JP3995778B2 - Solid electrolyte fuel cell and stack structure of solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池の単電池のマニホールド構造およびスタック構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池(SOFC)は、平板型と円筒型とに大別される(エネルギー総合工学13−2、1990年)。SOFCの単電池の起電力は、開回路において約1V、電流密度も精々数100mA/cm2 程度であるため、実際の使用に際しては、大きな発電面積を有する単電池を、容易に直列、並列に接続できるようにすることが重要である。この観点から、単電池とそのスタック( 集合電池) の構造を検討しなければならない。
【0003】
特に、固体電解質型燃料電池のスタック構造において、酸化ガスと燃料ガスとの間で発電装置の運転温度で気密性を保持することが要求される。例えば、いわゆるウエスティングハウスタイプの固体電解質型燃料電池では、円筒型の空気極を基体とし、この上に固体電解質膜、燃料極膜を形成している。また、本出願人も、空気極とインターコネクタとからなる積層焼結体を、空気極/インターコネクタ基体とし、この上に固体電解質膜、燃料電極膜を形成した構造の平板形状の単電池について開示した(特開平5−166518号公報)。これらのスタック構造では、いわゆるシールレス構造が採用されている。即ち、各単電池に形成されている各酸化ガス通路に対してそれぞれ酸化ガス供給管を挿入し、各酸化ガス供給管から単電池の内部にそれぞれ酸化ガスを供給している。そして、単電池の各酸化ガス通路から排出されてきた排酸化ガスを、燃焼室へと流れるように誘導し、燃焼室で排燃料ガスと反応させている。
【0004】
しかし、この方法では、例えば特開平5−166518号公報に開示されているように、単電池に例えば3個以上の酸化ガス通路を設け、各酸化ガス通路にそれぞれガス供給管を1個ごとに挿入する必要がある。このため、多数のガス供給管が必要になるし、各ガス供給管をそれぞれ別個に各単電池の各酸化ガス通路の中に挿入する必要がある。
【0005】
一方、複数の酸化ガス通路を有する単電池を、複数個積み重ね、いわゆるスタック構造を形成する方法も幾つか提案されている(例えば、特開平7−226220号公報)。このスタック構造においては、直方体形状の単電池のスタックを形成する。このスタックにおいては、各単電池が直列接続されている。この後、このスタックの最上端部と最下端部とにそれぞれ集電板を接触させ、スタックと集電板とを金属製の外殻中に収容し、固定する。この際には、外殻の内側に断熱材層を設ける。そして、単電池に設けられている酸化ガス通路に酸化ガスを供給し、同時に、断熱層の内側に燃料ガスを流し、燃料ガスを各単電池の外側にある燃料極に対して接触させ、各単電池において発電を実施する。直列接続されている複数の単電池の電力を、一対の集電板から取り出す。
【0006】
そして、単電池のスタックの四周のうち相対向する二面にそれぞれ空気用マニホールドを設置し、一方のマニホールドから他方のマニホールドへと空気を流している。また、単電池のスタックの四周のうち、残りの相対向する二面にそれぞれ燃料用マニホールドを設け、一方のマニホールドから他方のマニホールドへと燃料ガスを流している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述したような単電池のスタック構造には、以下の問題点が残っている。例えば、特開平7−226220号公報のスタック構造では、複数の単電池からなるスタックの四面のうち、相対向する2面にそれぞれ酸化ガス用マニホールド部材を固定し、スタックと各マニホールド部材との間をガスケットないしシール材によってリジッドにシールし、酸化ガスと燃料ガスとの混合を防止する。こうした構造では、マニホールド部材に対して、多数の単電池がリジッドに固定され、マニホールド部材と各単電池との間が気密にシールされている。
【0008】
しかし、現実に発電を行っていくと、マニホールド部材とスタックとの境界における気密性が低下する傾向があり、この傾向は、運転時間が長くなるのにつれて顕著になってきた。この気密性が低下すると、発電効率、起電力の低下の原因となる。
【0009】
