown in FIG.
前記ガスシール部245は、図5に示すように、マイカからなるシート状のコンプレッションシール材291と、ガラスからなるガラスシール材293とから構成されている。なお、コンプレッションシール材291及びガラスシール材293は、電気絶縁性を有している。 As shown in FIG. 5, the gas seal portion 245 includes a sheet-like compression seal material 291 made of mica and a glass seal material 293 made of glass. Note that the compression sealant 291 and the glass sealant 293 have electrical insulation.
具体的には、燃料電池セル203の積層方向(図5の紙面の厚み方向)に延びる燃料マニホールドの周囲には、燃料電池スタック205を構成するインターコネクタ243(又はエンドプレート251A、251B)やセパレータ247によって積層方向から挟まれるとともに、燃料マニホールドを外側(外周側)から囲むように、燃料電池セル203が広がる平面(紙面の広がる平面)に沿って、コンプレッションシール材291とガラスシール材293とが順番に並列に配置されている。 Specifically, an interconnector 243 (or end plates 251A, 251B) or a separator constituting the fuel cell stack 205 is disposed around the fuel manifold extending in the stacking direction of the fuel cells 203 (the thickness direction of the paper in FIG. 5). The compression sealing material 291 and the glass sealing material 293 are sandwiched by the 247 from the stacking direction and along a plane (plane on which the paper surface spreads) in which the fuel cell 203 extends so as to surround the fuel manifold from the outside (outer peripheral side). They are arranged in parallel in order.
つまり、ボルト212、216、従って燃料マニホールドである第2、第6挿通孔262、266の軸方向から見て(平面視にて)、燃料マニホールドの周囲を軸方向と垂直の径方向から囲むように、ガラスシール材263とコンプレッションシール材291とが、同心状に配置されている。すなわち、内側に環状のガラスシール材293が配置され、その外周側を全て囲むように、コンプレッションシール材291が配置されている。 That is, when viewed from the axial direction (in plan view) of the bolts 212 and 216, and hence the second and sixth insertion holes 262 and 266 that are fuel manifolds, the fuel manifold is surrounded from the radial direction perpendicular to the axial direction. Further, the glass sealing material 263 and the compression sealing material 291 are arranged concentrically. That is, an annular glass sealing material 293 is disposed on the inner side, and a compression sealing material 291 is disposed so as to surround the entire outer peripheral side thereof.
詳しくは、コンプレッションシール材291は、正方形の枠状の部材であり、その外縁部には、前記ボルト211〜218が貫挿される前記第1〜第8挿通孔261〜268が形成されている。なお、コンプレッションシール材291の厚みは、組み付ける前は0.40mmであり、組み付け後(圧縮後)は0.36mmである。 Specifically, the compression seal material 291 is a square frame-shaped member, and the first to eighth insertion holes 261 to 268 through which the bolts 211 to 218 are inserted are formed on the outer edge portion thereof. The compression sealant 291 has a thickness of 0.40 mm before assembling and 0.36 mm after assembling (after compression).
このうち、第1、第3、第5、第7挿通孔261、263、265、267は丸孔であり、第4、第8挿通孔264、268は、それより直径が大きな丸孔であり、第2、第6挿通孔262、266は、長円形の長孔である。 Of these, the first, third, fifth, and seventh insertion holes 261, 263, 265, and 267 are round holes, and the fourth and eighth insertion holes 264 and 268 are round holes having a larger diameter. The second and sixth insertion holes 262 and 266 are oval long holes.
また、コンプレッションシール材291には、空気の流路として、各第4、第8挿通孔264、268と枠内の開口部299と連通するように、それぞれ連通路295、297が設けられている。 Further, the compression seal material 291 is provided with communication passages 295 and 297 as air flow paths so as to communicate with the fourth and eighth insertion holes 264 and 268 and the opening 299 in the frame, respectively. .
また、第2、第6挿通孔262、266の内周側には、積層方向(図5の紙面と垂直方向)から見て、セパレータ247の第2、第6挿通孔262、266の周囲を囲むように、厚み0.3mm×幅3.0mmの環状のガラスシール材293が配置されている。 Further, on the inner peripheral side of the second and sixth insertion holes 262 and 266, the periphery of the second and sixth insertion holes 262 and 266 of the separator 247 is seen from the stacking direction (perpendicular to the paper surface of FIG. 5). An annular glass sealing material 293 having a thickness of 0.3 mm and a width of 3.0 mm is disposed so as to surround it.
このガラスシール材293は、ガラスを含む(例えばガラスを主成分とする)ガス封止材である。ここでは、例えば、市販の結晶化ガラスのプリフォーム(仮焼結体)を用いることができ、その軟化点は例えば770℃である。 The glass sealing material 293 is a gas sealing material containing glass (for example, containing glass as a main component). Here, for example, a commercially available crystallized glass preform (preliminary sintered body) can be used, and its softening point is, for example, 770 ° C.
また、このガラスシール材293としては、熱膨張係数が周囲の金属板(例えばフェライト系ステンレス製)の熱膨張係数に近いもの、例えば熱膨張係数が8〜14×10−6/K(20〜300℃)が望ましく(例えば11×10−6/K(20〜300℃))、例えばSCHOTT社製のG018−311を用いることができる。 Moreover, as this glass sealing material 293, the thermal expansion coefficient is close to the thermal expansion coefficient of the surrounding metal plate (for example, made of ferritic stainless steel), for example, the thermal expansion coefficient is 8 to 14 × 10 −6 / K (20 to 300 ° C.) is desirable (for example, 11 × 10 −6 / K (20 to 300 ° C.)), for example, G018-311 manufactured by SCHOTT can be used.
なお、燃料電池201の運転温度は、例えば700℃であるが、ガスシール部245近傍では、650℃程度であるので、ガラスシール材293として、運転時のガスシール部245の温度より軟化点の高いものが用いられる。 The operating temperature of the fuel cell 201 is, for example, 700 ° C., but is approximately 650 ° C. in the vicinity of the gas seal portion 245. Therefore, as the glass seal material 293, the softening point is higher than the temperature of the gas seal portion 245 during operation. Higher ones are used.
b)次に、本実施例1の要部である第1ガスシール部300及び第2ガスシール部310について説明する。
前記図2に示す様に、本実施例1の燃料電池201では、燃料マニホールドを構成する第2挿通孔262及び第6挿通孔266の一方(同図上方)の開口端(開口部)267aをガスシールするために、第1ガスシール部300が設けられ、他方(同図下方)の開口端(開口部)267bをガスシールするために、第2ガスシール部310が設けられている。
b) Next, the 1st gas seal part 300 and the 2nd gas seal part 310 which are the principal parts of the present Example 1 are demonstrated.
