JP6519352B2 - Fuel cell unit - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池ユニットに関し、特に、燃料極ガスおよび空気極ガスに基づいて発生した電流を取り出すための導体が各々に形成された複数の燃料電池セルを有する、固体酸化物形の燃料電池ユニットに関する。 The present invention relates to a fuel cell unit, and more particularly to a solid oxide fuel cell having a plurality of fuel cells each formed with a conductor for extracting an electric current generated based on a fuel electrode gas and an air electrode gas. It is about a unit.
この種の燃料電池ユニットでは、各々の燃料電池セルから取り出された電流を伝送するための金属板が、積層方向において隣り合う2つの燃料電池セルの間に設けられる。この金属板は、各々の燃料電池セルの温度を均一にするための均熱板を兼ねる。 In this type of fuel cell unit, a metal plate for transmitting the current extracted from each fuel cell is provided between two adjacent fuel cells in the stacking direction. This metal plate doubles as a heat equalizing plate for making the temperature of each fuel cell uniform.
ただし、燃料電池セルの表面や金属板の表面には微小な凹凸や反りが存在するため、燃料電池セルと金属板との間の微小な隙間を埋めるために、金属,合金または導電セラミックスの導電材が別途必要になる。 However, since fine irregularities and warpage exist on the surface of the fuel cell or on the surface of the metal plate, in order to fill the minute gap between the fuel cell and the metal plate, conductivity of metal, alloy or conductive ceramic is required. Material is required separately.
ところで、金属板および導電材は高温の酸化雰囲気または還元雰囲気に晒されるため、金属板および導電材には、耐熱性に加えて酸化雰囲気または還元雰囲気に対する耐性が求められる。 Incidentally, since the metal plate and the conductive material are exposed to a high temperature oxidizing atmosphere or reducing atmosphere, the metal plate and the conductive material are required to have resistance to the oxidizing atmosphere or reducing atmosphere in addition to heat resistance.
総じて、燃料電池セルをなすセパレータと金属板や導電材との間には、熱膨張係数に差が存在し、熱応力による導電パスの破壊が問題となることが多い。そこで、ばね機構,ネジ締め機構,バインド機構などの種々の荷重機構を別途設けて、金属板が燃料電池セルに密着するように荷重を掛ける方式を採用するケースが多い。 In general, there is a difference in thermal expansion coefficient between the separator forming the fuel cell and the metal plate or the conductive material, and the breakage of the conductive path due to the thermal stress often becomes a problem. Therefore, in many cases, various loading mechanisms such as a spring mechanism, a screw tightening mechanism, and a binding mechanism are separately provided to apply a load so that the metal plate is in close contact with the fuel cell.
しかし、燃料電池スタック以外に荷重機構を設ける必要があるため、燃料電池ユニットが大型化したり、セッティングが複雑化したり、コストが増大するなどの問題が生じる。 However, since it is necessary to provide a load mechanism in addition to the fuel cell stack, problems such as an increase in size of the fuel cell unit, complication of setting, and an increase in cost occur.
ここで、積層方向から眺めて金属板が導体と重なる最小限のサイズまで金属板のサイズを抑え、これによって確保された空き領域にスペーサを挿入し、挿入されたスペーサを上下の燃料電池セルに接着剤によって接合することで、熱応力による導電パスの破壊を防止することが考えられる。 Here, the size of the metal plate is reduced to the minimum size where the metal plate overlaps with the conductor as viewed from the stacking direction, the spacer is inserted into the vacant area secured thereby, and the inserted spacer is inserted into the upper and lower fuel cells By bonding with an adhesive, it is conceivable to prevent the destruction of the conductive path due to thermal stress.
しかし、これでは、燃料電池セルを一定段数以上積層した場合に、ヒートサイクルに起因するクラックが燃料電池セルに発生するおそれがある。つまり、熱膨張係数は燃料電池セルをなすセパレータと金属板や導電材との間で相違するため、ヒートサイクルに起因する応力がスペーサの近傍に集中し、この応力集中が燃料電池セルにクラックを生じさせるおそれがある。 However, in this case, when the fuel battery cells are stacked in a fixed number of stages or more, cracks may be generated in the fuel battery cells due to the heat cycle. That is, since the thermal expansion coefficient is different between the separator forming the fuel cell and the metal plate or the conductive material, the stress caused by the heat cycle is concentrated in the vicinity of the spacer, and this stress concentration causes the fuel cell to crack. May cause it.
それゆえに、この発明の主たる目的は、燃料電池セルをなすセパレータと金属板や導電材との熱膨張係数の相違に起因して燃料電池セルにクラックが生じる懸念を軽減することができる、燃料電池ユニットを提供することである。 Therefore, the main object of the present invention is to reduce the possibility of the fuel cell being cracked due to the difference in thermal expansion coefficient between the separator forming the fuel cell and the metal plate or the conductive material. It is to provide a unit.
この発明の燃料電池ユニットは、固体電解質層と、固体電解質層を介して積層された燃料極層および空気極層と、燃料極層および空気極層にそれぞれ積層された複数のセパレータとを各々が備え、積層方向に直交する方向に延びて燃料極層および空気極層に燃料極ガスおよび空気極ガスをそれぞれ供給するガス流路と、燃料極ガスおよび空気極ガスに基づいて発生した電流を取り出すための導体とが各々に形成された複数の燃料電池セルを有する固体酸化物形の燃料電池ユニットであって、積層方向に隣り合う2つの燃料電池セルの間の位置でかつ積層方向から眺めて導体と重なる一部の位置に設けられ、導電材によって2つの燃料電池セルの各々と接合される金属板、および2つの燃料電池セルの間の位置でかつ積層方向から眺めて金属板を回避する位置に設けられ、2つの燃料電池セルの各々と接合されるスペーサを備え、2つの燃料電池セルの少なくとも一方は、積層方向から眺めたときに金属板と重なる第1領域と、積層方向から眺めたときにスペーサと重なる第2領域とを含み、第2領域の剛性は第1領域の剛性を上回る。 The fuel cell unit according to the present invention includes a solid electrolyte layer, a fuel electrode layer and an air electrode layer stacked via the solid electrolyte layer, and a plurality of separators stacked on the fuel electrode layer and the air electrode layer. A gas flow path extending in a direction perpendicular to the stacking direction to supply the fuel electrode gas and the air electrode gas to the fuel electrode layer and the air electrode layer, and the current generated based on the fuel electrode gas and the air electrode gas A solid oxide fuel cell unit having a plurality of fuel cells each formed with a conductor for each of the fuel cells, the fuel cell unit being positioned between two fuel cells adjacent in the stacking direction and viewed from the stacking direction A metal plate provided at a partial position overlapping the conductor and joined to each of two fuel cells by a conductive material, and a metal plate at a position between the two fuel cells and viewed from the stacking direction A spacer provided at a position to avoid and joined to each of two fuel cells, at least one of the two fuel cells has a first region overlapping with the metal plate when viewed from the stacking direction, and a stacking direction The rigidity of the second region is greater than the rigidity of the first region.
燃料電池セルのうち積層方向から眺めてスペーサと重なる領域の剛性は、積層方向から眺めて金属板と重なる領域の剛性を上回る。これによって、燃料電池セルをなすセパレータと金属板や導電材との熱膨張係数の相違に起因して燃料電池セルにクラックが生じる懸念を軽減することができる。 The rigidity of the area of the fuel cell unit as viewed in the stacking direction and overlapping with the spacer exceeds the rigidity of the area as viewed from the stacking direction and overlapping with the metal plate. By this, it is possible to reduce the concern that the fuel cell will be cracked due to the difference in thermal expansion coefficient between the separator forming the fuel cell and the metal plate or the conductive material.
好ましくは、スペーサのエッジ部は積層方向から眺めてガス流路を回避する位置でガス流路に沿って延びる。これによって、積層方向から眺めたときにスペーサと重なる領域で高い剛性が得られ、スペーサのエッジ部への応力集中によってガス流路にクラックが発生する懸念が軽減される。 Preferably, the edge of the spacer extends along the gas flow path at a position avoiding the gas flow path as viewed from the stacking direction. As a result, high rigidity is obtained in the area overlapping the spacer when viewed from the stacking direction, and the concern that a crack is generated in the gas flow path due to stress concentration on the edge portion of the spacer is reduced.
さらに好ましくは、ガス流路は燃料極ガスが流れる第1ガス流路および空気極ガスが流れる第2ガス流路を含み、エッジ部は第1ガス流路に沿って延びる第1エッジ部および第2ガス流路に沿って延びる第2エッジ部を含む。これによって、燃料極ガス用および空気極ガス用のいずれについても、ガス流路にクラックが発生する懸念が軽減される。 More preferably, the gas flow path includes a first gas flow path through which the fuel electrode gas flows and a second gas flow path through which the cathode gas flows, and the edge portion extends along the first gas flow path. 2 includes a second edge portion extending along the gas flow path. As a result, for both of the fuel electrode gas and the air electrode gas, the concern about the occurrence of cracks in the gas flow path is reduced.