本発明の課題は、特に複数のガス通路を有する固体電解質型燃料電池において、電池を長時間運転したときにも、マニホールド部材と単電池との境界における気密性の低下を防止し、発電効率、起電力の低下を防止できるようにすることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体電解質型燃料電池は、少なくとも空気極、燃料極および固体電解質を備えており、かつ一方の発電用ガスを流すためのガス通路が一方の端面と他方の端面との間に延びるように複数列設けられている単電池と、前記の各ガス通路に対して前記一方の発電用ガスの導入または排気を行うため、前記単電池の前記一方の端面側に取り付けられているマニホールド部材と、このマニホールド部材に対して取り付けられているセラミックス製のガス流通管とを備えており、前記マニホールド部材が、前記単電池の前記一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、この突出壁部の内側に前記単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間が形成されており、この単電池固定空間が前記ガス分配空間に連通していることを特徴とする。
【0011】
また、本発明は、前記の固体電解質型燃料電池を備えているスタック構造であって、複数の単電池と、これら複数の単電池にそれぞれ別個に取り付けられている複数のマニホールド部材と、複数の単電池を収容するための容器とを備えていることを特徴とする。
【0012】
本発明者は、マニホールド部材とスタックとの境界における気密性の低下の原因について検討した結果、次の知見を得た。即ち、スタックを収容する容器内の温度は、発電時には1000℃あるいはそれ以上にも達するが、この際、スタックを構成する各単電池の温度は必ずしも均一ではない。スタックの最上段や最下段の単電池は、比較的にガスの温度が低く、発電効率が低くなり易い。しかし、スタックの中央にある単電池、特にその単電池の中央付近の酸化ガス通路においては、排熱が集中し、この単電池の温度が上昇し、この温度上昇によって単電池の活性が一層上昇するために、スタックの中央部分の温度が上昇する傾向がある。発電時間が長くなると、この傾向が一層強くなってくる。
【0013】
一方、単電池、金属製のマニホールド部材およびこれらの間に介在しているシール剤の熱膨張係数はそれぞれ異なっている。そして、運転時には、スタックを構成する各単電池とマニホールド部材とは熱膨張の度合いが異なるために、マニホールド部材と単電池との境界付近、特にシール材の周辺に応力が集中する。この際、特にスタックの中央付近に位置する単電池においては、単電池とマニホールド部材との熱膨張差が大きく、一方スタックの周縁部にある単電池においては、単電池とマニホールド部材との熱膨張差が小さい。この熱膨張の差によって、マニホールド部材と単電池との間のシール材に、位置ズレをもたらす熱応力が作用するものと思われる。
【0014】
これに対して、本発明者は、各単電池に対してそれぞれ別個にマニホールド部材を準備し、単電池の一方の端面側にマニホールド部材を取り付け、かつセラミックス製のガス流通管をマニホールド部材に取り付け、マニホールド部材に、ガス流通管のガス流通孔および複数列のガス通路に対して連通しているガス分配空間を設けることを想到した。
【0015】
これによって、単電池の複数のガス通路に一つのマニホールド部材からガスを供給できる。しかも、各単電池とこれに対応する各マニホールド部材との間のシール部分の面積が小さいために、スタックの各部分における温度差に起因する熱応力の総和が一部の単電池に集中することはない。つまり、各単電池と各マニホールド部材との境界部分に集中する歪みは小さい。
【0016】
しかも、スタックを構成する各単電池の膨張、収縮の度合いが異なってきた場合にも、各単電池は互いに相対的に位置移動できる。これと共に、各単電池の微小な位置移動に合わせて各ガス供給管も向きを変え、回動し、各単電池の相対的な位置移動を吸収する余地がある。
【0017】
本発明において、マニホールド部材とは、単電池の各ガス通路に対して発電用ガスを供給するための部材、または単電池の各ガス通路から、減損した発電用ガスを排出するための部材を意味する。これに応じて、ガス流通管は、ガス供給管またはガス排出管となる。
【0018】
【発明の実施形態】
一方の発電用ガスとして酸化ガスを使用した場合には、他方の発電用ガスとして燃料ガスを使用し、他方の発電用ガスとして酸化ガスを使用した場合には、一方の発電用ガスとして燃料ガスを使用する。
【0019】
ガス流通管、マニホールド部材の材質は、耐熱性、酸化ガスおよび燃料ガスに対する耐久性を有するものでなければならない。こうした材質としては、アルミナ、アルミナ−マグネシアスピネル、ジルコニアが好ましい。
【0020】