As shown in FIG. 2, in the fuel cell 201 of the first embodiment, one of the second insertion hole 262 and the sixth insertion hole 266 (upper part in the figure) 267a constituting the fuel manifold is provided with an opening end (opening) 267a. A first gas seal portion 300 is provided for gas sealing, and a second gas seal portion 310 is provided for gas sealing the other (lower side) opening end (opening portion) 267b.
詳しくは、第1ガスシール部300は、図2の上方の一方のエンドプレート251Aと(燃料マニホールドである第2、第6挿通孔262、266の一方の開口部267a側に配置された)各ナット219との間、つまり、一方のエンドプレート251Aの上面252aと各ナット219の下面219aとの間をガスシールするように設けられている。 Specifically, the first gas seal portion 300 is arranged on one end plate 251A on the upper side in FIG. 2 and on each opening 267a side of the second and sixth insertion holes 262 and 266 that are fuel manifolds. Between the nuts 219, that is, between the upper surface 252a of one end plate 251A and the lower surface 219a of each nut 219, a gas seal is provided.
なお、ナット219は、図2の上方から見て、燃料マニホールドの一方(図2上方)の開口部267aを覆うように設けられている。
同様に、第2ガスシール部310は、図2の下方の他方のエンドプレート251Bと(燃料マニホールドである第2、第6挿通孔262、266の他方の開口部267b側に配置された)各ボルト212、216の頭部210の間、つまり、他方のエンドプレート251Bの下面252bと各ボルト212、216の頭部210の上面210bとの間をガスシールするように設けられている。
The nut 219 is provided so as to cover the opening 267a on one side (upper side of FIG. 2) of the fuel manifold as viewed from the upper side of FIG.
Similarly, the second gas seal portion 310 is disposed on the other end plate 251B on the lower side of FIG. 2 (located on the other opening 267b side of the second and sixth insertion holes 262 and 266 which are fuel manifolds). Between the heads 210 of the bolts 212 and 216, that is, between the lower surface 252b of the other end plate 251B and the upper surface 210b of the head 210 of each bolt 212 and 216, a gas seal is provided.
なお、ボルト212、216の頭部2109は、図2の下方から見て、燃料マニホールドの他方(図2下方)の開口部267bを覆うように設けられている。
このうち、第1ガスシール部300は、図6に示すように、同一平面上にて、各ボルト212、216の軸部220(及び各挿通孔262、266)の周囲を囲むように配置された環状のコンプレッションシール材347と、コンプレッションシール材347の外側の周囲を囲むように配置された(ナット219やエンドプレート251Aに接合した)環状のガラスシール材349とから構成されている。
The heads 2109 of the bolts 212 and 216 are provided so as to cover the opening 267b on the other side (lower side in FIG. 2) of the fuel manifold as viewed from the lower side in FIG.
Among these, as shown in FIG. 6, the first gas seal portion 300 is disposed so as to surround the periphery of the shaft portion 220 (and each insertion hole 262, 266) of each bolt 212, 216 on the same plane. The annular compression seal material 347 and the annular glass seal material 349 (joined to the nut 219 and the end plate 251A) arranged so as to surround the outer periphery of the compression seal material 347.
具体的には、ボルト212、216のうち、燃料電池スタック205から(図2の上方に)突出する部分の径方向における周囲には、その周囲を外側(外周側)から囲むように、エンドプレート251A及びナット219によって、燃料電池セル203の積層方向(図6の紙面の厚み方向)から挟まれるとともに、燃料電池セル203が広がる平面(紙面の広がる平面)に沿って、コンプレッションシール材347とガラスシール材349とが順番に並列に配置されている。 Specifically, of the bolts 212 and 216, the end plate protrudes from the fuel cell stack 205 (upward in FIG. 2) in the radial direction so as to surround the periphery from the outside (outer peripheral side). The compression sealing material 347 and the glass are sandwiched between the stacking direction of the fuel battery cells 203 (the thickness direction of the paper surface in FIG. 6) by the 251A and the nut 219, and along the plane in which the fuel battery cells 203 extend (the plane in which the paper sheet extends). Sealing material 349 is arranged in parallel in order.
つまり、図6に示すように、ボルト212、216の軸方向から見て(平面視にて)、ボルト212、216の軸部220の周囲を囲むように、即ち、軸部220を軸方向と垂直の径方向から囲むように、コンプレッションシール材347とガラスシール材349とが、同心円状に配置されている。すなわち、内側に環状のコンプレッションシール材347が配置され、その外周側を全て囲むように、環状のガラスシール材349が配置されている。 That is, as shown in FIG. 6, when viewed from the axial direction of the bolts 212 and 216 (in plan view), it surrounds the periphery of the shaft part 220 of the bolts 212 and 216, that is, the shaft part 220 is defined as the axial direction. A compression seal material 347 and a glass seal material 349 are arranged concentrically so as to surround from the vertical radial direction. That is, an annular compression seal material 347 is disposed on the inner side, and an annular glass seal material 349 is disposed so as to surround the entire outer peripheral side thereof.
同様に(図2参照)、第2ガスシール部310は、同一平面上にて、各ボルト212、216の軸部220(及び各挿通孔262、266)の周囲を囲むように配置された環状のコンプレッションシール材351と、コンプレッションシール材351の外側の周囲を囲むように配置された(各ボルト212、216の頭部210やエンドプレート251Bに接合した)環状のガラスシール材353とから構成されている。 Similarly (refer to FIG. 2), the second gas seal portion 310 is an annular shape disposed so as to surround the periphery of the shaft portion 220 (and each insertion hole 262, 266) of each bolt 212, 216 on the same plane. Compression sealing material 351, and an annular glass sealing material 353 (joined to the head 210 of each bolt 212, 216 or the end plate 251B) disposed so as to surround the periphery of the compression sealing material 351. ing.
具体的には、ボルト212、216のうち、燃料電池スタック205から(図2の下方に)突出する部分の径方向における周囲には、その周囲を外側(外周側)から囲むように、エンドプレート251B及びボルト212、216の頭部210によって、燃料電池セル203の積層方向から挟まれるとともに、燃料電池セル203が広がる平面に沿って、コンプレッションシール材351とガラスシール材353とが順番に並列に配置されている。 Specifically, of the bolts 212 and 216, the end plate protrudes from the fuel cell stack 205 (downward in FIG. 2) in the radial direction so as to surround the periphery from the outside (outer peripheral side). The compression sealing material 351 and the glass sealing material 353 are sequentially arranged in parallel along the plane in which the fuel cell 203 is sandwiched between the fuel cell 203 and the head 210 of the bolts 212 and 216 from the stacking direction. Has been placed.