好ましくは、複数の燃料電池セルの各々には積層方向に延びかつガス流路に燃料極ガスおよび空気極ガスを注入するマニホールドがさらに形成され、スペーサにはマニホールドに連通する貫通孔が形成される。燃料極ガスおよび空気極ガスはスペーサに形成された貫通孔を経て燃料電池セルのマニホールドに供給され、燃料電池セルの設計を変更することなく燃料極ガスおよび空気極ガスを燃料極および空気極に供給することができる。 Preferably, each of the plurality of fuel cells is further formed with a manifold extending in the stacking direction and injecting the anode gas and the cathode gas into the gas flow path, and the spacer is formed with a through hole communicating with the manifold. . The anode gas and the cathode gas are supplied to the manifold of the fuel cell via the through holes formed in the spacer, and the anode gas and the cathode gas are used as the anode and the cathode without changing the design of the fuel cell. Can be supplied.
好ましくは、複数の燃料電池セルは積層方向に直交する側面が面一となるように堆積され、スペーサは積層方向から眺めて側面よりも外方に突出する先端を有する。先端を燃料電池セルの側面よりも外方に突出させることで、燃料電池セルに掛かる負荷が抑制される。これによって、ガス流路にクラックが生じる懸念をさらに軽減することができる。 Preferably, the plurality of fuel cells are deposited so that the side surfaces orthogonal to the stacking direction are flush, and the spacer has a tip projecting outward from the side surface as viewed from the stacking direction. The load applied to the fuel cell is suppressed by causing the tip to project outward from the side surface of the fuel cell. This can further reduce the possibility of cracking in the gas flow path.
好ましくは、スペーサは互いに分離されかつスティック状に形成された複数の小スペーサを含む。これによって、スペーサの構造が単純化され、スペーサの取り回しが簡単になる。 Preferably, the spacer includes a plurality of small spacers separated from each other and formed in a stick shape. This simplifies the structure of the spacer and simplifies the handling of the spacer.
さらに好ましくは、複数の小スペーサの各々は積層方向から眺めて複数の燃料電池セルと重なる位置に配された端部を有し、端部の輪郭は積層方向から眺めて曲線を描く。これによって、端部への応力集中が緩和され、ガス流路にクラックが生じる懸念がさらに軽減される。 More preferably, each of the plurality of small spacers has an end portion disposed at a position overlapping with the plurality of fuel cells as viewed from the stacking direction, and the contour of the end portion curves as viewed from the stacking direction. This reduces stress concentration at the end and further reduces the possibility of cracking in the gas flow path.
好ましくは、スペーサは積層方向から眺めて2つの燃料電池セルと重なる位置に配された端部を有し、第2領域は、積層方向から眺めて端部と重なる端部領域と、積層方向から眺めて端部以外の部分と重なる非端部領域とを含み、端部領域の剛性は非端部領域の剛性を上回る。熱膨張率の相違に起因する応力はスペーサの端部にも集中するところ、端部領域の剛性を高くすることで、燃料電池セルにクラックが生じる懸念を軽減することができる。 Preferably, the spacer has an end disposed at a position overlapping the two fuel cells as viewed from the stacking direction, and the second region is an end region overlapping the end as viewed from the stacking direction; The rigidity of the end region is greater than the rigidity of the non-end region, including the non-end region that overlaps with the non-end portion in view. The stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient also concentrates on the end of the spacer. By increasing the rigidity of the end region, it is possible to reduce the possibility of cracking in the fuel cell.
さらに好ましくは、燃料極層および空気極層の各々は、スティック状に各々が形成されかつ均等な間隔で平行に配された複数の極、およびスティック状に形成されかつ複数の極のうち最も外側の極よりも外側に配された部分セパレータを含み、ガス流路は複数の極の間に配され、部分セパレータの幅はガス流路の幅よりも大きい。これによって、燃料電池セルにクラックが生じる懸念が軽減される。 More preferably, each of the fuel electrode layer and the air electrode layer is formed in a stick shape and has a plurality of poles arranged in parallel at equal intervals, and a stick shape and the outermost of the plurality of poles The gas flow path is disposed between the plurality of poles, and the width of the partial separator is larger than the width of the gas flow path. This reduces the risk of cracking in the fuel cell.
この発明によれば、燃料電池セルをなすセパレータと金属板や導電材との熱膨張係数の相違に起因して燃料電池セルにクラックが生じる懸念を軽減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the concern that the fuel cell will be cracked due to the difference in thermal expansion coefficient between the separator forming the fuel cell and the metal plate or the conductive material.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description of the following embodiments given with reference to the drawings.
[実施例1]
図1〜図5を参照して、この実施例の燃料電池ユニット10は、固体酸化物形の燃料電池ユニットであり、2つの燃料電池セル20aおよび20bを含む。燃料電池セル20aおよび20bは、各々の側面が面一となるように堆積され、これによって平板型の燃料電池スタック12が構成される。
Example 1
1 to 5, the
燃料電池セル20aおよび20bの各々の上面(表面)には、アノードANと電気的に接続されたビア導体VHf,VHf,…が露出する。また、燃料電池セル20aおよび20bの各々の下面(表面)には、カソードCTと電気的に接続されたビア導体VHa,VHa,…が露出する(図5参照)。燃料極ガスおよび空気極ガスに基づいて発生した電流は、アノードAN側のビア導体VHf,VHf,…とカソードCT側のビア導体VHa,VHa,…とによって外部に取り出される。
Via conductors VHf, VHf,... Electrically connected to the anode AN are exposed on the upper surfaces (surfaces) of the
なお、この実施例では、燃料電池スタック12をなす直方体の幅方向,奥行き方向および高さ方向に、X軸,Y軸およびZ軸をそれぞれ割り当てる。
In this embodiment, the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis are assigned to the width direction, the depth direction, and the height direction of the rectangular parallelepiped that makes up the
燃料電池セル20aおよび20bの各々にはまた、燃料極ガス用の2つのマニホールドMFf1およびMFf2と、空気極ガス用の2つのマニホールドMFa1およびMFa2とが形成される(図4,図5参照)。マニホールドMFf1,MFf2,MFa1およびMFa2はいずれも、燃料電池セル20aおよび20bの各々の内部をZ軸方向に延び、燃料電池セル20aおよび20bの各々の上面および下面に形成された貫通孔HLf1,HLf2,HLa1およびHLa2とそれぞれ連通する。
In each of the
Z軸方向から眺めると、マニホールドMFf1およびMFf2は燃料電池セル20aおよび20bの各々の上面中央を基点としてY軸方向に延びる直線上に帯状に形成され、マニホールドMFa1およびMFa2は燃料電池セル20aおよび20bの各々の上面中央を基点としてX軸方向に延びる直線上に帯状に形成される。
When viewed from the Z-axis direction, manifolds MFf1 and MFf2 are formed in a strip extending in a straight line extending in the Y-axis direction from the upper center of each of
より詳しくは、マニホールドMFf1は上面中央よりもY軸方向の正側に位置し、マニホールドMFf2は上面中央よりもY軸方向の負側に位置する。また、マニホールドMFa1は上面中央よりもX軸方向の正側に位置し、マニホールドMFa2は上面中央よりもX軸方向の負側に位置する。 More specifically, the manifold MFf1 is located on the positive side in the Y-axis direction with respect to the center of the upper surface, and the manifold MFf2 is located on the negative side in the Y-axis direction with respect to the center of the upper surface. Further, the manifold MFa1 is located on the positive side in the X-axis direction with respect to the center of the upper surface, and the manifold MFa2 is located on the negative side in the X-axis direction with respect to the center of the upper surface.
なお、Z軸方向から眺めて、貫通孔HLf1はマニホールドMFf1と重なる位置に形成され、貫通孔HLf2はマニホールドMFf2と重なる位置に形成され、貫通孔HLa1はマニホールドMFa1と重なる位置に形成され、貫通孔HLa2はマニホールドMFa2と重なる位置に形成される。 When viewed from the Z-axis direction, the through hole HLf1 is formed at a position overlapping the manifold MFf1, the through hole HLf2 is formed at a position overlapping the manifold MFf2, and the through hole HLa1 is formed at a position overlapping the manifold MFa1. The HLa 2 is formed at a position overlapping the manifold MFa 2.