本発明においては、更に、マニホールド部材が、単電池の一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、突出壁部の内側に単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間を形成し、単電池固定空間をガス分配空間に連通させることが好ましい。この際、突出壁部が単電池の少なくとも一対の主面に対して密着するようにすると、単電池の主面方向に作用する応力に対しても、固体電解質型燃料電池の気密性が破れにくくなるので一層好ましい。この場合には、更に、突出壁部を単電池の一対の側面に対しても密着させることによって、マニホールド部材と単電池との境界のシール部分の気密性が、一層良好に保持される。
【0021】
これらの実施形態について、図1〜図5を参照しつつ、更に詳細に説明する。
【0022】
図1は、本発明の一実施形態で使用する単電池1の横断面図である。図4は、図1の単電池を例えば3個直列接続してなるスタック36を用いたスタック構造8を示す縦断面図であり、図5は、図4のスタック構造8の横断面図である。図2(a)〜(c)はマニホールド部材41を示すものであり、図3は各単電池1と各マニホールド部材41との接続状態を説明するための平面図である。
【0023】
最初にスタック構造8の全体を説明し、次いで固体電解質型燃料電池の詳細を説明する。
【0024】
単電池1(1A、1B、1C)の支持体2は、空気極板3とセパレータ4とからなっている。セパレータ4の平面形状は長方形である。セパレータ4の平板状本体の横断面方向の縁部に、一対の細長い側壁4aが形成されている。各側壁4aは、共に四角柱形状であり、セパレータ4の長手方向の一端から他端へと向って延びている。
【0025】
一対の側壁4aの間に、四角柱形状の隔壁4bが、例えば3列設けられている。各隔壁4bは、セパレータ4の長手方向の一端から他端へと向って互いに平行に延びている。側壁4a、隔壁4bの間に、互いに平行な溝が、例えば計四列形成されている。
【0026】
空気極板3の平面形状は、セパレータ4の平面形状と同様である。空気極板3の平板状本体の横断面方向の縁部に、一対の細長い側壁3aが形成されており、一対の側壁3aの間に、四角柱形状の隔壁3bが、例えば3列設けられている。側壁3a、隔壁3bの間に、互いに平行な溝が、例えば計四列形成されている。セパレータ4の各側壁4aが、空気極3の各側壁3aに対して接合されており、セパレータ4の各隔壁4bが、空気極板3の各隔壁3bに対して接合されている。この結果、空気極板3とセパレータ4との間に、例えば4列の酸化ガス通路5が形成されている。
【0027】
固体電解質膜6は、空気極3の主面3c、側面3dを被覆しており、更に、セパレータ4の幅方向側面4dの上部を被覆している。酸化ガス通路5と空気極3の側面3dとは、いずれも気密質であるセパレータ4および固体電解質膜6によって包囲されている。固体電解質膜6上に、燃料極膜7が形成されている。
【0028】
図1に示すような各単電池を積み重ね、直列接続することによって、図4、図5に示すようなスタック36を構成する。スタック36においては、例えば3個の単電池1A、1B、1Cが積み重ねられている。各単電池1A、1Bの各セパレータ4の各主面4cが、それぞれ下側の各単電池1B、1Cの各燃料極膜7に対して、それぞれ通気性の導電材17を介して接続されている。通気性の導電材としては、ニッケルフェルト、ニッケルスポンジが好ましい。
【0029】
本実施形態では、一方の集電板12Aと他方の集電板12Bとを組み合わせ、容器32を作製する。この際には、各集電板12Aと12Bとの間にスタック36を挟んでから、容器32を組み立てる。
【0030】
各集電板12A、12Bは、平板部12a、側板部12b、12dおよび突出部12cを備えている。集電板12Aの突出部12cと集電板12Bの突出部12cとを、図5に示すように位置合わせし、各突出部の間に絶縁部材13を挟む。そして、例えばボルト33およびナット34からなる締結部材によって各集電板12A、12Bの各突出部12cを締結し、ボルトの締結力を調節することによって、矢印Aのように圧力を加える。これによって、容器32の突出部14を構成する。
【0031】
この結果、容器32の内側の発電領域38に、直列接続された単電池のスタック36が収容され、固定される。この状態で、各単電池には、単電池が積み重ねられた方向Aに向かって、所定の圧力が加わっている。このスタックの単電池1Aは、通気性の導電材16を通して集電板12Aに対して接続されており、単電池1Cは導電材16を通して集電板12Bに対して接続されている。集電板12A、12Bの外側に断熱材層11A、11Bが設けられており、各断熱材層の外側に外殻10A、10Bが設けられている。各ボルト33は、各外殻および各断熱材層を貫通している。
