JP5097360B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックに関し、特に固体電解質形燃料電池セルの燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack formed by arranging a plurality of fuel cells, and more particularly to a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell.
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数接続されてなるセルスタックを、収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池セルとしては、固体高分子形燃料電池セル、リン酸形燃料電池セル、溶融炭酸塩形燃料電池セル、固体電解質形燃料電池セルなど、各種のものが知られている。とりわけ、固体電解質形燃料電池セルは、発電効率が高く、また、作動温度が700℃〜1000℃と高いため、その排熱を利用ができるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。 In recent years, various types of fuel cells in which a cell stack formed by connecting a plurality of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy. As such a fuel cell, various types such as a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid electrolyte fuel cell are known. In particular, solid electrolyte fuel cells have advantages such as high power generation efficiency and high operating temperatures of 700 ° C to 1000 ° C, so that the exhaust heat can be used, and research and development are being promoted. ing.
固体電解質形燃料電池セルは、例えば、燃料極層の表面に固体電解質層、空気極層を順次形成して構成されており、燃料極層側に燃料(水素)を流し、空気極層側に空気(酸素)を流して600〜1000℃程度で発電される。
このように固体電解質形燃料電池セルは、2種のガスを用い、しかも高温に曝されるため、高温においてもガスが漏出しないように、ガスの供給管やセルにおけるシール性について種々の改良がなされている。例えば、従来、合金製のガスマニホールドの側面に合金製のガス供給管を接合し、上面が開口した直方体形状のガスマニホールド本体の前記開口部に、セルスタックの支持板を接合したセルスタック装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この燃料電池では、セルスタックは、多数のセル挿入孔が形成された合金製支持板の前記セル挿入孔に燃料電池セルを挿入し、その隙間にガラス材料を充填し、支持板が気密にガスシールされた状態でガスマニホールドに接合されていた。
このような燃料電池では、例えば、水素等の燃料ガスがガス供給管を介してガスマニホールド内に供給され、この燃料ガスが、セルスタックを構成する燃料電池セル内部に形成されたガス通路に供給され、一方で、燃料電池セルの外部には空気が供給され、固体電解質層が燃料極層と空気極層で挟持された発電部において発電することができる。
また、前記合金製のマニホールドを用いないで、燃料電池セルの端部にガスを供給する孔をあけ、孔同士をリング形状のスペーサーを介して接続し、ガラス等のシール部材にて接着、封止した燃料電池スタックが提案されている(特許文献2参照)。このような燃料電池スタックでは、例えば、水素等の燃料ガスがスペーサー内に供給され、この燃料ガスが、セルスタックを構成する燃料電池セル内部に形成されたガス通路に供給され、一方で、燃料電池セルの外部には空気が供給され、固体電解質層が燃料極層と空気極層で挟持された発電部において発電することができる。
The solid electrolyte fuel cell is configured by, for example, sequentially forming a solid electrolyte layer and an air electrode layer on the surface of the fuel electrode layer, and flowing fuel (hydrogen) to the fuel electrode layer side, Electric power is generated at about 600 to 1000 ° C. by flowing air (oxygen).
As described above, since the solid oxide fuel cell uses two kinds of gas and is exposed to high temperature, various improvements have been made to the sealing performance in the gas supply pipe and the cell so that the gas does not leak even at high temperature. Has been made. For example, conventionally, a cell stack apparatus in which an alloy gas supply pipe is joined to the side surface of an alloy gas manifold, and a support plate of the cell stack is joined to the opening of a rectangular parallelepiped gas manifold body having an upper surface opened. It is known (see, for example, Patent Document 1).
In this fuel cell, the cell stack is configured such that a fuel cell is inserted into the cell insertion hole of an alloy support plate in which a number of cell insertion holes are formed, a glass material is filled in the gap, and the support plate is gastight. It was joined to the gas manifold in a sealed state.
In such a fuel cell, for example, a fuel gas such as hydrogen is supplied into a gas manifold via a gas supply pipe, and this fuel gas is supplied to a gas passage formed inside the fuel cell constituting the cell stack. On the other hand, air is supplied to the outside of the fuel cell, and power can be generated in the power generation unit in which the solid electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode layer and the air electrode layer.