したがって、アノードAN側のビア導体VHf,VHf,…は、マニホールドMFf1,MFf2,MFa1およびMFa2を基準に4分割される。同様に、カソードCT側のビア導体VHa,VHa,…も、マニホールドMFf1,MFf2,MFa1およびMFa2を基準に4分割される。 Therefore, the via conductors VHf, VHf,... On the anode AN side are divided into four on the basis of the manifolds MFf1, MFf2, MFa1 and MFa2. Similarly, the via conductors VHa, VHa,... On the cathode CT side are also divided into four based on the manifolds MFf1, MFf2, MFa1 and MFa2.
図4〜図5に示すように、燃料電池セル20aは、セパレータSP1を基材とする空気極側導体層121,セパレータSP2を基材とする空気極層122,電解質ELを基材とする電解質層123,セパレータSP4を基材とする燃料極層124,およびセパレータSP5を基材とする燃料極側導体層125がこの順で積層されてなる。
As shown in FIGS. 4 to 5, the
なお、セパレータSP2は部分セパレータSP21〜SP23を含み、セパレータSP4は部分セパレータSP41〜SP43を含む(詳細は後述)。また、燃料電池セル20aおよび20bは同じ構造を有するため、共通の部材に共通の参照符号を付すことで、燃料電池セル20bの構造に関する説明は省略する。
The separator SP2 includes partial separators SP21 to SP23, and the separator SP4 includes partial separators SP41 to SP43 (details will be described later). Further, since the
ビア導体VHa,VHa,…および貫通孔HLf1,HLf2,HLa1,HLa2は、空気極側導体層121をなすセパレータSP1に設けられる。ビア導体VHa,VHa,…はいずれも、Z軸方向から眺めて貫通孔HLf1,HLf2,HLa1およびHLa2を回避し、さらにマニホールドMFf1,MFf2,MFa1およびMFa2を回避する位置に設けられる。また、ビア導体VHa,VHa,…の一方端および他方端は、セパレータSP1の上面および下面にそれぞれ露出する。
The via conductors VHa, VHa,... And the through holes HLf1, HLf2, HLa1, and HLa2 are provided in the separator SP1 forming the air electrode
ビア導体VHf,VHf,…および貫通孔HLf1,HLf2,HLa1およびHLa2は、燃料極側導体層125をなすセパレータSP5に設けられる。ビア導体VHf,VHf,…のいずれも、Z軸方向から眺めて貫通孔HLf1,HLf2,HLa1およびHLa2を回避し、さらにマニホールドMFf1,MFf2,MFa1およびMFa2を回避する位置に設けられる。また、ビア導体VHfの一方端および他方端は、セパレータSP5の上面および下面にそれぞれ露出する。
The via conductors VHf, VHf,... And the through holes HLf1, HLf2, HLa1 and HLa2 are provided in the separator SP5 forming the fuel electrode
空気極層122において、部分セパレータSP21〜SP23は共通の厚みを有してスティック状に形成される。部分セパレータSP21はX軸方向における負側端部の位置をY軸方向に延び、部分セパレータSP22はX軸方向における中央の位置をY軸方向に延び、部分セパレータSP23はX軸方向における正側端部の位置をY軸方向に延びる。
In the
部分セパレータSP21の幅は部分セパレータSP23の幅と一致し、部分セパレータSP22の幅は部分セパレータSP21およびSP23の各々の幅のほぼ2倍である。マニホールドMFf1およびMFf2は、部分セパレータSP22に設けられる。 The width of the partial separator SP21 coincides with the width of the partial separator SP23, and the width of the partial separator SP22 is approximately twice the width of each of the partial separators SP21 and SP23. The manifolds MFf1 and MFf2 are provided in the partial separator SP22.
部分セパレータSP21〜SP23によって挟まれる領域には、部分セパレータSP21〜S23の厚みと同じ厚みを有しかつスティック状に形成された複数のカソード(空気極)CT,CT,…が設けられる。カソードCT,CT,…のいずれも、空気極層122のY軸方向における長さの1/2を下回る長さを有し、X軸方向に所定の間隔をおいてY軸方向に延在する。
In a region sandwiched by the partial separators SP21 to SP23, a plurality of cathodes (air electrodes) CT, CT, ... having the same thickness as the thickness of the partial separators SP21 to S23 and formed in a stick shape are provided. Each of the cathodes CT, CT,... Has a length smaller than half of the length of the
カソードCT,CT,…の一部については、Y軸方向における負側の端面が部分セパレータSP21〜SP23のY軸方向における負側の端面と面一となるように設けられる。また、カソードCT,CT,…の他の一部については、Y軸方向における正側の端面が部分セパレータSP21〜SP23のY軸方向における正側の端面と面一となるように設けられる。 The negative end surface of the cathodes CT, CT,... Is provided so as to be flush with the negative end surface of the partial separators SP21 to SP23 in the Y-axis direction. The other end of cathodes CT, CT,... Is provided so that the end face on the positive side in the Y-axis direction is flush with the end face on the positive side in the Y-axis direction of partial separators SP21 to SP23.
こうして配置されたカソードCT,CT,…の一部には、ビア導体VHa,VHa,…が設けられる。ビア導体VHa,VHa,…はZ軸方向に延在し、カソードCT,CT,…の上面および下面に露出する。また、Z軸方向から眺めたとき、空気極層122に設けられたビア導体VHa,VHa,…は、空気極側導体層121に設けられたビア導体VHa,VHa,…と重なる。
Via conductors VHa, VHa,... Are provided in parts of cathodes CT, CT,. The via conductors VHa, VHa,... Extend in the Z-axis direction and are exposed on the upper and lower surfaces of the cathodes CT, CT,. Further, when viewed from the Z-axis direction, the via conductors VHa, VHa,... Provided in the
マニホールドMFa1およびMFa2は、カソードCT,CT,…と部分セパレータSP21〜23とによって形成される。また、X軸方向に並ぶカソードCT,CT,…の間には、各々がY軸方向に延びる空気極用のガス流路GRa,GRa,…が形成される。つまり、X軸に沿って眺めたとき、カソードCTおよびガス流路GRaは交互に並ぶ。 The manifolds MFa1 and MFa2 are formed by the cathodes CT, CT,... And the partial separators SP21 to SP23. Further, gas channels GRa, GRa,... For air electrodes extending in the Y-axis direction are formed between the cathodes CT, CT,. That is, when viewed along the X-axis, the cathodes CT and the gas channels GRa are alternately arranged.
燃料極層124において、部分セパレータSP41〜SP43は共通の厚みを有してスティック状に形成される。部分セパレータSP41はY軸方向における負側端部の位置をX軸方向に延び、部分セパレータSP22はY軸方向における中央の位置をX軸方向に延び、部分セパレータSP23はY軸方向における正側端部の位置をX軸方向に延びる。
In
部分セパレータSP41の幅は部分セパレータSP43の幅と一致し、部分セパレータSP42の幅は部分セパレータSP41およびSP43の各々の幅のほぼ2倍である。マニホールドMFa1およびMFa2は、部分セパレータSP42に設けられる。 The width of the partial separator SP41 matches the width of the partial separator SP43, and the width of the partial separator SP42 is approximately twice the width of each of the partial separators SP41 and SP43. The manifolds MFa1 and MFa2 are provided to the partial separator SP42.
部分セパレータSP41〜SP43によって挟まれる領域には、部分セパレータSP41〜S43の厚みと同じ厚みを有しかつスティック状に形成された複数のアノード(燃料極)AN,AN,…が設けられる。アノードAN,AN,…のいずれも、燃料極層124のX軸方向における長さの1/2を下回る長さを有し、Y軸方向に所定の間隔をおいてX軸方向に延在する。
In the region sandwiched by the partial separators SP41 to SP43, a plurality of anodes (fuel electrodes) AN, AN,... Having the same thickness as the thickness of the partial separators SP41 to S43 and formed in a stick shape are provided. Each of the anodes AN, AN,... Has a length smaller than half of the length of the
アノードAN,AN,…の一部については、X軸方向における負側の端面が部分セパレータSP41〜SP43のX軸方向における負側の端面と面一となるように設けられる。また、アノードAN,AN,…の他の一部については、X軸方向における正側の端面が部分セパレータSP41〜SP43のX軸方向における正側の端面と面一となるように設けられる。 The anodes AN, AN,... Are provided such that the end face on the negative side in the X-axis direction is flush with the end face on the negative side in the X-axis direction of the partial separators SP41 to SP43. In addition, the other end of anodes AN, AN,... Is provided so that the end face on the positive side in the X-axis direction is flush with the end face on the positive side in the X-axis direction of partial separators SP41 to SP43.