【0032】
図4において左側から順に、発電室の燃焼領域30、発電領域38、予熱室19、酸化ガス室24が設けられている。図5に示すスタックは、図4における発電領域38の状態を示している。酸化ガス室24と予熱室19とは気密質隔壁20によって区分されており、予熱室19と発電室との間も気密質隔壁44によって区分されている。
【0033】
各単電池に対応して、各酸化ガス供給管42が設けられている。各供給管42の右端は酸化ガス室24内に開口しており、各供給管42は隔壁20、予熱室19、隔壁44を貫通し、それぞれマニホールド部材41によって各単電池の一方の端面1a側に取りつけられている。44a、20aは、それぞれ各隔壁の貫通孔である。
【0034】
固体電解質型燃料電池について述べる。図2(a)はマニホールド部材41の正面図であり、図2(b)は部材41に供給管42を取り付けた状態を示す平面図であり、図2(c)はその縦断面図である。図3は、マニホールド部材と単電池1とを結合した状態を示す平面図である。
【0035】
マニホールド部材41は、図4に示すように、各単電池の各端部にそれぞれ取り付けられるものである。部材41の単電池側に一対の突出壁部41a、41bが設けられており、突出壁部41aと41bとの間に単電池固定空間41dが形成されている。固定空間41dの反対側には供給管の固定空間41eが設けられており、単電池固定空間41dと供給管の固定空間41eとが分配空間41cに連通している。
【0036】
供給管42の端部42aが固定空間41e内に挿入されており、供給管42の末端面42bが直方体形状の分配空間41cに面している。一方、単電池1の一方の端部1aが、固定空間41d内に挿入されており、各突出壁部41a、41bが単電池の主面1eと1f(図4、5参照)に対して密着している。
【0037】
図3、図4に示すように、酸化ガスは、外殻10A、10Bの外部から、供給口26を介して矢印Bのように酸化ガス室24に供給され、各供給管42中に入り、各供給管のガス流通孔42cを矢印Cのように流れる。そして、供給管42の末端面42bから分配空間41c内に流れ、次いで、単電池1の各ガス通路5の一方の開口5aに入り、各ガス通路5内を流れ、単電池1の他方の端面1b側の他方の開口5bから矢印Dのように、燃焼領域30に放出され、ここで燃料ガスと反応する。
【0038】
また、燃料ガスは、外殻の外部から矢印Eのように発電室内に供給され、各単電池の間、および単電池と容器との隙間15を矢印Fのように流れ、燃焼領域30へと流入する。
【0039】
燃焼領域30では、減損した燃料ガスが、減損した酸化ガスと反応し、燃焼する。この燃焼排ガスは、排ガス管25を通って矢印G、Hのように流れ、予熱室19内に供給され、予熱室19から排出口27を通して矢印Iのように排出される。この燃焼排ガスの廃熱によって、矢印Cのように各供給管42のガス流通孔42cを流れる酸化ガスを予熱できる。
【0040】
本実施形態においては、各供給管42の供給側の末端には、供給管を単電池の方へと付勢するための構造が設けられている。即ち、各供給管42の右側の供給側末端には、隔壁20に可動性シール装置40が設置されており、各供給管42が気密質隔壁20に対して垂直な方向に、隔壁20と各供給管42との間の気密性を維持しつつ、移動可能なようになっている。可動性シール装置40は、Oリング22と、各Oリング22を所定の圧力で押圧している押圧部材21とを備えている。また、各供給管42の末端面には所定の付勢部材23が取りつけられており、各供給管42を、対応する各単電池の方へと向かって一定圧力で付勢するようになっている。
【0041】
本実施形態におけるように、予熱室19を設け、供給管42内のガスを予熱する構造を採用することが好ましい。これによって、スタック構造8の外部に、スタック構造とは別体の予熱室を設ける必要がなくなる。
【0042】
なお、本発明においては、ガス流通管(例えば42)のうち、マニホールド部材に取り付けられている一方の端部42aと、ガス流通管の他方の端部との間で、700℃以上の温度勾配を設けることが好ましい。これによって、スタック構造の外殻に分厚い断熱材を設ける必要がなくなる。また、可動性シール部にシリコンゴム製のOリングを使用できる。
【0043】
また、マニホールド部材の突出壁部を、単電池の一対の主面に対して密着させると共に、単電池の一対の側面に対しても密着させることが特に好ましい。図6(a)は、こうしたマニホールド部材43を示す正面図であり、図6(b)は、部材43に供給管42を取り付けた状態を示す平面図であり、図6(c)は、部材43に供給管42を取り付けた状態を示す縦断面図である。