つまり、図6に示すように、ボルト212、216の軸方向から見て(平面視にて)、ボルト212、216の軸部220の周囲を囲むように、即ち、軸部220を軸方向と垂直の径方向から囲むように、コンプレッションシール材351とガラスシール材353とが、同心円状に配置されている。すなわち、内側に環状のコンプレッションシール材351が配置され、その外周側を全て囲むように、環状のガラスシール材353が配置されている。 That is, as shown in FIG. 6, when viewed from the axial direction of the bolts 212 and 216 (in plan view), it surrounds the periphery of the shaft part 220 of the bolts 212 and 216, that is, the shaft part 220 is defined as the axial direction. A compression seal material 351 and a glass seal material 353 are arranged concentrically so as to surround from the vertical radial direction. That is, an annular compression seal material 351 is disposed on the inner side, and an annular glass seal material 353 is disposed so as to surround the entire outer peripheral side thereof.
前記第1、第2ガスシール部300、310では、各コンプレッションシール材347、351は、前記ガスシール部245と同様に、マイカからなるシート状の部材であり、各ガラスシール材349、353は、ガラスから構成されている。なお、両コンプレッションシール材347、351及び各ガラスシール材349、353も、電気絶縁性を有している。 In the first and second gas seal portions 300 and 310, the compression seal materials 347 and 351 are sheet-like members made of mica, like the gas seal portion 245, and the glass seal materials 349 and 353 are It is composed of glass. In addition, both compression sealing materials 347 and 351 and each glass sealing material 349 and 353 also have electrical insulation.
詳しくは、各コンプレッションシール材347、351は、外径17mm×内径11mm)の円環であり、組み付ける前の厚みは0.5mmであり、組み付け後(圧縮後)の厚みは0.4mmである。 Specifically, each compression seal material 347, 351 is a ring with an outer diameter of 17 mm × an inner diameter of 11 mm), the thickness before assembly is 0.5 mm, and the thickness after assembly (after compression) is 0.4 mm. .
また、各ガラスシール材349、353は、ガラスを含む(例えばガラスを主成分とする)ガス封止材である。ここでは、前記ガスシール部245と同様に、例えば、市販の結晶化ガラスのプリフォーム(仮焼結体)を用いることができ、その軟化点は例えば770℃である。 Each glass sealing material 349, 353 is a gas sealing material containing glass (for example, containing glass as a main component). Here, similarly to the gas seal portion 245, for example, a commercially available crystallized glass preform (preliminary sintered body) can be used, and its softening point is, for example, 770 ° C.
また、このガラスシール材349、353としては、前記ガスシール部241と同様に、熱膨張係数が周囲の金属板(例えばフェライト系ステンレス製)の熱膨張係数に近いもの、例えば熱膨張係数が8〜14×10−6/K(20〜300℃)が望ましく(例えば11×10−6/K(20〜300℃))、例えばSCHOTT社製のG018−311を用いることができる。 Further, as the glass sealing materials 349 and 353, as in the case of the gas seal portion 241, the one having a thermal expansion coefficient close to that of a surrounding metal plate (for example, made of ferritic stainless steel), for example, having a thermal expansion coefficient of 8 -14 × 10 −6 / K (20 to 300 ° C.) is desirable (for example, 11 × 10 −6 / K (20 to 300 ° C.)), and for example, G018-311 manufactured by SCHOTT can be used.
なお、燃料電池201の運転温度は、例えば700℃であるが、第1、第2ガスシール部300、310近傍では、640℃程度であるので、ガラスシール材349、353として、運転時の第1、第2ガスシール部300、310の温度より軟化点の高いものが用いられる。また、ガスシール部245のガラスシール材293と、第1、第2ガスシール部300、310のガラスシール材349、353として、異なる材料(例えば軟化点が異なる材料)を用いてもよい。 The operating temperature of the fuel cell 201 is, for example, 700 ° C., but is around 640 ° C. in the vicinity of the first and second gas seal portions 300, 310. 1. The thing with a softening point higher than the temperature of the 2nd gas seal part 300,310 is used. Further, different materials (for example, materials having different softening points) may be used as the glass seal material 293 of the gas seal portion 245 and the glass seal materials 349 and 353 of the first and second gas seal portions 300 and 310.
なお、第1、第3、第4、第5、第7、第8ボルト211、213、214、215、217、218及びそれらに螺合するナット219については、ガスシールする必要は無いので、単に、スペーサとして、第1、第2ガスシール部300、310で使用されたと同様な環状のマイカからなるコンプレッションシール材(図示せず)のみが使用されている。 The first, third, fourth, fifth, seventh, and eighth bolts 211, 213, 214, 215, 217, and 218 and the nut 219 screwed to them do not need to be gas sealed, As a spacer, only a compression seal material (not shown) made of an annular mica similar to that used in the first and second gas seal portions 300 and 310 is used.
或いは、空気マニホールドに対応する第4、第8挿通孔264、268の開口部を、燃料マニホールドと同様にガスシールするように、第1、第2ガスシール部300、310と同様な構成のガスシール部(図示せず)を設けてもよい。 Alternatively, the gas having the same configuration as that of the first and second gas seal portions 300 and 310 so that the openings of the fourth and eighth insertion holes 264 and 268 corresponding to the air manifold are gas-sealed similarly to the fuel manifold. A seal portion (not shown) may be provided.
又は、第1〜第8挿通孔261〜268の全ての開口部を全てガスシールするように、第1、第2ガスシール部300、310と同様な構成のガスシール部(図示せず)を設けてもよい。 Alternatively, a gas seal portion (not shown) having the same configuration as the first and second gas seal portions 300 and 310 is provided so that all the openings of the first to eighth insertion holes 261 to 268 are gas-sealed. It may be provided.
c)次に、本実施例1におけるガスの流路について簡単に説明する。
<燃料ガスの流路>
図7(a)に示すように、燃料ガス導入管221から燃料電池スタック205内に導入された燃料ガスは、第2ボルト212が挿通される(導入側の燃料マニホールドである)第2挿通孔262に導入される。
c) Next, the gas flow path in the first embodiment will be briefly described.
<Flow path of fuel gas>
As shown in FIG. 7A, the fuel gas introduced from the fuel gas introduction pipe 221 into the fuel cell stack 205 is inserted into the second bolt 212 (which is an introduction side fuel manifold). 262.
なお、第2ボルト212の先端(同図上方)には、軸方向に溝(図示せず)が形成してあり、この溝を介して燃料ガス導入管221内の空間と第2挿通孔262内とが連通している(燃料ガスの排出側と、空気の導入側及び排出側も、同様な構造となっている)。 In addition, a groove (not shown) is formed in the axial direction at the tip of the second bolt 212 (upward in the figure), and the space in the fuel gas introduction pipe 221 and the second insertion hole 262 are formed through this groove. The inside communicates (the fuel gas discharge side, the air introduction side and the discharge side have the same structure).