Also, without using the alloy manifold, a hole for supplying gas is formed at the end of the fuel cell, the holes are connected to each other through a ring-shaped spacer, and bonded and sealed with a sealing member such as glass. A stopped fuel cell stack has been proposed (see Patent Document 2). In such a fuel cell stack, for example, a fuel gas such as hydrogen is supplied into the spacer, and this fuel gas is supplied to a gas passage formed inside the fuel cell constituting the cell stack, Air is supplied to the outside of the battery cell, and power can be generated in a power generation unit in which the solid electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode layer and the air electrode layer.
しかしながら、上記した特許文献1に開示された燃料電池では、合金製支持板のセル挿入孔に燃料電池セルを挿入し、その隙間にガラス材料を充填し、燃料電池セルをガラス材料により合金製支持板に気密に接合していたため、合金製支持板とガラス材料との熱膨張係数差により、作製時や発電時においてガラス材料にクラックや剥離等が生じるおそれがあり、ガスマニホールドのシール性が未だ低いという問題があった。
このため、複数の燃料電池セルの軸長方向一端部をガラス材料により一体化し、複数の燃料電池セルをガラス材料からなる矩形状のセル支持板に立設してセルスタックを形成し、このセルスタックを、上面が開口した合金製マニホールドの開口部にガラス材料により接合することも考えられるが、この場合においても、ガラス材料からなるセル支持板と合金製マニホールドとの熱膨張係数差により、燃料電池作製時や発電時においてガラス材料からなるセル支持板にクラックや剥離等が生じるおそれがあり、ガスマニホールドのシール性および強度に問題がある。
However, in the fuel cell disclosed in
For this reason, one end in the axial length direction of a plurality of fuel cells is integrated with a glass material, and a plurality of fuel cells are erected on a rectangular cell support plate made of a glass material to form a cell stack. It is conceivable that the stack is joined to the opening of the alloy manifold with the upper surface opened by a glass material. In this case, however, the fuel expansion is caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the cell support plate made of the glass material and the alloy manifold. There is a risk that cracks or peeling will occur on the cell support plate made of a glass material during battery production or power generation, and there is a problem in the sealing performance and strength of the gas manifold.
一方、上記した特許文献2に開示された燃料電池スタックでは、リング形状のスペーサーと燃料電池セルとの接合部に隙間などが形成しやすく、そのためガスリークの発生や接合強度が弱くなり破損しやすいといった問題があった。
本発明の目的は、金属部材や接続用のリング等のスペーサーを用いることなく、ガスの耐リーク性に優れるとともに、強度にも優れた燃料電池スタックを提供することにある。
On the other hand, in the fuel cell stack disclosed in Patent Document 2 described above, a gap or the like is likely to be formed at the joint between the ring-shaped spacer and the fuel cell, and therefore, gas leaks are generated and the joint strength is weakened and easily damaged. There was a problem.
An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that is excellent in gas leakage resistance and excellent in strength without using a spacer such as a metal member or a connecting ring.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのガスを供給する部位をシール部材により一体化して被覆封止することにより、耐リーク性に優れるとともに、強度にも優れる燃料電池スタックを提供できることを見出して、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive research to solve the above-mentioned problems, the present inventors have integrated a sealing member to cover and supply the gas supply portion of the fuel cell constituting the fuel cell stack. The present invention has been completed by finding that a fuel cell stack having excellent properties and strength can be provided.