【0044】
マニホールド部材43も、図4に示すように、各単電池の各端部にそれぞれ取り付けられるものである。部材43の単電池側に4列の突出壁部43a、43b、43f、43gが設けられており、これらの間に単電池固定空間43dが形成されている。固定空間43dの反対側には供給管の固定空間43eが設けられている。単電池固定空間43dと供給管の固定空間43eとが、分配空間43cに連通している。
【0045】
供給管42の一方の端部42aが固定空間43e内に挿入されており、供給管42の末端面42bが直方体形状の分配空間43cに面している。単電池1の一方の端部1aを固定空間43d内に挿入する。相対向する突出壁部43a、43bが、単電池の主面1eと1f(図図3、4、5参照)に対して密着しており、相対向する突出壁部43f、43gが、単電池の側面1cと1d(図図3参照)に密着している。
【0046】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数のガス通路を有する固体電解質型燃料電池において、電池を長時間運転したときにも、マニホールド部材と単電池との境界における気密性の低下を防止し、発電効率、起電力の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態で使用できる単電池1を示す横断面図である。
【図2】(a)はマニホールド部材41の正面図であり、(b)は、部材41に供給管42を取り付けた状態を示す平面図であり、(c)はその縦断面図である。
【図3】マニホールド部材と単電池1とを結合した状態を示す平面図である。
【図4】図1の単電池を積み重ねて得られたスタック36を容器内に収容したスタック構造8を示す縦断面図である。
【図5】図4のスタック構造8を概略的に示す横断面図である。
【図6】(a)は、他のマニホールド部材43の正面図であり、(b)は、部材43に供給管42を取り付けた状態を示す平面図であり、(c)はその縦断面図である。
【符号の説明】
1、1A、1B、1C 単電池,2 単電池の支持体,3 空気極板,4 セパレータ,5 酸化ガス通路,6 固体電解質膜,7 燃料極膜,8 スタック構造,10A、10B 外殻,11A、11B 断熱材層,12A一方の集電板,12B 他方の集電板,13 絶縁部材,14 容器の突出部,15 燃料ガス通路,19 予熱室,24 酸化ガス室,30 燃焼領域,32 容器,36 スタック,38 発電室の発電領域,40 可動性シール装置,41、43 マニホールド部材,41a、41b、43a、43b 単電池の主面に密着する突出壁部,41c、43c 分配空間,41d、43d 単電池固定空間,41e、43e ガス流通管の固定空間,42 酸化ガス供給管,42a 酸化ガス供給管の一方の端部,42c 酸化ガス供給管のガス流通孔,43f、43g 単電池の一対の側面に密着する突出壁部,B、C、D 酸化ガスの流れ,E、F 燃料ガスの流れ,G、H、I 燃焼排ガスの流れ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a unit cell manifold structure and a stack structure of a solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Solid oxide fuel cells (SOFC) are roughly classified into flat plate types and cylindrical types (Energy Integrated Engineering 13-2, 1990). Since the electromotive force of the SOFC unit cell is about 1 V in open circuit and the current density is about several hundred mA / cm 2 at the time of actual use, the unit cells having a large power generation area can be easily connected in series or in parallel. It is important to be able to connect. From this point of view, the structure of the cell and its stack (collective cell) must be considered.