こうして配置されたアノードAN,AN,…の一部には、ビア導体VHf,VHf,…が設けられる。ビア導体VHf,VHf,…はZ軸方向に延在し、アノードAN,AN,…の上面および下面に露出する。また、Z軸方向から眺めたとき、燃料極層124に設けられたビア導体VHf,VHf,…は、燃料極側導体層125に設けられたビア導体VHf,VHf,…と重なる。
Via conductors VHf, VHf,... Are provided in parts of anodes AN, AN,. The via conductors VHf, VHf,... Extend in the Z-axis direction and are exposed on the upper and lower surfaces of the anodes AN, AN,. Further, when viewed from the Z-axis direction, the via conductors VHf, VHf,... Provided in the
マニホールドMFf1およびMFf2は、アノードAN,AN,…と部分セパレータSP41〜43とによって形成される。また、X軸方向に並ぶアノードAN,AN,…の間には、各々がX軸方向に延びる燃料極用のガス流路GRf,GRf,…が形成される。つまり、Y軸に沿って眺めたとき、アノードANおよびガス流路GRfは交互に並ぶ。 Manifolds MFf1 and MFf2 are formed by anodes AN, AN,... And partial separators SP41 to SP43. Further, between anodes AN, AN,... Aligned in the X-axis direction, gas flow paths GRf, GRf,. That is, when viewed along the Y axis, the anodes AN and the gas channels GRf are alternately arranged.
電解質層123は、電解質ELにマニホールドMFf1,MFf2,MFa1,MFa2を形成してなる。空気極層122に設けられたカソードCT,CT,…の上面は電解質層123の下面に配置され、燃料極層124に設けられたアノードAN,AN,…の下面は電解質層123の上面に配置される。
The
図2に戻って、集電板16aは、4つの小集電板161a〜164aによって形成される。小集電板161a〜164aの各々の上面または下面の面積は、燃料電池セル20aの上面または下面の面積の1/4をやや下回る。また、図3に示す集電板16bは、4つの小集電板161b〜164bによって形成される。小集電板161b〜164bの各々の上面または下面の面積も、燃料電池セル20bの上面または下面の面積の1/4をやや下回る。
Returning to FIG. 2, the
小集電板161aは、その下面がビア導体VHf,VHf,…の一部と対向するように、燃料電池セル20aの上面のX軸方向正側でかつY軸方向正側の位置に配される。小集電板162aは、その下面がビア導体VHf,VHf,…の他の一部と対向するように、燃料電池セル20aの上面のX軸方向負側でかつY軸方向正側の位置に配される。
The small
小集電板163aは、その下面がビア導体VHf,VHf,…のその他の一部と対向するように、燃料電池セル20aの上面のX軸方向負側でかつY軸方向負側の位置に配される。小集電板164aは、その下面がビア導体VHf,VHf,…のさらにその他の一部と対向するように、燃料電池セル20aの上面のX軸方向正側でかつY軸方向負側の位置に配される。
The small
小集電板161bは、その上面がビア導体VHa,VHa,…の一部と対向するように、燃料電池セル20bの下面のX軸方向正側でかつY軸方向正側の位置に配される。小集電板162bは、その上面がビア導体VHa,VHa,…の他の一部と対向するように、燃料電池セル20bの下面のX軸方向負側でかつY軸方向正側の位置に配される。
The small
小集電板163bは、その上面がビア導体VHa,VHa,…のその他の一部と対向するように、燃料電池セル20bの下面のX軸方向負側でかつY軸方向負側の位置に配される。小集電板164bは、その上面がビア導体VHa,VHa,…のさらにその他の一部と対向するように、燃料電池セル20bの下面のX軸方向正側でかつY軸方向負側の位置に配される。
The small
これによって、小集電板161a〜164aつまり集電板16aはビア導体VHf,VHf,…と電気的に接続され、小集電板161b〜164bつまり集電板16bはビア導体VHa,VHa,…と電気的に接続される。
Thus, the small
固定板14aの上面または下面は燃料電池スタック12の上面の面積とほぼ一致する面積を有し、固定板14bの上面または下面は燃料電池スタック12の下面の面積とほぼ一致する面積を有する。
The upper surface or lower surface of the fixing
固定板14aは、その下面の一部が集電板16aの上面と対向するように集電板16aの上面に配される。固定板14bは、その上面の一部が集電板16bの下面と対向するように集電板16bの下面に配される。ここで、固定板14aおよび14bの各々の側面は、燃料電池スタック12の側面に対して面一となる(ただし、面一であることは必須ではない)。また、固定板14bについては、マニホールドMFf1,MFf2,MFa1およびMFa2が形成される。集電板16aおよび16bは、こうして配された固定板14aおよび14bによって固定される。
The fixed
スペーサ18aは、燃料電池セル20aの上面から固定板14aの下面までの距離を集電板16aの厚みと同等の距離に調整するべく、集電板16aが欠落する位置で、燃料電池セル20aと固定板14aとの間に配される。スペーサ18bは、燃料電池セル20bの下面から固定板14bの上面まで距離を集電板16bの厚みと同等の距離に調整するべく、集電板16bが欠落する位置で、燃料電池セル20bと固定板14bとの間に配される。
The
このとき、スペーサ18aの下面は燃料電池セル20aの上面と対向し、スペーサ18aの上面は固定板14aの下面と対向する。同様に、スペーサ18bの上面は燃料電池セル20bの下面と対向し、スペーサ18aの下面は固定板14bの上面と対向する。
At this time, the lower surface of the
また、集電板16aおよび16bの各々が上述のように配されることから、スペーサ18aおよび18bの各々の上面または下面は十字をなす。スペーサ18bについては、マニホールドMFf1,MFf2,MFa1およびMFa2とそれぞれ連通する4つの貫通孔THf1,THf2,THa1およびTHa2が形成される。なお、スペーサ18aおよび18bの各々の先端は、燃料電池スタック12の側面よりも外方に突出する(詳細は後述)。
Also, since each of the
燃料電池セル20aおよび20bの間には、金属板22が配される。金属板22は、燃料電池セル20aおよび20bから取り出された電流を集電板16aおよび16bに伝送し、かつ燃料電池セル20aおよび20bの温度を均一化する。
A
金属板22もまた、4つの小金属板221〜224によって形成される。小金属板221〜224の各々の上面または下面の面積は、燃料電池セル20aおよび20bの各々の上面または下面の面積の1/4をやや下回る。
The
小金属板221は、その上面がビア導体VHa,VHa,…の一部と対向しかつその下面がビア導体VHf,VHf,…の一部と対向するように、燃料電池セル20aおよび20bの間のX軸方向正側でかつY軸方向正側の位置に配される。小金属板222は、その上面がビア導体VHa,VHa,…の他の一部と対向しかつその下面がビア導体VHf,VHf,…の他の一部と対向するように、燃料電池セル20aおよび20bの間のX軸方向負側でかつY軸方向正側の位置に配される。
Between the
小金属板223は、その上面がビア導体VHa,VHa,…のその他の一部と対向しかつその下面がビア導体VHf,VHf,…のその他の一部と対向するように、燃料電池セル20aおよび20bの間のX軸方向負側でかつY軸方向負側の位置に配される。小金属板224は、その上面がビア導体VHa,VHa,…のさらにその他の一部と対向しかつその下面がビア導体VHf,VHf,…のさらにその他の一部と対向するように、燃料電池セル20aおよび20bの間のX軸方向正側でかつY軸方向負側の位置に配される。
The
燃料電池セル20aに設けられたビア導体VHa,VHa,…は、こうして配された金属板22を介して、燃料電池セル20bに設けられたビア導体VHf,VHf,…と電気的に接続される。
Via conductors VHa, VHa,... Provided in
スペーサ24は、燃料電池セル20aの下面から燃料電池セル20bの上面までの距離を金属板22の厚みと同等の距離に調整するべく、金属板22が欠落する位置で燃料電池セル20aおよび20bの間に配される。このとき、スペーサ24の上面は燃料電池セル20aの下面と対向し、スペーサ24の下面は燃料電池セル20bの上面と対向する。
In order to adjust the distance from the lower surface of the
また、金属板22が上述のように配されることから、スペーサ24の上面または下面は十字をなす。スペーサ24にはさらに、マニホールドMFf1,MFf2,MFa1およびMFa2とそれぞれ連通する4つの貫通孔THf1,THf2,THa1およびTHa2が形成される。なお、スペーサ24の先端は、燃料電池スタック12の側面よりも外方に突出する(詳細は後述)。
Further, since the
図6から分かるように、燃料電池セル20aの上面と集電板16aの下面との間には、導電材26が配される。燃料電池セル20bの下面と集電板16bの上面との間にも、導電材26が配される。燃料電池セル20aと集電板16aとの間または燃料電池セル20bと集電板16bとの間に生じた微小な隙間は、導電材26によって埋められる。
As can be seen from FIG. 6, a
また、燃料電池セル20aの上面およびスペーサ18aの下面の間、ならびに固定板14aの下面およびスペーサ18aの上面の間には、接着剤28が配される。接着剤28は、燃料電池セル20bの下面およびスペーサ18bの上面の間、ならびに固定板14bの上面およびスペーサ18bの下面の間にも配される。この結果、固定板14aはスペーサ18aを介して燃料電池セル20aに固着され、固定板14bはスペーサ18bを介して燃料電池セル20bに固着される。