この燃料ガスは、第2挿通孔262から、各燃料電池セル203の燃料極フレーム249の溝277を介して、燃料電池セル203の内部の燃料流路231内に導入される。
その後、燃料電池セル203内にて発電に寄与した残余の燃料ガスは、燃料極フレーム249の他の溝279を介して、第6ボルト216が挿通される(排出側の燃料マニホールドである)第6挿通孔266を介して、燃料ガス排出管225から燃料電池スタック205外に排出される。
This fuel gas is introduced from the second insertion hole 262 into the fuel flow path 231 inside the fuel cell 203 through the groove 277 of the fuel electrode frame 249 of each fuel cell 203.
Thereafter, the remaining fuel gas that has contributed to power generation in the fuel cell 203 is inserted through the other groove 279 of the fuel electrode frame 249 through the sixth bolt 216 (which is a discharge-side fuel manifold). The gas is discharged from the fuel gas discharge pipe 225 to the outside of the fuel cell stack 205 through the six insertion holes 266.
<空気の流路>
図7(b)に示すように、空気導入管223から燃料電池スタック205内に導入された空気は、第4ボルト214が挿通される(導入側の空気マニホールドである)第4挿通孔264に導入される。
<Air flow path>
As shown in FIG. 7B, the air introduced into the fuel cell stack 205 from the air introduction pipe 223 is inserted into the fourth insertion hole 264 through which the fourth bolt 214 is inserted (which is an air manifold on the introduction side). be introduced.
この空気は、第4挿通孔264から、各燃料電池セル203のコンプレッションシール材291の連通路295を介して、燃料電池セル203の内部の空気流路233内に導入される。 The air is introduced from the fourth insertion hole 264 into the air flow path 233 inside the fuel cell 203 through the communication passage 295 of the compression seal material 291 of each fuel cell 203.
その後、燃料電池セル203内にて発電に寄与した残余の空気は、コンプレッションシール材291の他の連通路297を介して、第8ボルト218が挿通される(排出側の空気マニホールドである)第8挿通孔268を介して、空気排出管227から燃料電池スタック205外に排出される。 Thereafter, the remaining air that has contributed to power generation in the fuel cell 203 is inserted into the eighth bolt 218 through the other communication passage 297 of the compression sealant 291 (which is an exhaust-side air manifold). The air is discharged from the air discharge pipe 227 to the outside of the fuel cell stack 205 through the eight insertion holes 268.
d)次に、燃料電池201の製造方法について説明する。
図8(a)に示すように、定法に従って、燃料極235と固体酸化物層237と空気極239とが一体となった(正方形の板状の)セル本体(単セル)241を作製し、このセル本体(単セル)241の外縁部に枠状のセパレータ247をろう付けする。
d) Next, a method for manufacturing the fuel cell 201 will be described.
As shown in FIG. 8A, a cell body (single cell) 241 in which a fuel electrode 235, a solid oxide layer 237, and an air electrode 239 are integrated (a square plate) is manufactured according to a conventional method. A frame-shaped separator 247 is brazed to the outer edge of the cell body (single cell) 241.
次に、図8(b)に示すように、燃料極フレーム249をセパレータ247とインターコネクタ243(又はエンドプレート251B)とで挟み、レーザー溶接によって、燃料極フレーム249とセパレータ247とインターコネクタ243(又はエンドプレート251B)とを一体に接合して燃料電池のカセット257を作製する。 Next, as shown in FIG. 8B, the fuel electrode frame 249 is sandwiched between the separator 247 and the interconnector 243 (or the end plate 251B), and the fuel electrode frame 249, the separator 247 and the interconnector 243 (by the laser welding). Alternatively, the fuel cell cassette 257 is manufactured by integrally joining the end plate 251B).
なお、レーザー溶接によって、燃料マニホールドである第2、第6挿通孔262、266と、空気マニホールドである第4、第8挿通孔264、268との周囲を、それぞれ環状に接合するとともに、セパレータ247とインターコネクタ243(又はエンドプレート251B)との外縁部を環状に接合する。 The periphery of the second and sixth insertion holes 262 and 266 that are fuel manifolds and the fourth and eighth insertion holes 264 and 268 that are air manifolds are joined in an annular shape by laser welding, and the separator 247. And the outer edge of the interconnector 243 (or end plate 251B) are joined in an annular shape.
従って、燃料電池のカセット257の内部の燃料流路231と燃料マニホールド(第2、第6挿通孔262、266)と空気マニホールド(第4、第8挿通孔264、268)との間のガスリークは完全に防止される。 Accordingly, the gas leakage between the fuel flow path 231, the fuel manifold (second and sixth insertion holes 262 and 266), and the air manifold (fourth and eighth insertion holes 264 and 268) inside the cassette 257 of the fuel cell is Completely prevented.
次に、図8(c)に示すように、各燃料電池のカセット257の間に、コンプレッションシール材291及びガラスシール材293(となるガラス材料)からなるガスシール部245を配置する。 Next, as shown in FIG. 8C, a gas seal portion 245 made of a compression seal material 291 and a glass seal material 293 (being a glass material) is disposed between the cassettes 257 of each fuel cell.
詳しくは、前記図5に示すように、各セパレータ247の表面の同一平面上において、燃料マニホールド(第2、第6挿通孔262、266)を完全に囲むように環状のガラスシール材293(となるガラス材料)を配置するとともに、ガラスシール材293(となるガラス材料)の周囲を完全に囲むようにコンプレッションシール材291を配置する。 Specifically, as shown in FIG. 5, an annular glass sealing material 293 (and so on) is provided so as to completely surround the fuel manifold (second and sixth insertion holes 262, 266) on the same plane of the surface of each separator 247. The compression sealing material 291 is disposed so as to completely surround the periphery of the glass sealing material 293 (becoming glass material).
また、図9に示すように、一方のエンドプレート251Aの表面の同一平面上において、燃料マニホールド(第2、第6挿通孔262、266)の上端側の開口部267aを完全に囲むように環状のコンプレッションシール材347を配置するとともに、コンプレッションシール材347の外側の周囲を完全に囲むように、コンプレッションシール材347の圧縮後の厚みよりより薄い(厚み0.3mm)環状のガラスシール材349(となるガラス材料)を配置する。 Further, as shown in FIG. 9, on the same plane of the surface of one end plate 251A, an annular shape is formed so as to completely surround the opening 267a on the upper end side of the fuel manifold (second and sixth insertion holes 262, 266). Of the compression sealant 347 and an annular glass sealant 349 (thickness 0.3 mm) thinner than the compression sealant 347 (thickness 0.3 mm) so as to completely surround the outer periphery of the compression sealant 347. Glass material).