[0003]
In particular, in a stack structure of a solid oxide fuel cell, it is required to maintain airtightness between the oxidizing gas and the fuel gas at the operating temperature of the power generator. For example, in a so-called Westinghouse type solid oxide fuel cell, a cylindrical air electrode is used as a base, and a solid electrolyte membrane and a fuel electrode membrane are formed thereon. Further, the applicant of the present invention also relates to a flat unit cell having a structure in which a laminated sintered body composed of an air electrode and an interconnector is used as an air electrode / interconnector base, and a solid electrolyte membrane and a fuel electrode membrane are formed thereon. Disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-166518). In these stack structures, a so-called sealless structure is employed. That is, an oxidizing gas supply pipe is inserted into each oxidizing gas passage formed in each unit cell, and the oxidizing gas is supplied from each oxidizing gas supply pipe to the inside of the unit cell. Then, the exhaust oxidant gas discharged from each oxidant gas passage of the unit cell is guided to flow into the combustion chamber, and is reacted with the exhaust fuel gas in the combustion chamber.
[0004]
However, in this method, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-166518, for example, three or more oxidizing gas passages are provided in a single cell, and a gas supply pipe is provided in each oxidizing gas passage. It is necessary to insert. For this reason, many gas supply pipes are needed, and it is necessary to insert each gas supply pipe into each oxidizing gas passage of each unit cell separately.
[0005]
On the other hand, several methods for stacking a plurality of unit cells having a plurality of oxidizing gas passages to form a so-called stack structure have been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-226220). In this stack structure, a stack of unit cells having a rectangular parallelepiped shape is formed. In this stack, the individual cells are connected in series. Thereafter, current collector plates are brought into contact with the uppermost end portion and the lowermost end portion of the stack, respectively, and the stack and the current collector plate are accommodated in a metal outer shell and fixed. In this case, a heat insulating material layer is provided inside the outer shell. Then, the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas passage provided in the unit cell, and at the same time, the fuel gas is caused to flow inside the heat insulating layer, and the fuel gas is brought into contact with the fuel electrode outside each unit cell. Power generation is performed in a single cell. The electric power of the plurality of single cells connected in series is taken out from the pair of current collector plates.
[0006]
Then, air manifolds are respectively installed on two opposing surfaces of the four rounds of the unit cell stack, and air is allowed to flow from one manifold to the other manifold. In addition, fuel manifolds are provided on the remaining two opposing surfaces of the four rounds of the unit cell stack, and fuel gas flows from one manifold to the other manifold.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the following problems remain in the cell stack structure as described above. For example, in the stack structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-226220, an oxidizing gas manifold member is fixed to two opposing surfaces among the four surfaces of a stack composed of a plurality of unit cells, and the stack and each manifold member are The gap is sealed rigidly with a gasket or sealing material to prevent mixing of oxidizing gas and fuel gas. In such a structure, a large number of single cells are rigidly fixed to the manifold member, and the space between the manifold member and each single cell is hermetically sealed.
[0008]
However, when power is actually generated, the airtightness at the boundary between the manifold member and the stack tends to decrease, and this tendency becomes more prominent as the operation time becomes longer. When this airtightness is lowered, it causes a reduction in power generation efficiency and electromotive force.
[0009]
An object of the present invention is to prevent a decrease in hermeticity at the boundary between a manifold member and a single cell even when the battery is operated for a long time, particularly in a solid oxide fuel cell having a plurality of gas passages, It is to be able to prevent a drop in electromotive force.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Solid oxide fuel cell according to the present invention, between the air electrode, the fuel electrode and comprises a solid electrolyte, and gas passage for the flow of one of the power generation gas is one end surface and other end surface even without least a unit cell which is provided a plurality of rows so as to extend in, for the introduction or evacuation of the one of the power generation gas to each gas passage of the, attached to said one end face of the unit cell a manifold member comprises a ceramic gas flow pipe which is attached to this manifold member, said manifold member, said projecting wall protruding toward towards said one end face of the unit cell A cell fixing space for inserting and fixing the end of the unit cell is formed inside the protruding wall, and the unit cell fixing space communicates with the gas distribution space. And wherein the Rukoto.