Further, an adhesive 28 is disposed between the upper surface of the
さらに、燃料電池セル20aの下面と金属板22の上面との間には、導電材26が配される。燃料電池セル20bの上面と金属板22の下面との間にも、導電材26が配される。金属板22と燃料電池セル20aおよび20bの各々との間に生じた微小な隙間は、導電材26によって埋められる。
Furthermore, a
また、燃料電池セル20aの下面およびスペーサ24の上面の間には接着剤28が配され、燃料電池セル20bの上面およびスペーサ24の下面の間にも接着剤28が配される。この結果、燃料電池セル20aおよび20bは、スペーサ24を介して互いに固着される。
The adhesive 28 is disposed between the lower surface of the
固定板14a〜14bおよびスペーサ18a〜18b,24は、3YSZ(イットリア安定化ジルコニア)を材料とする。燃料電池セル20aおよび20bの各々をなすセパレータSP1〜SP5も、3YSZを材料とする。したがって、熱膨張係数は、固定板14a〜14b,スペーサ18a〜18b,24およびセパレータSP1〜SP5の間で互いに同一である。また、集電板16a〜16bおよび金属板22は、フェライト系ステンレスを材料とし、導電材26は導電セラミックスであるLSM(ランタンストロンチウムマンガナイト)を材料とする。
The fixed
なお、固定板14a〜14b,スペーサ18a〜18b,24およびセパレータSP1〜SP5の間での熱膨張係数の相違は、5%以内であるのが好ましい。また、固定板14a〜14b,スペーサ18a〜18b,24およびセパレータSP1〜SP5の各々と集電板16a〜16bおよび金属板22の各々との間での熱膨張係数の差は、2ppm/℃以内とされる。
The difference in thermal expansion coefficient among the fixed
集電板16a〜16b,金属板22および導電材26の材料は、基本的には、金属,合金または導電セラミックスの中から任意に選択できる。ただし、燃料電池セル20a〜20b,集電板16a〜16bおよび金属板22には、燃料電池ユニット10が動作する環境下で熱応力が生じる。
Basically, the materials of the
したがって、熱応力の抑制ひいては接続不良の回避の観点から、導電材26の材料は、固定板14a〜14b,スペーサ18a〜18b,24およびセパレータSP1〜SP5の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料とすることが好ましい。
Therefore, the material of the
また、電気抵抗を抑制する観点から、導電材26は、導電性セラミックスであればLaSrMnO3,LaCrO3,LaCoO3,MnCoO3などをベースにしたものが好ましく、貴金属であればAg,Pd,Au,Pt,Rh,Ru或いはこれらのうちの2種以上から成る合金が好ましい。
From the viewpoint of suppressing the electrical resistance, the
さらに、導電材26は、燃料電池セル20aと集電板16aとの間に生じた微小な隙間、燃料電池セル20bと集電板16bとの間に生じた微小な隙間、ならびに金属板22と燃料電池セル20aおよび20bの各々との間に生じた微小な隙間を埋めるために配される。したがって、導電材26は、この熱応力を緩和する構造(メッシュ構造,フェルト構造,スポンジ構造,多孔質構造など容易に変形可能な構造)とされる。また、導電材26は、このような構造を有する導電シートとその両面に塗布された導電ペーストとによって構成されてもよい。
In addition, the
また、接着剤28は、結晶化ガラスを材料とし、700℃近傍で軟化するとともに900〜1000℃で結晶化する。軟化しかつ結晶化した接着剤28は、固定板14a〜14b,スペーサ18a〜18b,24,燃料電池セル20a〜20bに密着する。この結果、固定板14aはスペーサ18aを介して燃料電池セル20aに固着し、固定板14bはスペーサ18bを介して燃料電池セル20bに固着し、そして燃料電池セル20aおよび20bはスペーサ24を介して互いに固着する。
The adhesive 28 is made of crystallized glass and softens at around 700 ° C. and crystallizes at 900 to 1000 ° C. The softened and crystallized adhesive 28 is in close contact with the fixing
マニホールドMFa1およびMFa2を流れた空気極ガスは、ガス流路GRa,GRa,…を経て燃料電池スタック12の外部に排出される。また、マニホールドMFf1およびMFf2を流れた燃料極ガスは、ガス流路GRf,GRf,…を経て燃料電池スタック12の外部に排出される。
The cathode gas flowing through the manifolds MFa1 and MFa2 is discharged to the outside of the
空気極ガスは、マニホールドMFa12,MFa22およびガス流路GRa,GRa,…を流れるときに、カソードCT1〜CT4と接触する。また、燃料極ガスは、マニホールドMFf14,MFf24およびガス流路GRf,GRf,…を流れるときに、アノードAN1〜AN4と接触する。空気極ガスおよび燃料極ガスには化学式1および2に従う化学反応が生じ、この結果、プラス電圧およびマイナス電圧が電解質ELの両面に現れる。
[化1]
1/2O2+2e−→O2−
[化2]
H2+O2−→H2O+2e−
The cathode gas comes in contact with the cathodes CT1 to CT4 when flowing through the manifolds MFa12, MFa22 and the gas flow paths GRa, GRa,. Further, the fuel electrode gas comes in contact with the anodes AN1 to AN4 when flowing through the manifolds MFf14, MFf24 and the gas flow paths GRf, GRf,. The cathode gas and the anode gas undergo chemical reactions according to
[Chemical formula 1]
1 / 2O 2 + 2e - → O 2-
[Chemical formula 2]
H 2 + O 2- → H 2 O + 2 e −
空気極ガスおよび燃料極ガスの一部は、化学反応を起こすことなく、燃料電池セル20aおよび20bの外部に排出される。空気極ガスは、複数のカソードCT,CT,…と交互に形成された複数のガス流路GRa,GRa,…を経て排出される。また、燃料極ガスは、複数のアノードAN,AN,…と交互に形成された複数のガス流路GRf,GRf,…を経て排出される。排出された空気極ガスおよび燃料極ガスは互いに反応して熱を発生し、これによって熱自立が図られる。
The cathode electrode gas and a part of the anode electrode gas are discharged outside the
燃料電池セル20bを構成する燃料極層124、燃料電池セル20a〜20bの間に設けられた金属板22およびスペーサ24、および燃料電池セル20aを構成する空気極層122は、図7に示すように積層される。
The
このうち、燃料極層124,金属板22およびスペーサ24を斜視および平面視した状態を図8(A)および図8(B)に示し、金属板22,スペーサ24および空気極層122を斜視および平面視した状態を図9(A)および図9(B)に示す。さらに、図8(B)に描かれた積層構造の一部を拡大した状態を図10に示し、図9(B)に描かれた積層構造の一部を拡大した状態を図11に示す。
Among these, FIGS. 8A and 8B show the
図8(B)および図9(B)から分かるように、燃料電池セル20aおよび20bの各々をなす領域のうち、Z軸方向から眺めて金属板22と重なる領域が“第1領域RG1”とされ、Z軸方向から眺めてスペーサ24と重なる領域が“第2領域RG2”とされる。また、スペーサ24は4つの先端24p,24p,…を有し、いずれの先端24pも燃料電池セル20aおよび20bの側面よりも外方に突出する。
As can be seen from FIGS. 8B and 9B, of the regions forming each of the
さらに、図10および図11から分かるように、スペーサ24は、アノードAN,AN,…またはガス流路GRf,GRf,…に沿って延びるエッジ部EGf1およびEGf2を有し、さらにカソードCT,CTまたはガス流路GRa,GRa,…に沿って延びるエッジ部EGa1およびEGa2を有する。
Furthermore, as can be seen from FIGS. 10 and 11, the
このうち、エッジ部EGf1およびEGf2は、Z軸方向から眺めて部分セパレータSP42と重なる位置(つまりガス流路GRfを回避する位置)をX軸方向に延びる。また、エッジ部EGa1およびEGa2は、Z軸方向から眺めて部分セパレータSP22と重なる位置(つまりガス流路GRaを回避する位置)をY軸方向に延びる。 Among these, the edge portions EGf1 and EGf2 extend in the X-axis direction from a position overlapping with the partial separator SP42 (that is, a position avoiding the gas flow path GRf) as viewed from the Z-axis direction. Further, the edge portions EGa1 and EGa2 extend in the Y-axis direction from a position overlapping with the partial separator SP22 (that is, a position avoiding the gas flow path GRa) as viewed from the Z-axis direction.