ここで、コンプレッションシール材347としては、その外径がナット219の(最小の)外径よりも小さいものを用い、ガラスシール材349が、エンドプレート251Aとナット219とで挟まれるようにする。 Here, as the compression sealing material 347, a material whose outer diameter is smaller than the (minimum) outer diameter of the nut 219 is used so that the glass sealing material 349 is sandwiched between the end plate 251A and the nut 219.
同様に、他方のエンドプレート251Bの表面の同一平面上において、燃料マニホールド(第2、第6挿通孔262、266)の下端側の開口部267bを完全に囲むように環状のコンプレッションシール材351を配置するとともに、コンプレッションシール材351の外側の周囲を完全に囲むように、コンプレッションシール材351の圧縮後の厚みよりより薄い(厚み0.3mm)環状のガラスシール材353(となるガラス材料)を配置する。 Similarly, on the same plane of the surface of the other end plate 251B, an annular compression sealant 351 is provided so as to completely surround the opening 267b on the lower end side of the fuel manifold (second and sixth insertion holes 262, 266). And an annular glass seal material 353 (to be a glass material) that is thinner than the compression seal material 351 after compression (thickness 0.3 mm) so as to completely surround the periphery of the compression seal material 351. Deploy.
ここで、コンプレッションシール材351としては、その外径がボルト212、216の頭部210の(最小の)外径よりも小さいものを用い、ガラスシール材353が、エンドプレート251Bと頭部210とで挟まれるようにする。 Here, as the compression sealing material 351, a material whose outer diameter is smaller than the (minimum) outer diameter of the head 210 of the bolts 212 and 216 is used, and the glass sealing material 353 includes the end plate 251B and the head 210. To be sandwiched between.
なお、前記各コンプレッションシール材347、351及び各ガラスシール材349、353(となるガラス材料)の配置は、各挿通孔262、266に各ボルト212、216を挿通する際に同時に行う。また、同様に、燃料マニホールド以外の各挿通孔261、263、264、265、267、268の開口部に対し、(スペーサとして)コンプレッションシール材を配置する。 The compression seal materials 347 and 351 and the glass seal materials 349 and 353 (the glass materials to be formed) are arranged simultaneously when the bolts 212 and 216 are inserted into the insertion holes 262 and 266, respectively. Similarly, a compression seal material is disposed (as a spacer) in the openings of the respective insertion holes 261, 263, 264, 265, 267, 268 other than the fuel manifold.
その後、ボルト211〜218及びナット219を締め付けることによって、燃料電池スタック205を積層方向(図9の上下方向)に押圧して、燃料電池スタック205を一体化する。 Thereafter, by tightening the bolts 211 to 218 and the nut 219, the fuel cell stack 205 is pressed in the stacking direction (vertical direction in FIG. 9) to integrate the fuel cell stack 205.
この段階では、図10(a)に示すように、コンプレッションシール材291の厚みは0.36mmであり、(軟化する前の)ガラスシール材293(となるガラス材料)の厚み0.30mmより大きいので、ガラスシール材293(となるガラス材料)とインターコネクタ243との間には、若干の隙間がある。 At this stage, as shown in FIG. 10 (a), the compression sealant 291 has a thickness of 0.36 mm, which is larger than the thickness of the glass sealant 293 (becoming softened) (the glass material to be formed) is 0.30 mm. Therefore, there is a slight gap between the glass sealing material 293 (becoming glass material) and the interconnector 243.
同様に、この段階では、コンプレッションシール材347、351の厚みは0.4mmであり、(軟化する前の)ガラスシール材349、353(となるガラス材料)の厚み0.3mmより大きいので、ガラスシール材349、353(となるガラス材料)とナット219又はエンドプレート251B)との間には、若干の隙間がある。 Similarly, at this stage, the thickness of the compression seal materials 347 and 351 is 0.4 mm, and the thickness of the glass seal materials 349 and 353 (being softened) is larger than 0.3 mm. There is a slight gap between the sealing materials 349 and 353 (the glass material to be formed) and the nut 219 or the end plate 251B).
次に、燃料電池スタック205(詳しくはガラスシール材293、349、353となるガラス材料)を、ガラスの結晶化温度以上の例えば850℃に2時間加熱し、ガラスを結晶化させる。ガラスの軟化点(770℃)から結晶化温度の昇温過程で、ガラスシール材293、349、353は軟化する。 Next, the fuel cell stack 205 (specifically, a glass material that becomes the glass sealants 293, 349, and 353) is heated to, for example, 850 ° C., which is equal to or higher than the crystallization temperature of glass, for 2 hours to crystallize the glass. In the process of raising the crystallization temperature from the softening point (770 ° C.) of the glass, the glass sealing materials 293, 349, and 353 are softened.
従って、燃料電池スタック205中のガラスシール材293は、図10(b)に示すように、自身の表面張力によって丸くなって、上方に凸の状態となり、最終的に上方のインターコネクタ243(又はエンドプレート251A)に接触する。さらに、850℃−2時間の加熱によってガラスは結晶化する。 Therefore, as shown in FIG. 10B, the glass sealing material 293 in the fuel cell stack 205 is rounded by its own surface tension and becomes convex upward, and finally the upper interconnector 243 (or It contacts the end plate 251A). Furthermore, glass is crystallized by heating at 850 ° C. for 2 hours.
同様に、燃料電池スタック205外のガラスシール材349は、その周囲の部材であるエンドプレート251Aの表面及びナット219の表面に密着するとともに、ガラスシール材353は、その周囲の部材であるエンドプレート251B及びボルト212、216の頭部210の表面に密着する。 Similarly, the glass sealing material 349 outside the fuel cell stack 205 is in close contact with the surface of the end plate 251A and the surface of the nut 219, which are peripheral members, and the glass sealing material 353 is the end plate, which is a peripheral member. 251B and bolts 212 and 216 are in close contact with the surface of the head 210.
その後、冷却することによって、図10(c)に示すように、燃料電池スタック205内のガラスシール材293は、セパレータ247とインターコネクタ243(又はエンドプレート251A)とに強固に接合する。 Thereafter, by cooling, the glass sealing material 293 in the fuel cell stack 205 is firmly joined to the separator 247 and the interconnector 243 (or the end plate 251A) as shown in FIG.
同様に、燃料電池スタック205外のガラスシール材349は、エンドプレート251A及びナット219に強固に接合するとともに、ガラスシール材353は、エンドプレート251B及びボルト212、216の頭部210に強固に接合する。 Similarly, the glass seal material 349 outside the fuel cell stack 205 is firmly bonded to the end plate 251A and the nut 219, and the glass seal material 353 is firmly bonded to the end plate 251B and the heads 210 of the bolts 212 and 216. To do.