[0011]
In addition, the present invention provides a stack structure including the solid oxide fuel cell , a plurality of unit cells, a plurality of manifold members separately attached to the plurality of unit cells, and a plurality of unit cells. And a container for housing the unit cell.
[0012]
As a result of examining the cause of the decrease in airtightness at the boundary between the manifold member and the stack, the present inventor has obtained the following knowledge. That is, the temperature inside the container that accommodates the stack reaches 1000 ° C. or higher during power generation, but at this time, the temperature of each single cell constituting the stack is not necessarily uniform. The cells at the top and bottom of the stack have a relatively low gas temperature, and the power generation efficiency tends to be low. However, in the single cell at the center of the stack, especially in the oxidizing gas passage near the center of the single cell, exhaust heat is concentrated, the temperature of the single cell rises, and this cell rise further increases the activity of the single cell. Therefore, the temperature of the central part of the stack tends to increase. This tendency becomes stronger as power generation time becomes longer.
[0013]
On the other hand, the thermal expansion coefficients of the unit cell, the metal manifold member, and the sealant interposed therebetween are different. At the time of operation, each cell constituting the stack and the manifold member have different degrees of thermal expansion, so stress concentrates near the boundary between the manifold member and the cell, particularly around the seal material. At this time, particularly in the unit cell located near the center of the stack, the difference in thermal expansion between the unit cell and the manifold member is large, whereas in the unit cell in the peripheral portion of the stack, the thermal expansion between the unit cell and the manifold member is large. The difference is small. Due to this difference in thermal expansion, it is considered that a thermal stress that causes a positional shift acts on the seal material between the manifold member and the single cell.
[0014]
In contrast, the present inventor separately prepares a manifold member for each unit cell, attaches the manifold member to one end surface side of the unit cell, and attaches a ceramic gas flow pipe to the manifold member. It has been conceived that the manifold member is provided with a gas distribution space communicating with the gas flow holes of the gas flow pipe and the plurality of rows of gas passages.
[0015]
Thereby, gas can be supplied from one manifold member to the plurality of gas passages of the unit cell. In addition, since the area of the seal portion between each unit cell and each corresponding manifold member is small, the sum of thermal stress due to the temperature difference in each part of the stack is concentrated on some unit cells. There is no. That is, the distortion concentrated on the boundary portion between each unit cell and each manifold member is small.
[0016]
Moreover, even when the degree of expansion and contraction of the individual cells constituting the stack is different, the individual cells can move relative to each other. At the same time, there is room for each gas supply pipe to change its direction and rotate in accordance with the minute position movement of each unit cell and absorb the relative position movement of each unit cell.
[0017]
In the present invention, the manifold member, member for supplying the power generation gas to each gas passage of the cell or from the gas passage of the cell, meaning the member for discharging the depleted power generation gas To do. Accordingly, the gas flow pipe becomes a gas supply pipe or a gas discharge pipe.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
When oxidizing gas is used as one power generating gas, fuel gas is used as the other power generating gas, and when oxidizing gas is used as the other power generating gas, fuel gas is used as one power generating gas. Is used.
[0019]
The material of the gas flow pipe and the manifold member must have heat resistance, durability against oxidizing gas and fuel gas. As such a material, alumina, alumina-magnesia spinel, and zirconia are preferable.
[0020]
In the present invention, the manifold member further includes a protruding wall portion protruding toward one end face of the unit cell, and the end portion of the unit cell is inserted and fixed inside the protruding wall portion. It is preferable to form a unit cell fixing space for communication and communicate the unit cell fixing space with the gas distribution space. At this time, if the protruding wall portions are in close contact with at least a pair of main surfaces of the unit cell , the airtightness of the solid oxide fuel cell is broken even with respect to stress acting in the main surface direction of the unit cell. more preferred because the Ku rather than made. In this case, by further bringing the projecting wall portion into close contact with the pair of side surfaces of the unit cell, the airtightness of the seal portion at the boundary between the manifold member and the unit cell is further maintained.
[0021]
These embodiments will be described in more detail with reference to FIGS.