即ち、本発明における燃料電池スタックは、以下の構成を有する。
(1)細長基板状の燃料電池セルの長手方向の一端部に、該燃料電池セルの一方の面から他方の面まで貫通した貫通孔を有し、前記貫通孔が一方向に並ぶように複数の前記燃料電池セルを束ねた燃料電池スタックにおいて、前記複数の燃料電池セルの内部にはそれぞれ長手方向にガス流路を有するとともに、前記複数の燃料電池セルの貫通孔を有する一端部がシール部材にて一体化され被覆封止されており、前記シール部材の内部に前記貫通孔同士が連通したガス供給路を形成し、該ガス供給路に前記ガス流路が連通していることを特徴とする燃料電池スタック。
(2)前記燃料電池セルの一端部底面まで前記シール部材にて被覆封止されていることを特徴とする(1)に記載の燃料電池スタック。
(3)ガス導入パイプが、前記ガス供給路に連通するように前記シール部材に接合されていることを特徴とする(1)または(2)に記載の燃料電池スタック。
(4)複数の前記燃料電池セルが、長手方向の向きを交互に変えて配設されていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の燃料電池スタック。
(5)前記シール部材は、無機材料からなることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の燃料電池スタック。
(6)略円形の前記貫通孔から、発電する領域を介した長手方向の他方の先端部までのガス流路の距離がそれぞれ略同一になるように、前記他方の先端部が膨出した形状を有することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の燃料電池スタック。
That is, the fuel cell stack in the present invention has the following configuration.
(1) A long substrate-like fuel cell unit has a through hole penetrating from one surface of the fuel cell to the other surface at one end in the longitudinal direction, and the plurality of the through holes are arranged in one direction. In the fuel cell stack in which the fuel cells are bundled, the plurality of fuel cells each have a gas flow path in the longitudinal direction, and one end portion having the through holes of the plurality of fuel cells is a sealing member And a gas supply path in which the through holes communicate with each other is formed inside the seal member , and the gas flow path communicates with the gas supply path. And fuel cell stack.
(2) The fuel cell stack according to (1), wherein the fuel cell is covered and sealed with the seal member up to a bottom surface of one end portion of the fuel cell.
( 3 ) The fuel cell stack according to ( 1 ) or (2) , wherein a gas introduction pipe is joined to the seal member so as to communicate with the gas supply path.
( 4 ) The fuel cell stack according to any one of (1) to ( 3 ), wherein the plurality of fuel cells are arranged with their longitudinal directions alternately changed.
( 5 ) The fuel cell stack according to any one of (1) to ( 4 ), wherein the seal member is made of an inorganic material.
(6) from a substantially circular said through-hole, so that the distance of the gas flow path to the other longitudinal tip through the area of the power generation is substantially the same, respectively, the shape of the other tip portion is bulged The fuel cell stack according to any one of (1) to ( 5 ), comprising:
本発明の燃料電池スタックは、(1)〜(2)によれば、ガス供給にかかる部位がシール部材により一体化して被覆封止された構造であるため、シール部位におけるリークを防止できるとともに、強度にも優れ、信頼性および発電性能の良好な燃料電池スタックを提供できる。
上記(3)によれば、外部からのガスを導入するパイプはシール部材により被覆接合されているため、シール部位が耐リーク性に優れる。
上記(4)によれば、貫通孔が一方向に並ぶように複数の前記燃料電池セルを束ねる際、長手方向の向きを交互に変えて配設することにより、発電性能の向上した燃料電池スタックを効率よくコンパクトな容積に収容でき、単位体積当たりの出力を向上させることができる。
上記(5)によれば、シール部材が無機材質からなるため、シール部位が耐リーク性に優れるとともに、強度にも優れ、高い信頼性を得られる。
上記(6)によれば、燃料電池セル内のガス流路において、貫通孔の境界部分から、発電する領域を介した他方の先端部までのガス流路の距離を同一距離とすることにより、各ガス流路の圧損を等しくできるので、均一な流量を保持でき、発電性能を向上できる。
According to (1) to ( 2 ), the fuel cell stack according to the present invention has a structure in which a portion for gas supply is integrated and sealed by a sealing member, so that leakage at the sealing portion can be prevented. It is possible to provide a fuel cell stack that is excellent in strength, excellent in reliability and power generation performance.
According to the above ( 3 ), since the pipe for introducing the gas from the outside is covered and joined by the seal member, the seal portion is excellent in leak resistance.
According to the above ( 4 ), when the plurality of fuel cells are bundled so that the through holes are aligned in one direction, the fuel cell stack with improved power generation performance is arranged by alternately changing the direction in the longitudinal direction. Can be efficiently accommodated in a compact volume, and the output per unit volume can be improved.
According to the above ( 5 ), since the sealing member is made of an inorganic material, the sealing part is excellent in leak resistance, excellent in strength, and high reliability can be obtained.