なお、ガラスを加熱するとガラスシール材293、349、353が軟化するが、上述のように、ボルト211〜218の熱膨張係数は、セパレータ247、インターコネクタ243、燃料極フレーム249、エンドプレート251A、251B等のような積層方向に配置された金属板の熱膨張係数や、ガラスシール材293の熱膨張係数より大きいので、ガラスの加熱時には、燃料電池スタック205は全体が緩んだ状態となる(ボルト211〜218の押圧力は減るが、無くなっている訳ではない)。 The glass sealing materials 293, 349, and 353 are softened when the glass is heated. As described above, the thermal expansion coefficients of the bolts 211 to 218 are the separator 247, the interconnector 243, the fuel electrode frame 249, the end plate 251A, Since the thermal expansion coefficient of the metal plate arranged in the stacking direction such as 251B or the like and the thermal expansion coefficient of the glass sealing material 293 is larger, the fuel cell stack 205 becomes loose as a whole when the glass is heated (bolt Although the pressing force of 211 to 218 is reduced, it is not lost).
その後、冷却されると、ボルト211〜218等が積層方向に縮んで(元に戻って)圧縮場となっているので、ガラスシール材293、349、353が圧縮された状態で封止される(即ちガラスによって封止される)。 After that, when cooled, the bolts 211 to 218 and the like shrink in the stacking direction (return to the original) to become a compression field, so that the glass sealing materials 293, 349, and 353 are sealed in a compressed state. (Ie sealed by glass).
このようにして、ガスシールの構成が実現されるとともに、燃料電池201が完成する。
d)本実施例1の効果について説明する。
In this way, the gas seal configuration is realized and the fuel cell 201 is completed.
d) The effect of the first embodiment will be described.
<第1、第2ガスシール部300、310による効果>
本実施例1では、燃料マニホールドである第2、第6挿通孔262、266の積層方向における両開口部267a、267bの周囲には、第1、第2ガスシール部300、310が設けられている。即ち、一方のエンドプレート251Aとナット219との間には、第1ガスシール部300が設けられ、他方のエンドプレート251Bとボルト262、266の頭部210との間には、第2ガスシール部310が設けられている。
<Effects of the first and second gas seal portions 300 and 310>
In the first embodiment, first and second gas seal portions 300 and 310 are provided around both openings 267a and 267b in the stacking direction of the second and sixth insertion holes 262 and 266 that are fuel manifolds. Yes. That is, a first gas seal portion 300 is provided between one end plate 251A and the nut 219, and a second gas seal portion is provided between the other end plate 251B and the heads 210 of the bolts 262 and 266. A portion 310 is provided.
詳しくは、第1ガスシール部300では、第2、第6挿通孔262、266の一方の開口部267aを囲むように、エンドプレート251Aが広がる平面に沿って、環状のコンプレッションシール材347が配置され、更にそのコンプレッションシール材347を同一平面上にて径方向外側から囲むように、ガラスシール材349が並列に配置されている。 Specifically, in the first gas seal portion 300, an annular compression seal material 347 is disposed along a plane in which the end plate 251A extends so as to surround one opening 267a of the second and sixth insertion holes 262, 266. Further, the glass sealing material 349 is arranged in parallel so as to surround the compression sealing material 347 on the same plane from the outside in the radial direction.
同様に、第2ガスシール部310では、第2、第6挿通孔262、266の他方の開口部267bを囲むように、エンドプレート251Bが広がる平面に沿って、環状のコンプレッションシール材351が配置され、更にそのコンプレッションシール材351を同一平面上にて径方向外側から囲むように、ガラスシール材353が並列に配置されている。 Similarly, in the second gas seal portion 310, an annular compression seal material 351 is disposed along a plane in which the end plate 251B extends so as to surround the other openings 267b of the second and sixth insertion holes 262, 266. Further, the glass sealing material 353 is arranged in parallel so as to surround the compression sealing material 351 on the same plane from the outside in the radial direction.
従って、コンプレッションシール材347、351及びガラスシール材349、353によって(特に周囲に密着するガラスシール材349、353によって)、各エンドプレート251A、251Bとボルト262、266の頭部210やナット219との間におけるガス漏れを好適に防止することができる。 Accordingly, the compression seal materials 347 and 351 and the glass seal materials 349 and 353 (especially by the glass seal materials 349 and 353 that are in close contact with the surroundings) allow the end plates 251A and 251B and the heads 210 and nuts 219 of the bolts 262 and 266 to It is possible to suitably prevent gas leakage between the two.
また、積層方向から大きな力が加わった場合でも、コンプレッションシール材347、351によって、過大な力がガラスシール材349、353に加わることを抑制できるので、ガラスシール材349、353が割れることを防止でき、この点からも好適にガス漏れを防止することができる。 In addition, even when a large force is applied from the stacking direction, the compression seal materials 347 and 351 can prevent excessive force from being applied to the glass seal materials 349 and 353, thus preventing the glass seal materials 349 and 353 from being broken. In this respect, gas leakage can be suitably prevented.
更に、高温環境下で使用されてガラスが軟化した場合でも、コンプレッションシール材347、351によって、ガラスシール材349、353の過度の変形が抑制される。
また、コンプレッションシール材345、351及びガラスシール材345、353によって、エンドプレート251A、251Bとボルト262、266やナット219との間の電気的絶縁を確実に行うことができる。
Further, even when the glass is softened when used in a high temperature environment, excessive deformation of the glass sealing materials 349 and 353 is suppressed by the compression sealing materials 347 and 351.
Further, the compression seal materials 345 and 351 and the glass seal materials 345 and 353 can ensure electrical insulation between the end plates 251A and 251B and the bolts 262 and 266 and the nut 219.
<燃料電池スタック205内のガスシール部245による効果>
本実施例1では、燃料マニホールドである第2、第6挿通孔262、266と、空気マニホールドである第4、第8挿通孔264、268との周囲には、セパレータ247やインターコネクタ243(又はエンドプレート251B)によって積層方向から挟まれるとともに、各マニホールドを囲むように、ガスシール部245が配置されている。
<Effects of Gas Seal Unit 245 in Fuel Cell Stack 205>
In the first embodiment, around the second and sixth insertion holes 262 and 266 that are fuel manifolds and the fourth and eighth insertion holes 264 and 268 that are air manifolds, a separator 247 and an interconnector 243 (or Gas seal portions 245 are arranged so as to be sandwiched by the end plates 251B) from the stacking direction and surround each manifold.
詳しくは、各マニホールドを囲むように、燃料電池セル203が広がる平面(即ち各マニホールドの径方向)に沿って、環状のガラスシール材293が配置され、更にそのガラスシール材293を同一平面上にて径方向から囲むように、コンプレッションシール材291が並列に配置されている。 Specifically, an annular glass sealing material 293 is disposed along a plane in which the fuel cell 203 is expanded (that is, the radial direction of each manifold) so as to surround each manifold, and the glass sealing material 293 is further arranged on the same plane. The compression seal material 291 is arranged in parallel so as to surround from the radial direction.