上述のように、金属板22は導電材26によって燃料電池セル20a,20bの各々と接合され、スペーサ24は接着剤28によって燃料電池セル20a,20bの各々と接合されるところ、熱膨張係数は燃料電池セル20a,20bの各々をなすセパレータSP1〜SP5と金属板22または導電材26との間で相違するため、燃料電池セル20a,20bに接合されたスペーサ24のエッジ部EGf1,EGf2,EGa1またはEGa2に引張応力が集中する。一方、燃料電池セル20aおよび20bにおいては、ガス流路GRf,GRf,…またはガス流路GRa,GRa,…が形成された位置の強度が構造的に低下する。
As described above, the
この結果、エッジ部EGf1,EGf2がZ軸方向から眺めてガス流路GRf,GRf,…と重なる場合、或いはエッジ部EGa1,EGa2がZ軸方向から眺めてガス流路GRa,GRa,…と重なる場合、エッジ部EGf1,EGf2,EGa1またはEGa2への引張応力の集中によって、ガス流路GRfまたはGRaにクラックが生じるおそれがある。 As a result, when the edge portions EGf1 and EGf2 overlap with the gas flow paths GRf, GRf, ... as viewed from the Z-axis direction, or the edge portions EGa1 and EGa2 overlap with the gas flow paths GRa, GRa, ... as viewed from the Z-axis direction In this case, concentration of tensile stress on the edge portions EGf1, EGf2, EGa1 or EGa2 may cause a crack in the gas flow path GRf or GRa.
この実施例によれば、エッジ部EGf1,EGf2はZ軸方向から眺めてガス流路GRf,GRf,…を回避する位置をガス流路GRf,GRf,…に沿って延び、エッジ部EGa1,EGa2もまたZ軸方向から眺めてガス流路GRa,GRa,…を回避する位置をガス流路GRa,GRa,…に沿って延びる。この結果、燃料電池セル20aおよび20bにおいては、第2領域RG2の剛性が第1領域RG1に剛性を上回る。
According to this embodiment, the edge portions EGf1, EGf2 extend along the gas flow paths GRf, GRf,... So as to avoid the gas flow paths GRf, GRf,. The position which avoids the gas flow paths GRa, GRa,... Also extends along the gas flow paths GRa, GRa,. As a result, in the
これによって、燃料電池セル20a,20bの各々をなすセパレータSP1〜SP5と金属板22または導電材26との間での熱膨張係数の相違に起因してガス流路GRf,GRf,…またはガス流路GRa,GRa,…にクラックが生じる懸念を軽減することができる。
Thereby, the gas flow paths GRf, GRf,... Or the gas flow due to the difference in the thermal expansion coefficient between the separators SP1 to SP5 forming each of the
また、この実施例では、Z軸方向から眺めたとき、スペーサ24の先端24pは、燃料電池セル20aおよび20bの側面よりも外方に突出する。このような突出を予め許容する設計とすることで、スペーサ24の寸法のばらつきや配置時の位置精度のばらつきのマージンを大きくすることができる。
Further, in this embodiment, when viewed from the Z-axis direction, the
さらに、熱膨張係数の相違に起因する引張応力はスペーサ24の先端24pにも集中するところ、この先端24pを燃料電池セル20aおよび20bの側面よりも外方に突出させることで、燃料電池セル20aおよび20bに掛かる負荷が抑制される。これによって、ガス流路GRf,GRf,…またはガス流路GRa,GRa,…にクラックが生じる懸念をさらに軽減することができる。
Furthermore, the tensile stress due to the difference in thermal expansion coefficient is also concentrated on the
なお、この実施例では、エッジ部EGf1およびEGf2は、Z軸方向から眺めて部分セパレータSP42と重なる位置をX軸方向に延びる。また、エッジ部EGa1およびEGa2は、Z軸方向から眺めて部分セパレータSP22と重なる位置をY軸方向に延びる。 In this embodiment, the edge portions EGf1 and EGf2 extend in the X-axis direction at a position overlapping the partial separator SP42 as viewed from the Z-axis direction. Further, the edge portions EGa1 and EGa2 extend in the Y-axis direction at a position overlapping the partial separator SP22 as viewed from the Z-axis direction.
しかし、エッジ部EGf1,EGf2がX軸に沿って延びる位置は、Z軸方向から眺めてアノードAN,AN…と重なる位置であってもよい。同様にエッジ部EGa1,EGa2がY軸に沿って延びる位置は、Z軸方向から眺めてカソードCT,CT,…と重なる位置であってもよい。 However, the position where the edge portions EGf1 and EGf2 extend along the X axis may be a position overlapping with the anodes AN, AN... When viewed from the Z axis direction. Similarly, the position where the edge portions EGa1 and EGa2 extend along the Y axis may be a position overlapping the cathodes CT, CT,... As viewed from the Z axis direction.
また、この実施例では、スペーサ24は、Z軸方向から眺めて十字を描くように一体的に形成される。しかし、図12に示すように、スペーサ24を4つの小スペーサ24f1,24f2,24a1および24a2に分割するようにしてもよい。
Further, in this embodiment, the
図12によれば、小スペーサ24f1,24f2,24a1および24a2は十字をなす4つの片にそれぞれ対応する。また、小スペーサ24f1,24f2,24a1および24a2の各々の挿入端(Z軸方向から眺めて燃料電池セル20aおよび20bの各々と重なる側の端部)に注目すると、挿入端はZ軸方向から眺めてガス流路GRf,GRfを回避する位置に配され(図8(B),図9(B)を併せて参照)、かつ挿入端の輪郭はZ軸方向から眺めて曲線を描く。
According to FIG. 12, the small spacers 24f1, 24f2, 24a1 and 24a2 respectively correspond to the four cross-shaped pieces. Also, focusing on the insertion end of each of the small spacers 24f1, 24f2, 24a1 and 24a2 (the end on the side overlapping with each of the
スペーサ24をこのように分割することで、スペーサ24の構造が単純化され、スペーサ24の取り回しが簡単になる。また、小スペーサ24f1,24f2,24a1および24a2の各々の挿入端をガス流路GRf,GRfから離れた位置に配置しかつ湾曲形状とすることで、挿入端への応力集中が緩和されることと相俟って、ガス流路GRf,GRfにクラックが生じる懸念を軽減することができる。
By dividing the
さらに、この実施例では、スペーサ24の先端24pを燃料電池セル20a,20bの側面よりも外方に突出させるようにしている。しかし、図13に示すように先端24pを湾曲形状とすれば、先端24pへの応力集中が緩和されるため、先端24pを燃料電池セル20a,20bの側面よりも内側に収めることができる。
Furthermore, in this embodiment, the
[実施例2]
図14〜図18を参照して、この実施例の燃料電池ユニット10´は、上述した燃料電池ユニット10とほぼ同様の構造なす固体酸化物形の燃料電池ユニットである。また、燃料電池ユニット10´をなす各部材の材料は、燃料電池ユニット10をなす各部材の材料と一致する。したがって、以下では、異なる構造を重点的に説明し、同様の構造に関する重複した説明は極力省略する。また、燃料電池ユニット10´を構成する部材のうち燃料電池ユニット10を構成する部材と同様の部材については、共通の符合に“´”を付すことで、重複した説明を極力省略する。
Example 2
With reference to FIGS. 14 to 18, the fuel cell unit 10 'of this embodiment is a solid oxide fuel cell unit having substantially the same structure as the
この実施例の燃料電池ユニット10´では、図17〜図18に示すように、部分セパレータSP21´およびSP23´の各々の幅が部分セパレータSP22´の幅とほぼ一致し、部分セパレータSP41´およびSP43´の各々の幅が部分セパレータSP42´の幅とほぼ一致する。 In the fuel cell unit 10 'of this embodiment, as shown in FIGS. 17 to 18, the width of each of the partial separators SP21' and SP23 'substantially matches the width of the partial separator SP22', and the partial separators SP41 'and SP43 The width of each of 'substantially coincides with the width of the partial separator SP42'.