According to the above ( 6 ), in the gas flow path in the fuel cell, by making the distance of the gas flow path from the boundary portion of the through hole to the other tip through the power generation region the same distance, Since the pressure loss of each gas flow path can be made equal, a uniform flow rate can be maintained and power generation performance can be improved.
本発明の燃料電池スタックの一実施形態について、図1および図2を参照して、説明する。図1は、本発明に係る燃料電池スタックの一形態を示すもので、燃料電池スタック10は、長手方向にガス流路41aを有する板状の固体電解質形燃料電池セル40を複数配列して、該燃料電池セル40の一端部をシール部材11で被覆し、立設固定して構成されている。なお、図1で燃料電池セル40は一部省略し簡略化して記載した。
燃料電池セル40は、例えば、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状(中空平板型)であり、細長基板状とされており、その内部には複数のガス流路41aが長さ方向に貫通して形成されている。燃料電池セル40については後述する。
燃料電池スタック10は、燃料電池セル40を、その側面同士が対向するようにしてセル厚み方向に配列され、その燃料電池セル40間には、燃料電池セル40同士を直列に電気的に接続する集電部材14が配置されている。
一方、シール部材11は、絶縁性無機材料、例えば結晶化ガラスからなり、図1(b)に示すように、前記シール部材11内部には燃料電池セル40の一端部にある貫通孔12同士が円柱状の空間をなして連通しているガス供給路13が形成されている。ガス流路41aはガス供給路13と連通している。前記シール部材11の一方の側面は、前記ガス供給路13にガスを供給するガス導入パイプ15が接合されており、該ガス導入パイプ15は、パイプ部15bと、このパイプ部15bの先端に形成されたフランジ部15aからなり、フランジ部15aがシール部材11に接合されている。なお、フランジ部15aは前記シール部材11と同一材料もしくはガス導入パイプ15の構成部材とシール部材11との中間の熱膨張係数を有する材料により一体化して被覆封止されることが望ましい。
なお、フランジ部15aは必ずしも被覆されている必要はない。また、ガス導入パイプ15は耐熱性合金により形成するのが好ましいが、フランジ部15aをセラミックまたはガラス等の無機材料で形成することができ、この場合には、フランジ部15aをシール部材11に当接した状態で接合することができる。
An embodiment of the fuel cell stack of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 shows an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention. A
The
In the
On the other hand, the sealing
The
上記のように、本発明の燃料電池スタック10では、ガス導入パイプ15から導入されたガスは、ガス供給路13を介して各セルのガス流通路41aを通過し、余剰のガス及び発電により生じたガスが上端から排出される。ガス供給に係る部位がシール部材11により一体化して被覆封止されマニホールドを形成しているため、ガスの耐リーク性が高く、また強度においても優れており、高信頼性の燃料電池スタック10が得られる。また、金属部材や接続用リングを使用することなく、低コストで燃料電池スタック10を製造することができる。
As described above, in the
(製造方法)
以上のように構成された燃料電池スタック10は、図2に示すようにして作製することができる。なお、図2では、燃料電池セル40の一部を省略し、また、集電部材14も省略した。
先ず、図2(a)に示すように、上面が開口した有底直方体状のシール部材11の成形型31を準備する。この成形型31内に無機材質からなるペースト、例えばガラスペーストを流し込み、自然放置、あるいは乾燥機にて100℃程度の温度で乾燥させ、所定の厚さの接合層11aを形成しておく。流し込んだガラスペーストを仮焼しても良い。また、ガラスペーストを流し込む代わりに板状ガラスを配置しても良い。
(Production method)
The
First, as shown to Fig.2 (a), the shaping | molding die 31 of the bottomed rectangular parallelepiped shaped sealing