従って、コンプレッションシール材291及びガラスシール材293によって(特に周囲に密着するガラスシール材293によって)、各マニホールドとセパレータ247やインターコネクタ243等との間におけるガス漏れを好適に防止することができる。 Therefore, the compression sealant 291 and the glass sealant 293 (particularly by the glass sealant 293 that is in close contact with the surroundings) can suitably prevent gas leakage between each manifold and the separator 247, the interconnector 243, and the like.
また、積層方向から大きな力が加わった場合でも、コンプレッションシール材291によって、過大な力がガラスシール材293に加わることを抑制できるので、ガラスシール材293が割れることを防止でき、この点からも好適にガス漏れを防止することができる。 In addition, even when a large force is applied from the stacking direction, the compression sealant 291 can suppress an excessive force from being applied to the glass sealant 293, so that the glass sealant 293 can be prevented from cracking. Gas leakage can be suitably prevented.
更に、高温環境下で使用されてガラスが軟化した場合でも、コンプレッションシール材291によって、ガラスシール材293の過度の変形が抑制されるので、ガラスが周囲に広がって電気接続性が低下することを防止できる。 Furthermore, even when the glass is softened when used in a high temperature environment, the compression sealant 291 suppresses excessive deformation of the glass sealant 293, so that the glass spreads around and the electrical connectivity is reduced. Can be prevented.
<総合的な効果>
このように、本実施例1では、燃料ガスのガス漏れの発生を好適に防止できるので、発電効率が高く、漏れたガスの後処理の必要が無い(又は後処理が容易である)という顕著な効果を奏する。
<Overall effect>
As described above, in the first embodiment, the occurrence of gas leakage of the fuel gas can be suitably prevented, so that the power generation efficiency is high and there is no need for post-processing of the leaked gas (or post-processing is easy). Has an effect.
また、本実施例1では、ボルト211〜218とナット219とによって、燃料電池スタック205を締め付け押圧して固定するので、固定が容易であるとともに、確実に固定できるという利点がある。 Further, in the first embodiment, since the fuel cell stack 205 is fastened and pressed by the bolts 211 to 218 and the nut 219, there is an advantage that the fixing is easy and can be surely fixed.
更に、燃料電池201の運転の実施(ON)及び停止(OFF)に応じて、燃料電池201の温度が変動するが、本実施例1では、上述した構成(各部の熱膨張係数の関係)によって、温度が変動しても、ガラスシール材349、353等を常に押圧できるので、その点からも、ガス漏れを防止できるという利点がある。 Further, the temperature of the fuel cell 201 varies according to the operation (ON) and stop (OFF) of the operation of the fuel cell 201. In the first embodiment, the above-described configuration (relationship between the thermal expansion coefficients of the respective parts) is used. Even if the temperature fluctuates, the glass sealing materials 349, 353 and the like can always be pressed, so that there is also an advantage that gas leakage can be prevented.
次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
本実施例2は、実施例1とは、燃料電池の第1、第2ガスシール部の構成が異なるので、第1、第2ガスシール部について説明する。なお、その他の構成については、前記実施例1と同様な番号を使用する。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
Since the second embodiment differs from the first embodiment in the configuration of the first and second gas seal portions of the fuel cell, the first and second gas seal portions will be described. In addition, about the other structure, the same number as the said Example 1 is used.
図11に示すように、本実施例2の燃料電池401は、前記実施例1と同様に、燃料マニホールドを構成する第2、第4挿通孔262、264の両方の開口部267a、267bをガスシールするように、第1ガスシール部403及び第2ガスシール部405を備えている。 As shown in FIG. 11, in the fuel cell 401 of the second embodiment, as in the first embodiment, the openings 267a and 267b of the second and fourth insertion holes 262 and 264 constituting the fuel manifold are gas-filled. A first gas seal portion 403 and a second gas seal portion 405 are provided so as to seal.
このうち、第1ガスシール部403は、図12に示すように、同一平面上にて、各ボルト212、216の軸部220(及び各挿通孔262、266)の周囲を囲むように配置された環状のガラスシール材407と、ガラスシール材407の外側の周囲を囲むように配置された環状のコンプレッションシール材409とから構成されている。 Among these, as shown in FIG. 12, the first gas seal portion 403 is disposed so as to surround the periphery of the shaft portion 220 (and each insertion hole 262, 266) of each bolt 212, 216 on the same plane. The annular glass sealing material 407 and the annular compression sealing material 409 arranged so as to surround the periphery of the outside of the glass sealing material 407.
この第1ガスシール部403によって、前記実施例1と同様に、エンドプレート351Aとナット219との間がガスシールされる。
同様に、第2ガスシール部405は、同一平面上にて、各ボルト212、216の軸部220(及び各挿通孔262、266)の周囲を囲むように配置された環状のガラスシール材411と、ガラスシール材411の外側の周囲を囲むように配置された環状のコンプレッションシール材413とから構成されている。
The first gas seal portion 403 provides a gas seal between the end plate 351A and the nut 219, as in the first embodiment.
Similarly, the second gas seal portion 405 is an annular glass seal material 411 disposed on the same plane so as to surround the periphery of the shaft portion 220 (and each insertion hole 262, 266) of each bolt 212, 216. And an annular compression sealing material 413 disposed so as to surround the periphery of the outside of the glass sealing material 411.
この第2ガスシール部405によって、前記実施例1と同様に、エンドプレート351Bとボルト212、216の頭部210との間がガスシールされる。
本実施例2においても、前記実施例1と同様な効果を奏する。
As in the first embodiment, the second gas seal portion 405 provides a gas seal between the end plate 351B and the heads 210 of the bolts 212 and 216.
Also in the second embodiment, the same effects as in the first embodiment are obtained.
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
(1)例えば、空気マニホールドに対応する挿通孔の開口部を、燃料マニホールドと同様にガスシールするように、第1、第2ガスシール部と同様なガスシール部を設けてもよい。
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various aspect can be taken.
(1) For example, a gas seal portion similar to the first and second gas seal portions may be provided so that the opening portion of the insertion hole corresponding to the air manifold is gas-sealed in the same manner as the fuel manifold.
(2)また、全ての挿通孔の開口部をガスシールするように、第1、第2ガスシール部と同様なガスシール部を設けてもよい。
(3)更に、燃料電池スタックを積層方向に押圧する方法としては、上述したボルト及びナットの螺合による締め付け以外に、例えば積層方向に荷重を加えるように錘を乗せる方法、バネを利用して積層方向に押圧する方法などが挙げられる。
(2) Moreover, you may provide the gas seal part similar to a 1st, 2nd gas seal part so that the opening part of all the penetration holes may be gas-sealed.