この結果、空気極層122´の上面または下面は空気極層122の上面または下面よりも広く、燃料極層124´の上面または下面もまた燃料極層124の上面または下面よりも広い。また、部分セパレータSP21´およびSP23´の各々の幅は、ガス流路GRa´,GRa´,…の各々の幅よりも大きい。同様に、部分セパレータSP41´およびSP43´の各々の幅は、ガス流路GRf´,GRf´,…の各々の幅よりも大きい。
As a result, the upper or lower surface of the
さらに、燃料電池セル20a´および20b´の各々の側面は面一である。この結果、空気極側導体層121´の上面または下面は空気極側導体層121の上面または下面よりも広く、電解質層123´の上面または下面は電解質層123の上面または下面よりも広く、燃料極側導体層125´の上面または下面は燃料極側導体層125の上面または下面よりも広い。
Furthermore, the side surfaces of each of the
固定板14a´と燃料電池セル20a´との間に配された集電板16a´は、4つの小集電板161a´〜164a´によって形成される。小集電板161a´〜164a´の各々の上面または下面の面積は、部分セパレータSP21´,SP23´,SP41´,SP43´の各々の幅が増大された分だけ増大される。
A
Z軸方向から眺めると、小集電板161a´〜164a´に外接する矩形は、燃料電池セル20a´の輪郭と重なる。これに対して、Z軸方向から眺めたときに小集電板161a´〜164a´の間に現れる十字状の空隙の大きさは、Z軸方向から眺めたときに小集電板161a〜164aの間に現れる空隙の大きさと一致する。
When viewed from the Z-axis direction, the rectangle circumscribing the
同様に、燃料電池セル20b´と固定板14b´との間に配された集電板16b´は、4つの小集電板161b´〜164b´によって形成される。小集電板161b´〜164b´の各々の上面または下面の面積は、部分セパレータSP21´,SP23´,SP41´,SP43´の各々の幅が増大された分だけ増大される。
Similarly, the
Z軸方向から眺めると、小集電板161b´〜164b´に外接する矩形は、燃料電池セル20b´の輪郭と重なる。これに対して、Z軸方向から眺めたときに小集電板161b´〜164b´の間に現れる十字状の空隙の大きさは、Z軸方向から眺めたときに小集電板161b〜164bの間に現れる空隙の大きさと一致する。
When viewed from the Z-axis direction, the rectangle circumscribing the
燃料電池セル20a´および20b´の間に配された金属板22´もまた、4つの小金属板221´〜224´によって形成される。小金属板221´〜224´の各々の上面または下面の面積も、部分セパレータSP21´,SP23´,SP41´,SP43´の各々の幅が増大された分だけ増大される。
The metal plate 22 'disposed between the
Z軸方向から眺めると、小金属板221´〜224´に外接する矩形は、燃料電池セル20aまたは20bの輪郭と重なる。これに対して、Z軸方向から眺めたときに小金属板221´〜224´の間に現れる十字状の空隙の大きさは、Z軸方向から眺めたときに小金属板221〜224の間に現れる空隙の大きさと一致する。
When viewed from the Z-axis direction, the rectangle circumscribing the
また、小集電板161a´〜164a´の厚みは小集電板161a〜164aの厚みのほぼ2倍であり、小集電板161b´〜164b´の厚みは小集電板161b〜164bの厚みのほぼ2倍であり、小金属板221´〜224´の厚みは小金属板221〜224の厚みのほぼ2倍である。
In addition, the thickness of the
集電板16a´が欠落する位置で固定板14a´と燃料電池セル20a´との間に配されるスペーサ18a´は、集電板16a´の厚みのほぼ1/2の厚みを各々が有してZ軸方向に積層されたスペーサ181aおよび182aによって構成される。
The
ここで、スペーサ181aの上面は固定板14a´の下面と対向し、スペーサ181aの下面はスペーサ182aの上面と対向し、スペーサ182aの下面は燃料電池セル20a´の上面と対向する。また、スペーサ181aまたは182aの先端面(=XまたはY軸に直交する面)は、燃料電池セル20a´の側面と面一とされる。さらに、スペーサ181aおよび182aの各々がなす十字の幅は、スペーサ18aがなす十字の幅とほぼ一致する。
Here, the upper surface of the
集電板16b´が欠落する位置で燃料電池セル20b´と固定板14b´との間に配されるスペーサ18b´は、集電板16b´の厚みのほぼ1/2の厚みを各々が有してZ軸方向に積層されたスペーサ181bおよび182bによって構成される。
The
ここで、スペーサ181bの上面は燃料電池セル20b´の下面と対向し、スペーサ181bの下面はスペーサ182bの上面と対向し、スペーサ182bの下面は固定板14b´の上面と対向する。また、スペーサ181bまたは182bの先端面(=XまたはY軸に直交する面)は、燃料電池セル20b´の側面と面一とされる。さらに、スペーサ181bおよび182bの各々がなす十字の幅は、スペーサ18bがなす十字の幅とほぼ一致する。
Here, the top surface of the
金属板22´が欠落する位置で燃料電池セル20a´および20b´の間に配されるスペーサ24´は、金属板22´の厚みのほぼ1/2の厚みを各々が有してZ軸方向に積層されたスペーサ241および242によって構成される。
The spacers 24 'disposed between the
ここで、スペーサ241の上面は燃料電池セル20a´の下面と対向し、スペーサ241の下面はスペーサ242の上面と対向し、スペーサ242の下面は燃料電池セル20b´の上面と対向する。また、スペーサ241または242の先端面(=XまたはY軸に直交する面)は、燃料電池セル20a´および20b´の各々の側面と面一とされる。さらに、スペーサ241および242の各々がなす十字の幅は、スペーサ24がなす十字の幅とほぼ一致する。
Here, the upper surface of the
なお、集電板16b´および金属板22´の各々には、マニホールドMFf1´,MFf2´,MFa1´およびMFa2´とそれぞれ連通する4つの貫通孔THf1´,THf2´,THa1´およびTHa2´が形成される。
In addition, four through holes THf1 ', THf2', THa1 'and THa2' respectively communicating with the manifolds MFf1 ', MFf2', MFa1 'and MFa2' are formed in the
図19から分かるように、燃料電池セル20a´の上面と集電板16a´の下面との間には、導電材26´が配される。燃料電池セル20b´の下面と集電板16b´の上面との間にも、導電材26´が配される。燃料電池セル20a´と集電板16a´との間または燃料電池セル20b´と集電板16b´との間に生じた微小な隙間は、導電材26´によって埋められる。
As can be seen from FIG. 19, a conductive material 26 'is disposed between the upper surface of the
また、固定板14a´の下面とスペーサ181aの上面との間、スペーサ181aの下面とスペーサ182aの上面との間、ならびにスペーサ182aの下面と燃料電池セル20a´の上面との間には、接着剤28´が配される。接着剤28´は、燃料電池セル20b´の下面とスペーサ181bの上面の間、スペーサ181bの下面とスペーサ182bの上面との間、ならびにスペーサ182bの下面と固定板14b´の上面との間にも配される。
Also, bonding is performed between the lower surface of the fixed
この結果、固定板14a´はスペーサ181aおよび182aを介して燃料電池セル20a´に固着され、固定板14b´はスペーサ181bおよび182bを介して燃料電池セル20b´に固着される。
As a result, the fixed
さらに、燃料電池セル20a´の下面と金属板22´の上面との間には、導電材26´が配される。燃料電池セル20b´の上面と金属板22´の下面との間にも、導電材26´が配される。金属板22´と燃料電池セル20a´および20b´の各々との間に生じた微小な隙間は、導電材26´によって埋められる。
Further, a conductive material 26 'is disposed between the lower surface of the
また、燃料電池セル20a´の下面とスペーサ241の上面との間、スペーサ241の下面とスペーサ242の上面との間、ならびにスペーサ242の下面と燃料電池セル20b´の上面との間には、接着剤28´が配される。この結果、燃料電池セル20a´および20b´は、スペーサ241および242を介して互いに固着される。
Further, between the lower surface of the
燃料極層124´,金属板22´およびスペーサ24´を斜視および平面視した状態を図20(A)および図20(B)に示し、金属板22´,スペーサ24´および空気極層122´を斜視および平面視した状態を図21(A)および図21(B)に示す。
20A and 20B show the fuel electrode layer 124 ', the metal plate 22' and the spacer 24 'in a perspective view and a plan view, respectively, showing the metal plate 22', the spacer 24 'and the
図20(B)および図21(B)から分かるように、燃料電池セル20a´および20b´の各々をなす領域のうち、Z軸方向から眺めて金属板22´と重なる領域が“第1領域RG1´”とされ、Z軸方向から眺めてスペーサ24´と重なる領域が“第2領域RG2´”とされる。
As can be seen from FIGS. 20 (B) and 21 (B), of the regions forming each of the
また、スペーサ24´の端部24p´はZ軸方向から眺めて燃料電池セル20a´または20b´と重なるところ、第2領域RG2´のうち、Z軸方向から眺めて端部24p´と重なる領域が“端部領域RGp”とされ、Z軸方向から眺めて端部24p´以外の部分と重なる領域が“非端部領域RGn”とされる。
Further, the
さらに、部分セパレータSP21´またはSP23´の幅は部分セパレータSP21またはSP23の幅のほぼ2倍であり、部分セパレータSP41´またはSP43´の幅も部分セパレータSP41またはSP43の幅のほぼ2倍である。したがって、端部領域RGpの剛性は、非端部領域RGnの剛性を上回る。 Furthermore, the width of the partial separator SP21 'or SP23' is approximately twice the width of the partial separator SP21 or SP23, and the width of the partial separator SP41 'or SP43' is also approximately twice the width of the partial separator SP41 or SP43. Therefore, the stiffness of the end region RGp is greater than the stiffness of the non-end region RGn.