次に、燃料電池セル40下端部の所定の位置に所定の径の貫通孔12を形成した複数の燃料電池セル40を、前記貫通孔12が一方向に並ぶように、かつ前記燃料電池セル40間に集電部材14を配置して束ね、それらを貫通孔12のある下端部を下にして前記成形型31に入れる。成形型31の側壁には、貫通孔12とほぼ同じ大きさの貫通孔29が形成されており、成形型31の外側からこの貫通孔29および燃料電池セル40の貫通孔12に、貫通孔12、29とほぼ同一寸法および形状の中子30を嵌入する。このとき、中子30の一方の先端は前記成形型31の側壁内面から1〜10mm離れた位置になるよう嵌入する。こうすることにより、後に中子30を成形型31の外側に引き抜いたときに形成される空間には、一方の端部に閉塞部が、他の一方の端部に開口部が形成される。
Next, a plurality of
前記成形型31は、例えば、セラミック繊維成形体のように、スラリーの溶媒を吸収し、かつ濡れ性が悪い材料にて形成されており、また、中子30も同様の材料にて形成されている。中子30は、貫通孔12同士が連通しているガス供給路13の空間を形成するものであり、前記ガス供給路13の内部空間の形状は、貫通孔12と同じ形状をした中子30の形状にて決定される。例えば、中子30が円柱状であれば、この中子30を燃料電池セル40の貫通孔12に嵌入し、スラリーを流し込むことにより、前記ガス供給路13の内部空間も円柱状となる。
The
そして、この後、図2(b)に示すように、成形型31と中子30との間に、絶縁性無機材料からなるシール部材11を形成する。例えば、結晶化ガラスまたはセラミック粉末と、有機バインダ、溶媒等の有機成分を含有するスラリーを、少なくとも中子30の上面が覆われるまで流し込み、自然放置したり、あるいは乾燥機にて100℃程度の温度で乾燥して溶媒を揮発させた後、焼成する。焼成温度は、セラミック粉末の場合には、セラミックの焼結温度以上で焼成し、ガラス粉末の場合には、ガラス軟化点以上の温度、結晶化ガラス粉末では結晶化温度以上の温度で焼成する。
Thereafter, as shown in FIG. 2B, the sealing
その後、図2(c)に示すように、中子30をガス供給路13より引き抜いた後、接合層11aを残して成形型31を取り外し、ガス供給路13が開口した側面にフランジ部15aを接合する。このフランジ部15aをシール部材11と同じ材質の無機材料で厚み0.5〜5mmの厚さで一体的に被覆封止することもできる。そして、その後乾燥させて、焼成する。
なお、成形体の取り扱いが可能になる程度に仮焼した後、中子30を引きだし、成形型31を取り外し、この後に焼成しても良い。
Thereafter, as shown in FIG. 2C, after the
In addition, after calcining to such an extent that the molded body can be handled, the
即ち、ガス供給路13が開口した側面に合致する形状のフランジ部15aを有するガス導入パイプ15を準備する。該ガス導入パイプ15は、セラミックまたはガラス等からなるフランジ部15aに設けた貫通孔内に耐熱金属製のパイプ部15bを挿通して構成してもよい。なお、該パイプ部15bは燃料電池セル40もしくはシール部材11との熱膨張係数が近い材料でかつ高強度の無機材料で形成することができる。
そして、図1(c)に示すように、ガス供給路13が開口した側面に、前記フランジ部15aを当接し、フランジ部15aをシール部材11と同じ材質のスラリーで被覆封止する。そして、乾燥させて焼成し、本発明の燃料電池スタック40を作製することができる。
That is, the
Then, as shown in FIG. 1C, the
なお、シール部材11の材質としては、絶縁性無機材料が好ましく、シール性と耐高温変形性の点から、結晶化ガラスが好ましい。この場合、焼成は結晶化ガラスの軟化点温度以上で加熱して成形型31に合わせた一体成形とシール機能を持たせた後、結晶化温度以上として結晶化し、除冷をして得る。使用する結晶化ガラスとしては、燃料電池スタック10との熱膨張率が近いものであれば特に制限するものでないが、耐高温性の点で、シリカ系の結晶化ガラスを好適に用いることができる。
シール部材11の熱膨張係数は、燃料電池セル中で占める割合が大きい多孔質支持基板41の熱膨張係数に対して±1ppm以内とすることが望ましい。このように、熱膨張係数を燃料電池セルに近づけるという点では、シール部材11を構成する結晶化ガラスとして、多孔質支持基板41を構成する材料を10〜30質量%添加することが望ましい。
In addition, as a material of the sealing
The thermal expansion coefficient of the sealing