(3) Further, as a method of pressing the fuel cell stack in the stacking direction, in addition to the above-described tightening by bolt and nut screwing, for example, a method of putting a weight so as to apply a load in the stacking direction, a spring is used. Examples include a method of pressing in the stacking direction.
(4)前記ボルトとしては、例えば(内部に空間の無い)中実のボルトや、(例えば軸方向に沿って空間がある)中空のボルトなどを採用できる。
なお、各燃料マニホールドや空気マニホールドと、各燃料マニホールドや空気マニホールドに挿通される各ボルトとは、それぞれ同軸に配置されていなくともよい(図示せず)。また、各ボルトは、各燃料マニホールドや空気マニホールドの外部に配置されていてもよい(図示せず)。
(4) As the bolt, for example, a solid bolt (with no space inside) or a hollow bolt (with a space along the axial direction) can be adopted.
Each fuel manifold or air manifold and each bolt inserted through each fuel manifold or air manifold may not be arranged coaxially (not shown). Each bolt may be arranged outside each fuel manifold or air manifold (not shown).
(5)また、本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に限らず、運転温度域が約600℃以上の高温タイプの燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)等に適用可能である。 (5) The present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC), but is applied to a high-temperature type fuel cell having an operating temperature range of about 600 ° C. or more, such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Is possible.
201、401…燃料電池
203…燃料電池セル
205…燃料電池スタック
210…頭部
211、212、213、214、215、216、217、218…ボルト
219…ナット
220…軸部
235…燃料極
237…固体酸化物層(固体電解質層)
239…空気極
241…セル本体(単セル)
245…ガスシール部(内部ガスシール部)
251A、251B…エンドプレート
261、262、263、264、265、266、267、268…挿通孔
257…カセット
291、347、351、409、413…コンプレッションシール材
293、349、353、407、411…ガラスシール材
267a、267b…開口部
300、403…第1ガスシール部
310、405…第2ガスシール部
201, 401 ... Fuel cell 203 ... Fuel cell 205 ... Fuel cell stack 210 ... Head 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218 ... Bolt 219 ... Nut 220 ... Shaft 235 ... Fuel electrode 237 ... Solid oxide layer (solid electrolyte layer)
239 ... Air electrode 241 ... Cell body (single cell)
245 ... Gas seal part (internal gas seal part)
251A, 251B ... End plates 261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268 ... Insertion holes 257 ... Cassettes 291, 347, 351, 409, 413 ... Compression sealants 293, 349, 353, 407, 411 ... Glass sealing material
267a, 267b ... opening 300, 403 ... first gas seal part 310, 405 ... second gas seal part
Claims (10)
前記燃料電池には、前記燃料極側の空間に連通する燃料マニホールド及び前記空気極側の空間に連通する酸化剤マニホールドのうち少なくとも一方が、前記積層方向に貫通して開口部にて開口するように設けられ、
且つ、前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方には、前記燃料電池を前記積層方向に貫通して外側に突出する貫通部材が配置され、
前記貫通部材には、前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方にて、前記開口部と該開口部の径方向における周囲とを覆うように設けられた張出部を備えており、
前記貫通部材が外側に突出する部分である前記開口部の前記径方向における周囲には、該周囲を囲むように、前記燃料電池の外側表面と前記張出部とによって前記積層方向から挟まれるとともに、前記燃料電池の外側表面が広がる平面に沿って、コンプレッションシール材とガラスシール材とが並列に配置されていることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell having an electrolyte layer, a fuel electrode provided on one surface of the electrolyte layer and in contact with the fuel gas, and an air electrode provided on the other surface of the electrolyte layer and in contact with the oxidant gas, In a stacked fuel cell,
In the fuel cell, at least one of a fuel manifold communicating with the space on the fuel electrode side and an oxidant manifold communicating with the space on the air electrode side penetrates in the stacking direction and opens at an opening. Provided in
And, at least one of the fuel manifold and the oxidant manifold is provided with a penetrating member that penetrates the fuel cell in the stacking direction and projects outward.
The penetrating member includes an overhanging portion provided to cover at least one of the fuel manifold and the oxidant manifold so as to cover the opening and the circumference in the radial direction of the opening,
The peripheral portion in the radial direction of the opening, which is a portion where the penetrating member protrudes outward , is sandwiched from the stacking direction by the outer surface of the fuel cell and the overhanging portion so as to surround the periphery. A fuel cell, wherein a compression sealant and a glass sealant are arranged in parallel along a plane in which the outer surface of the fuel cell extends.
前記積層方向の一方の開口部側には、前記張出部として前記ボルトの頭部が配置され、該ボルトの頭部と前記燃料電池の外側表面とによって、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とを前記積層方向から挟み、The head portion of the bolt is disposed as the projecting portion on one opening side in the stacking direction, and the compression seal material and the glass seal material are formed by the head portion of the bolt and the outer surface of the fuel cell. Between the stacking direction,
且つ、前記積層方向の他方の開口部側には、前記張出部として前記ボルトに螺合するナットが配置され、該ナットと前記燃料電池の外側表面とによって、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とを前記積層方向から挟むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。In addition, on the other opening side in the stacking direction, a nut that is screwed to the bolt as the projecting portion is disposed, and the compression sealant and the glass seal are formed by the nut and the outer surface of the fuel cell. The fuel cell according to claim 1, wherein a material is sandwiched from the stacking direction.
前記貫通部材の径方向における周囲を囲むとともに、前記燃料電池の外側表面と前記貫通部材の張出部との間に挟まれるように、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材となるガラス材料とを同一平面上に配置する第1工程と、
前記第1工程の後に、前記燃料電池の外側表面と前記貫通部材の張出部との間を押圧するように圧力を加えて、前記コンプレッションシール材を押圧する第2工程と、
前記第2工程の後に、前記ガラス材料が軟化する温度以上で加熱し、その後冷却することによって、前記ガラスシール材を形成するとともに、該ガラスシール材を、前記燃料電池の外側表面と前記貫通部材の張出部に接合する第3工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of a fuel cell to produce a fuel cell according to any one of the preceding claims 1-9,
The compression sealant and the glass material to be the glass sealant are surrounded by the penetration member in the radial direction and sandwiched between the outer surface of the fuel cell and the protruding portion of the penetration member. A first step of arranging on the same plane;
After the first step, a second step of pressing the compression seal material by applying pressure so as to press between the outer surface of the fuel cell and the protruding portion of the penetrating member;
After the second step, the glass sealing material is formed by heating at a temperature higher than the temperature at which the glass material softens and then cooling, and the glass sealing material is formed on the outer surface of the fuel cell and the penetrating member. A third step of joining to the overhang portion of
A method for producing a fuel cell, comprising:
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