上述のように、金属板22´は導電材26´によって燃料電池セル20a´,20b´の各々と接合され、スペーサ24´は接着剤28´によって燃料電池セル20a´,20b´の各々と接合されるところ、熱膨張係数は燃料電池セル20a´,20b´の各々をなすセパレータSP1´〜SP5´と金属板22´または導電材26´との間で相違する。このような熱膨張係数の相違は、ヒートサイクルに起因する応力をスペーサ24´の近傍に集中させ、この応力集中が燃料電池セル20a´または20b´にクラックを生じさせる。
As described above, the metal plate 22 'is joined to each of the
これを踏まえて、この実施例では、端部領域RGpの剛性を非端部領域RGnの剛性よりも高くするようにしている。これによって、燃料電池セル20a´,20b´の各々をなすセパレータSP1´〜SP5´と金属板22´または導電材26´との間での熱膨張係数の相違に起因して燃料電池セル20aまたは20bにクラックが生じる懸念を軽減することができる。
Based on this, in this embodiment, the rigidity of the end region RGp is made higher than the rigidity of the non-end region RGn. As a result, due to the difference in the thermal expansion coefficient between the separators SP1 'to SP5' forming the
なお、この実施例でも、スペーサ24´のエッジ部のうちアノードAN´,AN´,…またはガス流路GRf´,GRf´,…に沿って延びるエッジ部は、Z軸方向から眺めて部分セパレータSP42´と重なる位置(つまりガス流路GRf´を回避する位置)をX軸方向に延びる。また、スペーサ24´のエッジ部のうちカソードCT´,CT´またはガス流路GRa´,GRa´,…に沿って延びるエッジ部は、Z軸方向から眺めて部分セパレータSP22´と重なる位置(つまりガス流路GRa´を回避する位置)をY軸方向に延びる。
Also in this embodiment, among the edge portions of the
したがって、実施例1と同様、燃料電池セル20a´,20b´の各々をなすセパレータSP1´〜SP5´と金属板22´または導電材26´との間での熱膨張係数の相違に起因してガス流路GRf´,GRf´,…またはガス流路GRa´,GRa´,…にクラックが生じる懸念を軽減することができる。
Therefore, as in the first embodiment, due to the difference in thermal expansion coefficient between the separators SP1 'to SP5' forming the
なお、上述した複数の実施例の構成は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせることができることは言うまでもない。 It is needless to say that the configurations of the plurality of embodiments described above can be combined appropriately as long as no contradiction arises.
10,10´ …燃料電池ユニット
12,12´ …燃料電池スタック
122,122´ …空気極層
123,123´ …固電解質層
124,124´ …燃料極層
AN,AN´ …燃料極
CT,CT´ …空気極
SP1〜SP5,SP1´〜SP5´ …セパレータ
GRf,GRf´ …ガス流路(第1ガス流路)
GRa,GRa´ …ガス流路(第2ガス流路)
VHf,VHa,VHf´,VHa´ …ビア導体(導体)
18a,18b,24,18a´,18b´,24´ …スペーサ
20a,20b,20a´,20b´ …燃料電池セル
24f1,24f2,24a1,24a2 …小スペーサ
22,22´ …金属板
26,26´ …導電材
28,28´ …接着剤
EGf1,EGf2 …エッジ部(第1エッジ部)
EGa1,EGa2 …エッジ部(第2エッジ部)
MFf1,MFf2,MFa1,MFa2,MFf1´,MFf2´,MFa1´,MFa2´ …マニホールド
THf1,THf2,THa1,THa2,THf1´,THf2´,THa1´,THa2´ …貫通孔
10, 10 '...
GRa, GRa '... gas flow path (second gas flow path)
VHf, VHa, VHf ', VHa' ... via conductors (conductors)
18a, 18b, 24, 18a ', 18b', 24 '... Spacers 20a, 20b, 20a', 20b '... Fuel cells 24f 1, 24f 2,
EGa1, EGa2 ... edge portion (second edge portion)
MFf1, MFf2, MFa1, MFa2, MFf1 ', MFf2', MFa1 ', MFa2' ... manifolds THf1, THf2, THa1, THa2, THf1 ', THf2', THa1 ', THa2' ... through holes
Claims (9)
前記積層方向に隣り合う2つの燃料電池セルの間の位置でかつ前記積層方向から眺めて前記導体と重なる一部の位置に設けられ、導電材によって前記2つの燃料電池セルの各々と接合される金属板、および
前記2つの燃料電池セルの間の位置でかつ前記積層方向から眺めて前記金属板を回避する位置に設けられ、前記2つの燃料電池セルの各々と接合されるスペーサを備え、
前記2つの燃料電池セルの少なくとも一方は、前記積層方向から眺めたときに前記金属板と重なる第1領域と、前記積層方向から眺めたときに前記スペーサと重なる第2領域とを含み、前記第2領域の剛性は前記第1領域の剛性を上回る、燃料電池ユニット。 A solid electrolyte layer, a fuel electrode layer and an air electrode layer stacked via the solid electrolyte layer, and a plurality of separators stacked on the fuel electrode layer and the air electrode layer, respectively, in the stacking direction In order to take out the current generated based on the fuel electrode gas and the air electrode gas, the gas flow path extending in the orthogonal direction and supplying the fuel electrode gas and the air electrode gas to the fuel electrode layer and the air electrode layer, respectively A solid oxide fuel cell unit having a plurality of fuel cells each formed with a conductor of
It is provided at a position between two fuel cells adjacent to each other in the stacking direction and at a partial position overlapping the conductor as viewed from the stacking direction, and is joined to each of the two fuel cells by a conductive material A metal plate, and a spacer provided at a position between the two fuel cells and at a position avoiding the metal plate as viewed from the stacking direction and joined to each of the two fuel cells;
At least one of the two fuel cells includes a first region overlapping with the metal plate when viewed from the stacking direction, and a second region overlapping with the spacer when viewed from the stacking direction, The fuel cell unit, wherein the rigidity of the two regions exceeds the rigidity of the first region.
前記エッジ部は前記第1ガス流路に沿って延びる第1エッジ部および前記第2ガス流路に沿って延びる第2エッジ部を含む、請求項2記載の燃料電池ユニット。 The gas flow path includes a first gas flow path through which the fuel electrode gas flows and a second gas flow path through which the air electrode gas flows,
The fuel cell unit according to claim 2, wherein the edge portion includes a first edge portion extending along the first gas flow path and a second edge portion extending along the second gas flow path.
前記スペーサには前記マニホールドに連通する貫通孔が形成される、請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池ユニット。 Each of the plurality of fuel cells is further formed with a manifold that extends in the stacking direction and injects the fuel electrode gas and the air electrode gas into the gas flow path.
The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 3, wherein a through hole communicating with the manifold is formed in the spacer.
前記スペーサは前記積層方向から眺めて前記側面よりも外方に突出する先端を有する、請求項1ないし4のいずれかに記載の燃料電池ユニット。 The plurality of fuel cells are deposited such that side surfaces orthogonal to the stacking direction are flush,
The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 4, wherein the spacer has a tip projecting outward from the side surface as viewed from the stacking direction.
前記第2領域は、前記積層方向から眺めて前記端部と重なる端部領域と、前記積層方向から眺めて前記端部以外の部分と重なる非端部領域とを含み、
前記端部領域の剛性は前記非端部領域の剛性を上回る、請求項1ないし4のいずれかに記載の燃料電池ユニット。 The spacer has an end disposed at a position overlapping the two fuel cells as viewed from the stacking direction.
The second region includes an end region overlapping with the end when viewed from the stacking direction, and a non-end region overlapping with a portion other than the end when viewing from the stacking direction,
The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 4, wherein the rigidity of the end region is greater than the rigidity of the non-end region.
前記ガス流路は前記複数の極の間に配され、前記部分セパレータの幅は前記ガス流路の幅よりも大きい、請求項8記載の燃料電池ユニット。 Each of the fuel electrode layer and the air electrode layer is formed in the shape of a stick and formed of a plurality of poles arranged in parallel at equal intervals, and formed in the shape of a stick and the outermost of the plurality of poles. Including a partial separator located outside of the pole,
The fuel cell unit according to claim 8, wherein the gas flow channel is disposed between the plurality of poles, and the width of the partial separator is larger than the width of the gas flow channel.
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