また、成形型31および中子30の材質としては、上記したように、シール部材11のスラリーの溶媒が吸収され易いもので、前記スラリーとの濡れ性が悪い材料からなるものが望ましい。溶媒が吸収されやすいと、スラリー中の原料粉の充填が良くなり、乾燥、焼成時の割れが起こりにくく、強度が強く、ガスシール性に優れたシール部材11が得られるからである。また、濡れ性が悪いと、乾燥、焼成時の収縮に伴う拘束力が弱くなるため、割れ難い。このような性質を有するものとしては、セラミック製断熱材が好ましい。このセラミック製断熱材は耐高温性にも優れ、スラリーと共に焼成が可能で、焼成後は簡単に取り除くことができるため、工程も容易となる。セラミック製断熱材としては、加工の容易さ、コストの点からアルミナ系繊維、あるいはアルミナ−シリカ系繊維からなる断熱材が好適である。
Further, as described above, the material of the
(他の実施形態)
本発明の燃料電池スタックの他の実施形態について、図を参照して、説明する。図3は、本発明に係る燃料電池スタックの他の形態を示すものである。前記燃料電池スタック10は、長手方向にガス流路41aを有する板状の固体電解質形燃料電池セル40を複数配列して、前記貫通孔12が一方向に並ぶように複数の前記燃料電池セル40を束ねる際、図3に示すように、長手方向の向きを交互に変えて配設し、複数の前記貫通孔12を有する一端部がシール部材11にて一体化して被覆封止されて構成されている。なお、図3で燃料電池セル40は一部省略し簡略化して記載した。
(Other embodiments)
Another embodiment of the fuel cell stack of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 shows another embodiment of the fuel cell stack according to the present invention. The
即ち、シール部材11内のガス供給路13を中心として、隣接するセル40がそれぞれ反対側に向けて延設され突出している。上記のように、燃料電池セル40を長手方向の向きを交互に変えて配設することにより、発電性能の向上した燃料電池スタックを効率よくコンパクトな容積に収容できる。なお、前記長手方向の一方の向きと他方の向きとがなす角度は、特に限定されるものでないが、180度であるのがよい。
また、前記燃料電池スタック10は、上記した一実施形態と同様の方法にて作製することができる。
例えば、予め燃料電池セル40のガス流路41a一端部へのシール部材11の侵入を防止するため焼成にて消失するパラフィンワックス等の有機物を充填する。燃料電池セル40の貫通孔12に予め中子30を嵌入する。そして、それらを燃料電池セル40の厚み分の切り込みを燃料電池セル40の挿入位置に合わせて形成された有底成形型31に、切り込みの底がセル側面R部に接触するまで挿入する。そしてシール部材11のスラリーを燃料電池セル40側面の他の一方のR部上面を覆うまで流し込む。
That is, with the
The
For example, in order to prevent the sealing
(燃料電池セル)
本発明で用いられる燃料電池セル40について、図を参照して、説明する。燃料電池セル40は、図5に示すように中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て棒状で細長基板状の多孔質支持基板(支持体)41を備えている。支持基板41の内部には、適当な間隔で4個の燃料ガス流路41a(ガス流路を形成する)が長さ方向(軸長方向)に貫通して形成されており、燃料電池セル40は、この支持基板41上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル40の複数を、図1に示すように、一列に配列して燃料電池スタック10を形成することができる。
(Fuel battery cell)
The
支持基板41は、平坦部Aと平坦部Aの両端の弧状部Bとからなっており、平坦部Aは主面を構成する。平坦部Aの両主面は互いにほぼ平行に形成され、平坦部Aの一方の主面と両側の弧状部Bを覆うように燃料極層42が設けられ、さらに、この燃料極層42を覆うように、緻密質な固体電解質層43が積層されており、この固体電解質層43の上には、燃料極層42と対向するように、平坦部Aの一方側の主面に空気極層44が積層されている。燃料極層42及び固体電解質層43は、平坦部Aの一方側の主面に、ガス流路形成方向Gに連続して形成されている。
また、燃料極層42及び固体電解質層43が積層されていない平坦部Aの他方側の主面には、インターコネクタ45が形成されている。図5から明らかな通り、燃料極層42及び固体電解質層43は、インターコネクタ45の両サイドにまで延びており、支持基板41の表面が外部に露出しないように構成されている。
The
Further, the other side of the major surface of the flat portion A of the
上記のような構造の燃料電池セル40では、燃料極層42の空気極層44と対向している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、空気極層44の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、かつ支持基板41内のガス通路41aに燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、空気極層44で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料極層42の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。