[0022]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a unit cell 1 used in an embodiment of the present invention. 4 is a longitudinal sectional view showing a
[0023]
First, the
[0024]
A
[0025]
For example, three rows of quadrangular prism-shaped partition walls 4b are provided between the pair of
[0026]
The planar shape of the
[0027]
The
[0028]
Stacks such as shown in FIGS. 4 and 5 are configured by stacking and connecting the single cells as shown in FIG. 1 in series. In the
[0029]
In the present embodiment, one
[0030]
Each of the
[0031]
As a result, the
[0032]
In FIG. 4, a
[0033]
Corresponding to each unit cell, each oxidizing
[0034]
A solid oxide fuel cell will be described. 2 (a) is a front view of the
[0035]
As shown in FIG. 4, the
[0036]
The
[0037]
As shown in FIGS. 3 and 4, the oxidizing gas is supplied from the outside of the
[0038]
Further, the fuel gas is supplied from the outside of the outer shell into the power generation chamber as indicated by the arrow E, flows between the single cells, and through the
[0039]
In the
[0040]
In the present embodiment, a structure for urging the supply pipe toward the unit cell is provided at the supply-side end of each
[0041]
As in the present embodiment, it is preferable to employ a structure in which the preheating
[0042]
In the present invention, a temperature gradient of 700 ° C. or more between one
[0043]
In addition, it is particularly preferable that the protruding wall portion of the manifold member is in close contact with the pair of main surfaces of the unit cell, and is also in close contact with the pair of side surfaces of the unit cell. FIG. 6A is a front view showing such a
[0044]
As shown in FIG. 4, the
[0045]
One
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a solid oxide fuel cell having a plurality of gas passages, even when the cell is operated for a long time, deterioration in airtightness at the boundary between the manifold member and the unit cell is prevented. In addition, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency and electromotive force.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cell 1 that can be used in an embodiment of the present invention.
2A is a front view of a
FIG. 3 is a plan view showing a state in which the manifold member and the unit cell 1 are combined.
4 is a longitudinal sectional view showing a
5 is a cross-sectional view schematically showing the
6A is a front view of another
[Explanation of symbols]
1, 1A, 1B, 1C unit cell, 2 unit cell support, 3 air electrode plate, 4 separator, 5 oxidizing gas passage, 6 solid electrolyte membrane, 7 fuel electrode membrane, 8 stack structure, 10A, 10B outer shell, 11A, 11B insulation layer, 12A current collector plate, 12B other current collector plate, 13 insulating member, 14 container protrusion, 15 fuel gas passage, 19 preheating chamber, 24 oxidizing gas chamber, 30 combustion region, 32 Container, 36 Stack, 38 Power generation area of power generation chamber, 40 Movable seal device, 41, 43 Manifold member, 41a, 41b, 43a, 43b Protruding wall portion in close contact with main surface of unit cell, 41c, 43c Distribution space,
Claims (7)
前記マニホールド部材に、前記ガス流通管のガス流通孔および前記複数列のガス通路に対して連通しているガス分配空間が設けられており、前記マニホールド部材が、前記単電池の前記一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、この突出壁部の内側に前記単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間が形成されており、この単電池固定空間が前記ガス分配空間に連通していることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。 Even without least an air electrode, provided with a fuel electrode and a solid electrolyte, and a single gas passage for flowing one of the power generation gas is provided a plurality of rows so as to extend between one end face and the other end face a battery, for the introduction or evacuation of the one of the power generation gas to each gas passage of the, and the manifold member is mounted on said one end face of the unit cell, attached to the manifold member It is provided with a ceramic gas flow pipe and,
The manifold member is provided with a gas distribution space communicating with the gas flow holes of the gas flow pipe and the plurality of rows of gas passages, and the manifold member is formed on the one end surface of the unit cell. A projecting wall portion projecting toward the direction, and an end portion of the unit cell is inserted and fixed inside the projecting wall portion, and the unit cell fixing space is formed. A solid oxide fuel cell, wherein a space communicates with the gas distribution space .
このスタック構造が、複数の前記単電池と、これら複数の単電池にそれぞれ別個に取り付けられているマニホールド部材と、複数の前記単電池を収容するための容器とを備えていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池のスタック構造。A stack structure comprising the solid oxide fuel cell according to claim 1,
The stack structure includes a plurality of the unit cells, a manifold member separately attached to each of the plurality of unit cells, and a container for housing the plurality of unit cells. , Stack structure of solid oxide fuel cell.
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