空気極層44: 1/2O2+2e- → O2- …(1)
燃料極層42: O2-+H2 → H2O+2e- …(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板41に取り付けられているインターコネクタ45を介して集電される。
In the
Air electrode layer 44: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (1)
Fuel electrode layer 42: O 2− + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
The current generated by such power generation is collected via an
なお、燃料電池セル40は、図4に示すように、略円形の前記貫通孔12から、発電する領域を介した長手方向の他方の先端部までのガス流路41aの距離がそれぞれ略同一になるように、前記他方の先端部が膨出した形状を有するのが好ましい。このように燃料電池セル40内の複数のガス流路41aにおいて、貫通孔12の境界部分から、発電する領域を介した他方の先端部までのそれぞれのガス流路41aの距離を同一距離とすることにより、各ガス流路41aの圧損を等しくできるので、各ガス流路41aを流れるガスが均一な流量となり、発電性能を向上できる。
The
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図5に示したように、支持基板41の一方の主面に発電素子部が、他方の主面にインターコネクタ45を配設した、所謂縦縞型の燃料電池セル40を示したが、横縞型燃料電池セルであってもよい。即ち、前記支持基板41の表面に、内側電極としての燃料極層42、固体電解質43および外側電極としての空気極層44が順次積層された多層構造の発電素子部を、支持基板41の軸長方向に所定間隔をおいて複数形成することにより構成されている。互いに隣接する発電素子部は、それぞれインターコネクタにより電気的に直列に接続されている。
In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, in the above embodiment, as shown in FIG. 5, the so-called vertical
幅26mm、厚み3mm、長さ150mmの縦縞形燃料電池セル40の下端部を切削することにより直径20mmの貫通孔12をあけた。次に、前記貫通孔12の部位を合わせて、貫通孔12をあけた10個の燃料電池セル40間に集電部材14をはさみ、積層して、燃料電池スタック10とした。このとき、前記貫通孔12には予め貫通孔12と同じ大きさに合わせた円柱状の中子30を挿入した。前記中子30は、アルミナ系繊維からなる断熱材を用いた。
一方、アルミナ系繊維からなる断熱材を用いて、縦100mm×横40mm×高さ50mmの容積を有する厚さ5mmの箱形状の成形型31を形成した。そしてその成形型31の底面に厚さ5mmになるよう硼珪酸ガラスからなるガラスペーストを流入し、乾燥させた。
次に、前記燃料電池セル40を積層した燃料電池スタック10を、貫通孔12部を下にして前記成形型31上に載置した。そして、ガラスペーストを中子30の上2mmの高さまで流し込み、乾燥させた後、900℃で焼成した。焼成後、前記成形型31および中子30を除去した。
A through
On the other hand, a box-shaped
Next, the
そして、前記成形型31および中子30を除去した後の燃料電池スタック10の開口部のある一端面に合わせて、耐熱合金製からなるパイプ部15bを接合したフランジ部15aをガラスシールにて接合し、フランジ部15aを硼珪酸ガラスにて被覆しそれを900℃で焼成して本発明の燃料電池スタック10を作製した。
Then, the
(耐リーク性)
得られた燃料電池セルスタック10の燃料電池セル40のシール材11に埋設された他方のガス流路41aをテープ等にて塞ぎ、ガス導入パイプ15より、20kPaに加圧された空気を導入した。そして、シール部分およびガス導入パイプ15接合部に石鹸水を塗布し、泡の発生の有無を目視により測定し、ガスリークのないことを確認した。
(Leakage resistance)
The other
10 燃料電池スタック
11 シール部材
11a 接合層
12 貫通孔
13 ガス供給路
14 集電部材
15 ガス導入パイプ
15a フランジ部
15b パイプ部
30 中子
31 成形型
40 燃料電池セル
41a ガス流路
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